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一种三极管开关电路设计 引言 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。 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 ）。 1 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： 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： 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 mechanical 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 （ 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。 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 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。 2 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