三极管在电路中的使用(超详细_有实例).pdf

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1、一种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

2、，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

3、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 值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管而言， 其交流 值和直流 值之间，有着甚大的差异。欲使开关闭合，则其 Vin

4、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 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

5、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

6、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

7、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。 图 3 三极管开关与机械式开关电路 幸好三极管开关虽然不适用于串接方式，却可以完美的适用于并接的工作方式，如图 4 所示者即为一 例。三极管开关和传统的机械式开关相较，具有下列四大优点 （1） 三极管开关不具有活动接点部份，因此不致有磨损之虑，可以使用无限多次，一般的机械式开关， 由于接点磨损，顶多只能使用数百

8、万 次左右，而且其接点易受污损而影响工作，因此无法在脏乱的环境 下运作，三极管开关既无接点又是密封的，因此无此顾虑。 （2）三极管开关的动作速度较一般的开关为快，一般开关的启闭时间是以毫秒 （ms）来计算的，三 极管开关则以微秒（s）计。 （3）三极管开关没有跃动（bounce） 现象。一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续启闭 动作，然后才能逐渐达到稳定状态。 （4）利用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关开启的瞬间，不致有火花产生。反之，当机械式开 关开启时，由于瞬间切断了电感性负载样 上的电流，因此电感之瞬间感应电压，将在接点上引起弧光， 这种电弧非但会侵蚀接点的表面，亦可能造成干扰

9、或危害。 图 4 三极管开关之并联联接 3 三极管开关的测试三极管开关的测试 三极管开关不像机械式开关可以光凭肉眼就判断出它目前的启闭状态， 因此必须利用电表来加以测试。 在图 5 所示的标准三极管开关电路中，当开关导通时，VEC 的读值应该为 0，反之当开关切断时，VCE 应 对于 VCC。 三极管开关在切断的状况下，由于负载上没有电流流过，因此也没有压降，所以全部的供应电压均跨 降在开关的两端，因此其 VCE 值应等于 VCC，这和机械式开关是完全相同的。如果开关本身应导通而未 导通，那就得测试 Vin 的大小了。欲保证三极管导通，其基极的 Vin 电压值就必须够高，如果 Vin 值过低，

10、 则问题就出自信号源而非三极管本身了。假使在 Vin 的准位够高，驱动三极管导通绝无问题时，而负载却 仍未导通，那就要测试电源电压是否正常了。 在导通的状态下，硅三极管的 VBE 值约为 0.6 伏特，假使 Vin 值够高，而 VBE 值却高于和低于 0.6 伏特，例如 VBE 为 1.5 伏特或 0.2 伏特，这表示基射极接面可能已经损坏，必须将三极管换掉。当然这 一准则也未必百分之百正确， 许多大电流额定的功率三极管， 其VBE值经常是超过1伏特的， 因此即使 VBE 的读值达到 1.5 伏特，也未必就能肯定三极管的接面损坏，这时候最好先查阅三极管规格表后再下断言。 一旦 VBE 正常且有

11、基极电流流动时，便必须测试 VCE 值，假使 VCE 趋近于 VCC，就表示三极管的 集基接面损坏，必须换掉三极管。假使 VCE 趋近于零伏特，而负载仍未导通，这可能是负载本身有开路现 象发生，因此必须检换负载。 图 5 三极管开关电路，各主要测试电的电压图 当 Vin 降为低电压准位，三极管理应截止而切断负载，如果负载仍旧未被切断，那可能是三极管的集基极 和集射极短路，必须加以置换。 3.1 基本三极管开关之改进电路基本三极管开关之改进电路 有时候，我们所设定的低电压准位未必就能使三极管开关截止，尤其当输入准位接近 0.6 伏特的时候 更是如此。想要克服这种临界状况，就必须采取修正步骤，以保

