三極管開(kāi)關(guān)電路作為功率管的控制應(yīng)用廣泛。這里對(duì)一個(gè)實(shí)用開(kāi)關(guān)電路中的各元器件作用作具體分析。

三極管開(kāi)關(guān)控制電路：

上圖是一個(gè)小功率三極管控制大功率三極管（達(dá)林頓管）開(kāi)關(guān)電路。

控制信號(hào)通過(guò)控制小功率三極管的開(kāi)關(guān)來(lái)控制大功率管Q1的開(kāi)關(guān)。

原理分析

三極管開(kāi)關(guān)電路的基本原理就是控制三極管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)工作。電路設(shè)計(jì)原則等不作贅述，一般的三極管電路參考書(shū)籍有介紹。在這里也只討論圖中這些阻容元器件的作用，不討論其取值計(jì)算（因?yàn)槿≈涤?jì)算需要選定三極管，而且頗為簡(jiǎn)單）。

圖中R1作用是Q2的基極限流；R3作用是泄放掉關(guān)斷狀態(tài)時(shí)基極電荷，讓Q2在低電平時(shí)保持截止?fàn)顟B(tài)；R4作用是Q2的集電極限流以及Q1的基極限流；電容C2是加速電容，加速Q(mào)2的開(kāi)關(guān)速度，降低Q2管耗，從而延長(zhǎng)Q2壽命；R5和C1是作為輸出反饋給Q2的基極，作用同樣為加速Q(mào)2的開(kāi)關(guān)速度，延長(zhǎng)Q2的壽命以及電路整體的性能，此為正反饋。

三極管開(kāi)關(guān)電路的工作狀態(tài)分析，快速判斷，以及計(jì)算方法！

一、三極管的工作狀態(tài)分析

三極管有三個(gè)工作區(qū)域，分別是：

截止區(qū)：基極電壓小于開(kāi)啟電壓（0.6~0.7V）或基極電路小于開(kāi)啟電流，供應(yīng)不足；

飽和區(qū)：注入基極的電流不斷聚集，超過(guò)了需求量，供大于求；

放大區(qū)：介于截止和飽和區(qū)之間的一個(gè)階段，注入基極的電流不斷上升，對(duì)應(yīng)的集電極電流成比例（三極管的放大倍數(shù)）增加，供需平衡。

圖1.1、典型的NPN三極管開(kāi)關(guān)電路

如圖1.1， 三極管的放大倍數(shù)為A，則Ic=A*Ib，然后Vout=Vcc-Ic*R3。

當(dāng)Ib持續(xù)增加，Ic會(huì)成比例（A*Ib）增加，然后Vout=（Vcc-Ic*R3）會(huì)持續(xù)地減小，此時(shí)三極管處于放大區(qū)。顯然，Vout的減小是有一個(gè)下限的，這個(gè)下限是三極管的Vce的飽和值（Vce_sat），一般在0.2V左右。總之，Ib增大到一定數(shù)值之后，Ic不會(huì)再增加，Vout會(huì)被限制在Vce_sat處，此時(shí)三極管處于飽和區(qū)。

當(dāng)三極管可以在飽和區(qū)和截止區(qū)之間自由切換，那么這個(gè)三極管電路可以作為一個(gè)數(shù)字開(kāi)關(guān)來(lái)使用。

圖1.1，是一個(gè)典型的三極管開(kāi)關(guān)電路，R1=20Kohm，R2=10Kohm，R3=10Kohm，U1=BC847C。

圖1.2、典型的NPN三極管開(kāi)關(guān)電路

基于圖1.2，為了測(cè)試開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)特性，在輸入端注入三角波，然后可以得到其中的控制邏輯關(guān)系如圖1.3所示。

圖1.3、三極管開(kāi)關(guān)電路的邏輯關(guān)系

如果將R1由20Kohm增大到150Kohm，電路的特性發(fā)生了很大變化，雖然還能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)，但是開(kāi)關(guān)過(guò)程已經(jīng)變得不再干脆，顯得“粘滯”。

圖1.4、增大R1=150Kohm之后的三極管電路

繼續(xù)增大R1至160Kohm之后，情況進(jìn)一步惡化，已經(jīng)無(wú)法達(dá)到開(kāi)關(guān)的目的了，如圖1.5所示。

圖1.5、增大R1=160Kohm之后的三極管電路

由此可見(jiàn)，R1就像一個(gè)閥門(mén)，如果三極管的目的是被用作數(shù)字開(kāi)關(guān)使用，那么閥門(mén)的開(kāi)口必須足夠大。否則，即使輸入開(kāi)足了馬力，三極管也無(wú)法進(jìn)入充分的導(dǎo)通。

顯然，R1這個(gè)閥門(mén)也不能不加以限制，否則三極管基極將會(huì)因過(guò)流而損壞。那么，在保證不會(huì)導(dǎo)致三極管基極過(guò)流的情況下，R1是不是越小越好呢？當(dāng)然，也不是！當(dāng)三極管處于飽和區(qū)時(shí)，基極電流已經(jīng)供大于求，當(dāng)R1進(jìn)一步減小時(shí)，將導(dǎo)致基極電流嚴(yán)重地供大于求，此謂三極管的過(guò)飽和。

那么，過(guò)飽和有啥后果呢？實(shí)際上也沒(méi)有太大的后果，唯一的后果是三極管的關(guān)斷速度會(huì)變慢。原因是三極管在過(guò)飽和的狀態(tài)下，在基極上堆積了過(guò)多的電荷（嚴(yán)重對(duì)供大于求，庫(kù)存積壓），所以三極管由開(kāi)通狀態(tài)退出而進(jìn)入截止時(shí)，這些（庫(kù)存）電荷首先需要被導(dǎo)走，所以關(guān)斷速度必定會(huì)較平常變慢。

