三極管開關原理及運用教材

1、三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極 C,基極B,發(fā)射極Eo分成NPN和PNP 兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。一、電流放大下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做 基極電流lb :把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流Ic。這兩個電流的方向都 是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就 是：集電極電流受基極電流的控制（假設電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基 極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系：集電

2、極電 流的變化量是基極電流變 化量的0倍，即電流變化被放大了 B倍，所以我們把0叫做三 極管的放大倍數(shù)（0 般遠大于1,例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到 基極跟發(fā)射 極之間，這就會引起基極電流lb的變化，lb的變化被放大后，導致了 Ic很大 的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據(jù)電壓計算公式U二R*I可以算 得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后 的電壓信號了。二、偏置電路三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。 首先是由于 三極管BE結的非線性（相當于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓

3、大到一 定程度后才 能產(chǎn)生（對于硅管，常取0. 7V ） o當基極與發(fā)射極之間的電壓小于0. 7V時，基 極電流就可以認為是0o但實際中要放大的信號往往遠比0. 7V要小，如果不加偏置的話，這 么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0. 7V時，基極電流都是0）。如果我們事先在 三 極管的基極上加上一個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個 電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小 信號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因 就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增

4、加的信號放大，而對減小的信 號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0,不能再減小了）。而加上偏置，事 先讓集電極有一定 的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極電流就可以減??；當輸入的基極電流增大時，集電 極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。三、開關作用下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻Rc的限制（Rc是 固定值，那么最大電流為U/Rc,其中U為電源電壓）,集電極電流是不能無限增加下去的。當 基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大時，三極管就進入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是 否飽和的準則是：lb* BIc。進入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將

5、很 小，可以理解為一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當作開關使用：當基極電流為0 時，三極管集電極電流為0 （這叫做三極管截止），相當于開關斷開；當基極電流很 大，以至于 三極管飽和時，相當于開關閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管 我們一般把它叫做開關管。四、工作狀態(tài)如果我們在上面這個圖中，將電阻Rc換成一個燈泡，那么當基極電流為 0時，集電極電流 為0,燈泡滅。如果基極電流比較大時（大于流過燈泡的電流除以三極管的放大倍數(shù)B , 三極管就飽和，相當于開關閉合，燈泡就亮了。由于控制電流只需要比燈泡電流的B分之一大 一點就行了，所以就可以用一個小電流來控制一個大電流的

6、通 斷。如果基極電流從0慢慢增 加，那么燈泡的亮度也會隨著增加（在三極管未飽和之前）。對于PNP型三極管，分析方法類似，不同的地方就是電流方向跟NPN的剛好相反，因此發(fā)射 極上面那個箭頭方向也反了過來一一變成朝里的了。三極管開關電路設計 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，圖1基本的三極管開關 輸入電壓Vin則控制三極管開關的開啟（

7、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) 。838電了一、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

8、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(jù)奧姆定律 三極管呈飽和時，其 集電 極

9、電流應該為：因此，基極電流最少應為:B(式 1)上式表出了 IC和IB之間的基本關系，式中的B值代表三極管的直流電流 增益，對某些三極管而言，其交流B值和直流0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(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?？偠灾龢O管接成圖1的電路之后，它的作用就和一只與負載相串聯(lián)的 機 械式開關一樣，而其啟閉開關的方式，則可以直接利用

10、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) 、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？并解釋出此時之負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用三極管做為燈泡開關由例題1

11、-1得知，欲利用三極管開關來控制大到15A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二0,大多數(shù) 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

12、，而且負載 電流一高，VCE （飽和）值還會有些許的上升現(xiàn) 象，雖然對大多數(shù)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(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。x A（A；機械串聯(lián)開翼O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

13、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：（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(shù)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（us）計。（3）三極管開關沒有躍動（bounce）現(xiàn)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，

14、在開關開啟的瞬間，不致有 火花產(chǎn) 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

15、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 To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VEE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VEE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(jīng)常是超過 1伏特的，因此即使VBE的讀值達到15伏特，也未必就能肯定三極管

16、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(xiàn)象發(fā)生，因此必須 檢換負載。RBVbeVoeJRLD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

17、。 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。Vcc圖6確保三極管開關動作，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通 的輸入電壓值提升了 0.6伏特，如此即使Vin值由于信號源的誤動作而接 近0.6伏特時，亦不致使三極管導通，因此開關仍可處于截止狀態(tài)。圖 6(b)的電路加 上了一只輔助-截止(hold-off)電阻R2,適當?shù)腞l, R2 及Vin值設計，可于臨界輸入電壓時確保開關截止。由圖6(b)可知在基 射極接面未導通前(IE0) , R1和R2形成一個串聯(lián)分壓電路，因此

18、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二0.6伏特),基極 電壓仍將受連接于負電源 的輔助-截止電阻所拉下，使低于0.6伏特。由于Rl, R2及VEE值的刻 意設計，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 導通，不致受到輔助-截止電阻的影響。in加速電容器(speed-up capacitors)在要求快速切 換動作的應用中，必須加快三極管開關的切換速度。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Vin 由零電壓往上升并開始送 電流至基極時，電容器由于無法瞬間充電，故形同

