晶体管开关电路详解

晶体管开关电路详解

图８．１是一例发射极接地放大电路，这种电路能够通过输入信号（电压）连续地———模拟地控制流过集电极发射极间电流，获得输出电压。但是开关电路，如图８．２所示是一种计数地接通／断开晶体管的集电极发射极间的电流作为开关使用的电路。

图８．３是电压增益（放大倍数）A v＝10的发射极接地型放大电路。照片８．１是给这个电路输入１ｋＨｚ、１ＶP-P信号时的输入输出波形。这时的输出波形不是通过介入耦合电容取出的，而是集电极电位。由于A V＝10，所以输出应该是１０ＶP-P。但是由于电源电压以及发射极电阻上电压降的缘故，如照片所示，波形的上下部分均被截去（输出饱和）。

输出波形的上半周被截去的情况是由于输出电平与电源电压相等，所以集电极电阻上没有了电压降，也就是说晶体管的集电极发射极间没有电流流过（集电极电流为零）。换句话说，晶体管处于截止状态。

相反，输出波形的下半周被截去的情况是因为输出电平处于更接近ＧＮＤ电平的电位（集电极电阻上的电压降非常大），晶体管的集电极电流处于最大值。也就是说，晶体管处于导通状态。

这样的开关电路只要利用输入信号使输出波形被限幅就可以实现（使晶体管处于接通／断开状态就可以），所以可以认为只要放大电路具有非常大的放大倍数，或者加上很大的输入信号就可以。但是，这样的开关电路必须是直流的接通／断开状态（这样的用途非常多），所以必须具有一定的直流的放大倍数。

８．１．２从放大电路到开关电路图

８．４是从发射极放大电路演变到开关电路的示意图。首先为了获得直流增益（放大倍数），从图８．４（ａ）的一般发射极放大电路中去掉输入输出的耦合电容C1、C2，得到图８．４（ｂ）的电路。进一步为了提高放大倍数，去掉发射极电阻Ｅ，变成图８．４（ｃ）的电路。这样一来，也就没有必要加基极偏置电压。当输入信号为０Ｖ时，晶体管处于截止状态，所以集电极就没有必要流过无用的电流———空载电流。因此，如图８．４（ｄ）所示去掉偏置用的R1。

为了确保没有输入信号时晶体管处于截止状态，需要保留使基极处于ＧＮＤ电位的电阻R2。但是，图８．４（ｄ）的电路中如果输入信号超过＋０．６Ｖ，晶体管基极发射极间的二极管将处于导通状态，就开始有基极电流流过。也就是说，这样的状态不能限制电流，会有非常大的基极电流流过。因此，如图８．４（ｅ）所示还需要插入限制基极电流的电阻R3。这样就可以将发射极接地放大电路变形成开关电路。

８．１．３观测开关波形

图８．５是上述电路代入了具体数值的实际开关电路，照片８．２是给这个电路输入１ｋＨｚ、２ＶP-P的正弦波时的输入输出波形。输入信号是正弦波。但是由于电路的放大倍数足够大，所以输出波形变成了方波。当输入信号电平在＋０．６Ｖ以下时体管处于截止状态，输出电平是＋５Ｖ（电源电压）。当超过＋０．６Ｖ时，晶体管处于导通状态，输出基本上是ＧＮＤ电平。

通常开关电路的输入信号只是控制开关的接通／断开，所以采用与接通／断开电平相对于的二值信号，即方波。经常用ＴＴＬ或ＣＭＯＳ等数字电路的输出直接控制开关电路。

照片８．３是给图８．５的电路输入１ｋＨｚ、０Ｖ／＋５Ｖ方波时的输入输出波形。由于用０Ｖ／＋５Ｖ的方波使晶体管于接通／断开状态，所以输出波形也是＋５Ｖ／０Ｖ的方波。这个电路可以认为是发射极接地放大电路的变形，所以与放大电路一样，输入输出信号的相位是反转的。

从照片８．３看到的输入输出波形简直就是数字电路中倒相器（ＮＯＴ电路）的输入输出波形。所以这个电路可以作为倒相器使用。但是，为了能够像数字ＩＣ那样高速动作还需要作一些改进。这将在后面介绍。