12、证三极管必能截止。图 6 就是针对这种状 况所设计的两种常见之改良电路。 图 6 确保三极管开关动作，正确的两种改良电路 图 6（a） 的电路，在基射极间串接上一只二极管，因此使得可令基极电流导通的输入电压值提升了 0.6 伏特，如此即使 Vin 值由于信号源的误动作而接近 0.6 伏特时，亦不致使三极管导通，因此开关仍可 处于截止状态。 图 6（b）的电路加上了一只辅助-截止（hold-off）电阻 R2，适当的 R1，R2 及 Vin 值设计，可于 临界输入电压时确保开关截止。由图 6（b）可知在基射极接面未导通前（IB0），R1 和 R2 形成一个串 联分压电路，因此 R1 必跨过固定（

13、随 Vin 而变） 的分电压，所以基极电压必低于 Vin 值，因此即使 Vin 接近于临界值（Vin=0.6 伏特） ，基极电压仍将受连接于负电源的辅助-截止电阻所拉下，使低于 0.6 伏 特。由于 R1，R2 及 VBB 值的刻意设计，只要 Vin 在高值的范围内，基极仍将有足够的电压值可使三极 管导通，不致受到辅助-截止电阻的影响。 3.1.1 加速加速电容器电容器 在要求快速切换动作的应用中，必须加快三极管开关的切换速度。图 7 为一种常见的方式，此方法只 须在 RB 电阻上并联一只加速电容器，如此当 Vin 由零电压往上升并开始送电流至基极时，电容器由于无 法瞬间充电，故形同短路，然而

14、此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极，因此也就加快了开关导通的速 度。稍后，待充电完毕后，电容就形同开路，而不影响三极管的正常工作。 图 7 加了加速电容器的电路 一旦输入电压由高准位降回零电压准位时，电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反向偏压， 而使三极管开关迅速切断，这是由于电容器的左端原已充电为正电压，因此在输入电压下降的瞬间，电容 器两端的电压无法瞬间改变仍将维持于定值，故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降，因此令基射 极接面成为反向偏压，而迅速令三极管截止。适当的选取加速电容值可使三极管开关的切换时间减低至几 十分之微秒以下，大多数的加速电容值约为数百个微微法拉（pF） 。

15、 有时候三极管开关的负载并非直接加在集电极与电源之间，而是接成图 8 的方式，这种接法和小信号 交流放大器的电路非常接近，只是少了一只输出耦合电容器而已。这种接法和正常接法的动作恰好相反， 当三极管截止时，负载获能，而当三极管导通时，负载反被切断，这两种电路的形式都是常见的，因此必 须具有清晰的分辨能力。 图 8 将负载接于三极管开关电路的改进接法 3.1.2 图腾式开关图腾式开关 假使图 8 的三极管开关加上了电容性负载（假定其与 RLD 并联） ，那么在三极管截止后，由于负载 电压必须经由 RC 电阻对电容慢慢充电而建立，因此电容量或电阻值愈大，时间常数（RC） 便愈大，而 使得负载电压之

16、上升速率愈慢，在某些应用中，这种现象是不容许的，因此必须采用图 9 的改良电路。 图 9 图腾式三极管开关 图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所构成的，它也因此而得名。欲使负载获能， 必须使 Q1 三极管导通， 同时使 Q2 三极管截断， 如此负载便可经由 Q1 而连接至 VCC 上， 欲使负载去能， 必须使 Q1 三极管截断，同时使 Q2 三极管导通，如此负载将经由 Q2 接地。由于 Q1 的集电极除了极小 的接点电阻外，几乎没有任何电阻存在（如图 9 所示） ，因此负载几乎是直接连接到正电源上的，也因此 当 Q1 导通时， 就再也没有电容的慢速充电现象存在了。 所以可说 Q1“将负载拉起”， 而称之为“挽起 （pull up） 三极管”，Q2 则称为“拉下（pull down） 三极管”。图 9 左半部的输入控制电路，负责 Q1