三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)詳細(xì)過程

三極管除了可以當(dāng)做交流信號放大器之外，也可以做為開關(guān)之用。嚴(yán)格說起來，三極管與一般的機(jī)械接點(diǎn)式開關(guān)在動作上并不完全相同，但是它卻具有一些機(jī)械式開關(guān)所沒有的特點(diǎn)。

圖1所示，即為三極管電子開關(guān)的基本電路圖。由下圖可知，負(fù)載電阻被直接跨接于三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的回路上。

輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟(open) 與閉合(closed) 動作，當(dāng)三極管呈開啟狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。詳細(xì)的說，當(dāng)Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒有電流，因此集電極亦無電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒有電流，而相當(dāng)于開關(guān)的開啟，此時(shí)三極管乃勝作于截止(cut off)區(qū)。

同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合，此時(shí)三極管乃勝作于飽和區(qū)(saturation)。

一、三極管開關(guān)電路的分析設(shè)計(jì)

由于對硅三極管而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特，因此欲使三極管截止，Vin必須低于0.6伏特，以使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為了可以更確定三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)起見，往往使Vin值低于 0.3伏特。 (838電子資源)當(dāng)然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。欲將電流傳送到負(fù)載上，則三極管的集電極與射極必須短路，就像機(jī)械開關(guān)的閉合動作一樣。欲如此就必須使 Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動三極管使其進(jìn)入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時(shí)，集電極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個(gè)電源電壓Vcc均跨在負(fù)載電阻上，如此則VcE便接近于0，而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據(jù)奧姆定律三極管呈飽和時(shí)，其集電極電流應(yīng)該為s

因此，基極電流最少應(yīng)為：

上式表出了IC和IB之間的基本關(guān)系，式中的β值代表三極管的直流電流增益，對某些三極管而言，其交流β值和直流β值之間，有著甚大的差異。欲使開關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等于(式1) 式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個(gè)電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來求解s

一旦基極電壓超過或等于(式2) 式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻上，而完成了開關(guān)的閉合動作。

總而言之，三極管接成圖1的電路之后，它的作用就和一只與負(fù)載相串聯(lián)的機(jī)械式開關(guān)一樣，而其啟閉開關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機(jī)械式開關(guān)所常用的機(jī)械引動(mechanical actuator)p螺管柱塞(solenoid plunger)或電驛電樞(relay armature)等控制方式。

為了避免混淆起見，本文所介紹的三極管開關(guān)均采用NPN三極管，當(dāng)然NPN三極管亦可以被當(dāng)作開關(guān)來使用，只是比較不常見罷了。

例題1

試解釋出在圖2的開關(guān)電路中，欲使開關(guān)閉合(三極管飽和) 所須的輸入電壓為何t并解釋出此時(shí)之負(fù)載電流與基極電流值解s由2式可知，在飽和狀態(tài)下，所有的供電電壓完全跨降于負(fù)載電阻上，因此

由方程式(1) 可知

因此輸入電壓可由下式求得s

圖2 用三極管做為燈泡開關(guān)

由例題1-1得知，欲利用三極管開關(guān)來控制大到1.5A的負(fù)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，三極管雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流流過時(shí)，三極管呈飽和狀態(tài)，其VCE趨近于零，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。

二、三極管開關(guān)與機(jī)械式開關(guān)的比較

截至目前為止，我們都假設(shè)當(dāng)三極管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其基極與射極之間是完全短路的。事實(shí)并非如此，沒有任何三極管可以完全短路而使VCE=0，大多數(shù)的小信號硅質(zhì)三極管在飽和時(shí)，VCE(飽和) 值約為0.2伏特，縱使是專為開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的交換三極管，其VCE(飽和) 值頂多也只能低到0.1伏特左右，而且負(fù)載電流一高，VCE(飽和) 值還會有些許的上升現(xiàn)象，雖然對大多數(shù)的分析計(jì)算而言，VCE(飽和) 值可以不予考慮，但是在測試交換電路時(shí)，必須明白VCE(飽和) 值并非真的是0。

雖然VCE(飽和)的電壓很小，本身微不足道，但是若將幾個(gè)三極管開關(guān)串接起來，其總和的壓降效應(yīng)就很可觀了，不幸的是機(jī)械式的開關(guān)經(jīng)常是采用串接的方式來工作的，如圖3(a)所示，三極管開關(guān)無法模擬機(jī)械式開關(guān)的等效電路(如圖3(b)所示)來工作，這是三極管開關(guān)的一大缺點(diǎn)。