如果电源设置为＋１５Ｖ，由于输入信号是０Ｖ／＋５Ｖ的ＣＭＯＳ（ＴＴＬ）电平，所以可以作为向０Ｖ／＋１５Ｖ的ＣＭＯＳ电平变换的逻辑电平变换电路。当然反过来也可以由０Ｖ／＋１５Ｖ变换为０Ｖ／＋５Ｖ。

８．１．４如果集电极开路

图８．５的电路中集电极连接着负载电阻Ｌ。如图８．６所示，当不连接负载电阻时这个电路的集电极就原封不动地变成输出端。把这个电路叫做开路集电极，它广泛应用于以继电器或灯泡等为外部负载的开关电路。

如图８．６所示，在使用ＮＰＮ晶体管的电路中，如果在电位高于ＧＮＤ的电源与集电极（输出端）之间连接负载，这时就像是吸入负载电流。在使用ＰＮＰ晶体管的电路中，如果在比正电源电位低的电源（在图８．６（ｂ）中是ＧＮＤ）与集电极间连接负载，这时就像负载电流在流出。因此，这个开路集电极能够接通／断开负载电流而与负载连接几伏的电源没有关系，所以是一个对于开关外部负载非常方便的电路。

８．２发射极接地型开关电路的设计

上面图８．５所示电路的设计指标如下。输入采用０Ｖ／＋５Ｖ的４０００Ｂ系列ＣＭＯＳ逻辑电路的信号，接通／断开５ｍＡ的负载电流（＋５Ｖ电源上连接RＬ＝１ｋΩ）。

８．２．１开关晶体管的选择

由于负载电流（集电极电流）的指标是５ｍＡ，所以晶体管集电极电流IＣ的最大额定值必须大于５ｍＡ。当晶体管处于截止状态时，连接负的电源的电压（这里是＋５Ｖ）加在集电极发射极之间和集电极基极之间。因此应选择集电极

发射极间和集电极基极间电压最大额定值V CEO、V CBO大于连接负载的电源电压的晶体管。这里按照V CEO＞＋５Ｖ，V CBO＞＋５Ｖ，Ｃ＞５ｍＡ的条件，选择２ＳＣ２４５８（东芝）。表８．１是２ＳＣ２４５８器件的特性。

顺便指出，使用ＰＮＰ晶体管时的电路就变成图８．７那样。当然使用时并不介意选择ＮＰＮ晶体管还是ＰＮＰ晶体管。

图８．５的电路已经在集电极与＋５Ｖ电源间连接了负载（R L＝１ｋΩ），所以是根据这个电源电压和负载电流来决定晶体管的。在开路集电极的场合选择的方法也完全相同。由外部负载连接的电源电压和从输出端（集电极）吸入或流出的最大负载电流共同选择晶体管。

８．２．２当需要大的负载电流时

发射极接地型开关电路的负载电流就是集电极电流，所以必须能够从输入端提供大于１／h FE的基极电流。对于图８．５的电路由于负载电流小，只有５ｍＡ，所以没有什么问题。但是当负载电流达数百毫安以上时驱动基极的电路（接续输入端的电路）就有可能无法提供足够的基极电流。在这种情况下，需要采用称为“ 超晶体管”的h FE非常大的晶体管（例如２ＳＣ３１１３（东芝）的h FE 可达到６００～３６００），或者如图８．８所示将两个晶体管达林顿连接。如图８．８所示，采用达林顿连接时Ｔｒ１的发射极电流全部变成Ｔｒ２的基极电流，所以总的h FE是各自晶体管的h FE之积（h FE1·h FE2）。

例如，如果hＦＥ1＝hＦＥ2＝１００，那么总的hＦＥ就是１００００，用１ｍＡ的基极电流就能够开关１０Ａ的集电极电流。但是在计算达林顿连接电路的基极电流时需要注意的是，当晶体管导通时基极发射极之间的电压降是１．２～１．４Ｖ（两个VＢＥ）。

图８．９是一例采用达林顿连接的开关电路，是一个电灯开关电路。由于晶体管是达林顿连接，所以可以用０．５ｍＡ的基极电流开关０．９Ａ的负载。在设计大负载电流的电路时，还需要注意晶体管的集电极发射极间饱和电压VＣ。尽管晶体管处于导通状态时的集电极发射极间电阻值非常小，但还不是Ｅ（sat）