三極管開關(guān)電路的工作狀態(tài)分析-快速判斷-及計算方法

一、三極管的工作狀態(tài)分析

三極管有三個工作區(qū)域，分別是：

截止區(qū)：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(yīng)不足；

飽和區(qū)：注入基極的電流不斷聚集，超過了需求量，供大于求；

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

圖1.1、典型的NPN三極管開關(guān)電路

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

當(dāng)Ib持續(xù)增加，Ic會成比例(A*Ib)增加，然后Vout=(Vcc-Ic*R3)會持續(xù)地減小，此時三極管處于放大區(qū)。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(shù)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(qū)。

當(dāng)三極管可以在飽和區(qū)和截止區(qū)之間自由切換，那么這個三極管電路可以作為一個數(shù)字開關(guān)來使用。

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

圖1.2、典型的NPN三極管開關(guān)電路

基于圖1.2，為了測試開關(guān)電路的開關(guān)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(guān)系如圖1.3所示。

圖1.3、三極管開關(guān)電路的邏輯關(guān)系

如果將R1由20Kohm增大到150Kohm，電路的特性發(fā)生了很大變化，雖然還能實現(xiàn)開關(guān)，但是開關(guān)過程已經(jīng)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(xù)增大R1至160Kohm之后，情況進(jìn)一步惡化，已經(jīng)無法達(dá)到開關(guān)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(shù)字開關(guān)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(jìn)入充分的導(dǎo)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(dǎo)致三極管基極過流的情況下，R1是不是越小越好呢？當(dāng)然，也不是！當(dāng)三極管處于飽和區(qū)時，基極電流已經(jīng)供大于求，當(dāng)R1進(jìn)一步減小時，將導(dǎo)致基極電流嚴(yán)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(guān)斷速度會變慢。原因是三極管在過飽和的狀態(tài)下，在基極上堆積了過多的電荷（嚴(yán)重對供大于求，庫存積壓），所以三極管由開通狀態(tài)退出而進(jìn)入截止時，這些（庫存）電荷首先需要被導(dǎo)走，所以關(guān)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(guān)斷速度，但是可以加快導(dǎo)通速度。因此，如果對三極管的關(guān)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(jìn)入飽和狀態(tài)，如圖1.6，使用C1作為加速電容來減小基極驅(qū)動電阻，從而加快三極管的開通速度。

具體原理是：開關(guān)瞬間，“加速電容”相當(dāng)于“短路”，電壓瞬間加到Ube，使管子快速開通；開關(guān)信號到達(dá)穩(wěn)態(tài)之后，“加速電容”又相當(dāng)于“斷路”；R1的作用是抑制瞬態(tài)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(guān)電路

二、三極管工作狀態(tài)的快速判斷

圖1.7、三極管的開關(guān)電路

給定一個三極管開關(guān)電路，如何快速地判斷電路是否可以用作數(shù)字開關(guān)呢？即三極管能否順利地進(jìn)入飽和區(qū)呢？為了判斷，需要有一定的計算，當(dāng)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(shè)計三極管數(shù)字開關(guān)。

計算步驟如下：

1、T1導(dǎo)通之后，Ube為定值，得到流經(jīng)R2的電流：Ir2=Ube/R2;

2、流經(jīng)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(shè)三極管T1的放大倍數(shù)為A，則Ic=Ib*A, Vout=Vcc-R3*Ic。

如果，Vout

三、三極管開關(guān)電路的計算

有了以上的基礎(chǔ)，接下來可以講一些更為實用的知識了。

1、首先，選擇R3的數(shù)值：

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

2、認(rèn)真閱讀規(guī)格書

認(rèn)真閱讀規(guī)格書，并從三極管的規(guī)格書得到一些重要參數(shù)，比如集電極與發(fā)射極間的飽和電壓Vce_sat，放大倍數(shù)?，三極管基極與發(fā)射極間的關(guān)閉與飽和電壓。

3、了解三極管的溫度特性

三極管的參數(shù)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(yīng)用的角度，可以簡單的使用以下經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行計算：

(1)常溫下,基極飽和電壓 Ube_sat=0.6V；基極關(guān)閉電壓Ube_off=0.56V。書上一般說Ube=0.6~0.7V，根據(jù)實際經(jīng)驗，需要相對精確計算時，可設(shè)定Ube_sat=0.6V比較合適。

(2)三極管的特性呈現(xiàn)“負(fù)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(shù)的經(jīng)驗值為：-2mV/°C， 即Ube=0.6-0.002*(T-25)，T為溫度（°C） 。此特性和經(jīng)驗參數(shù)同樣適用于二極管。

(3)為了方便理解和記憶，關(guān)于三極管/二極管的溫度特性，可以如此認(rèn)為：溫度升高，電子運(yùn)動變得活躍，所以PN結(jié)之間的壓降變小了；反之變大。PN結(jié)有點像節(jié)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(jīng)驗數(shù)據(jù)，如果需要使用相對精確的參數(shù)，請詳細(xì)查詢所選的三極管的規(guī)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(chuàng)建一份屬于自己的簡易Excel計算工具很有必要。

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