
三極管作為開關使用,就是使用了三極管的截止狀態和飽和狀態,開的時候處于飽和狀態,關的時候處于截止狀態。
下面我們用NPN三極管的典型開關電路為例來進行說明。
首先來看截止狀態的情況。在三極管的基極電源為100mV時,三極管的Ube小于三極管的開啟電壓,因為這個開啟電壓大約是0.7V,所以三極管不導通,處于截止狀態:

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【文字稿如下】
買了一個元器件測試儀(又叫晶體管測試儀),型號GM328A:

使用9V電池供電:

電路板的背面:

該元器件測試儀上用到一個“一鍵開關機電路”(又叫“單按鍵開關機電路”),簡單實用,可以做到關機功耗為0,這是原理圖:

原理圖和實物的對應關系:

注:原理圖中的MCU主控芯片U1,只畫出了和“一鍵開關機電路”相關的部分,其他不相關的部分沒有畫,比如U1的晶振電路就沒有畫。
后面來分析這個電路。
一、元器件測試儀的功能介紹
了解這個元器件測試儀的功能,可以幫助我們理解“一鍵開關機電路”在它上面的應用。下面用幾個例子簡單演示它的功能。
1、測量三極管。三極管的引腳及參數非常直觀:

2、測量晶閘管。這里是單向晶閘管MCR100-6:

3、測量二極管。這里的具體型號為1N4007,屏幕中非常直觀地顯示出正向壓降Uf、結電容C、反向電流Ir:

4、測量電容。這里是在測量CBB電容:

包括且不限于以上的功能,小幾十塊錢就可以包郵到家,還是蠻不錯的。
這個產品只用一個按鍵就實現了:
1、開機。在關機狀態下,短按一下按鍵就開機:

2、切換菜單。在開機狀態下,短按一下按鍵則切換菜單:

3、關機。在開機狀態下,切換到“Switch Off”菜單后,長按按鍵則關機:

二、“一鍵開關機電路”的電路原理
1、開機過程。
①、在關機狀態下,電路各點的電壓如下:(均為實測值)

此時電池電壓Vbat = 9.04V,三極管Q1、Q2、Q3都是不導通的,整機功耗為0。
②、在關機狀態下,按下按鍵SW1時,產生了以下回路:

③、此時三極管Q1的Vbe = 7.73V - 8.53V = -0.80V,所以三極管Q1飽和導通,穩壓芯片U6將電池電壓穩壓到4.99V,輸出給主控芯片U1:

④、主控芯片U1上電后,GPIO-Out引腳馬上輸出高電平,打開三極管Q2:

⑤、三極管Q2打開后飽和導通,此時按鍵SW1可以松開,完成上電開機的全過程:

2、關機過程。
①、在開機狀態下,松開按鍵時,主控芯片的GPIO-In引腳為高電平4.83V:

②、按下按鍵時:

③、因為三極管Q3飽和導通,主控芯片U1的GPIO-In被拉到低電平0V:

④、主控芯片U1檢測到按鍵被按下,GPIO-Out引腳輸出低電平0V:

⑤、當按鍵SW1松開后,系統斷電關機,完成關機的全過程:

至此,一鍵開關機的電路原理分析完畢。
可以看到在關機狀態下,所有負載都斷開了,電池不對外供電,所以關機功耗為0,或者說幾乎為0。
說是“幾乎”,是因為三極管可能存在漏電流,其實可以忽略不計。
三、三極管開關電路分析
電路中用了三個三極管,分別是Q1、Q2和Q3,有NPN三極管,也有PNP三極管,在這個案例電路中,都是作為開關使用。
教科書上會告訴我們,三極管有三個區,截止區、放大區和飽和區:

三極管作為開關使用,就是使用了三極管的截止狀態和飽和狀態,開的時候處于飽和狀態,關的時候處于截止狀態。
下面我們用NPN三極管的典型開關電路為例來進行說明。
首先來看截止狀態的情況。在三極管的基極電源為100mV時,三極管的Ube小于三極管的開啟電壓,因為這個開啟電壓大約是0.7V,所以三極管不導通,處于截止狀態:

這時候三極管的集電極和發射極之間是沒有電流的。
再來看飽和狀態的情況。基于截止狀態的電路圖,把三極管基極的電源調高到3.3V,此時可以看到三極管的Ube電壓變為719mV,達到開啟電壓:

為什么叫“飽和狀態"呢,三極管的Uce電壓明明都被集電極電阻搶走了,電壓幾乎都加在了集電極電阻上。

三極管分得的電壓幾乎為0,三極管一點都不飽,應該處于“饑餓狀態"才對嘛!
關于三極管飽和狀態需要具備的條件,教科書一般會說:
1、Ube>0.7V,發射極正偏
2、Uce< Ube,集電極正偏
初這么一看,似乎比較理論化,需要死記硬背。
這里補充一種思路,只需要記住三極管最重要的一條公式就可以了,也就是集電極電流Ic= 基極電流lb 乘以 放大倍數 β。如果放大倍數B小于正常的范圍,三極管就是飽和導通了。
從實踐的角度,首先查閱三極管的數據手冊看放大倍數β是多大,以元器件測試儀電路圖中的三極管PMBT3904為例:

可以看到放大倍數在30到300之間,可以近似理解為放大倍數的正常范圍在30到300之間。
咱們取最小的放大倍數30,乘以基極電流Ib,得到集電極電流Ic=7.74mA。

如果集電極電流Ic是7.74mA,那么10K歐姆的集電極電阻的電壓就是 7.74mA*10 K歐姆=77.4V,這是不可能的,因為集電極電源也就5V。
所以集電極電流Ic不可能有7.74mA這么大,進而說明放大倍數取不到30倍,比放大倍數正常范圍中的最小值還要小。實際的放大倍數是:集電極電流496uA除以基極電流258uA等于1.9倍。

三極管盡了最大的努力,都夠不到它正常的放大倍數,只能委屈地飽和導通了那如果三極管能夠到達它正常的放大倍數,會發生什么呢?咱們嘗試一下,把集電極電阻從10K歐姆改為10歐姆,可以看到三極管的集電極電壓是4.75V,此時三極管的放大倍數是100倍:

實際上在這個仿真電路中,三極管設定的放大倍數就是100。三極管用正常的放大倍數在工作,此時三極管處于放大狀態!
本文通過實物電路產品分析了一鍵開關機電路的原理,并重點介紹了三極管開關電路。
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