【導(dǎo)讀】三極管除了可以當(dāng)做交流信號(hào)放大器之外，也可以做為開(kāi)關(guān)之用。嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，三極管與一般的機(jī)械接點(diǎn)式開(kāi)關(guān)在動(dòng)作上并不完全相同，但是它卻具有一些機(jī)械式開(kāi)關(guān)所沒(méi)有的特點(diǎn)。
圖1所示，即為三極管電子開(kāi)關(guān)的基本電路圖。由下圖可知，負(fù)載電阻被直接跨接于三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的回路上。
輸入電壓Vin則控制三極管開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟(open) 與閉合(closed) 動(dòng)作，當(dāng)三極管呈開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。詳細(xì)的說(shuō)，當(dāng)Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒(méi)有電流，因此集電極亦無(wú)電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒(méi)有電流，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，此時(shí)三極管乃勝作于截止(cut off)區(qū)。
同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過(guò)更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合，此時(shí)三極管乃勝作于飽和區(qū)(saturation)。
一、三極管開(kāi)關(guān)電路的分析設(shè)計(jì)
由于對(duì)硅三極管而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特，因此欲使三極管截止，Vin必須低于0.6伏特，以使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為了可以更確定三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)起見(jiàn)，往往使Vin值低于 0.3伏特。 (838電子資源)當(dāng)然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開(kāi)關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。欲將電流傳送到負(fù)載上，則三極管的集電極與射極必須短路，就像機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。欲如此就必須使 Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動(dòng)三極管使其進(jìn)入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時(shí)，集電極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個(gè)電源電壓Vcc均跨在負(fù)載電阻上，如此則VcE便接近于0，而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據(jù)奧姆定律三極管呈飽和時(shí)，其集電極電流應(yīng)該為﹕
因此，基極電流最少應(yīng)為：
上式表出了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(duì)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(kāi)關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過(guò)或等于(式1) 式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個(gè)電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來(lái)求解﹕
一旦基極電壓超過(guò)或等于(式2) 式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻上，而完成了開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作。
