三极管开关原理及运用.doc

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1、三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极 B，发射极 E。分成 NPN和 PNP两种。我们仅以 NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原 理。一、电流放大下面的分析仅对于 NPN型硅三极管。 如上图所示， 我们把从基极 B 流至发射极 E的电流叫做 基极电流 Ib ；把从集电极 C流至发射极 E的电流叫做集电极电流 Ic 。这两个电流的方向都 是流出发射极的， 所以发射极 E 上就用了一个箭头来表示电流的方向。 三极管的放大作用就 是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并 且基极电流很小的变化， 会引起集电极电流很

2、大的变化， 且变化满足一定的比例关系： 集电 极电流的变化量是基极电流变 化量的 倍，即电流变化被放大了 倍，所以我们把 叫 做三极管的放大倍数（ 一般远大于 1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号 加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流 Ib 的变化， Ib 的变化被放大后，导致了 Ic 很大的变化。 如果集电极电流 Ic 是流过一个电阻 R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以 算得， 这电阻上电压就会发生很大的变化。 我们将这个电阻上的电压取出来， 就得到了放大 后的电压信号了。二、偏置电路 三极管在实际的放大电路中使用时， 还需要加合适的偏置电路。 这有几个原因。 首

3、先是由于 三极管 BE结的非线性 （相当于一个二极管） ，基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才 能产生（对于硅管，常取 0.7V ）。当基极与发射极之间的电压小于 0.7V 时，基极电流就可 以认为是 0。但实际中要放大的信号往往远比0.7V 要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于 0.7V 时，基极电流都是 0）。如果我们事先在 三极管的基极上加上一 个合适的电流 （叫做偏置电流， 上图中那个电阻 Rb 就是用来提供这 个电流的， 所以它被叫做基极偏置电阻） ，那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时， 小 信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化

4、，就会被放大并在集电极上输出。另 一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大， 而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为 0，不能再减小了）。而加上偏置，事 先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的 基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。三、开关作用 下面说说三极管的饱和情况。像上面那样的图，因为受到电阻 Rc 的限制（ Rc 是固定值，那 么最大电流为 U/Rc，其中 U 为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电 流的增大，不能使集电极电流继续增大 时，三极管

5、就进入了饱和状态。一般判断三极管是 否饱和的准则是： Ib* Ic 。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将 很小，可以理解为 一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电 流为 0 时，三极管集电极电流为 0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很 大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。 如果三极管主要工作在截止和饱和状态， 那么 这样的三极管我们一般把它叫做开关管。四、工作状态如果我们在上面这个图中，将电阻 Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0 时，集电极电流为 0，灯泡灭。 如果基极电流比较大时 （大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数 ），三

6、极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的 分之 一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通 断。如果基极电流从 0 慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加（在三极管未饱和之前）。对于 PNP型三极管， 分析方法类似， 不同的地方就是电流方向跟 NPN的刚好相反， 因此发射 极上面那个箭头方向也反了过来变成朝里的了。三极管开关电路设计 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

7、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，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

8、和区 （saturation） 。838 电子一、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

9、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：（ 式 1）上式表出了 IC和IB 之间的基本关系，式中的 值代表三极管的直流电流增益， 对某些三极管 而言，其交流 值和直流 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 来求解一旦基极电压超过或等于 （式 2） 式所求得的数值，

10、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 (mechanical 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

11、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 此由方程式 (1) 可知因此输入电压可由下式求得图 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

12、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，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

13、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。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。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 次，一般的机械式开关，由于接点磨损，顶多只能使用数百万 次左右，而 且其接点易受污损而影响工作， 因此无法在脏乱的环境下运作， 三极管开关既无 接点又是密封的，因此无此顾虑。（ 2）三极管开关的动作速度 较一般的

14、开关为快， 一般开关的启闭时间是以毫秒 （ms）来计算的，三极管开关则以微秒 （s） 计。（ 3）三极管开关没有跃动 （bounce） 现象。一般的机械式开关在导通的瞬间会有 快速的连续启闭动作，然后才能逐渐达到稳定状态。（ 4）利用三极管开关来驱动电感性负载时， 在开关开启的 瞬间， 不致有火花产 生。反之， 当机械式开关开启时， 由于瞬间切断了电感性负载样上的电流，因此电感之瞬间感应电压， 将在接点上引起弧光， 这种电弧非但会侵蚀接点的表 面，亦可能造成干扰或危害。三、三极管开关 的测试 三极管开关不像机械式开关可以光凭肉眼就判断出它目前的启闭状态， 因此必须利用电表来加以测试。 在图 5

