三极管作开关应用及详解

Posted 2022-08-31 夏沫の浅雨

写在前面：
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一、三极管参数计算

通常我们在设计外围电路时，或多或少需要利用三极管作开关来驱动一些负载能力强的设备；但是其外围电阻以及三极管的参数怎么计算是个问题？下面就来分析一下

 

三极管作为开关，其实就是让三极管在截止区跟饱和区之间切换，下面以NPN型晶体管为例

假设我们需要用I/O（3.3V）来驱动一个3.3V的蜂鸣器（但是我们不用直接连接的方法，而是用三极管去控制，另外，为了更好的拓展，我们把VCC电源设为5V），因此，由于负载的工作电压为3.3V，而电源电压为5V远远超过其正常的工作电压，为防止其烧毁，需要加入分压模块（即加上电阻分压Rl），其次，为了控制Ib的电流（同时也是为了控制Ic的导通电流）我们在基极上串联一个限流电阻Rb，于是乎，我们得到下图的设计

既然要分析并计算参数，那肯定要选取器件啦，首先是负载，我随便选了个3.3V的蜂鸣器，下图是它的一些信息（同样，一些重要信息也圈出来了）

（截自：

https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20170522/1495448326548.pdf）

 

然后确定三极管，根据蜂鸣器的需要，三极管C极允许通过的电流要大于30mA，因此三极管我们选用常见的小功率三极管S8050就可以了，也方便查找资料，当然，为了节省成本，还有更合适的，这里就不深究了（它的Ic最大允许通过电流是500mA，驱动一个蜂鸣器足够了，具体三极管选型要看负载的工作电流），下图是它的一些参数，（后面计算需要用到的参数我已经把它圈出来了）

（截自：

https://atta.szlcsc.com/upload/public/pdf/source/20190705/C402279_7D364F4F79EEAEB60E6FB239187D3E99.pdf）

 

 

既然东西都准备好了，那么我们来分析一下：

Vin = 0V时，三极管断开蜂鸣器不工作；当要使蜂鸣器正常工作时需要三极管进入饱和区（三极管导通，就有饱和区导通和放大区导通，为什么要进入饱和区？如果把三极管当开关用的话，我们当然希望三极管是作为“一条导线”，不希望在三极管上有压降产生，也就是希望Vce越小越好），而蜂鸣器两端电压要为3.3V，工作电流为10mA（Max为30mA，所以一般给它10mA就够了）；假设三极管进入了饱和区，而Vcc = 5V、Vin = 3.3V，然后我们再看三极管的参数Vce = 0.6V（这是datasheet给出的最大值0.6V，Vce在饱和态一般取0.2 - 0.3V，我们选0.2V），这样我们可以算出Rc =（Vcc – 3.3V - Vce）/ 10mA = 150R；又根据hFE（直流增益） = Ic / Ib，hFE取表中的50，得到Ib = 200uA; 又因为三极管处于导通状态，所以b极和e极之间的压降为0.7V（datasheet给出的Vbe最大值1.2V，一般为0.6 – 0.7V，取0.7V）即Vbe = 0.7V，所以可得Rb = （Vin - Vbe）/ Ib = 13KR，然后我们取一个常见阻值，取10KR；这样我们就得到下图

最后，当我们输入3.3V时，就能愉快的正常工作了（想太多了，这只是我们计算的理论值，方便我们取值，缩小取值数据，实际还需要我们根据现场调试，这样才能顺利的让蜂鸣器完美的运行起来）；如果Vcc的值变了，依然用同样的方法计算，现在就可以用三极管当开关控制发光二极管、蜂鸣器、电机、继电器。。。

同样的，如果用PNP型三极管，计算也是一样的

 

二、三极管开关控制之改进电路

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0.7V的时候更是如此（对硅三极管而言，其基 - 射极正向偏置电压值约为0.7V，因此欲使三极管截止，Vin必须低于0.7伏特，以使三极管的基极电流为零），但有时候，有些I/O置0后未必真正达到0V电压。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，于是下图就是针对这种情况所设计的常见的改良电路

（图b） 的电路，在基极串接一只二极管，利用二极管的压降，使得基极导通电压值提升了0.6V，如此即使Vin值由于信号源的误动作而接近0.6V时，亦不致使三极管导通，因此开关仍可处于截止状态。

（图a）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。然后，我们把图a转换一下，易于分析

从转换图可知，三极管在未导通的时候，R1和R2形成一个串联分压电路，加在基极上的电压为两个电阻分压值，所以基极电压必低于Vin值，因此即使Vin接近于临界值(Vin = 0.7V) ，基极电压仍将受连接于负电源的辅助-截止电阻所拉下，使低于0.6V。由于R1，R2及Vin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。同时，如果输入Vin是浮空的，R2电阻可以把电平下拉至低电平，防止误操作

 

举个栗子：

Vin输入3.3V时，加在基极上的电压为两个电阻分压值，远大于基极饱和电压Vbe（比如S8050约1.2V，此处用极限电压），基极处于饱和状态，流过基极的饱和电流为（3.3 – 0.7）/ 4.7K = 0.55mA。10k电阻与4.7k串联，是为了增强抗干扰能力，如果干扰电压接近Vbe饱和电压（比如0.7V），则由于串联分压作用，加到基极电压会小于0.7V，不会导致误动作（辅助-截止(hold-off)电阻R2一般取值为10K左右，实际还是要调试的，不能太大也不能太小；大了可能拉不低电位，小了可能功耗大了）。有时候在基极串一个二极管，利用二极管压降起到分压作用增强抗干扰能力（即图a），但实际还是很少见，因为考虑到成本问题，毕竟二极管的成本比电阻高。

 

三、加速电容器(speed-up capacitors)

有时候由于需要，如果在要求快速切换动作的应用中，那就必须加快三极管开关的切换速度。只需在基本BJT开关上增加一个电容即可满足条件，该电容称为加速电容，并联在基极电阻Rb两端，如下图所示，该Vb波形是添加电容器与电路的结果。

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（电压不能突变），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工作。

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，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得基极电压跳变到负的脉冲电平电压，来维持电压值，因此令基射极成为反向偏压，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。