【E課堂】三極管開關(guān)電路圖原理及設(shè)計(jì)詳解

　　晶體管開關(guān)電路(工作在飽和態(tài))在現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)應(yīng)用中屢見不鮮，經(jīng)典的74LS，74ALS等集成電路內(nèi)部都使用了晶體管開關(guān)電路，只是驅(qū)動(dòng)能力一般而已。

　　TTL晶體管開關(guān)電路按驅(qū)動(dòng)能力分為小信號(hào)開關(guān)電路和功率開關(guān)電路;按晶體管連接方式分為發(fā)射極接地(PNP晶體管發(fā)射極接電源)和射級(jí)跟隨開關(guān)電路。

　　發(fā)射極接地開關(guān)電路

　　1.1 NPN型和PNP型基本開關(guān)原理圖：

　　上面的基本電路離實(shí)際設(shè)計(jì)電路還有些距離：由于晶體管基極電荷存儲(chǔ)積累效應(yīng)使晶體管從導(dǎo)通到斷開有一個(gè)過渡過程(當(dāng)晶體管斷開時(shí)，由于R1的存在，減慢了基極電荷的釋放，所以Ic不會(huì)馬上變?yōu)榱?。也就是說發(fā)射極接地型開關(guān)電路存在關(guān)斷時(shí)間，不能直接應(yīng)用于中高頻開關(guān)。

　　1.2 實(shí)用的NPN型和PNP型開關(guān)原理圖1(添加加速電容)

　　解釋：當(dāng)晶體管突然導(dǎo)通(IN信號(hào)突然發(fā)生跳變)，C1瞬間短路，為三極管快速提供基極電流，這樣加速了晶體管的導(dǎo)通。當(dāng)晶體管突然關(guān)斷(IN信號(hào)突然發(fā)生跳變)，C1也瞬間導(dǎo)通，為卸放基極電荷提供一條低阻通道，這樣加速了晶體管的關(guān)斷。C通常取值幾十到幾百皮法。電路中R2是為了保證沒有IN輸入高電平時(shí)三極管保持關(guān)斷狀態(tài);R4是為了保證沒有IN輸入低電平時(shí)三極管保持關(guān)斷狀態(tài)。R1和R3是基極電流限流用。

　　1.3 實(shí)用的NPN型開關(guān)原理圖2(消特基二極管鉗位)

　　解釋：由于消特基二極管Vf為0.2至0.4V比Vbe小，所以當(dāng)晶體管導(dǎo)通后大部分的基極電流是從二極管然后通過三極管到地的，這樣流到三極管基極的電流就很小，積累起來的電荷也少，當(dāng)晶體管關(guān)斷(IN信號(hào)突然發(fā)生跳變)時(shí)需要卸放的電荷少，關(guān)斷自然就快。

　　1.4 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

　　在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中需要考慮三極管Vceo，Vcbo等滿足耐壓，三極管滿足集電極功耗;通過負(fù)載電流和hfe(取三極管最小hfe來計(jì)算)計(jì)算基極電阻(要為基極電流留0.5至1倍的余量)。注意消特基二極管反向耐壓。

　　三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)

　　三極管除了可以當(dāng)做交流信號(hào)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(dòng)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，

　　圖1基本的三極管開關(guān)

　　輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟(open)與閉合(closed)動(dòng)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(cutoff)區(qū)。

　　同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，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)。838電子

　　1、三極管開關(guān)電路的分析設(shè)計(jì)

　　由于對(duì)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(dòng)作一樣。欲如此就必須使Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動(dòng)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﹕

　　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(duì)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﹕

　　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(dòng)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(dòng)(mechanicalactuator)﹑螺管柱塞(solenoidplunger)或電驛電樞(relayarmature)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?并解釋出此時(shí)之負(fù)載電流與基極電流值?

　　解﹕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﹕

　　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(dòng)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。

　　2、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(hào)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(huì)有些許的上升現(xiàn)象，雖然對(duì)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(cè)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)﹕

　　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(dòng)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(dòng)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(dòng)(bounce)現(xiàn)象。一般的機(jī)械式開關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會(huì)有快速的連續(xù)啟閉動(dòng)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(dòng)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(huì)侵蝕接點(diǎn)的表面，亦可能造成干擾或危害。