三極管開關(guān)電路工作原理分析

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1、三極管開關(guān)電路工作原理分析 圖一所示是NPN三極管的 共射極電路，圖二所示是它的特性曲線圖，圖中它有3 種工作區(qū)域：截止區(qū)(Cutoff Region)、線性區(qū) (Active Region) 、飽和區(qū)(Saturation Region)。三極管是以B 極電流IB 作為輸入，操控整個(gè)三極管的工作狀態(tài)。若三極管是在截止區(qū)，IB 趨近于0 (VBE 亦趨近于0)，C 極與E 極間約呈斷路狀態(tài)，IC = 0，VCE = VCC。若三極管是在線性區(qū)，B-E 接面為順向偏壓，B-C 接面為逆向偏壓，IB 的值適中 (VBE = 0.7 V)， I C =h F E I B 呈比例放大，Vce = V

2、cc -Rc I c = V cc - Rc hFE IB可被 IB 操控。若三極管在飽和區(qū)，IB 很大，VBE = 0.8 V，VCE = 0.2 V，VBC = 0.6 V，B-C 與B-E 兩接面均為正向偏壓，C-E間等同于一個(gè)帶有0.2 V 電位落差的通路，可得I c=( Vcc - 0.2 )/ Rc ，Ic 與 IB 無關(guān)了，因此時(shí)的IB大過線性放大區(qū)的IB 值， IchFE IB 是必然的。三極管在截止態(tài)時(shí) C-E 間如同斷路，在飽和態(tài)時(shí)C-E 間如同通路 (帶有0.2 V 電位降)，因此可以作為開關(guān)。控制此開關(guān)的是 IB，也可以用 VBB 作為控制的輸入訊號(hào)。圖三、四分別顯示三

3、極管開關(guān)的通路、斷路狀態(tài)，及其對(duì)應(yīng)的等效電路。 圖1 NPN 三極管共射極電路 圖2 共射極電路輸出特性曲 圖3、截止態(tài)如同斷路線圖 圖4、飽和態(tài)如同通路 三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì) 三極管除了可以當(dāng)做交流信號(hào)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(jī)械接點(diǎn)式開關(guān)在動(dòng)作上并不完全相同，但是它卻具有一些機(jī)械式開關(guān)所沒有的特點(diǎn)。圖1所示，即為三極管電子開關(guān)的基本電路圖。 由下圖可知，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1 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(clo

4、sed) 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，此時(shí)三極管乃勝作于截止(cut off)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，此時(shí)三極管乃勝作于飽和區(qū)(saturation)。838電子 一、三極管開關(guān)電路的分析設(shè)計(jì) 由于對(duì)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

5、使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)械開關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。欲如此就必須使 Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動(dòng)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(shí)，集電極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個(gè)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(shí)，其集電極電流應(yīng)該為﹕ 因此，基極電流最少應(yīng)為：

6、(式1) 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(duì)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(gè)電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來求解﹕ (式2) 一旦基極電壓超過或等于(式2) 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(dòng)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(fù)載相串聯(lián)的機(jī)械式開關(guān)一樣，而其啟閉開關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須

7、采用 機(jī)械式開關(guān)所常用的機(jī)械引動(dòng)(mechanical actuator)﹑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(guān)均采用NPN三極管，當(dāng)然NPN三極管亦可以被當(dāng)作開關(guān)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(guān)電路中，欲使開關(guān)閉合(三極管飽和) 所須的輸入電壓為何﹖并解釋出此時(shí)之負(fù)載電流與基極電流值﹖ 解﹕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(fù)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﹕ 圖2 用三

8、極管做為燈泡開關(guān) 由例題1-1得知，欲利用三極管開關(guān)來控制大到1.5A的負(fù)載電流之啟閉動(dòng)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?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流流過時(shí)，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(guān)與機(jī)械式開關(guān)的比較 截 至目前為止，我們都假設(shè)當(dāng)三極管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其基極與射極之間是完全短路的。事實(shí)并非如此，沒有任何三極管可以完全短路而使VCE=0，大多數(shù)的小信號(hào)硅 質(zhì)三極管在飽和時(shí)，VCE(飽和) 值約為0.2伏特，縱使是專為開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的交換三極管，其VCE(飽和) 值頂多

