三极管当开关使用
npn三级管开关工作原理图
玩转电子：探究npn三极管开关工作原理
npn三极管是一种重要的半导体器件，在许多电子设备中广泛应用。
它的工作原理可以用一张生动的图表来解释。
首先，我们需要知道npn三极管由两个pn结组成，其中一个p型
半导体夹在两个n型半导体之间。
当正极电压施加在集电极上时，集
电极和发射极之间的区域就形成了一个正向偏置，导致电子从n型区
流向p型区，同时空穴从p型区流向n型区。
这种电子和空穴的流动
使得集电极和发射极之间形成一条导电的通路，从而使npn三极管处
于导通状态。
但是，如果我们想把npn三极管变成开关，就需要在基极与发射
极之间加入一个电路控制器，比如一个开关。
当电路控制器处于关闭
状态时，基极的电压就很小，无法激活npn三极管的导电通路，从而
将它处于断开状态。
相反，当电路控制器处于开启状态时，基极的电
压就会大于n型半导体和p型半导体之间的结电压，从而将npn三极
管激活成导通状态。
总之，npn三极管的开关原理主要是通过控制基极与发射极之间的电压来实现。
当基极电压大于结电压时，npn三极管导通，反之则断开。
在实际应用中，我们可以使用npn三极管来控制电流或电压的大小，
从而实现自动化控制的目的。
谈谈三极管的开关功能
众所周知，三极管不仅可以用在放大电路上，在开关电路中也有非常广泛的应用。
对于三极管，我们不仅仅要理解它的输出特性曲线，更要弄清楚它的原理。
三极管开关电路中，是让三极管工作在饱和截止态，即集电结正偏，发射结正偏与集电结反偏的两种状态来表明开关状态。
如下图为一个简单的开关电路通过1脚的电压输入来控制开关管的开关。
在开关电路中，饱和状态若在深度饱和时会影响其开关速度，如下图框框中的即为深度饱和带来的延迟：饱和电路在基极电流乘放大倍数等于或稍大于集电极电流时是浅度饱和，远大于集电极电流时是深度饱和。
因此我们只需要控制其工作在浅度饱和工作状态就可以提高其转换速度，效果如下图所示。
三极管饱和很多模拟电路书中都会详细的讲三极管饱和的概念和过程。
但真要透彻理解，还是要一个过程吧。
每一次应用后，都会感觉自己的理解又有了一个提高。
希望今天能把自己的理解准确地表达出来首选我用PSPICE画了这个图。
大家可以先注意一下这个电阻，10K。
如果流过接近0.5mA的话，管子就饱和了。
我认为理解饱和，就先从这个电阻开始。
实际应用中，即使不是电阻，也是有源负载，它的电阻值是很大的。
三极管正常放大时，集电极电流是基极电流的B倍放大。
但当Ib再增加时，Ic的增加就会导致R1上的分压增加，Q1的集电极电位迅速下降，直到Vce很小，Vbe正偏，达到饱和。
饱和后Ic也就不再是Ib的B倍了，而是小于B倍。
再从三极管结构来讲：NPN管，当发射极的电子注入(有正向的Vbe)基区，再扩散到集电结边缘。
放大区工作时，反偏的电压会把边缘的电子立刻吸引到集电极。
当电流逐渐增加，反偏电压就会逐渐减小了。
当Ic大到使Vcb为0时，管子进入饱和，就不再有电场吸引这些结边缘的电子了，电子只能是扩散到集电极。
当Ic再增加时，Vbc就正偏了，会阻碍电子扩散了，但因为基区电子浓度太大了，所以能够满足Ic。
同时也是因为基区电子浓度大，在数字电路中，转换管子状态时，速度会很慢。
三极管的开关特性
三极管的开关特性在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。
三极管工作在饱和状态时，其UCES≈0，相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，IC≈0，相当于开关的断开状态，因此，三极管可当做开关器件使用。
结型场效应管场效应管（Fjeld Effect Transistor简称FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。
场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。
与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。
图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。
它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P+表示），形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。
在形成PN结过程中，由于P+区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大二、工作原理N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。
