三極體的應用——開關電路設計

引言

開關電路在單片機電路設計中經常用到，一般有兩個作用，一是電平的轉換，二是增加單片機IO口的驅動能力。雖然這個電路很簡單，也很常用，但是我發現還是有些人電路結構錯誤或者參數不會設置。

電路結構

如圖1所示，三極體開關電路基本結構由基極電阻，集電極電阻（負載）組成。

圖1 三極體開關電路基本結構

有些人設計的開關電路就沒有基極電阻，有可能不是他不知道這種電路結構，而是他不會調參數，不管怎麼改變Rb，始終電路都沒有進入飽和區，最後將Rb短接後發現電路正常了，導致他認為這樣電路是可以用的。

事實上，沒有基極電阻，如果說是單片機的IO口接的控制引腳，那麼單片機工程師控制單片機IO口輸出高電平的時候，IO口上的電壓只有0.7V左右。那是由於單片機IO口的電流只有10mA左右，不能給三極體提供足夠大大的電流，以至於拉低電壓至三極體b、e之間的導通電壓0.7V左右。當給三極體基極能夠提供足夠電流，而控制電壓大於三極體b、e之間電壓極限電壓的時候就會燒壞三極體，如果沒有大於它的極限電壓，但是電流很大，時間久了就會導致三極體熱損壞。所以只有設置合適的基極電阻才能保證電路的可靠性。

該電路存在一個問題，就是控制端沒有接任何東西就會出現高阻狀態，三極體的工作狀態是不確定的。為了安全起見，沒有對三極體進行控制的時候，應該讓三極體工作在截止區，要想NPN型三極體截止，Ib就要很小，可以選擇在三極體基極接一個下拉電阻，如圖2所示。取值是要遠大於（10倍以上）Rb的，這樣才能下拉電阻不影響對三極體的控制。小編我個人的取值習慣是100K。

圖2 帶下拉電阻的開關電路

如果我們想驅動無源蜂鳴器，那麼就要在控制端輸入一個方波信號進行控制，這時候就需要三極體進行快速切換，想加快三極體切換速度就要如圖3所示，在Rb上並聯一個加速電容。

圖3 帶加速電容的三極體開關電路

其原理是，電容兩端的電壓不能發生突變，那麼控制端給一個高電平的瞬間，電容可以視為短路，此時的電流最大，因此加快了三極體的導通速度，這個暫態過程很快就結束了，電容充電完成後進入了穩態，電容就形如開路，而不影響電路的正常工作。由於電容在控制端高電平期間充了左正右負的電壓，當控制端變成低電平（0V）瞬間電容兩端的電壓不能突變，所以在電容的右端出現了負電壓，加快了三極體的關斷。大多數情況下，加速電容取值約為幾百個pF。為什麼加了加速電容就能實現加快關斷與導通，那是因為三極體是存在結電容的，導通與關斷時間是決定於結電容的充放電時間的，這個現象就叫米勒效應，加了加速電容後，就加快了結電容充放電時間，使得三極體很快跨越了米勒平臺，所以能加快三極體的關斷與導通。

參數計算

三極體的開關狀態就是三極體的飽和與截止，三極體的截止容易實現，只要將IB降為O就可以實現三極體的截止。而三極體的飽和沒有截止那麼實現，開關電路的計算就是在計算三極體進入飽和的參數。要想進行計算，那麼就要了解三極體的飽和特性。

1. 如何判斷飽和？

一是三極體發射結和集電結正偏，基極電流變化，集電極電流幾乎不變。

飽和條件：

1.集電極和電源之間電電阻越大越容易飽和；2.基極電流比較大以使得集電極的電阻上分得的電壓越大，集電極電壓就被拉低，而出現Ub大於Uc的情況。

影響飽和的因素：

1.集電極電阻的大小（負載）；2.放大倍數的大小；3.基極電流的大小。

飽和的現象：

1.基極電壓大於集電極電壓；2.Uce為0.5V左右，越小飽和越深。

臨界飽和條件：

Ib=（Vcc/RL）/β

知道這些概念後，我們就知道怎麼去計算參數了。首先我們在設計前期我們應該知道負載一些參數，如電壓電流。負載需要的電流就是設計的關鍵，通過負載電流求得Ib，此時的Ib是三極體臨界飽和的值，一般我們要取數倍才能保證三極體進入深度飽和。然後根據控制端的電壓減去Ube（0.7V）除以Ib就可以得到Rb。

電路設計

1.電路結構確定

我不需要控制背光亮度，只需要控制背光亮與不亮，所以選擇帶下拉電阻的開關電路。如圖4所示。

圖4 背光碟機動電路

2.電源電壓確定

圖5 一款液晶的背光參數

通過圖5 就可以知道要想背光正常量的話，電源電壓要大於3.0V，那麼電源電壓就取3.3V。

3.RC阻值確定

RC的作用是分壓，限流，保證背光不被燒。背光是3.0V，電流是15mA，電源是3.3V，那麼RC=（3.3V-3.0V）/15mA=20Ω。

4. RB的確定

根據前面敘述的，臨界飽和的基極電流為IB=IC/β，這裡β取100，那麼IB=15mA/100=150uA，為了保證三極體進入深度飽和，還要取數倍IB，這裡取10倍，那麼飽和IB=150uA*100=1.5mA，單片機IO完全能夠提供1.5mA電流。單片機高電平是3.3V，那麼RB=（3.3V-Ube）/1.5mA=(3.3V-0.7V)/1.5mA=1.733KΩ，因為電阻系列沒有這種電阻，所以我們取2K，因為IB我們取了數倍，所以RB比理論值大一點也是可以行的。

5. R1確定

R1下拉電阻，我在前面已經敘述過了，這裡我們取100K。

6.三極體確定

該電路的電源電壓不高，電流也不大，所以對三極體要求也不是很大，所以選擇9013,8050三極體都可以。下面我們看看這兩款三極體的參數。

圖6 9013性能參數

圖7 8050性能參數

如圖8仿真結果

圖8 電路仿真

通過，仿真我們發現我們計算的參數已經使得三極體進入了深度飽和，因為Uce=92mV，滿足深度飽和條件。

但是IC沒有達到15mA，那是因為我們忽略了Uce的存在而導致的偏差，但是這一點偏差不影響開關電路的正常工作，可以接受。

因此，我們這種設計的思路是可行的，如果大家有更好的方法就在評論討論討論。