15、 所示的标准三极管开关电路中， 当开关导 通时， VEC 的读值应该为 0，反之当开关切断时， VCE应对于 VCC。 三极管开关在切断的状况下， 由于负载上没有电流流过， 因此也没有压降， 所以 全部的供应电 压均跨降在开关的两端，因此其 VCE值应等于 VCC，这和机械式 开关是完全相同的。如果开关本身应导通而未导通，那就得测试 Vin 的大小了。 欲保证三极管 导通，其基极的 Vin 电压值就必须够高，如果 Vin 值过低，则问 题就出自信号源而非三极管本身了。 假使在 Vin 的准位够高， 驱动三极管导通绝 无问题时，而 负载却仍未导通，那就要测试电源电压是否正常了。在导通的状态下，硅

16、三极管的 VBE值约为 0.6 伏特，假使 Vin 值够高， 而 VBE值却高于和低于 0.6 伏特，例如 VBE为 1.5 伏特或 0.2 伏特，这表示 基 射极接面可能已经损坏， 必须将三极管换掉。 当然这一准则也未必百分之百正确， 许多大电流额定的功率三极管，其 VBE值经常是超过 1 伏特的，因此即使 VBE 的读值达到 1.5 伏特，也未必就能肯定三极管的接面损坏， 这时候最好先查阅三 极管规格表后再下断言。一旦 VBE正常且有基极电流流动时，便 必须测试 VCE值，假使 VCE趋近于 VCC， 就表示三极管的集基接面损坏， 必须换掉三极管。 假使 VCE趋近于零伏特， 而负 载仍未

17、导通，这可能是负载本身有 开路现象发生，因此必须检换负载。图 5 三极管开关电路，各主要测试电的电压图当 Vin 降为低电压准位，三极管理应截止而切断负载，如果负载仍旧未被 切断，那可能是三极管的集基极和集射极短路，必须加以置换。第 二节 基本三极管开关之改进电路 有时候，我们所设定的低电压准位未必就能使三极管开关截止，尤其当 输入准位接近 0.6 伏特的时候更是如此。 想要克服这种临界状况， 就必须采取修 正步骤，以 保证三极管必能截止。图 6 就是针对这种状况所设计的两种常见之 改良电路。图 6 确保三极管开关动作，正确的两种改良电路图 6(a) 的电路，在基射极间串接上一只二极管，因此使

18、得可令基极电流导通的 输入电压值提升了 0.6 伏特，如此即使 Vin 值由于信号源的误动作而接近 0.6 伏特时， 亦不致使三极管导通，因此开关仍可处于截止状态。图 6(b) 的电路加 上了一只辅助 -截止(hold-off) 电阻 R2，适当的 R1，R2及 Vin 值设计， 可于临 界输入电压时确保开关截止。由图 6(b) 可知在基射极接面未导通前 (IB0) ，R1 和 R2形成一个串联分压电路， 因此 R1必跨过固定 (随 Vin 而 变) 的分电压，所 以基极电压必低于 Vin 值，因此即使 Vin 接近于临界值 (Vin=0.6 伏特 ) ，基极 电压仍将受连接于负电源的辅助 -

19、 截止电阻所拉下，使低于 0.6 伏特。由于 R1， R2及 VBB值的刻意设计，只要 Vin 在高值的范围内，基极仍将有足 够的电压值 可使三极管导通，不致受到辅助 - 截止电阻的影响。加速电容器 (speed-up capacitors)在要求快速切 换动作的应用中，必须加快三极管开关的切换速度。图 7 为一种 常见的方式，此方法只须在 RB电阻上并联一只加速电容器，如此当 Vin 由零电 压往上升并开始送 电流至基极时，电容器由于无法瞬间充电，故形同短路，然 而此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极，因此也就加快了开关导通的速度。 稍后，待充电完毕后，电 容就形同开路，而不影响三极管的正常

