三極管開關(guān)電路設(shè)計參考

　　引言

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

　　輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟（open） 與閉合（closed） 動作，當三極管呈開啟狀態(tài)時，負載電流便被阻斷，反之，當三極管呈閉合狀態(tài)時，電流便可以流通。詳細的說，當Vin為低電壓時，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載亦沒有電流，而相當于開關(guān)的開啟，此時三極管乃勝作于截止（cut off）區(qū)。

　　同理，當Vin為高電壓時，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負載回路便被導(dǎo)通，而相當于開關(guān)的閉合，此時三極管乃勝作于飽和區(qū)（saturation）。

　　1 三極管開關(guān)電路的分析設(shè)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(shè)計時，為了可以更確定三極管必處于截止狀態(tài)起見，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，就像機械開關(guān)的閉合動作一樣。欲如此就必須使 Vin達到夠高的準位，以驅(qū)動三極管使其進入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時，集電極電流相當大，幾乎使得整個電源電壓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(jù)奧姆定律三極管呈飽和時，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載相串聯(lián)的機械式開關(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，而不須采用機械式開關(guān)所常用的機械引動（mechanical actuator）﹑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，當然NPN三極管亦可以被當作開關(guān)來使用，只是比較不常見罷了。

　　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關(guān)

　　欲利用三極管開關(guān)來控制大到1.5A的負載電流之啟閉動作，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，因為當負載電流流過時，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)與機械式開關(guān)的比較

　　截至目前為止，我們都假設(shè)當三極管開關(guān)導(dǎo)通時，其基極與射極之間是完全短路的。事實并非如此，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，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） 值還會有些許的上升現(xiàn)象，雖然對大多數(shù)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，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。

　　圖3 三極管開關(guān)與機械式開關(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)的機械式開關(guān)相較，具有下列四大優(yōu)點﹕

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

　?。?）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)的啟閉時間是以毫秒 （ms）來計算的，三極管開關(guān)則以微秒（μs）計。

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

　　（4）利用三極管開關(guān)來驅(qū)動電感性負載時，在開關(guān)開啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當機械式開關(guān)開啟時，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(yīng)電壓，將在接點上引起弧光，這種電弧非但會侵蝕接點的表面，亦可能造成干擾或危害。

　　圖4 三極管開關(guān)之并聯(lián)聯(lián)接

　　3 三極管開關(guān)的測試

　　三極管開關(guān)不像機械式開關(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所示的標準三極管開關(guān)電路中，當開關(guān)導(dǎo)通時，VEC的讀值應(yīng)該為0，反之當開關(guān)切斷時，VCE應(yīng)對于VCC。

　　三極管開關(guān)在切斷的狀況下，由于負載上沒有電流流過，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的準位夠高，驅(qū)動三極管導(dǎo)通絕無問題時，而負載卻仍未導(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。當然這一準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的讀值達到1.5