9、也只能低到0.1伏特左右，而且負(fù)載電流一高，VCE(飽和) 值還會(huì)有些許的上升現(xiàn)象，雖然對(duì)大多數(shù)的分析計(jì)算而言，VCE(飽和) 值可以不予考慮，但是在測(cè)試交換電路時(shí)，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(gè)三極管開關(guān)串接起來，其總和的壓降效應(yīng)就很可觀了， 不幸的是機(jī)械式的開關(guān)經(jīng)常是采用串接的方式來工作的，如圖3(a)所示，三極管開關(guān)無法模擬機(jī)械式開關(guān)的等效電路(如圖3(b)所示)來工作，這是三極管開關(guān)的一大缺點(diǎn)。 圖3 三極管開關(guān)與機(jī)械式開關(guān)電路 幸好三極管開關(guān)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

10、所示者即為一例。 三極管開關(guān)和傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)相較，具有下列四大優(yōu)點(diǎn)﹕ 圖4三極管開關(guān)之并聯(lián)聯(lián)接 （1）三極管開關(guān)不具有活動(dòng)接點(diǎn)部份，因此不致有磨損之慮，可以使用無限多次，一般的機(jī)械式開關(guān)，由于接點(diǎn)磨損，頂多只能使用數(shù)百萬 次左右，而且其接點(diǎn)易受污損而影響工作，因此無法在臟亂的環(huán)境下運(yùn)作，三極管開關(guān)既無接點(diǎn)又是密封的，因此無此顧慮。 （2）三極管開關(guān)的動(dòng)作速度較一般的開關(guān)為快，一般開關(guān)的啟閉時(shí)間是以毫秒 (ms)來計(jì)算的，三極管開關(guān)則以微秒(μs)計(jì)。 （3）三極管開關(guān)沒有躍動(dòng)(bounce) 現(xiàn)象。一般的機(jī)械式開關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會(huì)有快速的連續(xù)啟閉動(dòng)作，然后才能逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

11、 （4）利用三極管開關(guān)來驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，在開關(guān)開啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當(dāng)機(jī)械式開關(guān)開啟時(shí)，由于瞬間切斷了電感性負(fù)載樣 上的電流，因此電感之瞬間感應(yīng)電壓，將在接點(diǎn)上引起弧光，這種電弧非但會(huì)侵蝕接點(diǎn)的表面，亦可能造成干擾或危害。 三、三極管開關(guān)的測(cè)試 三極管開關(guān)不像機(jī)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(cè)試。在圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)三極管開關(guān)電路中，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，VEC的讀值應(yīng)該為0，反之當(dāng)開關(guān)切斷時(shí)，VCE應(yīng)對(duì)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)

12、等于VCC，這和機(jī)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(cè)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(hào)源而非三極管本身了。假使在Vin的準(zhǔn)位夠高，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通絕無問題時(shí)，而負(fù)載卻仍未導(dǎo)通，那就要測(cè)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

13、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(shí)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(dòng)時(shí)，便必須測(cè)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。 圖5 三極管開關(guān)電路，各主要測(cè)試電的電壓圖 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。 第二節(jié) 基本三極管開關(guān)之改進(jìn)電路 有時(shí)候，我們所設(shè)定的低電壓準(zhǔn)位未必就能使三極管開關(guān)截止，尤其當(dāng)輸入

14、準(zhǔn)位接近0.6伏特的時(shí)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(duì)這種狀況所設(shè)計(jì)的兩種常見之改良電路。 圖6 確保三極管開關(guān)動(dòng)作，正確的兩種改良電路 圖6(a) 的電路，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(hào)源的誤動(dòng)作而接近0.6伏特時(shí)， 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(b)的電路加上了一只輔助-截止(hold-off)電阻R2，適當(dāng)?shù)腞1，R2及Vin值設(shè)計(jì)， 可于臨界輸入電壓時(shí)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

