【E課堂】三極管開(kāi)關(guān)電路圖原理及設計詳解

　　晶體管開(kāi)關(guān)電路(工作在飽和態(tài))在現代電路設計應用中屢見(jiàn)不鮮，經(jīng)典的74LS，74ALS等集成電路內部都使用了晶體管開(kāi)關(guān)電路，只是驅動(dòng)能力一般而已。

　　TTL晶體管開(kāi)關(guān)電路按驅動(dòng)能力分為小信號開(kāi)關(guān)電路和功率開(kāi)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)和射級跟隨開(kāi)關(guān)電路。

　　發(fā)射極接地開(kāi)關(guān)電路

　　1.1 NPN型和PNP型基本開(kāi)關(guān)原理圖：

　　上面的基本電路離實(shí)際設計電路還有些距離：由于晶體管基極電荷存儲積累效應使晶體管從導通到斷開(kāi)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程(當晶體管斷開(kāi)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(shuō)發(fā)射極接地型開(kāi)關(guān)電路存在關(guān)斷時(shí)間，不能直接應用于中高頻開(kāi)關(guān)。

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

　　解釋?zhuān)寒斁w管突然導通(IN信號突然發(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通。當晶體管突然關(guān)斷(IN信號突然發(fā)生跳變)，C1也瞬間導通，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(méi)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(méi)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(kāi)關(guān)原理圖2(消特基二極管鉗位)

　　解釋?zhuān)河捎谙鼗O管Vf為0.2至0.4V比Vbe小，所以當晶體管導通后大部分的基極電流是從二極管然后通過(guò)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(lái)的電荷也少，當晶體管關(guān)斷(IN信號突然發(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)際電路設計

　　在實(shí)際電路設計中需要考慮三極管Vceo，Vcbo等滿(mǎn)足耐壓，三極管滿(mǎn)足集電極功耗;通過(guò)負載電流和hfe(取三極管最小hfe來(lái)計算)計算基極電阻(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(kāi)關(guān)電路設計

　　三極管除了可以當做交流信號放大器之外，也可以做為開(kāi)關(guān)之用。嚴格說(shuō)起來(lái)，三極管與一般的機械接點(diǎn)式開(kāi)關(guān)在動(dòng)作上并不完全相同，但是它卻具有一些機械式開(kāi)關(guān)所沒(méi)有的特點(diǎn)。圖1所示，即為三極管電子開(kāi)關(guān)的基本電路圖。

　　由下圖可知，負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(kāi)關(guān)

　　輸入電壓Vin則控制三極管開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟(open)與閉合(closed)動(dòng)作，當三極管呈開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，負載電流便被阻斷，反之，當三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。詳細的說(shuō)，當Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒(méi)有電流，因此集電極亦無(wú)電流，致使連接于集電極端的負載亦沒(méi)有電流，而相當于開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，此時(shí)三極管乃勝作于截止(cutoff)區。

　　同理，當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(guò)更大的放大電流，因此負載回路便被導通，而相當于開(kāi)關(guān)的閉合，此時(shí)三極管乃勝作于飽和區(saturation)。838電子

　　1、三極管開(kāi)關(guān)電路的分析設計

　　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。通常在設計時(shí)，為了可以更確定三極管必處于截止狀態(tài)起見(jiàn)，往往使Vin值低于0.3伏特。(838電子資源)當然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開(kāi)關(guān)必處于截止狀態(tài)。欲將電流傳送到負載上，則三極管的集電極與射極必須短路，就像機械開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。欲如此就必須使Vin達到夠高的準位，以驅動(dòng)三極管使其進(jìn)入飽和工作區工作，三極管呈飽和狀態(tài)時(shí)，集電極電流相當大，幾乎使得整個(gè)電源電壓Vcc均跨在負載電阻上，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，根據奧姆定律三極管呈飽和時(shí)，其集電極電流應該為﹕

　　因此，基極電流最少應為：

　　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(zhù)甚大的差異。欲使開(kāi)關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過(guò)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(lái)求解﹕

　　一旦基極電壓超過(guò)或等于(式2)式所求得的數值，三極管便導通，使全部的供應電壓均跨在負載電阻上，而完成了開(kāi)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載相串聯(lián)的機械式開(kāi)關(guān)一樣，而其啟閉開(kāi)關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機械式開(kāi)關(guān)所常用的機械引動(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(jiàn)，本文所介紹的三極管開(kāi)關(guān)均采用NPN三極管，當然NPN三極管亦可以被當作開(kāi)關(guān)來(lái)使用，只是比較不常見(jiàn)罷了。

　　例題1

　　試解釋出在圖2的開(kāi)關(guān)電路中，欲使開(kāi)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(kāi)關(guān)

　　由例題1-1得知，欲利用三極管開(kāi)關(guān)來(lái)控制大到1.5A的負載電流之啟閉動(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(guò)大電流，卻不須要裝上散熱片，因為當負載電流流過(guò)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(kāi)關(guān)與機械式開(kāi)關(guān)的比較

　　截至目前為止，我們都假設當三極管開(kāi)關(guān)導通時(shí)，其基極與射極之間是完全短路的。事實(shí)并非如此，沒(méi)有任何三極管可以完全短路而使VCE=0，大多數的小信號硅質(zhì)三極管在飽和時(shí)，VCE(飽和)值約為0.2伏特，縱使是專(zhuān)為開(kāi)關(guān)應用而設計的交換三極管，其VCE(飽和)值頂多也只能低到0.1伏特左右，而且負載電流一高，VCE(飽和)值還會(huì )有些許的上升現象，雖然對大多數的分析計算而言，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(kāi)關(guān)串接起來(lái)，其總和的壓降效應就很可觀(guān)了，不幸的是機械式的開(kāi)關(guān)經(jīng)常是采用串接的方式來(lái)工作的，如圖3(a)所示，三極管開(kāi)關(guān)無(wú)法模擬機械式開(kāi)關(guān)的等效電路(如圖3(b)所示)來(lái)工作，這是三極管開(kāi)關(guān)的一大缺點(diǎn)。

　　圖3三極管開(kāi)關(guān)與機械式開(kāi)關(guān)電路

　　幸好三極管開(kāi)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(kāi)關(guān)和傳統的機械式開(kāi)關(guān)相較，具有下列四大優(yōu)點(diǎn)﹕

　　圖4三極管開(kāi)關(guān)之并聯(lián)聯(lián)接

　　(1)三極管開(kāi)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(wú)限多次，

　　一般的機械式開(kāi)關(guān)，由于接點(diǎn)磨損，頂多只能使用數百萬(wàn)次左右，而且其接點(diǎn)易受污損而影響工作，因此無(wú)法在臟亂的環(huán)境下運作，三極管開(kāi)關(guān)既無(wú)接點(diǎn)又是密封的，因此無(wú)此顧慮。

　　(2)三極管開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度較一般的開(kāi)關(guān)為快，一般開(kāi)關(guān)的啟閉時(shí)間是以毫秒(ms)來(lái)計算的，三極管開(kāi)關(guān)則以微秒(μs)計。

　　(3)三極管開(kāi)關(guān)沒(méi)有躍動(dòng)(bounce)現象。一般的機械式開(kāi)關(guān)在導通的瞬間會(huì )有快速的連續啟閉動(dòng)作，然后才能逐漸達到穩定狀態(tài)。

　　(4)利用三極管開(kāi)關(guān)來(lái)驅動(dòng)電感性負載時(shí)，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當機械式開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，由于瞬間切斷了電感性負載樣上的電流，因此電感之瞬間感應電壓，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。