三極管開關電路設計詳細過程

三極管除了可以當做交流信號放大器之外，也可以做為開關之用。嚴格說起來，三極管與一般的機械接點式開關在動作上并不完全相同，但是它卻具有一些機械式開關所沒有的特點。

圖1所示，即為三極管電子開關的基本電路圖。由下圖可知，負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則控制三極管開關的開啟(open) 與閉合(closed) 動作，當三極管呈開啟狀態(tài)時，負載電流便被阻斷，反之，當三極管呈閉合狀態(tài)時，電流便可以流通。詳細的說，當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載亦沒有電流，而相當于開關的開啟，此時三極管乃勝作于截止(cut off)區(qū)。

同理，當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，因此負載回路便被導通，而相當于開關的閉合，此時三極管乃勝作于飽和區(qū)(saturation)。

一、三極管開關電路的分析設計

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。通常在設計時，為了可以更確定三極管必處于截止狀態(tài)起見，往往使Vin值低于 0.3伏特。 (838電子資源)當然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關必處于截止狀態(tài)。欲將電流傳送到負載上，則三極管的集電極與射極必須短路，就像機械開關的閉合動作一樣。欲如此就必須使 Vin達到夠高的準位，以驅動三極管使其進入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時，集電極電流相當大，幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負載電阻上，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，根據奧姆定律三極管呈飽和時，其集電極電流應該為s

因此，基極電流最少應為：

上式表出了IC和IB之間的基本關系，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電路，故Vin可由下式來求解s

一旦基極電壓超過或等于(式2) 式所求得的數值，三極管便導通，使全部的供應電壓均跨在負載電阻上，而完成了開關的閉合動作。

總而言之，三極管接成圖1的電路之后，它的作用就和一只與負載相串聯的機械式開關一樣，而其啟閉開關的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機械式開關所常用的機械引動(mechanical actuator)p螺管柱塞(solenoid plunger)或電驛電樞(relay armature)等控制方式。

為了避免混淆起見，本文所介紹的三極管開關均采用NPN三極管，當然NPN三極管亦可以被當作開關來使用，只是比較不常見罷了。

例題1

試解釋出在圖2的開關電路中，欲使開關閉合(三極管飽和) 所須的輸入電壓為何t并解釋出此時之負載電流與基極電流值解s由2式可知，在飽和狀態(tài)下，所有的供電電壓完全跨降于負載電阻上，因此

由方程式(1) 可知

因此輸入電壓可由下式求得s

圖2 用三極管做為燈泡開關

由例題1-1得知，欲利用三極管開關來控制大到1.5A的負載電流之啟閉動作，只須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，三極管雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因為當負載電流流過時，三極管呈飽和狀態(tài)，其VCE趨近于零，所以其電流和電壓相乘的功率之非常小，根本不須要散熱片。

二、三極管開關與機械式開關的比較

截至目前為止，我們都假設當三極管開關導通時，其基極與射極之間是完全短路的。事實并非如此，沒有任何三極管可以完全短路而使VCE=0，大多數的小信號硅質三極管在飽和時，VCE(飽和) 值約為0.2伏特，縱使是專為開關應用而設計的交換三極管，其VCE(飽和) 值頂多也只能低到0.1伏特左右，而且負載電流一高，VCE(飽和) 值還會有些許的上升現象，雖然對大多數的分析計算而言，VCE(飽和) 值可以不予考慮，但是在測試交換電路時，必須明白VCE(飽和) 值并非真的是0。

雖然VCE(飽和)的電壓很小，本身微不足道，但是若將幾個三極管開關串接起來，其總和的壓降效應就很可觀了，不幸的是機械式的開關經常是采用串接的方式來工作的，如圖3(a)所示，三極管開關無法模擬機械式開關的等效電路(如圖3(b)所示)來工作，這是三極管開關的一大缺點。

圖3 三極管開關與機械式開關電路

幸好三極管開關雖然不適用于串接方式，卻可以完美的適用于并接的工作方式，如圖4所示者即為一例。三極管開關和傳統(tǒng)的機械式開關相較，具有下列四大優(yōu)點s

圖4三極管開關之并聯聯接

(1)三極管開關不具有活動接點部份，因此不致有磨損之慮，可以使用無限多次，一般的機械式開關，由于接點磨損，頂多只能使用數百萬 次左右，而且其接點易受污損而影響工作，因此無法在臟亂的環(huán)境下運作，三極管開關既無接點又是密封的，因此無此顧慮。

(2)三極管開關的動作速度較一般的開關為快，一般開關的啟閉時間是以毫秒 (ms)來計算的，三極管開關則以微秒(μs)計。

(3)三極管開關沒有躍動(bounce) 現象。一般的機械式開關在導通的瞬間會有快速的連續(xù)啟閉動作，然后才能逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。

(4)利用三極管開關來驅動電感性負載時，在開關開啟的瞬間，不致有火花產生。反之，當機械式開關開啟時，由于瞬間切斷了電感性負載樣 上的電流，因此電感之瞬間感應電壓，將在接點上引起弧光，這種電弧非但會侵蝕接點的表面，亦可能造成干擾或危害。

三、三極管開關的測試

三極管開關不像機械式開關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。在圖5所示的標準三極管開關電路中，當開關導通時，VEC的讀值應該為0，反之當開關切斷時，VCE應對于VCC。

三極管開關在切斷的狀況下，由于負載上沒有電流流過，因此也沒有壓降，所以全部的供應電壓均跨降在開關的兩端，因此其VCE值應等于VCC，這和機械式開關是完全相同的。如果開關本身應導通而未導通，那就得測試Vin的大小了。欲保證三極管導通，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的準位夠高，驅動三極管導通絕無問題時，而負載卻仍未導通，那就要測試電源電壓是否正常了。

在導通的狀態(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損壞，必須將三極管換掉。當然這一準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值經常是超過1伏特的，因此即使 VBE的讀值達到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，而負載仍未導通，這可能是負載本身有開路現象發(fā)生，因此必須檢換負載。

圖5 三極管開關電路，各主要測試電的電壓圖

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

第二節(jié) 基本三極管開關之改進電路

有時候，我們所設定的低電壓準位未必就能使三極管開關截止，尤其當輸入準位接近0.6伏特的時候更是如此。想要克服這種臨界狀況，就必須采取修正步驟，以保證三極管必能截止。圖6就是針對這種狀況所設計的兩種常見之改良電路。

圖6 確保三極管開關動作，正確的兩種改良電路