三級(jí)管電子開關(guān)的基本電路圖

很多人在大學(xué)的課本上學(xué)習(xí)的大多數(shù)都是三極管的放大特性，其實(shí)，在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，三極管的很多應(yīng)用場(chǎng)景只是利用三級(jí)管的開關(guān)特性，我們往往是運(yùn)用三極管來實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路，做一些電平轉(zhuǎn)化的功能。這是由于兩個(gè)原因造成的：①由于數(shù)字電路的快速發(fā)展，模擬電路設(shè)計(jì)比重越來越??；②運(yùn)算放大器越來越便宜，各項(xiàng)特性也比分立器件實(shí)現(xiàn)的放大電路相對(duì)穩(wěn)定，集成度也高。 其實(shí)單獨(dú)把三極管的開關(guān)特性弄清楚，只花10%的時(shí)間，可能可以解決80%的問題。所以咱們單獨(dú)了解一下“利用三極管設(shè)計(jì)開關(guān)電路”。 嚴(yán)格說起來，三極管與一般的機(jī)械接點(diǎn)式開關(guān)在動(dòng)作上并不完全相同，但是三極管卻具有一些機(jī)械式開關(guān)所沒有的特點(diǎn)。圖1所示，即為三級(jí)管電子開關(guān)的基本電路圖。

由圖可知，負(fù)載電阻被直接跨接在三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的回路上。輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的斷開和閉合動(dòng)作，當(dāng)三極管呈斷開狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流便被阻斷；當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。具體的解釋就是當(dāng)Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒有電流，因此集電極也沒有電流，致使連接于集電極端的負(fù)載也沒有電流，而相當(dāng)于開關(guān)的斷開，此時(shí)，三極管處于截止區(qū)。同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開關(guān)的閉合，此時(shí)三極管仍處于飽和區(qū)。

由于對(duì)硅三極管而言，其基極的正向偏壓值約為0.6V，因此欲使三極管截止，Vin必須低于0.6V，以使三極管的基極電流為零。通常，為了可以更確定三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)，往往使Vin值低于0.3V。

如圖黃色圈圈處，本質(zhì)就是一個(gè)二極管。因?yàn)槎O管模型比較簡單，我們單純看基極、發(fā)射機(jī)之間的電壓，理解成為讓二極管導(dǎo)通的原理，就容易理解多了。如果想讓三極管打開，首先需要讓二極管導(dǎo)通，則需要二極管兩端的電壓大于其導(dǎo)通電壓。 當(dāng)然，輸入電壓越接近0V越能保證三極管開關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。要將電流傳送到負(fù)載上，則三極管的集電極與發(fā)射極必須短路，就想機(jī)械開關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。如此就必須使Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動(dòng)三極管使其進(jìn)入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時(shí)，集電極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個(gè)電源電壓VCC均跨在負(fù)載電阻上，如此VCE便接近于0，而使三極管的集電極和發(fā)射極幾乎呈短路。在理想狀態(tài)下，根據(jù)奧姆定律，三極管呈飽和時(shí)，其集電極電流為：

我們期待飽和，就要讓集電極電流達(dá)到IC這個(gè)值。 我們知道三極管是一個(gè)流控電流源：

β和α稱為三極管的電流分配系數(shù)，其中β值大家比較熟悉，稱為電流放大系數(shù)。三個(gè)電流中，有一個(gè)電流發(fā)生變化，另外兩個(gè)電流也會(huì)隨著按比例變化。例如，基極電流的變化量?Ib=10μA，β=50，根據(jù)?Ic=β?Ib的關(guān)系式，算出集電極電流的變化量

?Ic=50×10=500μA，實(shí)現(xiàn)了電流放大。

因此，想要讓三極管飽和，則Ic需要足夠大，由于在飽和之前，Ic=βIb，所以基極電流最少為：

上式表出了Ic與Ib之間的基本關(guān)系，式中的β值代表三極管的直流電流增益，對(duì)某些三極管而言，其交流β值和直流β值之間，有著較大的差異。要使開關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以超過或等于上式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個(gè)電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來求解：

這是Vin至少需要保證大于的值，才能保證三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)然這個(gè)電壓值越高，越能保證飽和的狀態(tài)。因?yàn)棣轮涤幸欢ǖ碾x散型，0.6V也有一定的離散型。 一旦基極電壓超過上式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻上，而完成了開關(guān)的閉合動(dòng)作?？偠灾?，三極管設(shè)計(jì)成圖1的電路后，它的作用就和一只與負(fù)載相串聯(lián)的機(jī)械式開關(guān)一樣，而其開啟、關(guān)閉開關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓來控制，而無須采用機(jī)械式開關(guān)所常用的機(jī)械引動(dòng)、螺管柱塞、繼電器電樞等控制方式。 ? ? ? ?

編輯：黃飛

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