下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。
电路如图Z0123所示。
由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。
漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1．栅源电压UGS对导电沟道的影响（设UDS＝0）在图Z0123所示电路中，UGS ＜0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。
若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。
三极管的特征
三极管的特征三极管，也被称为双极型晶体管（bipolar junction transistor，简称BJT），是一种常见的半导体器件。
它具有三个区域：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
三极管具有许多特征，下面将逐一介绍。
1. 放大作用三极管的主要功能是放大电流和电压信号。
当在基极-发射极电流（IB）的作用下，由发射极-集电极电流（IC）的增大，即电流放大效应。
这使得三极管可以用作放大器，将弱信号放大为强信号，从而实现信号处理和传输。
2. 开关作用三极管还可以用作开关。
当输入信号的电压或电流超过一定的阈值时，三极管可以处于饱和状态，导通集电极和发射极之间的电流。
反之，当输入信号的电压或电流低于阈值时，三极管处于截止状态，不导通。
这种开关特性使得三极管广泛应用于数字电路和开关电源等领域。
3. 电流放大倍数三极管的电流放大倍数（或称为电流放大系数）是指集电极-发射极电流（IC）与基极-发射极电流（IB）之间的比值，用β表示。
β的数值通常在几十到几百之间。
电流放大倍数决定了三极管的放大能力，也是设计电路时需要考虑的重要参数之一。
4. 输入/输出阻抗三极管具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗。
输入阻抗决定了信号源与三极管之间的匹配程度，输出阻抗决定了三极管与负载电路之间的匹配程度。
较高的输入阻抗可以减少信号源的负载效应，较低的输出阻抗可以提供更好的信号传输能力。
5. 频率响应三极管的频率响应是指其对不同频率信号的放大能力。
一般来说，三极管在低频时具有较好的放大能力，但在高频时可能会出现衰减。
这是由于三极管内部结构和材料特性所致。
为了实现更高的频率响应，可以采用特殊工艺和结构设计。
6. 温度特性三极管的工作性能会受到温度的影响。
一般情况下，三极管的电流放大倍数会随着温度的升高而下降，而饱和电压会随温度的升高而增加。
这需要在设计电路时考虑温度补偿和稳定性。
7. 噪声三极管的工作过程中会产生一定的噪声。
三极管功能
三极管功能
三极管是一种半导体器件，具有放大、开关和稳压等多种功能。
下面主要介绍三极管的三种功能。
1. 放大功能：三极管可以将微弱的电信号放大成为较大的电信号。
当输入信号加在基极-发射极间时，三极管中的电流将得
到放大，其中的电压也会得到放大。
这样可以将微弱的信号放大到足以驱动其他设备的水平，如音频放大器中的输入信号。
2. 开关功能：三极管还可以用作开关。
当三极管的输入信号为0时，三极管处于关断状态，即关闭通路，输出电流为0。
当
输入信号为1时，三极管处于导通状态，即打开通路，输出电流为正常工作状态。
3. 稳压功能：三极管可以作为稳压管来使用，以稳定输出电压。
在稳压电路中，通过控制输入电流或输入电压，使得三极管正常工作在击穿状态，从而使输出电压保持稳定。
总的来说，三极管作为一种重要的电子元件，能够实现信号的放大、开关和稳压等功能，在通信、电子设备和电力系统等方面有着广泛的应用。
pnp三极管开关原理
pnp三极管开关原理
PNP三极管开关原理是当加正向电压时（即发射极接正极，基极接负极），即PNP三极管截止，相当于开关断开；当加反向电压时（即发射极接负极，基极接正极），空间电荷区增大，PNP三极管导通，相当于开关接通。
其具体工作原理如下：
1.截止状态。
当加正向电压时（即发射极接正极，基极接负极），即PNP三极管截止，相当于开关断开。
2.饱和状态。
当加反向电压时（即发射极接负极，基极接正极），空间电荷区增大，即发射结导通，电流从发射极流向基极。
这时，由于集电极和基极之间有一个正向偏置电压，集电电流可以从集电极流向负载。
通过调整基电流的大小，可以控制集电电流的流动，从而通过PNP三极管控制负载的工作状态。
三极管开关用法
三极管开关用法
三极管（又称双极型晶体管）可以作为开关使用。