15、成一個(gè)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(jì)，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。 加速電容器(speed-up capacitors) 在要求快速切 換動(dòng)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(shí)，電容器由于無法

16、瞬間充電，故形同短路，然而此時(shí)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。 圖7 加了加速電容器的電路 一旦輸入電壓由高準(zhǔn)位降回零電壓準(zhǔn)位時(shí)，電容器會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)即令基射極接面變成反向偏壓，而 使三極管開關(guān)迅速切斷，這是由于電容器的左端原已充電為正電壓，如圖6-9所示，因此在輸入電壓下降的瞬間，電容器兩端的電壓無法瞬間改變?nèi)詫⒕S持于定 值，故輸入電壓的下降立即使基極電壓隨之而下降，因此令基射極接面成為反向偏壓，而迅速令三極管截止。適當(dāng)?shù)倪x取加速電容值可使三極管開關(guān)的切換時(shí)間減低 至幾十分之微秒以下，

17、大多數(shù)的加速電容值約為數(shù)百個(gè)微微法拉(pF) 。 有時(shí)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，而是接成圖8的方式，這種接法和小信號(hào)交流放大器的電路非常接近，只是少了一只輸出耦合電容 器而已。這種接法和正常接法的動(dòng)作恰好相反，當(dāng)三極管截止時(shí)，負(fù)載獲能，而當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載反被切斷，這兩種電路的形式都是常見的，因此必須具有清晰 的分辨能力。 圖8 將負(fù)載接于三極管開關(guān)電路的改進(jìn)接法 圖騰式開關(guān)(Totem-pole switches) 假使圖8的三極管開關(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(duì)電容慢慢充電而建立，因此電容量

18、或電阻值愈大，時(shí)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，因此必須采用圖9的改良電路。 圖9 圖騰式三極管開關(guān) 圖騰式電路是將一只三極管直接迭接于另一三極管之上所構(gòu)成的，它也因此而得名。欲使負(fù)載獲能，必須使Q1三極管導(dǎo)通，同時(shí)使Q2三極管截?cái)?，如此?fù)載便可 經(jīng)由Q1而連接至VCC上，欲使負(fù)載去能，必須使Q1三極管截?cái)?，同時(shí)使Q2三極管導(dǎo)通，如此負(fù)載將經(jīng)由Q2接地。由于Q1的集電極除了極小的接點(diǎn)電阻 外，幾乎沒有任何電阻存在(如圖9所示) ，因此負(fù)載幾乎是直接連接到正電源上的，也因此當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，就再也沒有電容的慢速充電現(xiàn)象存在了。所以可

19、說Q1“將負(fù)載拉起”，而稱之為“挽起 (pull up) 三極管”，Q2則稱為“拉下(pull down) 三極管”。圖9左半部的輸入控制電路，負(fù)責(zé)Q1和Q2三極管的導(dǎo)通與截?cái)嗫刂?，但是必須確保Q1和Q2使不致同時(shí)導(dǎo)通，否則將使VCC和地之間經(jīng)由Q1和 Q2而形同短路，果真如此，則短路的大電流至少將使一只三極管燒毀。因此圖騰式三極管開關(guān)絕對(duì)不可如圖6-4般地采用并聯(lián)方式來使用，否則只要圖騰上方的 三極管Q1群中有任一只導(dǎo)通，而下方的Q2群中又恰好有一只導(dǎo)通，電源便經(jīng)由導(dǎo)通之Q1和Q2短路，而造成嚴(yán)重的后果。 第三節(jié) 三極管開關(guān)之應(yīng)用 晶體管開關(guān)最常見的應(yīng)用之一，是用以驅(qū)動(dòng)指示燈，利用

