三极管开关电路.doc

三极管开关电路三极管开关电路设计三极管除了可以当做交流信号放大器之外,也可以作为开关用。严格说起来,三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同,但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示,即为三极管电子开关的基本电路图。图1基本的三极管开关由上图可知,负载电阻被直接跨接于三极管的集电极(c极)与电源之间,而位居三极管主电流的回路上,输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open)与闭合(closed)动作,当三极管呈开启状态时,负载电流便被阻断。反之,当三极管呈闭合状态时,电流便可以流通。详细地说,当Vin为低电压时,由于基极没有电流,因此集电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦没有电流,而相当于开关的开启,此时三极管工作于截止(cutoff)区。同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动,因此使集电极流过更大的放大电流,因此负载回路便被导通,而相当于开关的闭合,此时三极管工作于于饱和区(saturation)。一、三极管开关电路的分析设计由于对硅三极管而言,,因此欲使三极管截止,,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,。当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上,则三极管的集电极与射极必须短路,就像机械开关的闭合动作一样。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,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,其集电极电流应该为:因此,基极电流最少应为:(式1)上式表出了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(式1)式所要求的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路,故Vin可由下式来求解:(式2)一旦基极电压超过或等于(式2)式所求得的数值,三极管便导通,使全部的供应电压均跨在负载电阻上,而完成了开关的闭合动作。总而言之,三极管接成图1的电路之后,它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关一样,而其启闭开关的方式,则可以直接利用输入电压方便的控制,而不须采用机械式开关所常用的机械引动(mechanicalactuator))螺管柱塞(solenoidplunger)或电驿电枢(relayarmature)等控制方式。为了避免混淆,本文所介绍的三极管开关均采用NPN三极管,当然PNP三极管亦可以被当作开关来使用,只是比较不常见罢了。例题1试解释出在图2的开关电路中,欲使开关闭合(三极管饱和)所须的输入电压为何?并解释出此时之负载电流与基极电流值?解:由2式可知,在饱和状态下,所有的供电电压完全跨降于负载电阻上,因此由方程式(1)可知因此输入电压可由下式求得:图2用三极管做为灯泡开关由例题1-1得知,,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。二、三极管开关与机械式开关的比较截至目前为止,我们都假设当三极管开关导通时,其基极与射极之间是完全短路的。事实并非如此,没有任何三极管可以完全短路而使VCE=0,大多数的小信号硅质三极管在饱和时,VCE(饱和),纵使是专为开关应用而设计的交换三极管,其VCE(饱和),而且负载电流一高,VCE(饱和)值还会有些许的上升现象,虽然对大多数的分析计算而言,VCE(饱和)值可以不予考虑,但是在测试交换电路时,必须明白VCE(饱和)值并非真的是0。虽然VCE(饱和)的电压很小,本身微不足道,但是若将几个三极管开关串接起来,其总和的压降效应就很可观了,不幸的是机械式的开关经常是采用串接的方式来工作的,如图3(a)所示,三极管开关无法模拟机械式开关的等效电路(如图3(b)所示)来工作,这是三极管开关的一大缺点。图3三极管开关与机械式开关电路幸好三极管开关虽然不适用于串接方式,却可以完美的适用于并接的工作方式,如图4所示者即为一例。三极管开关和传统的机械式开关相较,具有下列四大优点:图4三极管开关之并联联接(1)三极管开关不具有活动接点部份,因此不致有磨损之虑,可以使用无限多次,一般的机械式开关,由于接点磨损,顶多只能使用数百万次左右,而且其接点易受污损而影响工作,因此无法在脏乱的环境下运作,三