精选-三极管开关电路工作原理分析

三极管开关电路工作原理分析

图一所示是NPN三极管的共射极电路，图二所示是它的特性曲线图，图中它有3 种工作区域：截止区(Cutoff Region)、线性区(Active Region) 、饱和区(Saturation Region)。三极管是以B 极电流IB 作为输入，操控整个三极管的工作状态。若三极管是在截止区，IB 趋近于0 (VBE 亦趋近于0)，C 极与E 极间约呈断路状态，IC = 0，VCE = VCC。若三极管是在线性区，B-E 接面为顺向偏压，B-C 接面为逆向偏压，IB 的值适中(VBE = 0.7 V)，I C =h F E I B 呈比例放大，Vce = Vcc -Rc I c = V cc - Rc hFE IB可被IB 操控。若三极管在饱和区，IB 很大，VBE = 0.8 V，VCE = 0.2 V，VBC = 0.6 V，B-C 与B-E 两接面均为正向偏压，C-E间等同于一个带有0.2 V 电位落差的通路，可得I c=( Vcc - 0.2 )/ Rc ，Ic 与IB 无关了，因此时的IB大过线性放大区的IB 值，IchFE IB 是必然的。三极管在截止态时C-E 间如同断路，在饱和态时C-E 间如同通路(带有0.2 V 电位降)，因此可以作为开关。控制此开关的是IB，也可以用VBB 作为控制的输入讯号。图三、四分别显示三极管开关的通路、断路状态，及其对应的等效电路。

图1 NPN 三极管共射极电路图2 共射极电路输出特性曲

图3、截止态如同断路线图图4、饱和态如同通路

三极管开关电路设计

三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。

由下图可知，负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间，而位居三极管主电流的回路上，

图1 基本的三极管开关

输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作，当三极管呈开启状态时，负载电流便被阻断，反之，当三极管呈闭合状态时，电流便可以流通。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时三极管乃胜作于截止(cut off)区。

同理，当Vin为高电压时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区(saturation)。838电子

一、三极管开关电路的分析设计

由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使Vin值低于 0.3伏特。 (838电子资源)当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与射极必须短路，就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使 Vin达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和工作区工作，三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则VcE便接近于0，而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下，根据奥姆定律三极管呈饱和时，其集电极电流应该为﹕

因此，基极电流最少应为：

(式1)

上式表出了IC和IB之间的基本关系，式中的β值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管而言，其交流β值和直流β值之间，有着甚大的差异。欲使开关闭合，则其Vin值必须够高，以送出超过或等于(式1) 式所要求的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路，故Vin可由下式来求解﹕

(式2)

一旦基极电压超过或等于(式2) 式所求得的数值，三极管便导通，使全部的供应电压均跨在负载电阻上，而完成了开关的闭合动作。

总而言之，三极管接成图1的电路之后，它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关一样，而其启闭开关的方式，则可以直接利用输入电压方便的控制，而不须采用机械式开关所常用的机械引动(mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或电驿电枢(relay armature)等控制方式。

为了避免混淆起见，本文所介绍的三极管开关均采用NPN三极管，当然NPN三极管亦可以被当作开关来使用，只是比较不常见罢了。

例题1

试解释出在图2的开关电路中，欲使开关闭合(三极管饱和) 所须的输入电压为何﹖并解释出此时之负载电流与基极电流值﹖

解﹕由2式可知，在饱和状态下，所有的供电电压完全跨降于负载电阻上，因此

由方程式(1) 可知

因此输入电压可由下式求得﹕

图2 用三极管做为灯泡开关

由例题1-1得知，欲利用三极管开关来控制大到1.5A的负载电流之启闭动作，只须要利用甚小的控制电压和电流即可。此外，三极管虽然流过大电流，却不须要装上散热片，因为当负载电流流过时，三极管呈饱和状态，其VCE趋近于零，所以其电流和电压相乘的功率之非常小，根本不须要散热片。

二、三极管开关与机械式开关的比较

截至目前为止，我们都假设当三极管开关导通时，其基极与射极之间是完全短路的。事实并非如此，没有任何三极管可以完全短路而使VCE=0，大多数的小信号硅质三极管在饱和时，VCE(饱和) 值约为0.2伏特，纵使是专为开关应用而设计的交换三极管，其VCE(饱和) 值顶多也只能低到0.1伏特左右，而且负载电流一高，VCE(饱和) 值还会有些许的上升现象，虽然对大多数的分析计算而言，VCE(饱和) 值可以不予考虑，但是在测试交换电路时，必须明白VCE(饱和) 值并非真的是0。

虽然VCE(饱和)的电压很小，本身微不足道，但是若将几个三极管开关串接起来，其总和的压降效应就很可观了，

不幸的是机械式的开关经常是采用串接的方式来工作的，如图3(a)所示，三极管开关无法模拟机械式开关的等效电路(如图3(b)所示)来工作，这是三极管开关的一大缺点。