一、三極體的工作原理

         三極體是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極體的共發射極放大電路為例來說明一下三極體放大電路的基本原理。

電流放大

下面的分析僅對於NPN型矽三極體。

        如上圖所示，我們把從基極B流至發射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發射極的，所以發射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。

        三極體的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話），並且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關係：集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極體的放大倍數（β一般遠大於1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小訊號加到基極跟發射 極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大後，導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那麼根據電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大後的電壓訊號了。

偏置電路

        三極體在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由於三極體BE結的非線性（相當於一個二極體），基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度後才能產生（對於矽管，常取0.7V）。當基極與發射極之間的電壓小於0.7V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的訊號往往遠比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這麼小的訊號就不足以引起基極電流的改變（因為小於0.7V時，基極電流都是0）。

        如果我們事先在三極體的基極上加上一 個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那麼當一個小訊號跟這個偏置電流疊加在一起時，小訊號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大並在集電極上輸出。另一個原因就是輸出訊號範圍的要求，如果沒有加偏置，那麼只有對那些增加的 訊號放大，而對減小的訊號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極 電流就可以減小；當輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的訊號和增大的訊號都可以被放大了。

開關作用

        下面說說三極體的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻 Rc的限制（Rc是固定值，那麼最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當基極電流的增大，不能使集電極電流繼續增大 時，三極體就進入了飽和狀態。一般判斷三極體是否飽和的準則是：Ib*β〉Ic。進入飽和狀態之後， 煩人三極體的集電極跟發射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極體來當作開關使用：當基極電流為0時，三極體集電極電流為0（這叫做三極體截止），相當於開關斷開；當基極電流很 大，以至於三極體飽和時，相當於開關閉合。如果三極體主要工作在截止和飽和狀態，那麼這樣的三極體我們一般把它叫做開關管。

工作狀態

        如果我們在上面這個圖中，將電阻Rc換成一個燈泡，那麼當基極電流為0時，集電極電流為0，燈泡滅。如果基極電流比較大時（大於流過燈泡的電流除以三極體 的放大倍數 β），三極體就飽和，相當於開關閉合，燈泡就亮了。由於控制電流只需要比燈泡電流的β分之一大一點就行了，所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的通 斷。如果基極電流從0慢慢增加，那麼燈泡的亮度也會隨著增加（在三極體未飽和之前）。

        對於PNP型三極體，分析方法類似，不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反，因此發射極上面那個箭頭方向也反了過來——變成朝裡的了。

二、三極體作開關用

三極體作開關原理

        輸入電壓Vin則控制三極體開關的開啟(open) 與閉合(closed) 動作，當三極體呈開啟狀態時，負載電流便被阻斷，反之，當三極體呈閉合狀態時，電流便可以流通。詳細的說，當Vin為低電壓時，由於基極沒有電流，因此集 電極亦無電流，致使連線於集電極端的負載亦沒有電流，而相當於開關的開啟，此時三極體乃勝作於截止(cut off)區。

同理，當Vin為高電壓時，由於有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負載迴路便被導通，而相當於開關的閉合，此時三極體乃工作於飽和區 (saturation)。

三極體開關電路設計

選用集電極限流電阻RLD

        根據要控制的負載合理選用集電極限流電阻RLD(若負載內阻夠大，Vcc合適也可不用RLD)，使三極體飽和導通時的電流大於或等於負載正常工作電流，但注意不要超出三極體最大集電極電流。

那如何保證三極體工作在開關（飽和或關斷）狀態呢？

        對矽三極體而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特（對鍺管來說，約為0.3V）。

        因此欲使三極體截止，Vin必須低於0.6伏特，以使三極體的基極電流為零。通常在設計時，為了可以更確定三極體必處於截止狀態起見，往往使Vin值低於 0.3伏特。當然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極體開關必處於截止狀態。

        欲將電流傳送到負載上，則三極體的集 電極與射極必須短路，就像機械開關的閉合動作一樣。欲如此就必須使Vin達到夠高的準位，以驅動三極體使其進入飽和工作區工作，三極體呈飽和狀態時，集電 極電流相當大，幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負載電阻上，如此則VcE便接近於0，而使三極體的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據奧姆定律 三極體呈飽和時，其集電極電流應該為﹕

  (式1)

 (式2)

        一旦基極電壓超過或等於(式2) 式所求得的數值，三極體便導通，使全部的供應電壓均跨在負載電阻上，而完成了開關的閉合動作。

        總而言之，三極體接成圖1的電路之後，它的作用就和 一隻與負載相串聯的機械式開關一樣，而其啟閉開關的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須採用機械式開關所常用的機械引動 (mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或電 驛電樞(relay armature)等控制方式。

例題1、用三極體做為燈泡開關

圖2 用三極體做為燈泡開關

試解釋出在圖2的開關電路中，欲使開關閉合(三極體飽和) 所須的輸入電壓為何﹖並解釋出此時之負載電流與基極電流值﹖
        解﹕由2式可知，在飽和狀態 下，所有的供電電壓完全跨降於負載電阻上，因此

