三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)匯總（十一款開關(guān)電路設(shè)計(jì)原理） - 全文

開關(guān)三極管的外形與普通三極管外形相同，它工作于截止區(qū)和飽和區(qū)，相當(dāng)于電路的切斷和導(dǎo)通。由于它具有完成斷路和接通的作用，被廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電路中，如常用的開關(guān)電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、高頻振蕩電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、脈沖電路及輸出電路等。

負(fù)載電阻被直接跨接于三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的回路上，輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟與閉合動(dòng)作，當(dāng)三極管呈開啟狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。

詳細(xì)的說，當(dāng)Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒有電流，因此集電極亦無電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒有電流，而相當(dāng)于開關(guān)的開啟（關(guān)閉狀態(tài)），此時(shí)三極管乃工作于截止區(qū)。

同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合（連接狀態(tài)），此時(shí)三極管乃工作于飽和區(qū)。

三極管基本開關(guān)原理圖：

1.基極必須串接電阻，保護(hù)基極，保護(hù)CPU的IO口。

2.基極根據(jù)PNP或者NPN管子加上拉電阻或者下拉電阻。

3.集電極電阻阻值根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際情況調(diào)整。同樣基極電阻也可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

基極和發(fā)射極需要串接電阻，該電阻的作用是在輸入呈高阻態(tài)時(shí)使晶體管可靠截止，極小值是在前級(jí)驅(qū)動(dòng)使晶體管飽和時(shí)與基極限流電阻分壓后能夠滿足晶體管的臨界飽和，實(shí)際選擇時(shí)會(huì)大大高于這個(gè)極小值，通常外接干擾越小、負(fù)載越重準(zhǔn)許的阻值就越大，通常采用10K量級(jí)。

防止三極管受噪聲信號(hào)的影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作，使晶體管截止更可靠。三極管的基極不能出現(xiàn)懸空，當(dāng)輸入信號(hào)不確定時(shí)（如輸入信號(hào)為高阻態(tài)時(shí)），加下拉電阻，就能使有效接地。

特別是GPIO連接此基極的時(shí)候，一般在GPIO所在IC剛剛上電初始化的時(shí)候，此GPIO的內(nèi)部也處于一種上電狀態(tài)，很不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生噪聲，引起誤動(dòng)作。加此電阻，可消除此影響（如果出現(xiàn)一尖脈沖電平，由于時(shí)間比較短，所以這個(gè)電壓很容易被電阻拉低；如果高電平的時(shí)間比較長，那就不能拉低了，也就是正常高電平時(shí)沒有影響）。

但是電阻不能過小，影響泄漏電流。（過小則會(huì)有較大的電流由電阻流入地）

當(dāng)三極管開關(guān)作用時(shí)，ON和OFF時(shí)間越短越好，為了防止在OFF時(shí)，因晶體管中的殘留電荷引起的時(shí)間滯后，在B，E之間加一個(gè)R起到放電作用。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（一）

當(dāng)晶體管突然導(dǎo)通（IN信號(hào)突然發(fā)生跳變），C1瞬間短路，為三極管快速提供基極電流，這樣加速了晶體管的導(dǎo)通。當(dāng)晶體管突然關(guān)斷（IN信號(hào)突然發(fā)生跳變），C1也瞬間導(dǎo)通，為卸放基極電荷提供一條低阻通道，這樣加速了晶體管的關(guān)斷。C通常取值幾十到幾百皮法。電路中R2是為了保證沒有IN輸入高電平時(shí)三極管保持關(guān)斷狀態(tài)；R4是為了保證沒有IN輸入低電平時(shí)三極管保持關(guān)斷狀態(tài)。R1和R3是基極電流限流用。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（二）

由于消特基二極管Vf為0．2至0．4V比Vbe小，所以當(dāng)晶體管導(dǎo)通后大部分的基極電流是從二極管然后通過三極管到地的，這樣流到三極管基極的電流就很小，積累起來的電荷也少，當(dāng)晶體管關(guān)斷（IN信號(hào)突然發(fā)生跳變）時(shí)需要卸放的電荷少，關(guān)斷自然就快。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（三）

簡單三極管開關(guān)：電路如圖5，電阻RC是LED限流用電阻，以防止電壓過高燒壞LED（發(fā)光二極管），將輸入信號(hào)VIN從0調(diào)到最大（等分為約20個(gè)間隔），觀察并記錄對(duì)的VOUT以及LED的亮度。當(dāng)三極管開關(guān)為斷路時(shí)，VOUT=VCC=12V，LED不亮。當(dāng)三極管開關(guān)通路時(shí)，VOUT=0.2V，LED會(huì)亮。改良三極管開關(guān)：因?yàn)槿龢O管由截止區(qū)過度到飽和區(qū)需經(jīng)過線性區(qū)，開關(guān)的效果不會(huì)有明確的界線。為使三極管開關(guān)的效果明確，可串接兩三極管，電路如圖六。同樣將輸入信號(hào)VIN從0調(diào)到最大（等分為約20個(gè)間隔），觀察并記錄對(duì)應(yīng)的VOUT以及LED的亮度。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（四）

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中需要考慮三極管Vceo，Vcbo等滿足耐壓，三極管滿足集電極功耗；通過負(fù)載電流和hfe（取三極管最小hfe來計(jì)算）計(jì)算基極電阻（要為基極電流留0.5至1倍的余量）。注意消特基二極管反向耐壓。

發(fā)射極跟隨開關(guān)電路

發(fā)射極跟隨的優(yōu)點(diǎn)就是開關(guān)速度快，可應(yīng)用于中高頻信號(hào)的開關(guān)；R2不能太，大了電路容易受干擾；當(dāng)然也不能太小，否則白白浪費(fèi)前級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力?；鶚O不需要限流電阻了，因?yàn)樨?fù)載電流除以hfe就是基極電流，三極管會(huì)自動(dòng)向上級(jí)所取這么大的電流。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（五）