20、工作。图 7 加了加速电容器的电路 一旦输入电压由高准位降回零电压准位时，电容器会在极 短的时间内即令基射 极接面变成反向偏压， 而使三极管开关迅速切断， 这是由于电容器的左端原已充 电为正电压，如图 6-9 所示，因此在输入电压下降的瞬间，电 容器两端的电压 无法瞬间改变仍将维持于定值，故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降， 因此令基射极接面成为反向偏压，而迅速令三极管截止。适当的选取 加速电容 值可使三极管开关的切换时间减低至几十分之微秒以下， 大多数的加速电容值约 为数百个微微法拉 (pF) 。有时候三极管开关的负载并 非直接加在集电极与电源之间，而是接成图 8 的方 式，这种接法和

21、小信号交流放大器的电路非常接近， 只是少了一只输出耦合电容 器而已。这种接法和正常接法的动 作恰好相反，当三极管截止时，负载获能， 而当三极管导通时， 负载反被切断， 这两种电路的形式都是常见的， 因此必须具 有清晰的分辨能力。图8 将负载接于三极管开关电路的改进接法 图腾式开关 (Totem-pole switches)假使图 8 的三极管开关加上了电容性负载 (假定其与 RLD并联) ，那么在三极管 截止后，由于负载电压必须经由 RC电阻对电容慢慢充电而建立，因此电容量或 电阻值愈大，时间常数 (RC) 便愈大，而使得负载电压之上升速率愈慢，在某些 应用中，这种现象是不容许的，因此必须采用

22、图 9 的改良电路。图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所构成的，它也 因此而得名。欲使负载获能，必须使 Q1三极管导通，同时使 Q2三极管截断，如 此负载便可 经由 Q1而连接至 VCC上，欲使负载去能，必须使 Q1三极管截断， 同时使 Q2三极管导通，如此负载将经由 Q2接地。由于 Q1的集电极除了极小的 接点电阻 外，几乎没有任何电阻存在 (如图 9 所示) ，因此负载几乎是直接连接 到正电源上的，也因此当 Q1导通时，就再也没有电容的慢速充电现象存在了。 所以可说 Q1“将负载拉起”，而称之为“挽起 (pull up) 三极管”， Q2则称为 “拉下(pull down)

23、三极管”。图 9 左半部的输入控制电路，负责 Q1和 Q2三极 管的导通与截断控制，但是必须确保 Q1和 Q2使不致同时导通，否则将使 VCC 和地之间经由 Q1和 Q2 而形同短路，果真如此，则短路的大电流至少将使一只三极管烧毁。因此图腾式三极管开关绝对不可如图 6-4 般地采用并联方式来使 用，否则只要图腾上方的 三极管 Q1群中有任一只导通，而下方的 Q2群中又恰 好有一只导通，电源便经由导通之 Q1和 Q2短路，而造成严重的后果。第三节 三极管开关之应用 晶体管开关最常见的应用之一，是用以驱动指示灯，利用指示灯可以指 示电路某特定点的动作状况， 亦可以指示马达的控制器是否被激励， 此外

24、亦可以 指示某一限制 开关是否导通或是某一数字电路是否处于高电位状态。 举例而言，图 10(a) 即是利用晶体管开关来指示一只数字正反器 (flip-flop) 的 输出 状态。假使正反器的输出为高准位 (一般为 5 伏特) ，晶体管开关便被导通， 而令指示灯发亮， 因此操作员只要一看指示灯， 便可以知道正反器目前的工作状 况，而不须要利用电表去检测。有时信号源 ( 如正 反器) 输出电路之电流容量太小，不足以驱动晶体管开关，此 时为避免信号源不胜负荷而产生误动作，便须采用图 10(b) 所示的改良电路， 当输出为高准位时，先驱动射极随耦晶体管 Q1做电流放大后，(a) 基本电路图(b) 改良

25、电路图 10 指示灯驱动器再使 Q2导通而驱动指示灯，由于射极随耦级的输入阻抗相当高，因此正反器之 须要提供少量的输入电流，便可以得到满意的工 作。数字显示器图 10(a) 之电路经常被使用于数字显示器上。利用三极管开关做为不同电压准位之界面电路 在工业设备中， 往往必须利用固态逻辑电路来担任控制的工作，有关数字逻辑 电路的原理， 将在下一章详细加以介绍， 在此为说明界面电路起见， 先将工业设 备的控制电路分为三大 部份 (1) 输入部份， (2) 逻辑部份， (3) 输出部份。 为达到可靠的运作， 工业设备的输入与输出部份通常工作于较高的电压准位， 一 般为 220 伏 特。而逻辑部份却是操