        由例題1-1得知，欲利用三極體開關來控制大到1.5A 的負載電流之啟閉動作，只須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，三極體雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因為當負載電流流過時，三極體呈飽和狀 態，其VCE趨近於零，所以其電流和電壓相乘的功率之非常小，根本不須要散熱片。

例題2、用三極體控制繼電器通斷

給定一繼電器和微控制器，設計三極體電路驅動繼電器通斷？

        主要工作：１、根據所給電源選取合適三極體與集電極限流電阻，使三極體飽和導通時電流足以驅動繼電器且不超過最大集電極電流2、根據微控制器IO電壓，選擇合適的基極偏置電阻使三極體工作在飽和態。

圖3 用三極體做為繼電器開關

圖4 繼電器引數

圖5.三極體引數

        如圖4紅框內，繼電器工作電壓DC24V，線圈電阻1280歐，額定線圈電流18.7MA。那麼我們需要三極體飽和導通時電流大於等於18.7MA。如圖三我們給繼電器供電24V，則無需加集電極限流電阻（若電源大於24，需加限流電阻），使用9013做開關管。

        為使微控制器輸出+5V時三極體飽和導通，假設9013放大倍數為80（圖5），則飽和導通時基極電流需滿足 ，即R18需<20K.

        在圖3中，我們選用R18為512（5.1K歐），微控制器輸出＋５Ｖ時足以使三極體飽和導通。

例題3、用三極體控制10個LED亮滅（並聯）

圖6.三極體引數

分析：

        藍色LED導通壓降3V，工作電流取5MA，因給定電壓為5V，那我們取LED限流電阻為（5-3-0.3）V/5MA=330歐（這裡假設三極體工作在飽和導通態，Vce=0.3V）,那10個LED並聯總電流為50MA，為使微控制器輸出3.3V時三極體工作在飽和導通態，選取基極偏置電阻需滿足：，即R2需<4K歐，我們選取R2=1K歐，足以滿足要求。

三、NPN和PNP區別及使用範圍

NPN與PNP的區別

NPN和PNP主要是電流方向和電壓正負不同。

NPN是用B—E的電流（IB）控制C—E的電流（IC），E極電位最低，且正常放大時通常C極電位最高，即VC>VB>VE。

PNP是用E—B的電流（IB）控制E—C的電流（IC），E極電位最高，且正常放大時通常C極電位最低，即VC<VB<VE。

NPN和PNP作為開關的使用

三極體做開關時，工作在截至和飽和兩個狀態。一般是通過控制三極體的基極電壓Ub來控制三極體的導通與斷開。

圖1 NPN與PNP

表2 NPN和PNP的工作狀態及條件

        如上 圖1所示，對於NPN來說，使Ube<Uon，三極體斷開，Ube>Uon，三極體導通，其中一般Ue接地，則只需控制Ub,使Ub>Uon即可使之導通。

        對於PNP來說，使Ueb<Uon，三極體斷開，Ueb>Uon，三極體導通，其中一般Uc接地，所以要使三極體導通既要控制Ue又要控制Ub使Ueb>Uon才行。所以一般是Ue為某個固定電壓值，只通過控制Ub來就可以控制三極體的導通與斷開。

        對比NPN與PNP可知：NPN做開關時，適合放在電路的接地端使用，如圖2 裡面Q6； PNP做開關時，適合放在電路的電源端使用，如圖3。

        我們一般使用晶片I/O口來控制LED燈，I/O口的邏輯電平一般為高電平3 V左右，低電平為0.3V左右。因此可以直接控制NPN管開關，如 圖2 裡面的Q6；一般不直接控制PNP管，如 圖3。我們前控板設計LED的控制電路採用如下圖2的NPN三極體對地較為合適，並且雙色燈最好是使用共陽雙色燈。

        以雙色燈的控制為例，如下 圖2所示

圖2 雙色燈的控制

        圖2中Q6,Q4是放在發光二極體的接地端只需要Ub>0.7V即可導通。

圖3 電源的控制

        圖3中Q35就放在電源端，E為固定12V,只需控制B極來導通三極體。

以下是普遍用法：

NPN基極高電壓，集電極與發射極短路.低電壓，集電極與發射極開路.也就是不工作。

PNP基極高電壓.集電極與發射極開路，也就是不工作。如果基極加低電位，集電極與發射極短路。

a.如果輸入一個高電平，而輸出需要一個低電平時，首選擇npn。

b.如果輸入一個低電平，而輸出需要一個低電平時，首選擇pnp。

c.如果輸入一個低電平，而輸出需要一個高電平時，首選擇npn。

d.如果輸入一個高電平，而輸出需要一個高電平時，首選擇pnp。

三極體使用時鉗制電壓的問題

圖4 電源的控制

        如上 圖4，在POWER_UP與三極體b極之間必須要串個電阻，否則當三極體導通後，POWER_UP位置電壓會被鉗制在0.7V，設計時候應當注意。。