三极管信号放大器外，三极管还可用作开关。 严格来说，三极管和一般机械接点开关在动作上并不完全相同 同样，它也有一些机械开关所没有的特点。 如图1所示，极管电子开关的基本电路图。 从图中可以看出，负载电阻直接跨越三极管的集电极和电源 位于三极管主电流电路上。 输入电压Vin控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作，当三极管打开时，负载电流被阻断，相反，当三极管关闭时，电流可以流通。 详细说，当Vin在低压下，由于基极没有电流，因此集合 电极没有电流，导致连接到集电极端的负载没有电流，相当于开关的打开。此时，三极管是胜利的截止日期(cut off)区。 同理，当Vin当为高压时，由于基极电流流动，集电极通过更大的放大电流，因此负载电路被导通，相当于开关的关闭。此时，三极管胜于饱和区(saturation)。
对于硅三极管，其基射极接面的正向偏压值约为0.因此，六伏特想要截止三极管，Vin必须低于0.六伏特，使三极管的基极电流为零。 通常在设计中， 为了更好地确定三极管必须处于截止状态Vin值低于 0.3伏特。 (838电子资源)当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。 为了将电流传输到负载，三极管的集电极和射极必须像机械开关一样短路 同样的闭合动作。 如果你想这样做，你必须这样做 Vin当三极管饱和时，集电极电流相当大，几乎使整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上 则VcE它接近0，使三极管的集电极和射极几乎短路。 根据奥姆定律，当三极管饱和时，其集电极电流应为： 因此，基极电流至少应为： 上式表出了IC和IB公式中的基本关系β值代表三极管的直流电流增益。对于某些三极管，它们的交流β值和直流β值之间差别很大。 想关闭开关， 则其Vin超过或等于(型1)的值必须足够高 公式要求的最低基极电流值。 由于基极电路只是电阻和基射极接面的串联电路，Vin以下公式求解： 一旦基极电压超过或等于(式2) 三极管导通公式获得的值，使所有供应电压跨过负载电阻，完成开关的闭合动作。 综上所述，三极管连接到图1电路后，其功能与与负载串联的机械开关相同，其开关方式可直接通过输入电压方便控制，而不须采用 机械开关常用的机械引导(mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或电驿电枢(relay armature)等待控制。 为避免混淆，本文介绍的三极管开关均采用NPN当然，三极管NPN三极管也可以用作开关，但并不常见。 在图2的开关电路中，试图解释开关关闭(三极管饱和) 为什么需要输入电压？﹖此时解释负载电流和基极电流值﹕从2型可以看出，在饱和状态下，所有的电源电压完全降低到负载电阻，因此，方程式(1) 可知： 因此，输入电压可以通过以下方式获得﹕ 图2 用三极管作为灯泡开关 欲用三极管开关控制大到1.5A的负载电流之启闭动作，只须要利用甚小的控制电压和电流即可。 另外，虽然三极管流过大电流，但不需要安装散热器，因为当负载电流过时，三极管处于饱和状态VCE接近零，因此其电流和电压相乘的功率很小，根本不需要散热器。 另外，虽然三极管流过大电流，但不需要安装散热器，因为当负载电流过时，三极管处于饱和状态VCE接近零，因此其电流和电压相乘的功率很小，根本不需要散热器。
