三极管开关电路工作原理分析 图一所示是 NPN三极管的 共射极电路，图二所示是它的特性曲线 种工作区 域：截止区 (Cutoff Region) 、线性区 (Active Region) 、饱和区 (Saturation Region) 。 三极管是以 B 极电流 IB 作为输入， 操控整个三极管的工作状态。 若三极管是在截止区， IB 趋近于 0 (VBE 亦趋近于 0) ，C 极与 E 极间约呈断路状态， IC = 0 ，VCE = VCC。若三极管 是在线性区， B-E 接面为顺向偏压， B-C 接面为逆向偏压， IB 的值适中 (VBE = V) ， I C =h F E I B 呈比例放大， Vce = Vcc -Rc I c = V cc - Rc hFE IB 可被 IB 操控。若三极 管在饱和区， IB 很大， VBE= V ，VCE= V ，VBC= V ，B-C 与 B-E 两接面均为正向偏压， C-E 间等同于一个带有 V 电位落差的通路，可得 I c=( Vcc - )/ Rc ， Ic 与 IB 无关了， 因此时的 IB 大过线性放大区的 IB 值， IchFE IB 是必然的。三极管在截止态时 C-E 间如 同断路，在饱和态时 C-E 间如同通路 ( 带有 V 电位降 ) ，因此可以作为开关。控制此开关 的是 IB ，也可以用 VBB 作为控制的输入讯号。图三、四分别显示三极管开关的通路、 断路 状态，及其对应的等效电路。 图 1 NPN 三极管共射极电路 图 2 共射极电路输出特性曲 图 3、截止态如同断路线、饱和态如同通路 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，也可以做为开关之用。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。 由下图可知， 负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间， 而位居三极管 主电流的回路上， 图 1 基本的三极管开关 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。详细的说，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 乃胜作于截止 (cut off) 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， 此时三极管乃胜作于饱和 区(saturation) 。838 电子 一、三极管开关电路的分析设计 由于对硅三极管而言，其基射极接面之正向偏压值约为伏特，因此欲使三 极管截止， Vin 必须低于伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为 了可以更确定三极管必处于截止状态起见，往往使 Vin 值低于 伏特。 ( 838 电 子资源 ) 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。欲如此就必须使 Vin 达到够高的准位，以驱动三极管使其进入饱和 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射极几 乎呈短路。 在理想状况下， 根据奥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 (mechanical actuator) ﹑螺管柱塞 (solenoid plunger) 或电驿电枢 (relay armature) 等控制方式。 为了避免混淆起见， 本文所介绍的三极管开关均采用 NPN三极管， 当然 NPN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，欲利用三极管开关来控制大到的负载电流之启闭动作， 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。 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 ) 值约为伏特，纵使是专为开关应用而设计 的交换三极管，其 VCE(饱和 ) 值顶多也只能低到伏特左右，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 ) 值并非线 。 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， 三极管开关既无 接点又是密封的，因此无此顾虑。 （2）三极管开关的动作速度较一般的开关为快，一般开关的启闭时间是以毫秒 (ms) 来计算的，三极管开关则以微秒 ( μs) 计。 （3）三极管开关没有跃动 (bounce) 现象。一般的机械式开关在导通的瞬间会有 快速的连续启闭动作，然后才能逐渐达到稳定状态。 （4）利用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关开启的瞬间，不致有火花产 生。反之， 当机械式开关开启时， 由于瞬间切断了电感性负载样 上的电流， 因此电感之瞬间感应电压， 将在接点上引起弧光， 这种电弧非但会侵蚀接点的表 面，亦可能造成干扰或危害。 三、三极管开关的测试 三极管开关不像机械式开关可以光凭肉眼就判断出它目前的启闭状态， 因此必须利用电表来加以测试。 在图 5 所示的标准三极管开关电路中， 当开关导 通时， VEC的读值应该为 0，反之当开关切断时， VCE应对于 VCC。 三 极管开关在切断的状况下，由于负载上没有电流流过，因此也没有压降，所 以全部的供应电压均跨降在开关的两端，因此其 VCE值应等于 VCC，这和机械式 开关 是完全相同的。 如果开关本身应导通而未导通， 那就得测试 Vin 的大小了。 欲保证三极管导通， 其基极的 Vin 电压值就必须够高， 如果 Vin 值过低， 则问题 就 出自信号源而非三极管本身了。假使在 Vin 的准位够高，驱动三极管导通绝 无问题时，而负载却仍未导通，那就要测试电源电压是否正常了。 在导通的状态下， 硅三极管的 VBE值约为伏特， 假使 Vin 值够高，而 VBE 值却高于和低于伏特，例如 VBE为伏特或伏特，这表示 基射极接面可能已经损 坏，必须将三极管换掉。 当然这一准则也未必百分之百正确， 许多大电流额定的 功率三极管，其 VBE值经常是超过 1 伏特的，因此即使 VBE 的读值达到伏特， 也未必就能肯定三极管的接面损坏，这时候最好先查阅三极管规格表后再下断 言。 一旦 VBE正常且有基极电流流动时，便必须测试 VCE值，假使 VCE趋近于 VCC， 就表示三极管的集基接面损坏， 必须换掉三极管。 假使 VCE趋近于零伏特， 而负 载仍未导通，这可能是负载本身有开路现象发生，因此必须检换负载。 图 5 三极管开关电路，各主要测试电的电压图 当 Vin 降为低电压准位，三极管理应截止而切断负载，如果负载仍旧未被 切断，那可能是三极管的集基极和集射极短路，必须加以置换。 第二节 基本三极管开关之改进电路 有时候，我们所设定的低电压准位未必就能使三极管开关截止，尤其当 输入准位接近伏特的时候更是如此。 想要克服这种临界状况， 就必须采取修正步 骤，以保证三极管必能截止。 图 6 就是针对这种状况所设计的两种常见之改良电 路。 图 6 确保三极管开关动作，正确的两种改良电路 图 6(a) 的电路，在基射极间串接上一只二极管，因此使得可令基极电流导通的 输入电压值提升了伏特， 如此即使 Vin 值由于信号源的误动作而接近伏特时， 亦 不致使三极管导通，因此开关仍可处于截止状态。图 6(b) 的电路加上了一只辅 助- 截止 (hold-off) 电阻 R2，适当的 R1，R2及 Vin 值设计， 可于临界输入电压 时确保开关截止。由图 6(b) 可知在基射极接面未导通前 (IB0) ，R1和 R2形成一 个串联分压电路，因此 R1必跨过固定 ( 随 Vin 而 变) 的分电压，所以基极电压 必低于 Vin 值，因此即使 Vin 接近于临界值 (Vin= 伏特 ) ，基极电压仍将受连接 于负电源的辅助 - 截止电阻所拉下， 使低于伏特。 由于 R1，R2及 VBB值的刻意设 计，只要 Vin 在高值的范围内，基极仍将有足 够的电压值可使三极管导通，不 致受到辅助 - 截止电阻的影响。 加速电容器 (speed-up capacitors) 在要求快速切 换动作的应用中，必须加快三极管开关的切换速度。图 7 为一种 常见的方式，此方法只须在 RB电阻上并联一只加速电容器，如此当 Vin 由零电 压往上升并开始送 电流至基极时，电容器由于无法瞬间充电，故形同短路，然 而此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极，因此也就加快了开关导通的速度。 稍后，待充电完毕后，电 容就形同开路，而不影响三极管的正常工作。 图 7 加了加速电容器的电路 一旦输入电压由高准位降回零电压准位时， 电容器会在极短的时间内即令基射极 接面变成反向偏压，而 使三极管开关迅速切断，这是由于电容器的左端原已充 电为正电压， 如图 6-9 所示， 因此在输入电压下降的瞬间， 电容器两端的电压无 法瞬间改变仍将维持于定 值，故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降， 因此令基射极接面成为反向偏压， 而迅速令三极管截止。 适当的选取加速电容值 可使三极管开关的切换时间减低 至几十分之微秒以下，大多数的加速电容值约 为数百个微微法拉 (pF) 。 有时候三极管开关的负载并非直接加在集电极与电源之间，而是接成图
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