三極管在開關(guān)電路中的詳細(xì)應(yīng)用分析

三極管除了可以當(dāng)做交流信號放大器之外，也可以做為開關(guān)之用。嚴(yán)格說起來，三極管與一般的機械接點式開關(guān)在動作上并不完全相同，但是它卻具有一些機械式開關(guān)所沒有的特點。圖1所示，即為三極管電子開關(guān)的基本電路圖。由圖可知，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。

圖一 基本的三極管開關(guān)

輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟（open） 與閉合（closed） 動作，當(dāng)三極管呈開啟狀態(tài)時，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時，電流便可以流通。詳細(xì)的說，當(dāng)Vin為低電壓時，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，此時三極管乃勝作于截止（cut off）區(qū)。

同理，當(dāng)Vin為高電壓時，由于有基極電流流動，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，此時三極管乃勝作于飽和區(qū)（saturatiON）。

1、 三極管開關(guān)電路的分析設(shè)計

由于對硅三極管而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特，因此欲使三極管截止，Vin必須低于0.6伏特，以使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計時，為了可以更確定三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)起見，往往使Vin值低于 0.3伏特。（838電子資源）當(dāng)然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。欲將電流傳送到負(fù)載上，則三極管的集電極與射極必須短路，就像機械開關(guān)的閉合動作一樣。欲如此就必須使 Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動三極管使其進(jìn)入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時，集電極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負(fù)載電阻上，如此則VcE便接近于0，而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據(jù)奧姆定律三極管呈飽和時，其集電極電流應(yīng)該為：

因此，基級電流最少應(yīng)為

上式表出了IC和IB之間的基本關(guān)系，式中的β值代表三極管的直流電流增益，對某些三極管而言，其交流β值和直流β值之間，有著甚大的差異。欲使開關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等于（式1） 式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來求解：

一旦基極電壓超過或等于上式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻上，而完成了開關(guān)的閉合動作。

我們常把基極與射極之間當(dāng)做完全短路的。但事實并非如此，沒用什么三極管可完全短路而使VCE=0，盡管VCE（飽和）的電壓很小，本身微不足道，但你把幾個三極管串連進(jìn)行工作時，其壓降就非常可觀了，但并聯(lián)方式工作卻是完美適用的。

2.測試

三極管開關(guān)不像機械式開關(guān)可以光憑肉眼就判斷出它目前的啟閉狀態(tài)，因此必須利用電表來加以測試。在標(biāo)準(zhǔn)三極管開關(guān)電路中，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，VEC的讀值應(yīng)該為0，反之當(dāng)開關(guān)切斷時，VCE應(yīng)對于VCC。

三極管開關(guān)在切斷的狀況下，由于負(fù)載上沒有電流流過，因此也沒有壓降，所以全部的供應(yīng)電壓均跨降在開關(guān)的兩端，因此其VCE值應(yīng)等于VCC，這和機械式開關(guān)是完全相同的。如果開關(guān)本身應(yīng)導(dǎo)通而未導(dǎo)通，那就得測試Vin的大小了。欲保證三極管導(dǎo)通，其基極的Vin電壓值就必須夠高，如果Vin值過低，則問題就出自信號源而非三極管本身了。假使在Vin的準(zhǔn)位夠高，驅(qū)動三極管導(dǎo)通絕無問題時，而負(fù)載卻仍未導(dǎo)通，那就要測試電源電壓是否正常了。

在導(dǎo)通的狀態(tài)下，硅三極管的VBE值約為0.6伏特，假使Vin值夠高，而VBE值卻高于和低于0.6伏特，例如VBE為1.5伏特或0.2伏特，這表示基射極接面可能已經(jīng)損壞，必須將三極管換掉。當(dāng)然這一準(zhǔn)則也未必百分之百正確，許多大電流額定的功率三極管，其VBE值經(jīng)常是超過1伏特的，因此即使 VBE的讀值達(dá)到1.5伏特，也未必就能肯定三極管的接面損壞，這時候最好先查閱三極管規(guī)格表后再下斷言。

一旦VBE正常且有基極電流流動時，便必須測試VCE值，假使VCE趨近于VCC，就表示三極管的集基接面損壞，必須換掉三極管。假使VCE趨近于零伏特，而負(fù)載仍未導(dǎo)通，這可能是負(fù)載本身有開路現(xiàn)象發(fā)生，因此必須檢換負(fù)載。

當(dāng)Vin降為低電壓準(zhǔn)位，三極管理應(yīng)截止而切斷負(fù)載，如果負(fù)載仍舊未被切斷，那可能是三極管的集基極和集射極短路，必須加以置換。

3.改進(jìn)電路

（1）

圖左，在基射極間串接上一只二極管，因此使得可令基極電流導(dǎo)通的輸入電壓值提升了0.6伏特，如此即使Vin值由于信號源的誤動作而接近0.6伏特時，亦不致使三極管導(dǎo)通，因此開關(guān)仍可處于截止?fàn)顟B(tài)。圖6右加上了一只輔助-截止(hold-off)電阻R2，適當(dāng)?shù)腞1，R2及Vin值設(shè)計，可于臨界輸入電壓時確保開關(guān)截止。由圖6(b)可知在基射極接面未導(dǎo)通前(IB0)，R1和R2形成一個串聯(lián)分壓電路，因此R1必跨過固定(隨Vin而變) 的分電壓，所以基極電壓必低于Vin值，因此即使Vin接近于臨界值(Vin=0.6伏特) ，基極電壓仍將受連接于負(fù)電源的輔助-截止電阻所拉下，使低于0.6伏特。由于R1，R2及VBB值的刻意設(shè)計，只要Vin在高值的范圍內(nèi)，基極仍將有足夠的電壓值可使三極管導(dǎo)通，不致受到輔助-截止電阻的影響。

（2）

在要求快速切換動作的應(yīng)用中，必須加快三極管開關(guān)的切換速度。圖7為一種常見的方式，此方法只須在RB電阻上并聯(lián)一只加速電容器，如此當(dāng)Vin由零電壓往上升并開始送電流至基極時，電容器由于無法瞬間充電，故形同短路，然而此時卻有瞬間的大電流由電容器流向基極，因此也就加快了開關(guān)導(dǎo)通的速度。稍后，待充電完畢后，電容就形同開路，而不影響三極管的正常工作。

（3）

有時候三極管開關(guān)的負(fù)載并非直接加在集電極與電源之間，而是接成上圖的方式。

（4）

假使圖3三極管開關(guān)加上了電容性負(fù)載(假定其與RLD并聯(lián)) ，那么在三極管截止后，由于負(fù)載電壓必須經(jīng)由RC電阻對電容慢慢充電而建立，因此電容量或電阻值愈大，時間常數(shù)(RC) 便愈大，而使得負(fù)載電壓之上升速率愈慢，在某些應(yīng)用中，這種現(xiàn)象是不容許的，因此必須采用上圖的改良電路。

（5）

有時信號源(如正反器)輸出電路之電流容量太小，不足以驅(qū)動晶體管開關(guān)，此時為避免信號源不勝負(fù)荷而產(chǎn)生誤動作，便須采用圖上圖所示的改良電路。

審核編輯：湯梓紅