到目前为止，我们都假设当三极管开关导通时，基极和射极之间完全短路。 事实并非如此。没有三极管能完全短路VCE=0，大多数小信号硅 饱和时，质三极管，VCE(饱和) 值约为0.2伏特，即使是为开关应用而设计的交换三极管VCE(饱和) 最多只能低到0.负载电流约1伏特，VCE(饱和) 值也会有一点上升现象，尽管对大多数分析计算来说，VCE(饱和) 值不能考虑，但在测试交换电路时，必须理解VCE(饱和) 值不是真的0。 虽然VCE(饱和)电压很小，本身微不足道，但如果是 串联几个三极管开关，其总和的压降效应相当可观。不幸的是，机械开关经常串联工作，如图3所示(a)三极管开关无法模拟机械 等效电路(如图3所示(b)这是三极管开关的主要缺点。 图3 三极管开关和机械开关电路 幸运的是，虽然三极管开关不适用于串联，但它可以完美地适用于并联工作，如图4所示。 与传统的机械开关相比，三极管开关具有以下四个优点﹕ （1）三极管开关没有活动接头部分，因此不考虑磨损，可使用无限多次，一般机械开关，由于接头磨损，最多只能使用数百万 第二，接头容易受到污染，影响工作，因此不能在肮脏的环境中工作。三极管开关既无接头又密封，因此无需担心。 (2)三极管开关的动作速度比一般开关快，一般开关的开关时间为毫秒 (ms)三极管开关用微秒计算(μs)计。 (2)三极管开关的动作速度比一般开关快，一般开关的开关时间为毫秒 (ms)三极管开关用微秒计算(μs)计。 (3)三极管开关无跳动(bounce) 现象。 一般机械开关在导通瞬间会有快速连续的开关动作，然后才能逐渐达到稳定状态。 (4)使用三极管开关驱动电感负载时，开关开启时不会产生火花。 相反，当机械开关打开时，电感负载样本立即被切断 上电流，因此电感瞬时感应电压会在接头上引起弧光，不仅会侵蚀接头表面，还会造成干扰或危害。 图4 三极管开关并联
与机械开关不同，三极管开关可以用肉眼判断其目前的开关状态，因此必须用电表进行测试。 在图5所示的标准三极管开关电路中，当开关导通时，VEC读值应为0，否则开关切断时，VCE应对于VCC。 三极管开关在切断的状况下，由于负载上没有电流流过，因此也没有压降，所以全部的供应电压均跨降在开关的两端，因此其VCE值应等于VCC，这是机械开关 完全一样。 如果开关本身应导通而不导通，则必须进行测试Vin的大小了。 为了保证三极管导通，其基极Vin如果电压值足够高，则必须足够高Vin如果值太低，问题就好了 来自信号源而不是三极管本身。 假使在Vin的准位够高，驱动三极管导通绝无问题时，而负载却仍未导通，那就要测试电源电压是否正常了。 硅三极管在导通状态下VBE值约为0.6伏特，假使Vin值够高，而VBE但值高于和低于0.6伏特，例如VBE为1.5伏特或0.伏特，这表示基础 射极接面可能已经损坏，必须更换三极管。 当然，这个标准可能不是100%正确。许多大电流额定功率三极管VBE值通常超过1伏特，所以即使是 VBE的读值达到1.五伏特，也未必能肯定三极管的接面损坏，此时最好先查阅三极管规格表再下断言。 一旦VBE正常且有基极电流流动时，便必须测试VCE值，假使VCE趋近于VCC，三极管的集基接面损坏，必须更换三极管。 假使VCE接近零伏特，负载仍未导通，这可能是负载本身有开路现象，因此必须检换负载。 图5 三极管开关电路，主要测试电压图 当Vin降低到低压准位，三极管理应截止并切断负载。如果负载仍未切断，则必须更换三极管的集基极和集射极短路。
有时，我们设置的低压准位可能无法阻止三极管开关，特别是当输入准位接近0时.尤其是六伏特的时候。 要克服这种临界情况，必须采取修正步骤，确保三极管能够截止。 图6是针对这种情况设计的两种常见的改进电路。 图6 确保三极管开关动作，正确改进两个电路 图6(a) 电路在基射极之间串联一根二极管，使基射极电流导通的输入电压值提高0.即便如此，六伏特Vin由于信号源的误动作，值接近0.六伏特时，也不会造成三极管导通，因此开关仍可处于截止状态。 图 6(b)添加辅助-截止日期的电路(hold-off)电阻R2，适当的R1，R2及Vin在临界输入电压下，可以保证开关的截止日期。 由图6(b)可知 基射极接面未导通(IB0)，R1和R因此，形成串联分压电路R1必须跨越固定(跟随)Vin而变) 因此，基极电压必须低于Vin所以即使值Vin接近于临界值(Vin=0.6伏特) ，基极电压仍将被连接到负电源的辅助截止电阻拉下，使低于0.6伏特。 由于R1，R2及VBB故意设计值，只要Vin在高值范围内，基极仍将足够 足够的电压值可以导致三极管，不受辅助截止电阻的影响。