三極管的過(guò)飽和也不是一無(wú)是處，它雖然會(huì)減慢關(guān)斷速度，但是可以加快導(dǎo)通速度。因此，如果對(duì)三極管的關(guān)斷速度不在乎，而只對(duì)開(kāi)通速度很在乎。那么，需要使用一定的技巧使得三極管快速進(jìn)入飽和狀態(tài)，如圖1.6，使用C1作為加速電容來(lái)減小基極驅(qū)動(dòng)電阻，從而加快三極管的開(kāi)通速度。

具體原理是：開(kāi)關(guān)瞬間，“加速電容”相當(dāng)于“短路”，電壓瞬間加到Ube，使管子快速開(kāi)通；開(kāi)關(guān)信號(hào)到達(dá)穩(wěn)態(tài)之后，“加速電容”又相當(dāng)于“斷路”；R1的作用是抑制瞬態(tài)的基極電流，確保三極管不會(huì)因?yàn)榛鶚O電流過(guò)載而損毀。

圖1.6、含加速電容的三極管開(kāi)關(guān)電路

二、三極管工作狀態(tài)的快速判斷

圖1.7、三極管的開(kāi)關(guān)電路

給定一個(gè)三極管開(kāi)關(guān)電路，如何快速地判斷電路是否可以用作數(shù)字開(kāi)關(guān)呢？即三極管能否順利地進(jìn)入飽和區(qū)呢？為了判斷，需要有一定的計(jì)算，當(dāng)然是一些非常簡(jiǎn)單的計(jì)算，可以說(shuō)只需要懂得歐姆定律就可以用來(lái)設(shè)計(jì)三極管數(shù)字開(kāi)關(guān)。

計(jì)算步驟如下：

1、T1導(dǎo)通之后，Ube為定值，得到流經(jīng)R2的電流：Ir2=Ube/R2;

2、流經(jīng)R1的電流，Ir1=（Vsw-Ube）/R1;

3、得到基極電流，Ib=Ir1-Ir2=（Vsw-Ube）/R1-Ube/R2=Vsw/R1-（1/R1+1/R2）*Ube;

4、假設(shè)三極管T1的放大倍數(shù)為A，則Ic=Ib*A， Vout=Vcc-R3*Ic。

如果，Vout

三、三極管開(kāi)關(guān)電路的計(jì)算

有了以上的基礎(chǔ)，接下來(lái)可以講一些更為實(shí)用的知識(shí)了。

1、首先，選擇R3的數(shù)值：

首先，根據(jù)對(duì)開(kāi)關(guān)輸出電流的需要確定R3的數(shù)值。一般情況下，此電路會(huì)被接到單片機(jī)的GPIO口或者用于驅(qū)動(dòng)下一級(jí)的大功率三極管，驅(qū)動(dòng)電流小于10mA。假設(shè)VCC=3.3V，R3的選值范圍一般在1K~10K左右，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流范圍為3.3mA~330uA，如果僅作信號(hào)傳輸多選R3=10KOhm。

2、認(rèn)真閱讀規(guī)格書(shū)

認(rèn)真閱讀規(guī)格書(shū)，并從三極管的規(guī)格書(shū)得到一些重要參數(shù)，比如集電極與發(fā)射極間的飽和電壓Vce_sat，放大倍數(shù)，三極管基極與發(fā)射極間的關(guān)閉與飽和電壓。

3、了解三極管的溫度特性

三極管的參數(shù)不是一成不變的，它受溫度、集電極輸出電流等因素的影響。請(qǐng)放棄精確計(jì)算三極管電路的想法，因?yàn)橛绊懙囊蛩靥嗔?。從工程?yīng)用的角度，可以簡(jiǎn)單的使用以下經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

（1）、常溫下，基極飽和電壓 Ube_sat=0.6V；基極關(guān)閉電壓Ube_off=0.56V。書(shū)上一般說(shuō)Ube=0.6~0.7V，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，需要相對(duì)精確計(jì)算時(shí)，可設(shè)定Ube_sat=0.6V比較合適。

（2）、三極管的特性呈現(xiàn)“負(fù)溫度”特性。也就是說(shuō)，隨著溫度上升，Ube間的電壓會(huì)下降，溫度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為：-2mV/°C， 即Ube=0.6-0.002*（T-25），T為溫度（°C） 。此特性和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)同樣適用于二極管。

（3）、為了方便理解和記憶，關(guān)于三極管/二極管的溫度特性，可以如此認(rèn)為：溫度升高，電子運(yùn)動(dòng)變得活躍，所以PN結(jié)之間的壓降變小了；反之變大。PN結(jié)有點(diǎn)像節(jié)假日高速路上的堵車(chē)，沒(méi)有完全堵死，車(chē)輛還挪動(dòng)，車(chē)輛挪動(dòng)的速變決定堵車(chē)的長(zhǎng)度（類比PN的壓降）。

以上所述為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如果需要使用相對(duì)精確的參數(shù)，請(qǐng)?jiān)敿?xì)查詢所選的三極管的規(guī)格書(shū)。

圖1.8、NPN三極管BC847C的溫度特性曲線

4、建立自己的計(jì)算工具

在計(jì)算過(guò)程中，建議把所有的計(jì)算公式輸入到Excel工具中來(lái)。因?yàn)?，一旦引入了溫度特性，?jì)算過(guò)程會(huì)顯得繁瑣，而采用仿真工具又不利于歸檔，創(chuàng)建一份屬于自己的簡(jiǎn)易Excel計(jì)算工具很有必要。