總而言之，三極管接成圖1的電路之后，它的作用就和一只與負(fù)載相串聯(lián)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)一樣，而其啟閉開(kāi)關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機(jī)械式開(kāi)關(guān)所常用的機(jī)械引動(dòng)(mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或電驛電樞(relay armature)等控制方式。
為了避免混淆起見(jiàn)，本文所介紹的三極管開(kāi)關(guān)均采用NPN三極管，當(dāng)然NPN三極管亦可以被當(dāng)作開(kāi)關(guān)來(lái)使用，只是比較不常見(jiàn)罷了。
例題1
試解釋出在圖2的開(kāi)關(guān)電路中，欲使開(kāi)關(guān)閉合(三極管飽和) 所須的輸入電壓為何﹖并解釋出此時(shí)之負(fù)載電流與基極電流值解﹕由2式可知，在飽和狀態(tài)下，所有的供電電壓完全跨降于負(fù)載電阻上，因此
由方程式(1) 可知
因此輸入電壓可由下式求得﹕
圖2 用三極管做為燈泡開(kāi)關(guān)
由例題1-1得知，欲利用三極管開(kāi)關(guān)來(lái)控制大到1.5A的負(fù)載電流之啟閉動(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(guò)大電流，卻不須要裝上散熱片，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流流過(guò)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。
二、三極管開(kāi)關(guān)與機(jī)械式開(kāi)關(guān)的比較
截至目前為止，我們都假設(shè)當(dāng)三極管開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其基極與射極之間是完全短路的。事實(shí)并非如此，沒(méi)有任何三極管可以完全短路而使VCE=0，大多數(shù)的小信號(hào)硅質(zhì)三極管在飽和時(shí)，VCE(飽和) 值約為0.2伏特，縱使是專為開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的交換三極管，其VCE(飽和) 值頂多也只能低到0.1伏特左右，而且負(fù)載電流一高，VCE(飽和) 值還會(huì)有些許的上升現(xiàn)象，雖然對(duì)大多數(shù)的分析計(jì)算而言，VCE(飽和) 值可以不予考慮，但是在測(cè)試交換電路時(shí)，必須明白VCE(飽和) 值并非真的是0。
雖然VCE(飽和)的電壓很小，本身微不足道，但是若將幾個(gè)三極管開(kāi)關(guān)串接起來(lái)，其總和的壓降效應(yīng)就很可觀了，不幸的是機(jī)械式的開(kāi)關(guān)經(jīng)常是采用串接的方式來(lái)工作的，如圖3(a)所示，三極管開(kāi)關(guān)無(wú)法模擬機(jī)械式開(kāi)關(guān)的等效電路(如圖3(b)所示)來(lái)工作，這是三極管開(kāi)關(guān)的一大缺點(diǎn)。
圖3 三極管開(kāi)關(guān)與機(jī)械式開(kāi)關(guān)電路
幸好三極管開(kāi)關(guān)雖然不適用于串接方式，卻可以完美的適用于并接的工作方式，如圖4所示者即為一例。三極管開(kāi)關(guān)和傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)相較，具有下列四大優(yōu)點(diǎn)﹕
圖4三極管開(kāi)關(guān)之并聯(lián)聯(lián)接
（1）三極管開(kāi)關(guān)不具有活動(dòng)接點(diǎn)部份，因此不致有磨損之慮，可以使用無(wú)限多次，一般的機(jī)械式開(kāi)關(guān)，由于接點(diǎn)磨損，頂多只能使用數(shù)百萬(wàn) 次左右，而且其接點(diǎn)易受污損而影響工作，因此無(wú)法在臟亂的環(huán)境下運(yùn)作，三極管開(kāi)關(guān)既無(wú)接點(diǎn)又是密封的，因此無(wú)此顧慮。
（2）三極管開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度較一般的開(kāi)關(guān)為快，一般開(kāi)關(guān)的啟閉時(shí)間是以毫秒 (ms)來(lái)計(jì)算的，三極管開(kāi)關(guān)則以微秒(μs)計(jì)。
