三极管开关电路原理

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下面主要通过使用NPN三极管进行开关电路设计，PNP三极管的开关电路与NPN的类似。
一、三极管开关电路设计的可行性及必要性
可行性：用过三极管的人都清楚，三极管有一个特性，就是有饱和状态与截止状态，正是因为有了这两种状态，使其应用于开关电路成为可能。
必要性：假设我们在设计一个系统电路中，有些电压、信号等等需要在系统运行过程中进行切断，但是又不能通过机械式的方式切断，此时就只能通过软件方式处理，这就需要有三极管开关电路作为基础了。
二、三极管基本开关电路概述
如下（图.1）就是一个最基本的三极管开关电路，NPN的基极需连接一个基极电阻（R2）、集电极上连接一个负载电阻（R1）
首先我们要清楚当三极管的基极没有电流时候集电极也没有电流，三极管处于截止状态，即断开；当基极有电流时候将会导致集电极流过更大的放大电流，即进入饱和状态，相当于关闭。当然基极要有一个符合要求的电压输入才能确保三极管进入截止区与饱和区。

图.1 NPN基本开关电路

三、三极管开关电路设计及分析

（1）截止区、饱和区条件

1、进入截止区条件：上面提到了要使三级管进入截止区的条件是当基极没有电流时候，但是在什么情况下能达到此要求呢？对硅三极管而言，其基极跟发射极接通的正向偏压约为0.6V，因此欲使三极管截止，基极输入电压（Vin）必须低于0.6V，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了令三极管必定处于截止状态，往往使Vin值低于0.3V。当然基极输入电压愈接近0V愈能保证三极管必处于截止状态。

2、进入饱和区条件：首先集电极要接一个负载电阻R1，基极要接一个基极电阻R2，如图.1所示。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极与发射极必须短路。因此必须使Vin达到足够高的电位，以驱动三极管进入饱和工作区工作。三极管呈饱和状态时，集电极电流相当大，几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上，如此则Vce便接近于0，而使三极管的集电极和发射极几乎呈短路。在理想状况下，根据欧姆定律，三极管呈饱和时，1）集电极饱和电流应该为: Ic(饱和)=Vcc/R1------------------（公式1）集电极饱和电流

2）基极电流最少应为：

Ib(饱和)=Ic(sat)/β=Vcc/(β*R1)--------（公式2）基极饱和电流

上式表达出了Ic和Ib之间的基本关系，式中的β值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管而言，其交流β值和直流β值之间有着甚大的差异。欲使开关闭合，则其Vin值必须够高，以送出超过或等于（公式2）式所要求的最低基极电流。由于基极回路只是一个基极电阻、基极与发射极接面的串联电路，故Vin可由下式来求解：

3）基极输入电压Vin最少应为：

Vin=Ib(饱和)*R2 + 0.6V=====》Vin=（+0.6V*Vcc*R2）/（β*R1）----（公式3）基极饱和输入电压

一旦基极电压超过或等于(公式3)式所求得的数值，三极管便导通，即进入饱和区，使全部的供应电压均跨在负载电阻R1上，而完成了开关的闭合动作。

（2）实例分析之用三极管做为灯泡开关

如下电路图.2所示，灯泡的内阻为16欧姆，基极串接电阻为1K，三极管的直流电流增益为150，现在我们要确定Vin的电压为多少时候可以使三极管处于截止、饱和状态，即可以使灯泡点亮或者熄灭。

图.2

1、灯泡熄灭

只要Vin小于0.3V，此时三极管进入截止区，集电极没有电流流过，灯泡自然就熄灭了。

2、灯泡点亮

要使灯泡点亮，则三极管的集电极必须有电流流过，即要进入饱和区。根据公式可计算出:

集电极的饱和电流为（根据公式1）：Ic(饱和)=24V/16R=1.5A

基极饱和电流为（根据公式2）：Ib(饱和)=24V/(150*16)=10mA

基极输入电压为(根据公式3)：Vin=10mA*1K+0.6V=10.6V

所以，当Vin大于或等于10.6V时候，灯泡就会点亮；反之，当Vin小于或等于0.3V时候，灯泡会熄灭。

由此例子可以看出，欲利用三极管开关来控制大到1.5A的负载电流的启闭动作，只须要利用甚小的控制电压和电流即可。此外，三极管虽然流过大电流，却不须要装上散热片，因为当负载电流流过时，三极管呈饱和状态，其Vce趋近于零，所以其电流和电压相乘的功率之非常小，根本不须要散热片。

（2）实例分析之用三极管做为电压输出开关

1、供电电压Vcc=9V；Vin使用MCU的GPIO口控制，输出电压为：0V与3.3V；要求Vout的输出电压为4V/10mA。

2、9014的技术参数：

集电极最大耗散功率PCM＝0.4W（Tamb=25℃）

集电极最大允许电流ICM=0.1A集电极基极击穿电压BVCBO=50V集电极发射极击穿电压BVCEO=45V发射极基极击穿电压BVEBO=5V

基极发射极饱和压降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)

β=150

图.33、计算集电极上的电阻（R1)的值 集电极最大允许电流ICM=0.1A，所以R1=Vcc/0.1A=9V/0.1A=90R，所以最小集电极的电阻为90R，我们不妨定R1的电阻为10K。所以我们取R1=10K。由于Vout的电流输出最大为10mA，为了留够余量所以定为20mA或者30mA。现在我们定为20mA，R1的功率为PR1=20mA*4V=0.08W<1/8。最后我们就可以定R1为10K贴片电阻（1/8W）。4、计算负载电阻（R3的值） 当Vin=0V时候，三极管截止，9014的集电极没有电流流过，Vout的值是由R1、R2这两个电阻分压得来的。根据分压我们就可以算出R3的电阻值了：R3=（R1*Vout）/（Vcc-Vout）=（10K*4V）/（9V-4V）=8K由于8K电阻比较难买到，所以我们定一个较常见的8.2K，所以R3=8.2K贴片电阻（1/8W）。5、计算基极电阻（R2的值） 我们已经知道了Vin的上限为3.3V，根据公式1、2、3就可以计算出R2的值了：R2=（Vin-Vbe）* β*R1/VCC=（3.3V-1V）*150*10K/9V=383K，最后定R2=370K/贴片电阻
确定的参数：R1=10K/0603 R2=370K/0603 R3=8.2K/0603测试结果： Vin=3.3V时候：测试Vbe=0.567V接近于0.6V，三极管已经进入饱和区。 万用表上显示的是Vout为0.1V，实际上就是Vce=0.1V<<4V。 Vin=0V时候：万用表上显示的是Vout为4.06V，即符合当初设想的4V电压输出。

王栋春

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