在一个二极管中，三个控制端分别是基极（B）、发射极（E）和集电极（C）。
当电流通过基极流入或流出时，可以控制输出电流从
集电极流入或流出。
三极管作为开关的使用方法如下：
1. 饱和状态（开启）：当基极电流大于或等于基极电流阈值时，三极管处于饱和状态。
此时，集电极与发射极之间的电阻很小，相当于闭合的开关。
输入信号可以驱动输出负载。
2. 截止状态（关闭）：当基极电流小于或等于基极电流阈值时，三极管处于截止状态。
此时，集电极与发射极之间的电阻很大，相当于断开的开关。
输入信号无法驱动输出负载。
通过控制基极电流的大小，可以控制三极管的开关状态。
与二极管相比，三极管可以在较小的输入信号下实现更大的输出信号。
这使得三极管在电子电路中广泛应用，例如放大、开关和逻辑门电路等。
NPN与PNP的区别及工作原理
NPN和PNP作为开关管的设计技巧以及全系列三极管参数1.1 NPN与PNP的区别NPN和PNP主要是电流方向和电压正负不同。
NPN是用B—E的电流（IB）控制C—E的电流（IC），E极电位最低，且正常放大时通常C极电位最高，即VC>VB>VE。
PNP是用E—B的电流（IB）控制E—C的电流（IC），E极电位最高，且正常放大时通常C极电位最低，即VC<VB<VE。
1.2 NPN和PNP作为开关的使用三极管做开关时，工作在截至和饱和两个状态。
一般是通过控制三极管的基极电压Ub来控制三极管的导通与断开。
NPN型 PNP型图1 NPN与PNP如上图1所示，对于NPN来说，使Ube<Uon，三极管断开，Ube>Uon，三极管导通，其中一般Ue接地，则只需控制Ub,使Ub>Uon即可使之导通。
对于PNP来说，使Ueb<Uon，三极管断开，Ueb>Uon，三极管导通，其中一般Uc 接地，所以要使三极管导通既要控制Ue又要控制Ub使Ueb>Uon才行。
所以一般是Ue为某个固定电压值，只通过控制Ub来就可以控制三极管的导通与断开。
对比NPN与PNP可知：NPN做开关时，适合放在电路的接地端使用，如图2里面Q6； PNP做开关时，适合放在电路的电源端使用，如图3。
我们一般使用芯片I/O口来控制LED灯，I/O口的逻辑电平一般为高电平3 V左右，低电平为0.3V左右。
因此可以直接控制NPN管开关，如图2里面的Q6；一般不直接控制PNP管，如图3。
我们前控板设计LED的控制电路采用如下图2的NPN三极管对地较为合适，并且双色灯最好是使用共阳双色灯。
以双色灯的控制为例，如下图2所示图2 双色灯的控制图2中Q6,Q4是放在发光二极管的接地端只需要Ub>0.7V即可导通。
图3 电源的控制图3中Q35就放在电源端，E为固定12V,只需控制B极来导通三极管。
以下是普遍用法：NPN基极高电压，集电极与发射极短路.低电压，集电极与发射极开路.也就是不工作。
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三极管开关电路设计一、概述三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。
图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。
图1基本的三极管开关由图1可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上，输入电压V in则控制三极管开关的开启(open)与闭合(closed)动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。
详细的说，当V in为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管工作于截止(cutoff)区；当V in为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管工作于饱和区(saturation)。
二、三极管开关电路的分析设计由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6V，因此欲使三极管截止，V in必须低于0.6V，以使三极管的基极电流为零。
通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使V in值低于0.3V。
当然输入电压愈接近0V便愈能保证三极管开关必处于截止状态。
欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。
欲如此就必须使V in达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc 均跨在负载电阻上，如此则V CE 便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。