（3）三極管開(kāi)關(guān)沒(méi)有躍動(dòng)(bounce) 現(xiàn)象。一般的機(jī)械式開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會(huì)有快速的連續(xù)啟閉動(dòng)作，然后才能逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
（4）利用三極管開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當(dāng)機(jī)械式開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，由于瞬間切斷了電感性負(fù)載樣 上的電流，因此電感之瞬間感應(yīng)電壓，將在接點(diǎn)上引起弧光，這種電弧非但會(huì)侵蝕接點(diǎn)的表面，亦可能造成干擾或危害。
三、三極管開(kāi)關(guān)的測(cè)試
三極管開(kāi)關(guān)不像機(jī)械式開(kāi)關(guān)可以光憑肉眼就判斷出它目前的啟閉狀態(tài)，因此必須利用電表來(lái)加以測(cè)試。在圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)三極管開(kāi)關(guān)電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，VEC的讀值應(yīng)該為0，反之當(dāng)開(kāi)關(guān)切斷時(shí)，VCE應(yīng)對(duì)于VCC。
三極管開(kāi)關(guān)在切斷的狀況下，由于負(fù)載上沒(méi)有電流流過(guò)，因此也沒(méi)有壓降，所以全部的供應(yīng)電壓均跨降在開(kāi)關(guān)的兩端，因此其VCE值應(yīng)等于VCC，這和機(jī)械式開(kāi)關(guān)是完全相同的。如果開(kāi)關(guān)本身應(yīng)導(dǎo)通而未導(dǎo)通，那就得測(cè)試Vin的大小了。欲保證三極管導(dǎo)通，其基極的Vin電壓值就必須夠高，如果Vin值過(guò)低，則問(wèn)題就出自信號(hào)源而非三極管本身了。假使在Vin的準(zhǔn)位夠高，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通絕無(wú)問(wèn)題時(shí)，而負(fù)載卻仍未導(dǎo)通，那就要測(cè)試電源電壓是否正常了。
在導(dǎo)通的狀態(tài)下，硅三極管的VBE值約為0.6伏特，假使Vin值夠高，而VBE值卻高于和低于0.6伏特，例如VBE為1.5伏特或0.2伏特，這表示基射極接面可能已經(jīng)損壞，必須將三極管換掉。當(dāng)然這一準(zhǔn)則也未必百分之百正確，許多大電流額定的功率三極管，其VBE值經(jīng)常是超過(guò)1伏特的，因此即使 VBE的讀值達(dá)到1.5伏特，也未必就能肯定三極管的接面損壞，這時(shí)候最好先查閱三極管規(guī)格表后再下斷言。
一旦VBE正常且有基極電流流動(dòng)時(shí)，便必須測(cè)試VCE值，假使VCE趨近于VCC，就表示三極管的集基接面損壞，必須換掉三極管。假使VCE趨近于零伏特，而負(fù)載仍未導(dǎo)通，這可能是負(fù)載本身有開(kāi)路現(xiàn)象發(fā)生，因此必須檢換負(fù)載。
圖5 三極管開(kāi)關(guān)電路，各主要測(cè)試電的電壓圖
當(dāng)Vin降為低電壓準(zhǔn)位，三極管理應(yīng)截止而切斷負(fù)載，如果負(fù)載仍舊未被切斷，那可能是三極管的集基極和集射極短路，必須加以置換。
第二節(jié) 基本三極管開(kāi)關(guān)之改進(jìn)電路
有時(shí)候，我們所設(shè)定的低電壓準(zhǔn)位未必就能使三極管開(kāi)關(guān)截止，尤其當(dāng)輸入準(zhǔn)位接近0.6伏特的時(shí)候更是如此。想要克服這種臨界狀況，就必須采取修正步驟，以保證三極管必能截止。圖6就是針對(duì)這種狀況所設(shè)計(jì)的兩種常見(jiàn)之改良電路。
圖6 確保三極管開(kāi)關(guān)動(dòng)作，正確的兩種改良電路