圖3 三極管開關(guān)與機(jī)械式開關(guān)電路

幸好三極管開關(guān)雖然不適用于串接方式，卻可以完美的適用于并接的工作方式，如圖4所示者即為一例。三極管開關(guān)和傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)相較，具有下列四大優(yōu)點(diǎn)s

圖4三極管開關(guān)之并聯(lián)聯(lián)接

(1)三極管開關(guān)不具有活動接點(diǎn)部份，因此不致有磨損之慮，可以使用無限多次，一般的機(jī)械式開關(guān)，由于接點(diǎn)磨損，頂多只能使用數(shù)百萬 次左右，而且其接點(diǎn)易受污損而影響工作，因此無法在臟亂的環(huán)境下運(yùn)作，三極管開關(guān)既無接點(diǎn)又是密封的，因此無此顧慮。

(2)三極管開關(guān)的動作速度較一般的開關(guān)為快，一般開關(guān)的啟閉時(shí)間是以毫秒 (ms)來計(jì)算的，三極管開關(guān)則以微秒(μs)計(jì)。

(3)三極管開關(guān)沒有躍動(bounce) 現(xiàn)象。一般的機(jī)械式開關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會有快速的連續(xù)啟閉動作，然后才能逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)利用三極管開關(guān)來驅(qū)動電感性負(fù)載時(shí)，在開關(guān)開啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當(dāng)機(jī)械式開關(guān)開啟時(shí)，由于瞬間切斷了電感性負(fù)載樣 上的電流，因此電感之瞬間感應(yīng)電壓，將在接點(diǎn)上引起弧光，這種電弧非但會侵蝕接點(diǎn)的表面，亦可能造成干擾或危害。

三、三極管開關(guān)的測試

三極管開關(guān)不像機(jī)械式開關(guān)可以光憑肉眼就判斷出它目前的啟閉狀態(tài)，因此必須利用電表來加以測試。在圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)三極管開關(guān)電路中，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，VEC的讀值應(yīng)該為0，反之當(dāng)開關(guān)切斷時(shí)，VCE應(yīng)對于VCC。

三極管開關(guān)在切斷的狀況下，由于負(fù)載上沒有電流流過，因此也沒有壓降，所以全部的供應(yīng)電壓均跨降在開關(guān)的兩端，因此其VCE值應(yīng)等于VCC，這和機(jī)械式開關(guān)是完全相同的。如果開關(guān)本身應(yīng)導(dǎo)通而未導(dǎo)通，那就得測試Vin的大小了。欲保證三極管導(dǎo)通，其基極的Vin電壓值就必須夠高，如果Vin值過低，則問題就出自信號源而非三極管本身了。假使在Vin的準(zhǔn)位夠高，驅(qū)動三極管導(dǎo)通絕無問題時(shí)，而負(fù)載卻仍未導(dǎo)通，那就要測試電源電壓是否正常了。

在導(dǎo)通的狀態(tài)下，硅三極管的VBE值約為0.6伏特，假使Vin值夠高，而VBE值卻高于和低于0.6伏特，例如VBE為1.5伏特或0.2伏特，這表示基射極接面可能已經(jīng)損壞，必須將三極管換掉。當(dāng)然這一準(zhǔn)則也未必百分之百正確，許多大電流額定的功率三極管，其VBE值經(jīng)常是超過1伏特的，因此即使 VBE的讀值達(dá)到1.5伏特，也未必就能肯定三極管的接面損壞，這時(shí)候最好先查閱三極管規(guī)格表后再下斷言。

一旦VBE正常且有基極電流流動時(shí)，便必須測試VCE值，假使VCE趨近于VCC，就表示三極管的集基接面損壞，必須換掉三極管。假使VCE趨近于零伏特，而負(fù)載仍未導(dǎo)通，這可能是負(fù)載本身有開路現(xiàn)象發(fā)生，因此必須檢換負(fù)載。

圖5 三極管開關(guān)電路，各主要測試電的電壓圖

當(dāng)Vin降為低電壓準(zhǔn)位，三極管理應(yīng)截止而切斷負(fù)載，如果負(fù)載仍舊未被切斷，那可能是三極管的集基極和集射極短路，必須加以置換。

第二節(jié) 基本三極管開關(guān)之改進(jìn)電路

有時(shí)候，我們所設(shè)定的低電壓準(zhǔn)位未必就能使三極管開關(guān)截止，尤其當(dāng)輸入準(zhǔn)位接近0.6伏特的時(shí)候更是如此。想要克服這種臨界狀況，就必須采取修正步驟，以保證三極管必能截止。圖6就是針對這種狀況所設(shè)計(jì)的兩種常見之改良電路。

圖6 確保三極管開關(guān)動作，正確的兩種改良電路