三極管開關電路的工作狀態與計算方法

三極管開關電路作為功率管的控制應用廣泛。這里對一個實用開關電路中的各元器件作用作具體分析。

三極管開關控制電路：

上圖是一個小功率三極管控制大功率三極管（達林頓管）開關電路。

控制信號通過控制小功率三極管的開關來控制大功率管Q1的開關。

原理分析

三極管開關電路的基本原理就是控制三極管工作在截止區和飽和區工作。電路設計原則等不作贅述，一般的三極管電路參考書籍有介紹。在這里也只討論圖中這些阻容元器件的作用，不討論其取值計算（因為取值計算需要選定三極管，而且頗為簡單）。

圖中R1作用是Q2的基極限流；R3作用是泄放掉關斷狀態時基極電荷，讓Q2在低電平時保持截止狀態；R4作用是Q2的集電極限流以及Q1的基極限流；電容C2是加速電容，加速Q2的開關速度，降低Q2管耗，從而延長Q2壽命；R5和C1是作為輸出反饋給Q2的基極，作用同樣為加速Q2的開關速度，延長Q2的壽命以及電路整體的性能，此為正反饋。

三極管開關電路的工作狀態分析，快速判斷，以及計算方法！

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

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。

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