19、 短路，然 而此時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 導通的速度。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位降回零電 壓準位時，電容器會在極短的時間內(nèi)即令基射 極接面變成反向偏壓，而使 三極管開關迅速切斷，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?shù)倪x取 加速電容 值可使三極管 開關的切換時間減低至幾十分之微秒以下，大多數(shù)的加

20、速電容值約為數(shù)百個 微微法拉(pF)。有時候三極管開關的負載并非直接加在集電極與電源之間，而是接成圖8的 方 式，這種接法和小信號交流放大器的電路非常接近，只是少了一只輸岀耦 合電容 器而已。這種接法和正常接法的動 作恰好相反，當三極管截止時，負 載獲能，而當三極管導通時，負載反被切斷，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。R2圖8將負載接于三極管開關電路的改進接法圖騰式開關(Totem-poleswitches)假使圖8的三極管開關加上了電容性負載(假定其與RLD并聯(lián))，那么在三 極管 截止后，由于負載電壓必須經(jīng)由RC電阻對電容慢慢充電而建立，因此 電容量或電阻值愈大，時

21、間常數(shù)(RC)便愈大，而使得負載電壓之上升速率 愈慢，在某些 應用中，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成的，它 也因此而得名。欲使負載獲能，必須使Q1三極管導通，同時使Q2三極管截 斷，如 此負載便可 經(jīng)由Q1而連接至VCC,欲使負載去能，必須使Q1三 極管截斷，同時使Q2三極管導通，如此負載將經(jīng)由Q2接地。由于Q1的集 電極除了極小的接點電阻夕卜，幾乎沒有任何電阻存在(如圖9所示)，因 此負載幾乎是直接連接 到正電源上的，也因此當Q1導通時，就再也沒有電 容的慢速充電現(xiàn)象存在了。所以可說Q1 “將負載拉

22、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，負責Q1和Q2三極 管的導通與截斷控制，但是必須確 保Q1和Q2使不致同時導通，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Rc+5v三極管燒毀。因此圖騰式三極管開關絕對不可如圖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群中有任一只導通，而下方的Q2群 中又恰 好有一只導通，電源便經(jīng)由導通之Q1和Q2短路，而造成嚴重的后 果。第三節(jié)三極管開關之應用晶體管開關最常見的應用之一，是用以驅動指示 燈，利用指示燈可以

23、指 示電路某特定點的動作狀況，亦可以指示馬達的控制 器是否被激勵，此外亦可以指示某一限制 開關是否導通或是某一數(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)。假使正反器的輸岀為高準位(一般 為5伏特)，晶體管開關便被導通，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。 有時信號源(如正 反器)輸出電路之電流容量太小，不足以驅動晶體管開 關，此時為避免信號源不勝負荷而產(chǎn)生誤動作，便須采用圖10(b)所示的改 良電路，當輸出為高準位時，先驅動射極隨耦晶體管Q1做電流

24、放大后，圖10指示燈驅動器再使Q2導通而驅動指示燈，由于射極隨耦級的輸入阻抗相當高，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。利用三極管開關做為不同電壓準位之界面電路 在工業(yè)設備中，往往必須利用 固態(tài)邏輯電路來擔任控制的工作，有關數(shù)字邏輯 電路的原理，將在下一章詳 細加以介紹，在此為說明界面電路起見，先將工業(yè)設 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。為達到可靠的運 作，工業(yè)設備的輸入與輸出部份通常工作于較高的電壓準位，一般為220 伏 特。而邏輯部份卻是操作于低電壓準位的，為了使系統(tǒng)

25、正常工作，便必須 使這兩種不同的電壓準位之間能夠溝通，這種不同電壓間的匹配工作就稱 做 界面(interface)問題。擔任界面匹配工作的電路，則稱為界面電路。三 極管(a)基本電路圖(b)改良電路開關就經(jīng)常被用來擔任此類工作圖11利用三極管開關做為由高壓輸入控制 低壓邏輯的界面電路之實例，當輸入 部份的微動開關閉合時，降壓變壓器 便被導通，而使全波整流濾波電路送出低壓 的直流控制信號，此信號使三極 管導通，此時集電極電壓降為0（飽和）伏特，此0伏特信號可被送入邏 輯電路中，以表示微動開關處于閉合狀態(tài)。反之，若微動開關開啟，變壓器 便不通 電，而使三極管截止，此時集電極電壓 便上升至VCC值，此一 VCC 信號，可被送入邏輯電路中，藉以表示微動開關處于 開啟狀態(tài)。在圖11 之中，邏輯電路被當作三極管的負載，連接于集電極和地之間（如圖 11）,因此三極管開關電路的Rl, 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（線性）區(qū)內(nèi)。圖11三極管開 關當作輸入部份與邏輯部份之間的界面圖11三極管開關電路工作原理解析圖一所示是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)（C utoff Region）、線性區(qū)（Activ