三、三極管開關(guan) 電路設計及分析

（1）截止區、飽和區條件

1、進入截止區條件：上麵提到了要使三級管進入截止區的條件是當基極沒有電流時候，但是在什麽(me) 情況下能達到此要求呢？對矽三極管而言，其基極跟發射極接通的正向偏壓約為(wei) 0.6V，因此欲使三極管截止，基極輸入電壓（Vin）必須低於(yu) 0.6V，以使三極管的基極電流為(wei) 零。通常在設計時，為(wei) 了令三極管必定處於(yu) 截止狀態，往往使Vin值低於(yu) 0.3V。當然基極輸入電壓愈接近0V愈能保證三極管必處於(yu) 截止狀態。

2）基極電流最少應為(wei) ：

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

    上式表達出了Ic和Ib之間的基本關(guan) 係，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(guan) 閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等於(yu) （公式2）式所要求的最低基極電流。由於(yu) 基極回路隻是一個(ge) 基極電阻、基極與(yu) 發射極接麵的串聯電路，故Vin可由下式來求解：

3）基極輸入電壓Vin最少應為(wei) ：

 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於(yu) (公式3) 式所求得的數值，三極管便導通，即進入飽和區，使全部的供應電壓均跨在負載電阻R1上，而完成了開關(guan) 的閉合動作。

（2）實例分析之用三極管做為(wei) 燈泡開關(guan)

    如下電路圖.2所示，燈泡的內(nei) 阻為(wei) 16歐姆，基極串接電阻為(wei) 1K，三極管的直流電流增益為(wei) 150，現在我們(men) 要確定Vin的電壓為(wei) 多少時候可以使三極管處於(yu) 截止、飽和狀態，即可以使燈泡點亮或者熄滅。

1、燈泡熄滅

    隻要Vin小於(yu) 0.3V，此時三極管進入截止區，集電極沒有電流流過，燈泡自然就熄滅了。

2、燈泡點亮

    要使燈泡點亮，則三極管的集電極必須有電流流過，即要進入飽和區。根據公式可計算出:

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

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

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

    所以，當Vin大於(yu) 或等於(yu) 10.6V時候，燈泡就會(hui) 點亮；反之，當Vin小於(yu) 或等於(yu) 0.3V時候，燈泡會(hui) 熄滅。

    由此例子可以看出，欲利用三極管開關(guan) 來控製大到1.5A的負載電流的啟閉動作，隻須要利用甚小的控製電壓和電流即可。此外，三極管雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因為(wei) 當負載電流流過時，三極管呈飽和狀態，其Vce趨近於(yu) 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）實例分析之用三極管做為(wei) 電壓輸出開關(guan)

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

2、9014的技術參數：

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

集電極發射極擊穿電壓BVCEO=45V

發射極基極擊穿電壓BVEBO=5V

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

β=150

 

圖.3

3、計算集電極上的電阻（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。所以我們取R1=10K。由於Vout的電流輸出最大為10mA，為了留夠餘量所以定為20mA或者30mA。

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

4、計算負載電阻（R3的值）

    當Vin=0V時候，三極管截止，9014的集電極沒有電流流過，Vout的值是由R1、R2這兩個電阻分壓得來的。根據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

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

5、計算基極電阻（R2的值）

    我們已經知道了Vin的上限為3.3V，根據公式1、2、3就可以計算出R2的值了：

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

確定的參數：R1=10K/0603

           R2=370K/0603

           R3=8.2K/0603

測試結果：

  Vin=3.3V時候：測試Vbe=0.567V接近於0.6V，三極管已經進入飽和區。

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

  Vin=0V時候：萬用表上顯示的是Vout為4.06V，即符合當初設想的4V電壓輸出。

圖.4（Vin=3.3V）三極管進入飽和區

圖.4（Vin=0V）三極管進入截止區