在理想状况下，根据欧姆定律，三极管呈饱和时，其集电极电流应该为：LDR CC V )(C I =饱和因此，基极电流最少应为：LDR *CC V )(C I)(B I β=β=饱和饱和………………………………………………（式1）上式表出了I C 和I B 之间的基本关系，式中的β值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管而言，其交流β值和直流β值有着很大的差异。
欲使开关闭合，则其Vin 值必须够高，以送出超过或等于(式1)式所要求的最低基极电流值。
由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路，故Vin 可由下式来求解：V 6.0BR *)(B I in V +=饱和V 6.0LDR *B R *CC V in V +β=……………………………………………………（式2）一旦基极电压超过或等于(式2)式所求得的数值，三极管便导通，使全部的供应电压均跨在负载电阻上，而完成了开关的闭合动作。
为了方便讨论，本文所介绍的三极管开关均采用NPN 三极管，当然PNP 三极管亦可以被当作开关来使用，只是比较不常见罢了。
例题1试解释出在图2的开关电路中，欲使开关闭合(三极管饱和)所须的输入电压为何，并解释出此时之负载电流与基极电流值。
图2用三极管作为灯泡开关解：由2式可知，在饱和状态下，所有的供电电压完全跨降于负载电阻上，因此由方程式(1)可知因此输入电压可由下式求得：由例题1得知，欲利用三极管开关来控制大到1.5A的负载电流之启闭动作，只须要利用甚小的控制电压和电流即可。
此外，三极管虽然流过大电流，却不须要装上散热片，因为当负载电流流过时，三极管呈饱和状态，其V CE趋近于零，功率非常小，根本不须要散热片。
三、三极管开关与机械式开关的比较截至目前为止，我们都假设当三极管开关导通时，其基极与射极之间是完全短路的。
事实并非如此，没有任何三极管可以完全短路而使V CE=0，大多数的小信号硅质三极管在饱和时，V CE(饱和)值约为0.2V，纵使是专为开关应用而设计的交换三极管，其V CE(饱和)值顶多也只能低到0.1V左右，而且负载电流变高时，V CE(饱和)值还会有些许的上升现象，虽然对大多数的分析计算而言，V CE(饱和)值可以不予考虑，但是在测试交换电路时，必须明白V CE(饱和)值并非真的是0。
虽然V CE(饱和)的电压很小，本身微不足道，但是若将几个三极管开关串接起来，其总和的压降效应就很可观了。
不幸的是机械式的开关经常是采用串接的方式来工作的，如图3(A)所示，三极管开关无法模拟机械式开关的等效电路如图3(B)所示来工作，这是三极管开关的一大缺点。
图3三极管开关与机械式开关电路幸好三极管开关虽然不适用于串接方式，却可以完美的适用于并接的工作方式，如图4所示者即为一例。
图4三极管开关之并联联接三极管开关和传统的机械式开关相较，具有下列四大优点：（1）三极管开关不具有活动接点部份，因此不致有磨损之虑，可以使用无限多次，一般的机械式开关，由于接点磨损，顶多只能使用数百万次左右，而且其接点易受污损而影响工作，因此无法在脏乱的环境下运作，三极管开关既无接点又是密封的，因此无此顾虑。
（2）三极管开关的动作速度较一般的开关为快，一般开关的启闭时间是以毫秒(ms)来计算的，三极管开关则以微秒(μs)计。
（3）三极管开关没有跃动(bounce)现象。
一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续启闭动作，然后才能逐渐达到稳定状态。
（4）利用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关开启的瞬间，不致有火花产生。
反之，当机械式开关开启时，由于瞬间切断了电感性负载样上的电流，因此电感之瞬间感应电压，将在接点上引起弧光，这种电弧非但会侵蚀接点的表面，亦可能造成干扰或危害。
四、三极管开关的测试三极管开关不像机械式开关可以光凭肉眼就判断出它目前的启闭状态，因此必须利用电表来加以测试。
在图5所示的标准三极管开关电路中，当开关导通时，V CE应该为0，反之当开关切断时，V CE应等于V CC。
图5三极管开关电路，各主要测试电的电压图三极管开关在切断的状况下，由于负载上没有电流流过，因此也没有压降，所以全部的供应电压均跨降在开关的两端，因此其V CE值应等于V CC，这和机械式开关是完全相同的。
如果开关本身应导通而未导通，那就得测试Vin的大小了。
欲保证三极管导通，其基极的Vin电压值就必须够高，如果Vin值过低，则问题就出自信号源而非三极管本身了。
假使在Vin的准位够高，驱动三极管导通绝无问题时，而负载却仍未导通，那就要测试电源电压是否正常了。
