三极管开关电路设计.docx

三极管开关电路设计下面主要通过使用NPN三极管进行开关电路设计，PNP三极管的开关 电路与NPN的类似一、 三极管开关电路设计的可行性及必要性可行，性 用过三极管的人都清楚，三极管有一个特性，就是有饱和 状态与截止状态，正是因为有了这两种状态，使其应用于开关电路成为 可能必要性：假设我们在设计一个系统电路中，有些电压、信号 等等需 要在系统运行过程中进行切断，但是又不能通过机械式的方式切断，此 时就只能通过软件方式处理，这就需要有三极管开关电路作为基础了二、 三极管基本开关电路概述如下（图.1 ）就是一个最基本的三极管开关电路，NPN的基极需连接一个基 极电阻（R2）、集电极上连接一个负载电阻（R1）首先我们要清楚当三极管的基极没有电流时候集电极也没有电流， 三极管处于截止状态，即断开；当基极有电流时候将会导致集电极流过 更大的放大电流，即进入饱和状态，相当于关闭当然基极要有一个符 合要求的电压输入才能确保三极管进入截止区与饱和区vcc三、三极管开关电路设计及分析(1)截止区、饱和区条件1、进入截止区条件:上面提到了要使三级管进入截止区的条件是 当基极没有电流时候，但是在什么情况下能达到此要求呢？对硅三极管 而言，其基极跟发射极接通的正向偏压约为0.6V,因此欲使三极管截止， 基极输入电压(Vin)必须低于0.6V，以使三极管的基极电流为零。

通 常在设计时，为了令三极管必定处于截止状态，往往使Vin值低于0.3V 当然基极输入电压愈接近0V愈能保证三极管必处于截止状态2、进入饱和区条件:首先集电极要接一个负载电阻R1,基极要接一个 基极电阻R2,如图.1所示欲将电流传送到负载上，则三极管的集电 极与发射极必须短路因此必须使Vin达到足够高的电位，以驱动三极 管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发射极几乎呈短路在理想状况下，根据欧姆定 律，三极管呈饱和时，1）集电极饱和电流应该为：Ic（饱和）=Vcc/Rl （公式1）集电极饱和电流2）基极电流最少应为：Ib（饱和）=Ic（sat）/p =Vcc/（P *R1） （公式 2）基极饱和电流上式表达出了 Ic和lb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3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（公 式2）式所要求的最低基极电流由于基极回路只是一个基极电阻、基 极与发射极接面的串联电路，故Vin可由下式来求解：3 ）基极输入电压Vin最少应为：Vin=Ib（饱和）*R2 + 0.6V二====》Vin=（+0.6V*Vcc*R2）/ （0 *R1）——（公 式3）基极饱和输入电压一旦基极电压超过或等于（公式3）式所求得的数值，三极管便导 通，即进入饱和区，使全部的供应电压均跨在负载电阻R1上，而完成 了开关的闭合动作。

2）实例分析之用三极管做为灯泡开关如下电路图.2所示，灯泡的内阻为16欧姆，基极串接电阻为1K, 三极管的直流电流增益为150,现在我们要确定Vin的电压为多少时候 可以使三极管处于截止、饱和状态，即可以使灯泡点亮或者熄灭图.21、 灯泡熄灭只要Vin小于0.3V,此时三极管进入截止区，集电极没有电流流过, 灯泡自然就熄灭了2、 灯泡点亮要使灯泡点亮，则三极管的集电极必须有电流流过，即要进入饱和区根据 公式可计算出：集电极的饱和电流为（根据公式1）: Ic（饱和）=24V/16R=1.5A基极饱和电流为（根据公式2）： Ib（饱和）=24V/（150*16）=10mA基极输入电压为(根据公式3): Vin=10mA*lK+0.6V=10.6V所以，当Vin大于或等于10.6V时候，灯泡就会点亮；反之，当Vin小于或 等于0.3V时候，灯泡会熄灭由此例子可以看出，欲利用三极管开关来控制大到1.5A的负载电 流的启闭动作，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。

2)实例分析之用三极管做为电压输出开关1、 供电电压Vcc=9V； Vin使用MCU的GPIO 口控制，输出电压为：0V与3.3V； 要求Vout的输出电压为4V/10mA2、 9014的技术参数：集电极最大耗散功率PCM=0.4W (Tamb=25°C)集电极最大允许电流ICM=0.1A集电极基极击穿电压BVCBO=50V集电极发射极击穿电压BVCEO=45V发射极基极击穿电压BVEBO=5V基极发射极饱和压降 VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)0=150vcc图.33、 计算集电极上的电阻（Rl）的值集电极最大允许电流ICM=0.1A，所以R1=Vcc/0.1A=9V/0.1A=90R,所以最小集电极的电阻为90R，我们不妨定R1的电阻为10K所以我们取R1=10K由于Vout的电流输出最大为10mA，为了留够余量所以定为20mA或者30mA现在我们定为20mA，R1的功率为PR1=20mA*4V=0・08Wv1/8最后我们就可以定R1为10K贴片电阻（1/8W）4、 计算负载电阻（R3的值）当Vin=0V时候，三极管截止，9014的集电极没有电流流过，Vout的值是由R1、R2这两个电阻分压得来的。

根据分压我们就可以算出R3的电阻值了：R3= （R1*Vout） / （Vcc-Vout） = （10K*4V） / （9V-4V） =8K由于8K电阻比较难买到，所以我们定一个较常见的8.2K，所以R3=8.2K贴片电阻（1/8W）5、 计算基极电阻（R2的值）我们已经知道了 Vin的上限为3.3V，根据公式1、2、3就可以计算出R2的值了：R2= (Vin-Vbe) * 0*R1/VCC= (3・3V-1V) *150*10K/9V=383K，最后定R2=370K/贴片电阻确定的参数：R1=10K/0603R2=370K/0603R3=8.2K/0603测试结果：Vin=3.3V时候：测试Vbe=0.567V接近于0.6V，三极管已经进入饱和区万用表上显示的是Vout为0.1V，实际上就是Vce=0.1V<<4VVin=0V时候：万用表上显示的是Vout为4.06V，即符合当初设想的4V电压输出图.4(Vin=3・3V)三极管进入饱和区A图.4 (Vin=OV)二极管进入截止区。