【E課堂】三極體開關電路圖原理及設計詳解

　　電晶體開關電路(工作在飽和態)在現代電路設計應用中屢見不鮮，經典的74LS，74ALS等集成電路內部都使用了電晶體開關電路，只是驅動能力一般而已。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201705/359014.htm

　　TTL電晶體開關電路按驅動能力分為小信號開關電路和功率開關電路;按電晶體連接方式分為發射極接地(PNP電晶體發射極接電源)和射級跟隨開關電路。

　　發射極接地開關電路

　　1.1 NPN型和PNP型基本開關原理圖：

　　

　　上面的基本電路離實際設計電路還有些距離：由於電晶體基極電荷存儲積累效應使電晶體從導通到斷開有一個過渡過程(當電晶體斷開時，由於R1的存在，減慢了基極電荷的釋放，所以Ic不會馬上變為零)。也就是說發射極接地型開關電路存在關斷時間，不能直接應用於中高頻開關。

　　1.2 實用的NPN型和PNP型開關原理圖1(添加加速電容)

　　解釋：當電晶體突然導通(IN信號突然發生跳變)，C1瞬間短路，為三極體快速提供基極電流，這樣加速了電晶體的導通。當電晶體突然關斷(IN信號突然發生跳變)，C1也瞬間導通，為卸放基極電荷提供一條低阻通道，這樣加速了電晶體的關斷。C通常取值幾十到幾百皮法。電路中R2是為了保證沒有IN輸入高電平時三極體保持關斷狀態;R4是為了保證沒有IN輸入低電平時三極體保持關斷狀態。R1和R3是基極電流限流用。

　　1.3 實用的NPN型開關原理圖2(消特基二極體鉗位)

　　解釋：由於消特基二極體Vf為0.2至0.4V比Vbe小，所以當電晶體導通後大部分的基極電流是從二極體然後通過三極體到地的，這樣流到三極體基極的電流就很小，積累起來的電荷也少，當電晶體關斷(IN信號突然發生跳變)時需要卸放的電荷少，關斷自然就快。

　　1.4 實際電路設計

　　在實際電路設計中需要考慮三極體Vceo，Vcbo等滿足耐壓，三極體滿足集電極功耗;通過負載電流和hfe(取三極體最小hfe來計算)計算基極電阻(要為基極電流留0.5至1倍的餘量)。注意消特基二極體反向耐壓。

　　三極體開關電路設計

　　三極體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，三極體與一般的機械接點式開關在動作上並不完全相同，但是它卻具有一些機械式開關所沒有的特點。圖1所示，即為三極體電子開關的基本電路圖。

　　由下圖可知，負載電阻被直接跨接於三極體的集電極與電源之間，而位居三極體主電流的迴路上，

　　

　　圖1基本的三極體開關

　　輸入電壓Vin則控制三極體開關的開啟(open)與閉合(closed)動作，當三極體呈開啟狀態時，負載電流便被阻斷，反之，當三極體呈閉合狀態時，電流便可以流通。詳細的說，當Vin為低電壓時，由於基極沒有電流，因此集電極亦無電流，致使連接於集電極端的負載亦沒有電流，而相當於開關的開啟，此時三極體乃勝作於截止(cutoff)區。

　　同理，當Vin為高電壓時，由於有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負載迴路便被導通，而相當於開關的閉合，此時三極體乃勝作於飽和區(saturation)。838電子

　　1、三極體開關電路的分析設計

　　由於對矽三極體而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特，因此欲使三極體截止，Vin必須低於0.6伏特，以使三極體的基極電流為零。通常在設計時，為了可以更確定三極體必處於截止狀態起見，往往使Vin值低於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體開關必處於截止狀態。欲將電流傳送到負載上，則三極體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，以驅動三極體使其進入飽和工作區工作，三極體呈飽和狀態時，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便接近於0，而使三極體的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據奧姆定律三極體呈飽和時，其集電極電流應該為﹕

　　

 

　　因此，基極電流最少應為：

　　

 

　　上式表出了IC和IB之間的基本關係，式中的β值代表三極體的直流電流增益，對某些三極體而言，其交流β值和直流β值之間，有著甚大的差異。欲使開關閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等於(式1)式所要求的最低基極電流值。由於基極迴路只是一個電阻和基射極接面的串聯電路，故Vin可由下式來求解﹕

　　

 

　　一旦基極電壓超過或等於(式2)式所求得的數值，三極體便導通，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。

　　總而言之，三極體接成圖1的電路之後，它的作用就和一隻與負載相串聯的機械式開關一樣，而其啟閉開關的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須採用機械式開關所常用的機械引動(mechanicalactuator)﹑螺管柱塞(solenoidplunger)或電驛電樞(relayarmature)等控制方式。

　　為了避免混淆起見，本文所介紹的三極體開關均採用NPN三極體，當然NPN三極體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(三極體飽和)所須的輸入電壓為何?並解釋出此時之負載電流與基極電流值?

　　解﹕由2式可知，在飽和狀態下，所有的供電電壓完全跨降於負載電阻上，因此

　　由方程式(1)可知

　　

 

　　

 

　　因此輸入電壓可由下式求得﹕

　　

 

　　圖2用三極體做為燈泡開關

　　

 

　　由例題1-1得知，欲利用三極體開關來控制大到1.5A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，三極體雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因為當負載電流流過時，三極體呈飽和狀態，其VCE趨近於零，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。

　　2、三極體開關與機械式開關的比較

　　截至目前為止，我們都假設當三極體開關導通時，其基極與射極之間是完全短路的。事實並非如此，沒有任何三極體可以完全短路而使VCE=0，大多數的小信號矽質三極體在飽和時，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體，其VCE(飽和)值頂多也只能低到0.1伏特左右，而且負載電流一高，VCE(飽和)值還會有些許的上升現象，雖然對大多數的分析計算而言，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)值並非真的是0。

　　雖然VCE(飽和)的電壓很小，本身微不足道，但是若將幾個三極體開關串接起來，其總和的壓降效應就很可觀了，不幸的是機械式的開關經常是採用串接的方式來工作的，如圖3(a)所示，三極體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，這是三極體開關的一大缺點。

　　

　　圖3三極體開關與機械式開關電路

　　幸好三極體開關雖然不適用於串接方式，卻可以完美的適用於並接的工作方式，如圖4所示者即為一例。

　　三極體開關和傳統的機械式開關相較，具有下列四大優點﹕

　　

　　圖4三極體開關之並聯聯接

　　(1)三極體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，由於接點磨損，頂多只能使用數百萬次左右，而且其接點易受汙損而影響工作，因此無法在髒亂的環境下運作，三極體開關既無接點又是密封的，因此無此顧慮。

　　(2)三極體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，三極體開關則以微秒(μs)計。

　　(3)三極體開關沒有躍動(bounce)現象。一般的機械式開關在導通的瞬間會有快速的連續啟閉動作，然後才能逐漸達到穩定狀態。

　　(4)利用三極體開關來驅動電感性負載時，在開關開啟的瞬間，不致有火花產生。反之，當機械式開關開啟時，由於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，亦可能造成幹擾或危害。