开关三极管的原理及应用

装备应用与研究 ◆Ｚｈｕａｎｇｂｅｉ Ｙｉｎｇｙｏｎｇ ｙｕ Ｙａｎｊｉｕ
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） 摘 要 ：三 极 管 作 为 无 触 点 电 子 开 关 ，常 被 应 用 于 开 关 电 路 中 ，通 过 输 入 电 压 信 号 来 控 制 三 极 管 的 导 通 与 断 开 ，进 而 接 通 和 切 断 电 路 。 现主要对开关三极管的工作原理及应用情况进行简单论述。 关 键 词 ：三 极 管 ；开 关 ；截 止 ；饱 和 ；原 理
缸密封元件相对 运 动 的 结 合 面 之 间 的 间 隙 ，另 外，动 密 封 又 可 分为旋转动密封和往复运动密 封 两 种［１］，并 且 决 定 油 缸 密 封 性 能的一个关键就是往复运动密封形式。
２ 油 缸 密 封 中 存 在 的 问 题
油缸一般都是在高油压环境 下 运 行，滑 环 前 进 方 向 的 唇 边 损坏比较严重，特别是密封产品 Ｏ 形密封圈经常 会 出 现 间 隙 咬 伤的情况，并且相 邻 缸 筒 的 中 心 活 塞 杆 也 会 受 到 严 重 磨 损 ，这 些密封处的不断磨损将严重影 响 油 缸 运 行 的 可 靠 性 、平 稳 性 以 及油缸的使用寿命。下面针对这些问题出现的原因进行分析。 首先，传统的单、双伸缩油缸采用的都是单 Ｏ 形 密 封 结 构，如 图 １所示。由于滑环需要同时承受较大的压力 Ｐ 以及密封 Ｏ 形 圈产生的变形力 Ｆ，所 以 在 油 缸 运 行 中 ，压 力 就 会 将 滑 环 挤 入 过油孔，导致滑环破损，进而影响 油 缸 的 密 封 性，极 大 地 缩 短 油 缸的使用寿命。其 次，滑 环 与 滑 环 槽 之 间 存 在 装 配 间 隙 ，Ｏ 形 密封圈会受 到 油 压 作 用，被 挤 入 滑 环 与 缸 筒 之 间 的 装 配 间 隙 中，如图２所示。受油 压 影 响，当 压 力 过 大 超 过 Ｏ 形 密 封 圈 的 机械强度时，就会在一定程度上造成 Ｏ 形圈变 形、磨 损，甚 至 产 生 Ｏ 形密封圈的撕 裂 破 坏。 最 后，单、双 伸 缩 油 缸 的 中 心 活 塞 杆与相邻缸筒之间的摩擦导致 磨 损 加 剧，大 大 缩 短 了 油 缸 的 使 用寿命。
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。
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 。
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 ０．６ Ｖ，因 此 输 入 电 压 Ｖｉｎ必 须 小 于 ０．６ Ｖ，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。
０ 引 言
近几年，在国外 密 封 产 品 的 激 烈 竞 争 下 ，我 国 密 封 市 场 正 逐步走向发 展 成 熟 阶 段，密 封 市 场 的 各 种 密 封 产 品 在 不 断 增 加，也使我们对密 封 元 件 的 认 识 提 升 到 了 新 的 水 平 ，通 过 吸 收 国外密封产业的新技术以及新 产 品，能 从 理 论 基 础 上 推 进 密 封 行业的不断改革创新。本文以油缸密封中各类橡塑弹性体的 变形原理为主线，对 油 缸 密 封 中 动 密 封 、静 密 封 的 性 能 进 行 了 分析阐述。
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。
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。
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Ｚｈｕａｎｇｂｅｉ Ｙｉｎｇｙｏｎｇ ｙｕ Ｙａｎｊｉｕ◆ 装备应用与研究
油缸密封设计中橡塑弹性体弹性变形原理的应用探讨
王 轶
（陕 煤 集 团 神 南 产 业 发 展 有 限 公 司 ，陕 西 榆 林 ７１９３００） 摘 要 ：油 缸 密 封 装 置 在 使 用 过 程 中 总 是 或 多 或 少 地 出 现 划 伤 、变 形 、失 效 等 问 题 ，充 分 发 挥 橡 塑 弹 性 体 机 械 性 能 在 油 缸 密 封 中 的 静 密 封 和 动 密 封 作 用 ，不 仅 可 以 避 免 油 缸 内 部 的 磨 损 ，还 可 以 保 证 密 封 的 稳 定 性 和 可 靠 性 ，在 一 定 程 度 上 延 长 油 缸 的 使 用 寿 命 。 鉴 于 此 ，现 对 油 缸 密 封 中 动 密 封 、静 密 封 的 性 能 进 行 分 析 阐 述 。 关 键 词 ：油 缸 密 封 ；橡 塑 弹 性 体 ；变 形 原 理
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 。
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。
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 ３ 开 关 三 极 管 饱 和 区 等 效 电 路
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
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 ０．３ Ｖ，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。
（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 油 缸 密 封 的 基 本 原 理
由于油缸的液压系统长期处 于 高 效 率 的 运 转 模 式 ，如 果 油 缸的密封装置不够牢靠，将不 利 于 油 缸 正 常 运 行。 在 油 缸 的 密 封材料中，主要涉 及 到 的 是 材 料 单 一 、截 面 规 整 的 弹 性 材 料 密 封元件，这些弹性材料不仅可以 给 油 缸 的 密 封 装 置 提 供 相 应 的 预紧力，还能在一 定 程 度 上 实 现 密 封 装 置 磨 损 的 弹 性 补 偿 ，比 如轴用的 Ｏ 形圈以及孔用方形圈。另外，在油缸密 封 元 件 中 还 包含了部分横截面积不规则的 弹 性 体，被 称 为 在 油 缸 密 封 中 可 以单独起作用的变形橡胶密封圈。油缸的密封形式主要包括 动密封和静密封两种，静密封是 指 在 相 对 静 止 的 油 缸 结 合 面 形 成的密封，而动密 封 与 其 相 反，动 密 封 的 密 封 位 置 主 要 针 对 油
［参 考 文 献］ ［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）．
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。