圖6(a) 的電路，在基射極間串接上一只二極管，因此使得可令基極電流導(dǎo)通的輸入電壓值提升了0.6伏特，如此即使Vin值由于信號(hào)源的誤動(dòng)作而接近0.6伏特時(shí)，亦不致使三極管導(dǎo)通，因此開(kāi)關(guān)仍可處于截止?fàn)顟B(tài)。圖6(b)的電路加上了一只輔助-截止(hold-off)電阻R2，適當(dāng)?shù)腞1，R2及Vin值設(shè)計(jì)，可于臨界輸入電壓時(shí)確保開(kāi)關(guān)截止。由圖6(b)可知在基射極接面未導(dǎo)通前(IB0)，R1和R2形成一個(gè)串聯(lián)分壓電路，因此R1必跨過(guò)固定(隨Vin而變) 的分電壓，所以基極電壓必低于Vin值，因此即使Vin接近于臨界值(Vin=0.6伏特) ，基極電壓仍將受連接于負(fù)電源的輔助-截止電阻所拉下，使低于0.6伏特。由于R1，R2及VBB值的刻意設(shè)計(jì)，只要Vin在高值的范圍內(nèi)，基極仍將有足夠的電壓值可使三極管導(dǎo)通，不致受到輔助-截止電阻的影響。
加速電容器(speed-up capacitors)
在要求快速切換動(dòng)作的應(yīng)用中，必須加快三極管開(kāi)關(guān)的切換速度。圖7為一種常見(jiàn)的方式，此方法只須在RB電阻上并聯(lián)一只加速電容器，如此當(dāng)Vin由零電壓往上升并開(kāi)始送電流至基極時(shí)，電容器由于無(wú)法瞬間充電，故形同短路，然而此時(shí)卻有瞬間的大電流由電容器流向基極，因此也就加快了開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的速度。稍后，待充電完畢后，電容就形同開(kāi)路，而不影響三極管的正常工作。
圖7 加了加速電容器的電路
一旦輸入電壓由高準(zhǔn)位降回零電壓準(zhǔn)位時(shí)，電容器會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)即令基射極接面變成反向偏壓，而使三極管開(kāi)關(guān)迅速切斷，這是由于電容器的左端原已充電為正電壓，如圖6-9所示，因此在輸入電壓下降的瞬間，電容器兩端的電壓無(wú)法瞬間改變?nèi)詫⒕S持于定值，故輸入電壓的下降立即使基極電壓隨之而下降，因此令基射極接面成為反向偏壓，而迅速令三極管截止。適當(dāng)?shù)倪x取加速電容值可使三極管開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間減低至幾十分之微秒以下，大多數(shù)的加速電容值約為數(shù)百個(gè)微微法拉(pF) 。
有時(shí)候三極管開(kāi)關(guān)的負(fù)載并非直接加在集電極與電源之間，而是接成圖8的方式，這種接法和小信號(hào)交流放大器的電路非常接近，只是少了一只輸出耦合電容器而已。這種接法和正常接法的動(dòng)作恰好相反，當(dāng)三極管截止時(shí)，負(fù)載獲能，而當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載反被切斷，這兩種電路的形式都是常見(jiàn)的，因此必須具有清晰的分辨能力。
圖8 將負(fù)載接于三極管開(kāi)關(guān)電路的改進(jìn)接法
圖騰式開(kāi)關(guān)(Totem-pole switches)
假使圖8的三極管開(kāi)關(guān)加上了電容性負(fù)載(假定其與RLD并聯(lián)) ，那么在三極管截止后，由于負(fù)載電壓必須經(jīng)由RC電阻對(duì)電容慢慢充電而建立，因此電容量或電阻值愈大，時(shí)間常數(shù)(RC) 便愈大，而使得負(fù)載電壓之上升速率愈慢，在某些應(yīng)用中，這種現(xiàn)象是不容許的，因此必須采用圖9的改良電路。
圖9 圖騰式三極管開(kāi)關(guān)
圖騰式電路是將一只三極管直接迭接于另一三極管之上所構(gòu)成的，它也因此而得名。欲使負(fù)載獲能，必須使Q1三極管導(dǎo)通，同時(shí)使Q2三極管截?cái)啵绱素?fù)載便可經(jīng)由Q1而連接至VCC上，欲使負(fù)載去能，必須使Q1三極管截?cái)啵瑫r(shí)使Q2三極管導(dǎo)通，如此負(fù)載將經(jīng)由Q2接地。由于Q1的集電極除了極小的接點(diǎn)電阻外，幾乎沒(méi)有任何電阻存在(如圖9所示) ，因此負(fù)載幾乎是直接連接到正電源上的，也因此當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，就再也沒(méi)有電容的慢速充電現(xiàn)象存在了。所以可說(shuō)Q1“將負(fù)載拉起”，而稱之為“挽起 (pull up) 三極管”，Q2則稱為“拉下(pull down) 三極管”。圖9左半部的輸入控制電路，負(fù)責(zé)Q1和Q2三極管的導(dǎo)通與截?cái)嗫刂疲潜仨毚_保Q1和Q2使不致同時(shí)導(dǎo)通，否則將使VCC和地之間經(jīng)由Q1和 Q2而形同短路，果真如此，則短路的大電流至少將使一只三極管燒毀。因此圖騰式三極管開(kāi)關(guān)絕對(duì)不可如圖6-4般地采用并聯(lián)方式來(lái)使用，否則只要圖騰上方的三極管Q1群中有任一只導(dǎo)通，而下方的Q2群中又恰好有一只導(dǎo)通，電源便經(jīng)由導(dǎo)通之Q1和Q2短路，而造成嚴(yán)重的后果。
