三極管的應用-開關電路

一、三極管的工作狀態分析

三極管有三個工作區域，分別是：

截止區：基極電壓小于開啟電壓（0.6~0.7V）或基極電路小于開啟電流，供應不足；

飽和區：注入基極的電流不斷聚集，超過了需求量，供大于求；

放大區：介于截止和飽和區之間的一個階段，注入基極的電流不斷上升，對應的集電極電流成比例（三極管的放大倍數）增加，供需平衡。

圖1.1、典型的NPN三極管開關電路

如圖1.1， 三極管的放大倍數為A,則Ic=A*Ib，然后Vout=Vcc-Ic*R3。

當Ib持續增加，Ic會成比例(A*Ib)增加，然后Vout=(Vcc-Ic*R3)會持續地減小，此時三極管處于放大區。顯然，Vout的減小是有一個下限的，這個下限是三極管的Vce的飽和值（Vce_sat），一般在0.2V左右。總之，Ib增大到一定數值之后，Ic不會再增加，Vout會被限制在Vce_sat處，此時三極管處于飽和區。

當三極管可以在飽和區和截止區之間自由切換，那么這個三極管電路可以作為一個數字開關來使用。

圖1.1，是一個典型的三極管開關電路，R1=20Kohm,R2=10Kohm,R3=10Kohm,U1=BC847C。

圖1.2、典型的NPN三極管開關電路

基于圖1.2，為了測試開關電路的開關特性，在輸入端注入三角波，然后可以得到其中的控制邏輯關系如圖1.3所示。

圖1.3、三極管開關電路的邏輯關系

如果將R1由20Kohm增大到150Kohm，電路的特性發生了很大變化，雖然還能實現開關，但是開關過程已經變得不再干脆，顯得“粘滯”。

圖1.4、增大R1=150Kohm之后的三極管電路

繼續增大R1至160Kohm之后，情況進一步惡化，已經無法達到開關的目的了，如圖1.5所示。

圖1.5、增大R1=160Kohm之后的三極管電路

由此可見，R1就像一個閥門，如果三極管的目的是被用作數字開關使用，那么閥門的開口必須足夠大。否則，即使輸入開足了馬力，三極管也無法進入充分的導通。

顯然，R1這個閥門也不能不加以限制，否則三極管基極將會因過流而損壞。那么，在保證不會導致三極管基極過流的情況下，R1是不是越小越好呢？當然，也不是！當三極管處于飽和區時，基極電流已經供大于求，當R1進一步減小時，將導致基極電流嚴重地供大于求，此謂三極管的過飽和。

那么，過飽和有啥后果呢？實際上也沒有太大的后果，唯一的后果是三極管的關斷速度會變慢。原因是三極管在過飽和的狀態下，在基極上堆積了過多的電荷（嚴重對供大于求，庫存積壓），所以三極管由開通狀態退出而進入截止時，這些（庫存）電荷首先需要被導走，所以關斷速度必定會較平常變慢。

三極管的過飽和也不是一無是處，它雖然會減慢關斷速度，但是可以加快導通速度。因此，如果對三極管的關斷速度不在乎，而只對開通速度很在乎。那么，需要使用一定的技巧使得三極管快速進入飽和狀態，如圖1.6，使用C1作為加速電容來減小基極驅動電阻，從而加快三極管的開通速度。

具體原理是：開關瞬間，“加速電容”相當于“短路”，電壓瞬間加到Ube，使管子快速開通；開關信號到達穩態之后，“加速電容”又相當于“斷路”；R1的作用是抑制瞬態的基極電流，確保三極管不會因為基極電流過載而損毀。

圖1.6、含加速電容的三極管開關電路

二、三極管工作狀態的快速判斷

圖1.7、三極管的開關電路

給定一個三極管開關電路，如何快速地判斷電路是否可以用作數字開關呢？即三極管能否順利地進入飽和區呢？為了判斷，需要有一定的計算，當然是一些非常簡單的計算，可以說只需要懂得歐姆定律就可以用來設計三極管數字開關。

計算步驟如下：

1、T1導通之后，Ube為定值，得到流經R2的電流：Ir2=Ube/R2;

2、流經R1的電流，Ir1=(Vsw-Ube)/R1;

3、得到基極電流，Ib=Ir1-Ir2=(Vsw-Ube)/R1-Ube/R2=Vsw/R1-(1/R1+1/R2)*Ube;

4、假設三極管T1的放大倍數為A，則Ic=Ib*A, Vout=Vcc-R3*Ic。

如果，Vout<<Vce_sat (一般為0.2V左右)，則判定三極管處于飽和區，此時集電極處于正偏狀態（基極電壓高壓集電極電壓）。

三、三極管開關電路的計算

有了以上的基礎，接下來可以講一些更為實用的知識了。

1、首先，選擇R3的數值：

首先，根據對開關輸出電流的需要確定R3的數值。一般情況下，此電路會被接到單片機的GPIO口或者用于驅動下一級的大功率三極管，驅動電流小于10mA。假設VCC=3.3V，R3的選值范圍一般在1K~10K左右，對應的驅動電流范圍為3.3mA~330uA，如果僅作信號傳輸多選R3=10KOhm。

2、認真閱讀規格書

認真閱讀規格書，并從三極管的規格書得到一些重要參數，比如集電極與發射極間的飽和電壓Vce_sat，放大倍數?，三極管基極與發射極間的關閉與飽和電壓。

3、了解三極管的溫度特性

三極管的參數不是一成不變的，它受溫度、集電極輸出電流等因素的影響。請放棄精確計算三極管電路的想法，因為影響的因素太多了。從工程應用的角度，可以簡單的使用以下經驗參數進行計算：

(1)、常溫下,基極飽和電壓 Ube_sat=0.6V；基極關閉電壓Ube_off=0.56V。書上一般說Ube=0.6~0.7V，根據實際經驗，需要相對精確計算時，可設定Ube_sat=0.6V比較合適。

（2）、三極管的特性呈現“負溫度”特性。也就是說，隨著溫度上升，Ube間的電壓會下降，溫度系數的經驗值為：-2mV/°C， 即Ube=0.6-0.002*(T-25)，T為溫度（°C） 。此特性和經驗參數同樣適用于二極管。

（3）、為了方便理解和記憶，關于三極管/二極管的溫度特性，可以如此認為：溫度升高，電子運動變得活躍，所以PN結之間的壓降變小了；反之變大。PN結有點像節假日高速路上的堵車，沒有完全堵死，車輛還挪動，車輛挪動的速變決定堵車的長度（類比PN的壓降）。

以上所述為經驗數據，如果需要使用相對精確的參數，請詳細查詢所選的三極管的規格書。

圖1.8、NPN三極管BC847C的溫度特性曲線

4、建立自己的計算工具

在計算過程中，建議把所有的計算公式輸入到Excel工具中來。因為，一旦引入了溫度特性，計算過程會顯得繁瑣，而采用仿真工具又不利于歸檔，創建一份屬于自己的簡易Excel計算工具很有必要。

圖1.9、NPN三極管數字開關的計算工具示例

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