在导通的状态下，硅三极管的V BE值约为0.6V，假使Vin值够高，而V BE值却高于或低于0.6V，例如V BE为1.5V或0.2V，这表示基射极接面可能已经损坏，必须将三极管换掉。
当然这一准则也未必百分之百正确，许多大电流额定的功率三极管，其V BE值经常是超过1V的，因此即使V BE的读值达到1.5V，也未必就能肯定三极管的接面损坏，这时候最好先查阅三极管规格表后再下断言。
一旦V BE正常且有基极电流流动时，便必须测试V CE值，假使V CE趋近于V CC，就表示三极管的集基接面损坏，必须换掉三极管。
假使V CE趋近于零V，而负载仍未导通，这可能是负载本身有开路现象发生，因此必须检换负载。
当V in降为低电压准位，三极管理应截止而切断负载，如果负载仍旧未被切断，那可能是三极管的集基极和集射极短路，必须加以置换。
五、基本三极管开关的改进电路有时候，我们所设定的低电压准位未必就能使三极管开关截止，尤其当输入准位接近0.6V的时候更是如此。
想要克服这种临界状况，就必须采取修正步骤，以保证三极管必能截止。
图6就是针对这种状况所设计的两种常见的改良电路。
图a图b图6确保三极管开关动作，正确的两种改良电路图6(a)的电路，在基射极间串接上一只二极管，因此使得基极电流导通的输入电压值提升了0.6V，如此即使Vin值由于信号源的误动作而接近0.6V时，亦不致使三极管导通，因此开关仍可处于截止状态。
图6(b)的电路加上了一只辅助-截止(hold-off)电阻R2，适当的R1，R2及Vin值设计，可于临界输入电压时确保开关截止。
由图6(b)可知在基射极接面未导通前(IB0)，R1和R2形成一个串联分压电路，因此R1必跨过固定(随Vin而变)的分电压，所以基极电压必低于Vin值，因此即使Vin接近于临界值(Vin=0.6V)，基极电压仍将受连接于负电源的辅助-截止电阻所拉下，使低于0.6V。
由于R1，R2及V bb值的刻意设计，只要Vin在高值的范围内，基极仍将有足够的电压值可使三极管导通，不致受到辅助-截止电阻的影响。
加速电容(speed-up capacitors)：将电容和电阻并联后串联在回路中，这个电容常被称为加速电容。
它利用了电容器两端的电压不能突变的特性。
在要求快速切换动作的应用中，必须加快三极管开关的切换速度。
图7为一种常见的方式，此方法只须在R B电阻上并联一只加速电容器，当Vin由零电压往上升并开始送电流至基极时，加速电容充电使R B被旁路，然而此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极（电子由基极流向电容），因此也就加快了开关导通的速度。
待充电完毕，电容就形同开路，不影响三极管的正常工作。
图7加了加速电容器的电路一旦输入电压由高准位降回零电压准位时，电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反向偏压，而使三极管开关迅速切断，这是由于电容器的左端原已充电为正电压，因此在输入电压下降的瞬间，电容器两端的电压无法瞬间改变仍将维持于定值，故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降，因此令基射极接面成为反向偏压，而迅速令三极管截止。
适当的选取加速电容值可使三极管开关的切换时间减低至几十分之微秒以下，大多数的加速电容值约为数百个皮法(pF)。
有时候三极管开关的负载并非直接加在集电极与电源之间，而是接成图8的方式，这种接法和小信号交流放大器的电路非常接近，只是少了一只输出耦合电容器而已。
这种接法和正常接法的动作恰好相反，当三极管截止时，负载获能，而当三极管导通时，负载反被切断，这两种电路的形式都是常见的，因此必须具有清晰的分辨能力。
图8将负载接于三极管开关电路的改进接法图腾式开关(Totem-pole switches)假使图8的三极管开关加上了电容性负载(假定其与R LD并联)，那么在三极管截止后，由于负载电压必须经由R C电阻对电容慢慢充电而建立，因此电容量或电阻值愈大，时间常数便愈大，而使得负载电压之上升速率愈慢，在某些应用中，这种现象是不容许的，因此必须采用图9的改良电路。
图9图腾式三极管开关图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所构成的，它也因此而得名。
欲使负载获能，必须使Q1三极管导通，同时使Q2三极管截断，如此负载便可经由Q1而连接至VCC上，欲使负载去能，必须使Q1三极管截断，同时使Q2三极管导通，如此负载将经由Q2接地。
由于Q1的集电极除了极小的接点电阻外，几乎没有任何电阻存在(如图9所示)，因此负载几乎是直接连接到正电源上的，也因此当Q1导通时，就再也没有电容的慢速充电现象存在了。