第三節(jié) 三極管開(kāi)關(guān)之應(yīng)用
晶體管開(kāi)關(guān)最常見(jiàn)的應(yīng)用之一，是用以驅(qū)動(dòng)指示燈，利用指示燈可以指示電路某特定點(diǎn)的動(dòng)作狀況，亦可以指示馬達(dá)的控制器是否被激勵(lì)，此外亦可以指示某一限制開(kāi)關(guān)是否導(dǎo)通或是某一數(shù)字電路是否處于高電位狀態(tài)。
舉例而言，圖10(a)即是利用晶體管開(kāi)關(guān)來(lái)指示一只數(shù)字正反器(flip-flop)的輸出狀態(tài)。假使正反器的輸出為高準(zhǔn)位(一般為5伏特) ，晶體管開(kāi)關(guān)便被導(dǎo)通，而令指示燈發(fā)亮，因此操作員只要一看指示燈，便可以知道正反器目前的工作狀況，而不須要利用電表去檢測(cè)。
有時(shí)信號(hào)源(如正反器)輸出電路之電流容量太小，不足以驅(qū)動(dòng)晶體管開(kāi)關(guān)，此時(shí)為避免信號(hào)源不勝負(fù)荷而產(chǎn)生誤動(dòng)作，便須采用圖10(b) 所示的改良電路，當(dāng)輸出為高準(zhǔn)位時(shí)，先驅(qū)動(dòng)射極隨耦晶體管Q1做電流放大后，
圖10(a) 基本電路圖 圖10(b) 改良電路
再使Q2導(dǎo)通而驅(qū)動(dòng)指示燈，由于射極隨耦級(jí)的輸入阻抗相當(dāng)高，因此正反器之須要提供少量的輸入電流，便可以得到滿意的工作。
數(shù)字顯示器圖10(a)之電路經(jīng)常被使用于數(shù)字顯示器上。
利用三極管開(kāi)關(guān)做為不同電壓準(zhǔn)位之界面電路
在工業(yè)設(shè)備中，往往必須利用固態(tài)邏輯電路來(lái)?yè)?dān)任控制的工作，有關(guān)數(shù)字邏輯電路的原理，將在下一章詳細(xì)加以介紹，在此為說(shuō)明界面電路起見(jiàn)，先將工業(yè)設(shè)備的控制電路分為三大部份﹕(1)輸入部份，(2)邏輯部份，(3)輸出部份。
為達(dá)到可靠的運(yùn)作，工業(yè)設(shè)備的輸入與輸出部份通常工作于較高的電壓準(zhǔn)位，一般為220伏特。而邏輯部份卻是操作于低電壓準(zhǔn)位的，為了使系統(tǒng)正常工作，便必須使這兩種不同的電壓準(zhǔn)位之間能夠溝通，這種不同電壓間的匹配工作就稱做界面(interface)問(wèn)題。擔(dān)任界面匹配工作的電路，則稱為界面電路。三極管開(kāi)關(guān)就經(jīng)常被用來(lái)?yè)?dān)任此類工作。
圖11利用三極管開(kāi)關(guān)做為由高壓輸入控制低壓邏輯的界面電路之實(shí)例，當(dāng)輸入部份的微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，降壓變壓器便被導(dǎo)通，而使全波整流濾波電路送出低壓的直流控制信號(hào)，此信號(hào)使三極管導(dǎo)通，此時(shí)集電極電壓降為0(飽和)伏特，此0伏特信號(hào)可被送入邏輯電路中，以表示微動(dòng)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)。
反之，若微動(dòng)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，變壓器便不通電，而使三極管截止，此時(shí)集電極電壓便上升至VCC值，此一VCC信號(hào)，可被送入邏輯電路中，藉以表示微動(dòng)開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)。在圖11之中，邏輯電路被當(dāng)作三極管的負(fù)載，連接于集電極和地之間(如圖11) ，因此三極管開(kāi)關(guān)電路的R1，R2和RC值必須慎加選擇，以保證三極管只工作于截止區(qū)與飽和區(qū)，而不致工作于主動(dòng)(線性) 區(qū)內(nèi)。
圖11三極管開(kāi)關(guān)當(dāng)作輸入部份與邏輯部份之間的界面
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