20、指示燈可以指示電路某特定點(diǎn)的動(dòng)作狀況，亦可以指示馬達(dá)的控制器是否被激勵(lì)，此外亦可以指示某一限制開關(guān)是否導(dǎo)通或是某一數(shù)字電路是否處于高電位狀態(tài)。 舉例而言，圖10(a)即是利用晶體管開關(guān)來指示一只數(shù)字正反器(flip-flop)的輸出狀態(tài)。假使正反器的輸出為高準(zhǔn)位(一般為5伏特) ，晶體管開關(guān)便被導(dǎo)通，而令指示燈發(fā)亮，因此操作員只要一看指示燈，便可以知道正反器目前的工作狀況，而不須要利用電表去檢測(cè)。 有時(shí)信號(hào)源(如正反器)輸出電路之電流容量太小，不足以驅(qū)動(dòng)晶體管開關(guān)，此時(shí)為避免信號(hào)源不勝負(fù)荷而產(chǎn)生誤動(dòng)作，便須采用圖10(b) 所示的改良電路，當(dāng)輸出為高準(zhǔn)位時(shí)，先驅(qū)動(dòng)射極隨耦晶體管Q1做電流放

21、大后， (a) 基本電路圖 (b) 改良電路 圖10 指示燈驅(qū)動(dòng)器 再使Q2導(dǎo)通而驅(qū)動(dòng)指示燈，由于射極隨耦級(jí)的輸入阻抗相當(dāng)高，因此正反器之須要提供少量的輸入電流，便可以得到滿意的工作。 數(shù)字顯示器圖10(a)之電路經(jīng)常被使用于數(shù)字顯示器上。 利用三極管開關(guān)做為不同電壓準(zhǔn)位之界面電路 在工業(yè)設(shè)備中，往往必須利用固態(tài)邏輯電路來擔(dān)任控制的工作，有關(guān)數(shù)字邏輯電路的原理，將在下一章詳細(xì)加以介紹，在此為說明界面電路起見，先將工業(yè)設(shè)備的控制電路分為三大部份﹕(1)輸入部份，(2)邏輯部份，(3)輸出部份。 為 達(dá)到可靠的運(yùn)作，工業(yè)設(shè)備的輸入與輸出部份通常工作于較高的電壓準(zhǔn)位，一般為22

22、0伏特。而邏輯部份卻是操作于低電壓準(zhǔn)位的，為了使系統(tǒng)正常工作，便必須 使這兩種不同的電壓準(zhǔn)位之間能夠溝通，這種不同電壓間的匹配工作就稱做界面(interface)問題。擔(dān)任界面匹配工作的電路，則稱為界面電路。三極管 開關(guān)就經(jīng)常被用來擔(dān)任此類工作。 圖11利用三極管開關(guān)做為由高壓輸入控制低壓邏輯的界面電路之實(shí)例，當(dāng)輸入部份的微動(dòng)開關(guān)閉合時(shí)，降壓變壓器便被導(dǎo)通，而使全波整流濾波電路送出低 壓的直流控制信號(hào)，此信號(hào)使三極管導(dǎo)通，此時(shí)集電極電壓降為0(飽和)伏特，此0伏特信號(hào)可被送入邏輯電路中，以表示微動(dòng)開關(guān)處于閉合狀態(tài)。 反 之，若微動(dòng)開關(guān)開啟，變壓器便不通電，而使三極管截止，此時(shí)集電極電壓便上升至VCC值，此一VCC信號(hào)，可被送入邏輯電路中，藉以表示微動(dòng)開關(guān)處于開啟 狀態(tài)。在圖11之中，邏輯電路被當(dāng)作三極管的負(fù)載，連接于集電極和地之間(如圖11) ，因此三極管開關(guān)電路的R1，R2和RC值必須慎加選擇，以保證三極管只工作于截止區(qū)與飽和區(qū)，而不致工作于主動(dòng)(線性) 區(qū)內(nèi)。 圖11三極管開關(guān)當(dāng)作輸入部份與邏輯部份之間的界面 圖11