一文读懂三极管的开关工作原理

在电子设计电路中，我们经常会看到三极管的出现。三极管是经常应用的一个电子元器件，在模拟电路中经常利用其工作在线性区来做信号处理电流放大等，在数字电路中又会利用其工作在饱和区截止区来作为开关控制。作为开关使用，除了在数字电路中应用以外，还多用于电力电子中用作功率处理，常见有开关电源、逆变器等。然而我们很多工程师对三极管的理解不是那么到位，所以本文就简述一下三极管作为开关使用的工作原理。

 
三极管有三个工作状态；截止、放大、饱和；放大状态很有学问也很复杂，多用于集成芯片，比如运放，现在不讨论；其实对信号的放大我们通常用运放处理。三极管更多的是当作一个开关管来使用，且只有截止、饱和两个状态；截止状态看作是“关”，饱和状态看作是“开”；Ib≥1mA时，完全可以保证三极管工作在饱和状态，对于小功率的三极管此时Ic为几十到几百mA，驱动继电器、蜂鸣器等功率器件绰绰有余。

1、    把三极管箭头理解成一个开关，如图1为NPN型三极管，按下开关S1，约1mA的Ib流过箭头，箭尾比箭头电压高0.6V~0.7V（钳位电压），三极管工作在饱和状态，c极到e极完全导通，c极电平接近0V（GND）；负载RL两端压降接近5V；Ib与Ic电流都流入e极，根据电流方向，e极为低电平，应接地，c极接负载和电源。                      

图1：NPN三极管

2、    如图2为PNP型三极管，按下开关S2，约1mA的Ib流过箭头，箭尾比箭头电压高0.6V~0.7V（钳位电压），三极管工作在饱和状态，e极到c极完全导通，c极电平接近5V；负载RL两端压降接近5V；Ib与Ic电流都流出e极，根据电流方向，e极为高电平，应接电源，c极接负载和地。                      

图2：PNP三极管

3、    如图3，对于NPN三极管，更应该在b极加一个下拉电阻（2~10k），一是为了保证b、e极间电容加速放电，加快三极管截止；二是为了保证给三极管b极一个已知逻辑状态，防止控制输入端悬空或高阻态时对三极管工作状态的不确定。                  

图3：NPN三极管加下拉电阻

4、    如图4，对于PNP三极管，更应该在b极加一个上拉电阻（2~10k），原理同上。                  

图4：PNP三极管加上拉电阻

5、    如图5，对于感性负载，必须在负载两端并一个反向的续流二极管；三极管在关断时，线圈会自感产生很高的反向电动势，而续流二极管提供的续流通路，同时钳位反向电动势。防止击穿三极管；续流二极管的选型必须是快恢复二极管或肖特基二极管，两者响应速度快。                    

图5：NPN三极管驱动蜂鸣器

6、    如图6，对于某些控制信号为低电平时，可能并不是真正的0V，一般在1V以内，为保证三极管完全截止，不得不在三极管b极加一个反向稳压管或正向二极管，以提高三极管导通的阈值电压（或钳位电压）；根据经验，推挽输出的数字信号不用加；OC输出、二极管输出以及延时控制有必要加；通常稳压管正常的工作电流≥1mA。                  

图6：NPN三极管驱动继电器

要点：对于NPN三极管，在不考虑三极管的情况下，b极电阻与下拉电阻的分压必须大于0.7V（箭头两端压降），PNP同理；b极电流必须≥1mA可保证三极管处于饱和状态，此时Ic满足三极管最大的驱动能力。另外，对于三极管的放大倍数β，指的是输出电流的驱动能力放大了β，比如100倍，并不是把输出电流真正的放大了100倍；切记。