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三极管在开关电路中的作用分析

三极管不仅可以对模拟信号放大，也可作为控制开关使用，作为

开关使用的三极管处于截止与饱和状态，其基本电路如下图所示：

其中，集电极电阻R为上拉电阻，当三极管Q1截止时将输出电

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压上拉至电源V（高电平），可以理解为开集（OC）输出结构的上

CC

拉电阻，具体可参考文章《电阻（4）之上/下拉电阻》，基极串联电

阻R为限流电阻，防止输入电压V幅值过高导致基极电流超额而损坏

2i

三极管，下拉电阻R用来确保无输入信号（即悬空）时三极管处于截

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止状态。

有的厂家已经将电阻R2、R3集成到内部，如下图所示（来自

Panasonic内置电阻三极管UNR921xJ系列数据手册）：

此开关电路的基本原理很简单！当输入信号V为低电平“L”时，

i

三极管Q1处于截止状态，输出电压V由集电极电阻R1上拉为电源

o

VCC（高电平），此时三极管Q1相当于一个处于断开状态的开关，如

下图所示：

当输入信号V为高电平“H”时，三极管Q1处于饱和状态，输出

i

电压V为三极管饱和压降（低电平），此时三极管Q1相当于一个处

o

于闭合状态的开关，如下图所示：

这种开关电路的用法主要有两种，其中之一就是将具体的负载

（如电灯泡、马达、电磁阀、继电器、蜂鸣器等等）代替集电极电阻

R，这样输入信号V高低电平就可以控制负载是否供电，如下图所示

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为电灯泡控制开关电路：

当输入为低电平“L”时，三极管Q1是截止的，因此电灯泡两端

是没有电压的，当输入为高电平“H”时，三极管Q1是饱和的，此时

电源V施加到电灯泡两端，如下图所示：

CC

电灯泡是阻性负载（相当于一个电阻），如果换成是感性负载，

我们还必须在感性负载两端反向并联一个二极管，如下图所示继电器

应用电路：

因为感性负载相当于一个电感，当三极管由导通变为截止时，电

感中的电流将会产生突变，如果此时没有一个电流回路慢慢使电流下

降，电感两端将产生很高的反向电动势，并联的二极管D1即用来为感

性负载续流（防止三极管Q1被击穿的同时也可以保护继电器本身），

因而称之为续流二极管，如下图所示：

如果负载消耗的电流比较大，相应的可以选择集电极电流较大的

三极管或达林顿管，此处不再赘述。

开关电路的另一个用法是作为高速开关，如BUCK变换器中的开

关管，如下图所示（来自TI电源芯片LM2596数据手册）

我们用下图所示开关电路仿真一下（注意输入信号频率是1KHz）：

其相关波形如下图所示：

波形貌似还可以呀！对于一个理想的开关，我们希望开关的通/断

状态可以实时响应控制信号，换句话讲，开关的响应速度越快越好，

但是如果我们把信号频率提高再仿真一次，就会看出其中的问题了，

下图所示为信号频率为1MHz时相关输入输出波形：

输出（三极管集电极）电压已经完全不再是方波了，这主要是因

为三极管处于导通时，基区内储存有一定的电荷（相当于一个充满电

的电容C），如果输入信号V由高电平切换为低电平，电容电荷必须

BEi

通过如下图所示回路进行电荷释放：

这就相当于一个RC放电回路，这里的R为R2与R3的并联值，

基区中存储的电荷越多，则三极管由饱和状态切换至截止状态需要的

延迟时间越长，这对于高速开关电路是非常不利的。