26、作于低电压准位的，为了使系统正常工作， 便必须使这两种不同的电压准位之间能够沟通， 这种不同电压间的匹配工作就称 做界面 (interface) 问题。担任界面匹配工作的电路， 则称为界面电路。 三极管 开关就经常被用来担任此类工作 图 11 利用三极管开关做为由 高压输入控制低压逻辑的界面电路之实例， 当输入 部份的微动开关闭合时， 降压变压器便被导通， 而使全波整流滤波电路送出低压 的直流控制信号，此信号使三极管 导通，此时集电极电压降为 0( 饱和) 伏特， 此 0 伏特信号可被送入逻辑电路中，以表示微动开关处于闭合状态。 反之，若微动开关开启，变压器便不通 电，而使三极管截止，此时集电

27、极电压 便上升至 VCC值，此一 VCC信号， 可被送入逻辑电路中， 藉以表示微动开关处于 开启状态。 在图 11之中，逻辑电路被当 作三极管的负载， 连接于集电极和地之 间(如图 11) ，因此三极管开关电路的 R1，R2和 RC值必须慎加选择，以保证三 极管只工作于截止区与饱和区，而不致工作于主动 ( 线性) 区内。图 11 三极管开 关当作输入部份与逻辑部份之间的界面图 11三极管开关电路工作原理解析图一所示是 NPN 三极管的 共射极电路 ，图二所示是它的特性曲线图， 图中它有 3 种工作区域： 截止区 (C utoff Region) 、线性区 (Active Region) 、饱和

28、区 (Saturation Region)。三极管是以 B 极电流 IB 作为输入， 操控整个三极管的工作状态。若三极管是在截止区， IB 趋近于 0 (VBE 亦趋近于 0)， C 极与 E 极间约呈 断路状态， IC = 0，VCE = VCC 。若三极管是在线性区， B-E 接面为顺向偏压， B-C 接面为逆向偏压， I B 的值适中 (VBE = 0.7 V) ， I C =h F E I B 呈比例放大， Vce = Vcc -Rc I c = V cc - Rc hFE I B 可被 IB 操控。若三极管在饱和区， IB 很大， VBE = 0.8 V ，VCE = 0.2 V ，

29、VBC = 0.6 V ，B-C 与 B -E 两接面均为正向偏压， C-E 间等同于一个带有 0.2 V 电位落差的通路，可得 I c=( Vcc - 0.2 )/ Rc ，I c 与 IB 无关了，因此时的 IB 大过线性放大区的 IB 值， Ic<hFE IB 是必然的。三极管在截止态时 C- E 间如同断路，在饱和态时 C-E 间如同通路 ( 带有 0.2 V 电位降 ) ，因此可以作为开关。控制此开关的是IB ，也可以用 VBB 作为控制的输入讯号。图三、四分别显示三极管开关的通路、断路状态，及其对应的等效电路。图 1 NPN 三极管共射极电路图 2 共射极电路输出特性曲图 3

30、 、截止态如同断路线图图 4、饱和态如同通路实验：三极管的开关作用简单三极管开关：电路如图 5，电阻 RC 是 LED 限流用电阻，以防止电压过高烧坏 LED （发光二极管）， 将输入信号 VIN 从 0 调到最大 （等分为约 20 个间隔 ），观察并记录对的 VOUT 以及 LED 的亮度。 当三 极管开关为断路时， VOUT =VCC =12 V ，LED 不亮。当三极管开关通路时， VOUT = 0.2V ，LED 会 亮。改良三极管开关：因为三极管由截止区过度到饱和区需经过线性区，开关的效果不会有明确的界线。 为使三极管开关的效果明确，可串接两三极管，电路如图六。同样将输入信号 VIN 从 0 调到最大 （ 等分 为约 20 个间隔 ），观察并记录对应的 VOUT 以及 LED 的亮度。