圖所展示的是一種非常常用的三極管開關(guān)電路圖，也就是工程師們比較常提到的三極管反相器電路，該種電路對(duì)NPN、PNP型三極管來說都是適合的。在該電路的運(yùn)行過程中，vin無輸入電位Q1截止。Vin高電平時(shí)Q1導(dǎo)通，Q2基極得高電位，Q2截止。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（六）

在反相器電路的設(shè)計(jì)過程中，我們還可以利用兩只NPN三極管來構(gòu)成一個(gè)簡單的反相器電路，圖2所展示的就是這種比較簡單的開關(guān)電路圖設(shè)計(jì)方式。在這一開關(guān)電路中，vin無輸入電位Q1截止，Q2導(dǎo)通。Vin接入高電平Q1導(dǎo)通，促使Q2基極電位下級(jí)，Q2截止。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（七）

圖1是一個(gè)簡單的亮通開關(guān)。RP為光控閾值調(diào)節(jié)電位器，通過它可調(diào)節(jié)光控靈敏度（下面幾個(gè)電路均相同）。白天光線較強(qiáng)，光敏電阻器RG呈低阻值，三極管VT導(dǎo)通，繼電器K吸合，其常開觸點(diǎn)閉合，接通被控電器工作。夜間，光線較暗，RG呈高電阻，VT截止，K釋放，被控電器停止工作。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（八）

圖2為典型的暗通開關(guān)，它利用VT2反相原理將原來的亮通改為暗通。白天RG呈低電阻，VT1導(dǎo)通，其集電極輸出低電平，故VT2截止，K不動(dòng)作。當(dāng)夜間光線較暗時(shí)，RG呈高電阻，VT1截止，其集電極輸出高電平，VT2導(dǎo)通，K吸合動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)暗通的操作。

上述兩電路，如果將光敏電阻器RG與電位器RP位置互換，則亮通就變?yōu)榘低ǎ低▌t變?yōu)榱镣ā?/p>

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（九）

圖3是一個(gè)實(shí)用的光控延遲開關(guān)，工作條件是：需要為RG外面制作一個(gè)遮光筒，這樣平時(shí)無論外面光線強(qiáng)弱如何，只要無直射光線射入遮光筒，RG均無強(qiáng)光照射而呈高電阻。圖3～圖5電路均有此要求。電路工作過程是：平時(shí)RG為高電阻，VT1截止，VT2也同樣截止，K不動(dòng)作。當(dāng)用手電筒或激光筆對(duì)準(zhǔn)遮光筒里的RG照射一下，RG立刻呈低電阻，VT1導(dǎo)通，因VT1導(dǎo)通時(shí)其等效電阻很小，C1很快充滿電荷，VT2也導(dǎo)通，K吸合，被控電器工作。停止光照后，VT1雖恢復(fù)截止，但C1所儲(chǔ)存的電荷可通過R向VT2發(fā)射結(jié)放電，仍能維持VT2保持導(dǎo)通態(tài)。C1電荷隨放電逐漸減少，當(dāng)不足以維持VT2導(dǎo)通時(shí)，VT2即截止，K釋放，被控電器停止工作。電路延遲時(shí)間主要由R與C1放電時(shí)間常數(shù)決定，但VT2的β值對(duì)延遲時(shí)間影響很大，若β值較小，就限制了R的取值，故要求β值在200以上，VT2最好能采用達(dá)林頓復(fù)合管。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（十）

圖4為雙敏感器光控開關(guān)，RG1為“關(guān)”敏感器，RG2為“開”敏感器。電路工作過程為：用電筒或激光筆照一下RG2，VT2立刻導(dǎo)通，K吸合，其常開觸點(diǎn)之一K-1閉合對(duì)電路自鎖，另一個(gè)常開觸點(diǎn)可使被控電器通電工作。需要關(guān)機(jī)時(shí)，只要再照射一下RG1，使VT1迅速導(dǎo)通，VT1的導(dǎo)通就將VT2的基極電位下拉迫使VT2截止，K釋放，被控電器停止工作。VD2的作用是抬高VT2在導(dǎo)通時(shí)的基極電位，有利于照射RG1的關(guān)機(jī)操作。VD2如改用發(fā)光二極管，還能起到開關(guān)機(jī)狀態(tài)指示。

三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)（十一）

圖5是單敏感器光控開關(guān)，用激光筆或電筒照射時(shí)能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)按一下“開機(jī)”，長按一下“關(guān)機(jī)”的操作。工作過程是：對(duì)RG短暫照射一下，VT1導(dǎo)通，電流一路經(jīng)VT1、VD1、R2注入VT3基極，使VT3迅速導(dǎo)通，K動(dòng)作吸合，其一個(gè)常開觸點(diǎn)K-1閉合對(duì)電路自鎖，另一個(gè)常開觸點(diǎn)可使被控電器通電，實(shí)現(xiàn)“開機(jī)”操作。電流另一路經(jīng)VT1、R1向C1充電，使C1兩端電位上升，但由于RG受光照射時(shí)間很短，C1兩端電位不可能上升到VT2的開門電平，故對(duì)電路無影響。需要關(guān)機(jī)時(shí)，只要照射RG的時(shí)間稍長些，使C1兩端電位升至0.65V左右，VT2即導(dǎo)通，使VT3的基極電位下拉，迫使VT3截止，K釋放，所有常開觸點(diǎn)跳開，從而實(shí)現(xiàn)“關(guān)機(jī)”操作。VD3的作用與圖4中的VD2相同，也可用發(fā)光二極管代替。