三极管开关电路

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。

Vcc

團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(saturati on) 。

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0.6伏特，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.6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0.3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:

I B （®和）二盘竺〉二

上式表出了 IC 和IB 之间的基本关系，式中的B 值代表三极管的直流电流增益， 对某些

三极管而言，其交流B 值和直流B 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：

W X I B ｛诧利臨+(16V

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（mecha ni cal 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

VC£

R LD

Vin=+0.6V~p^^ P R LD

电）

V cc 24V

I 雅和尸瓦打腕皿A

由方程式(1)可知 V cc _ 24V

喇饱和产p Rll =(巧0)(1褪》=WmA

因此输入电压可由下式求得:

Vi 口二“他和）R B +0.6V=（10mA ）（1K ）+0.6V=10.6V

24V

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1.5A 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0.2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0.1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，

= 150

16Q

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。

（A）机械串联开关

Q Q ©

（B）三裱营串琨开关

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，具有下列四大优占. 八、、•

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