三、三極管開關(guān)電路設(shè)計(jì)及分析

（1）截止區(qū)、飽和區(qū)條件

1、進(jìn)入截止區(qū)條件：上面提到了要使三級管進(jìn)入截止區(qū)的條件是當(dāng)基極沒有電流時(shí)候，但是在什么情況下能達(dá)到此要求呢？對硅三極管而言，其基極跟發(fā)射極接通的正向偏壓約為0.6V，因此欲使三極管截止，基極輸入電壓（Vin）必須低于0.6V，以使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為了令三極管必定處于截止?fàn)顟B(tài)，往往使Vin值低于0.3V。當(dāng)然基極輸入電壓愈接近0V愈能保證三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)。

2）基極電流最少應(yīng)為：

 Ib(飽和)=Ic(sat)/β=Vcc/(β*R1)--------（公式2）基極飽和電流

    上式表達(dá)出了Ic和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，對某些三極管而言，其交流β值和直流β值之間有著甚大的差異。欲使開關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等于（公式2）式所要求的最低基極電流。由于基極回路只是一個(gè)基極電阻、基極與發(fā)射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來求解：

3）基極輸入電壓Vin最少應(yīng)為：

 Vin=Ib(飽和)*R2 + 0.6V=====》Vin=（+0.6V*Vcc*R2）/（β*R1）----（公式3）基極飽和輸入電壓

    一旦基極電壓超過或等于(公式3) 式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，即進(jìn)入飽和區(qū)，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻R1上，而完成了開關(guān)的閉合動(dòng)作。

（2）實(shí)例分析之用三極管做為燈泡開關(guān)

    如下電路圖.2所示，燈泡的內(nèi)阻為16歐姆，基極串接電阻為1K，三極管的直流電流增益為150，現(xiàn)在我們要確定Vin的電壓為多少時(shí)候可以使三極管處于截止、飽和狀態(tài)，即可以使燈泡點(diǎn)亮或者熄滅。

1、燈泡熄滅

    只要Vin小于0.3V，此時(shí)三極管進(jìn)入截止區(qū)，集電極沒有電流流過，燈泡自然就熄滅了。

2、燈泡點(diǎn)亮

    要使燈泡點(diǎn)亮，則三極管的集電極必須有電流流過，即要進(jìn)入飽和區(qū)。根據(jù)公式可計(jì)算出:

集電極的飽和電流為（根據(jù)公式1）：Ic(飽和)=24V/16R=1.5A

基極飽和電流為（根據(jù)公式2）：Ib(飽和)=24V/(150*16)=10mA

基極輸入電壓為(根據(jù)公式3)：Vin=10mA*1K+0.6V=10.6V

    所以，當(dāng)Vin大于或等于10.6V時(shí)候，燈泡就會(huì)點(diǎn)亮；反之，當(dāng)Vin小于或等于0.3V時(shí)候，燈泡會(huì)熄滅。

    由此例子可以看出，欲利用三極管開關(guān)來控制大到1.5A的負(fù)載電流的啟閉動(dòng)作，只須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，三極管雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流流過時(shí)，三極管呈飽和狀態(tài)，其Vce趨近于零，所以其電流和電壓相乘的功率之非常小，根本不須要散熱片。

（2）實(shí)例分析之用三極管做為電壓輸出開關(guān)

1、供電電壓Vcc=9V；Vin使用MCU的GPIO口控制，輸出電壓為：0V與3.3V；要求Vout的輸出電壓為4V/10mA。

2、9014的技術(shù)參數(shù)：

集電極最大耗散功率PCM＝0.4W（Tamb=25℃）

集電極最大允許電流ICM=0.1A

集電極基極擊穿電壓BVCBO=50V

集電極發(fā)射極擊穿電壓BVCEO=45V

發(fā)射極基極擊穿電壓BVEBO=5V

基極發(fā)射極飽和壓降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)

β=150

 

圖.3

3、計(jì)算集電極上的電阻（R1)的值

    集電極最大允許電流ICM=0.1A，所以R1=Vcc/0.1A=9V/0.1A=90R，所以最小集電極的電阻為90R，我們不妨定R1的電阻為10K。所以我們?nèi)�R1=10K。由于Vout的電流輸出最大為10mA，為了留夠余量所以定為20mA或者30mA。

現(xiàn)在我們定為20mA，R1的功率為PR1=20mA*4V=0.08W<1/8。最后我們就可以定R1為10K貼片電阻（1/8W）。

4、計(jì)算負(fù)載電阻（R3的值）

    當(dāng)Vin=0V時(shí)候，三極管截止，9014的集電極沒有電流流過，Vout的值是由R1、R2這兩個(gè)電阻分壓得來的。根據(jù)分壓我們就可以算出R3的電阻值了：

R3=（R1*Vout）/（Vcc-Vout）=（10K*4V）/（9V-4V）=8K

由于8K電阻比較難買到，所以我們定一個(gè)較常見的8.2K，所以R3=8.2K貼片電阻（1/8W）。

5、計(jì)算基極電阻（R2的值）

    我們已經(jīng)知道了Vin的上限為3.3V，根據(jù)公式1、2、3就可以計(jì)算出R2的值了：

R2=（Vin-Vbe）* β*R1/VCC=（3.3V-1V）*150*10K/9V=383K，最后定R2=370K/貼片電阻

確定的參數(shù)：R1=10K/0603

           R2=370K/0603

           R3=8.2K/0603

測試結(jié)果：

  Vin=3.3V時(shí)候：測試Vbe=0.567V接近于0.6V，三極管已經(jīng)進(jìn)入飽和區(qū)。

                萬用表上顯示的是Vout為0.1V，實(shí)際上就是Vce=0.1V<<4V。

  Vin=0V時(shí)候：萬用表上顯示的是Vout為4.06V，即符合當(dāng)初設(shè)想的4V電壓輸出。

圖.4（Vin=3.3V）三極管進(jìn)入飽和區(qū)

圖.4（Vin=0V）三極管進(jìn)入截止區(qū)