浅谈开关三极管的原理及应用

黄淑圆

（惠州三星电子有限公司，广东 惠州516229）

0 引言

传统的机械式开关通过机械动作控制电流的断开与导通，因触点易磨损，在开启的瞬间，易产生感应电动势并引起弧光，可能会侵蚀触点，对开关造成干扰或危害，还存在启闭时间长等种种缺点。为克服这些缺点，三极管作为开关得到了广泛的应用，如常用于开关电源电路、模数转换电路、脉冲电路和输出电路等。

1 开关三极管的分类及工作状态

三极管具有3个电极：发射极（E）、集电极（C）、基极（B）。按PN结的组合方式，三极管分PNP型跟NPN型。按本征半导体材料的不同，有硅管和锗管之分。因此，三极管有4种类型，即3A（锗PNP）、3B（锗 NPN）、3C（硅PNP）、3D（硅 NPN）。对于不同材料，导通跟截止电压也不同，硅管的导通电压大于0.7V，截止电压小于0.7V；锗管的导通电压大于0.3V，截止电压小于0.3V。PNP型三极管和NPN型三极管特性基本相同，本文主要讨论NPN型三极管的工作原理。

三极管有截止、线性放大、饱和3种工作状态，作为开关，三极管主要工作在截止和饱和状态，对应于开关的断开跟闭合。

截止状态。当三极管基极偏置电压小于PN结的导通电压，基极电流IB＝0时，集电极IC和发射极IE没电流（或只有微弱的弱电电流）通过，此时三极管失去了电流放大作用，我们称三极管工作在截止状态，C、E极之间相当于开关的断开状态。即开关三极管BE发射结反向偏置或零偏置，CE集电结反向偏置。

饱和状态。当三极管基极偏置电压大于PN结的导通电压，基极电流增大到一定数值时，集电极电流IC基本上不再随着基极电流IB的变化而变化，而是趋近于某一定值，这种现象称为饱和状态。此时三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间的电压很小，三极管处于导通状态，相当于开关的导通状态。即开关三极管BE发射结、CE集电结都为正向偏置。

当三极管处于临界饱和状态时，VCE＝VBE，即VCB＝0。而VCE＜VBE时，三极管处于过饱和状态。

2 开关三极管的工作原理

在开关三极管的应用中，通过输入电压来控制开关的OPEN和CLOSE。如图1所示，在三极管的主电流回路上，负载电阻RLD接在三极管的集电极与电源之间。为防止基极电流过大，驱动电路可能无法承受，不容易快速退出饱和进入截止关断状态，从而影响开关频率，在基极追加了偏置电阻RB，起到放电作用。

图1 基本的三极管开关

如图2所示，当三极管工作在截止状态时，基极电流IB趋近于0，C级与E级间呈断路状态，IC＝0，VBE＝VCC。对于硅三极管而言，其基射极的正向偏压值约为0.6V，因此输入电压Vin必须小于0.6V，以使三极管工作在截止状态，此时三极管的基极电流为0。通常在设计时，为确保三极管一定工作在截止区，输入电压Vin的值一般低于0.3V。当然，输入电压Vin值越接近于0，越能保证开关三极管处于截止区，即发射结零偏置。

图2 开关三极管截止区等效电路

如图3所示，当输入电压Vin为高电压时，发射结正向偏置，基极有电流流动，集电极流过更大的放大电流，负载回路被导通，相当于开关的闭合。此时三极管工作于饱和区，电流传送到负载上，即三极管的集电极C与发射极E短路，相当于机械开关的闭合动作。

3 三极管的应用

如图4所示，当输入电压Vi为低电平时，由于负电源（－12V）的作用，三极管基极电压VB＜0，发射结跟集电结为反向偏置，三极管工作在截止状态，三极管断开，为使三极管可靠截止，此时的Rc上压降近似为0，VO为高电平。当输入电压Vi为高电平时，若R1、R2选择适当，将会使三极管迅速饱和导通，VO输出低电平。可见，这个回路完成了输出VO与输入Vi的反相，所以该数字电路也被称为反相电路。

图4 数字三极管开关电路

4 开关三极管的选择

（1）应选用专门的开关三极管，以得到较高的开关转换速度。

（2）电路设计时，要确保三极管工作在截止／饱和区，不得使三极管工作在放大区。

（3）不得使三极管过饱和，否则将影响开关速度；至于截止状态，BE发射结不一定要负电压偏置，零电压偏置时三极管就截止了，不然也将影响导通转换速度。

（4）为确保三极管作为开关时的可靠性，可在基极接入一个负电源。

（5）需要调整输入信号的频率，以得到理想开关速度。

5 结语

开关三极管具有寿命长、无触点、安全可靠、体积小、开关速度快、成本低、使用简单、不需要流过很大的电流、不用担心功率损失跟发热等优点，因而被广泛应用于各种开关回路，其在很长一段时间内于计算机技术领域都将有着不可替代的重要作用。

［1］于敏，李闽.三极管开关特性探讨［J］.硅谷，2012（1）：24.

［2］苏成富.浅谈三极管开关电路［N］.电子报，2008－03－23（9）.