在需要快速切换动作的应用中，必须添加 快三极管开关的切换速度。 图7是一种常见的方法，只需要这样做RB在电阻上并联一个加速电容器Vin当电容器从零电压上升并开始送电到基极时，电容器从 由于不能瞬间充电，因此形成短路，但此时有瞬时大电流从电容器流向基极，因此也加快了开关导通的速度。 后来，充电后，电容器形成开路，不影响 三极管正常工作。 图7 加速电容器的电路 输入电压一旦从高准位降回零电压 当位置时，即使基射极接面在很短的时间内变成反向偏差压力，三极管开关也会迅速切断。这是因为电容器左端充电为正电压，所以在输入电压下降的瞬间， 电容器两端的电压无法瞬间变化，仍将保持在定值，因此，即使基极电压下降，输入电压的下降也会立即下降，从而使基射极接面反向偏压，并迅速使三极管停止。 适当的选 加速电容值可将三极管开关的切换时间减少到几十分之微秒以下，大部分加速电容值约为几百个微法拉(pF) 。 适当的选 加速电容值可将三极管开关的切换时间减少到几十分之微秒以下，大部分加速电容值约为几百个微法拉(pF) 。 有时三极管开关负 负载不是直接添加到集电极和电源之间，而是连接到图8。这种连接方法非常接近小信号交流放大器的电路，但输出耦合电容器较少。 这种接法和正常接法 相反，当三极管停止时，负载获得能量，当三极管导通时，负载被切断。这两种电路形式都很常见，因此必须有清晰的分辨率。 图8 将负载连接到三极管开关电路的改进接法
假设图8的三极管开关增加了电容负载(假设与之相关)RLD并联) ，三极管截止后，必须通过负载电压RC电阻为电容慢慢充电，因此电容或电阻值越大，时间常数越多(RC) 负载电压上升速度越大，在某些应用中，这种现象是不允许的，所以必须使用图9的改进电路。 图9 图腾三极管开关 图腾电路是将一根三极管直接连接到另一根三极管上，因此得名。 为了获得负载能，必须使负载获能Q同时使13极管导通Q2三极管被切断，所以负载可以通过 由Q1而接至VCC上，欲使负载去能，必须使Q1三极管截断，同时使Q2三极管导通，如此负载将经由Q2接地。 由于Q1的集电极除了极小的接点电阻外， 几乎没有任何电阻存在(如图9所示) ，因此负载几乎是直接连接到正电源上的，也因此当Q1导通时，就再也没有电容的慢速充电现象存在了。 所以可说Q1“将负载拉起”，而称之为“挽起 (pull up) 三极管”，Q2则称为“拉下(pull down) 三极管”。 图9左半部的输入控制电路，负责Q1和Q2三极管的导通与截断控制，但是必须确保Q1和Q2使不致同时导通，否则将使VCC和地之间经由Q1和 Q2而形同短路，果真如此，则短路的大电流至少将使一只三极管烧毁。 因此图腾式三极管开关绝对不可如图6-4般地采用并联方式来使用，否则只要图腾上方的 三极管Q1群中有任一只导通，而下方的Q2群中又恰好有一只导通，电源便经由导通之Q1和Q2短路，而造成严重的后果。
晶体管开关最常见的应用之一，是用以驱动指示灯，利用指示灯可以指示电路某特定点的动作状况，亦可以指示马达的控制器是否被激励，此外亦可以指示某一限制开关是否导通或是某一数字电路是否处于高电位状态。
举例而言，图10(a)即是利用晶体管开关来指示一只数字正反器(flip-flop)的输出状态。 假使正反器的输出为高准位(一般为5伏特) ，晶体管开关便被导通，而令指示灯发亮，因此操作员只要一看指示灯，便可以知道正反器目前的工作状况，而不须要利用电表去检测。
有时信号源(如正反器)输出电路之电流容量太小，不足以驱动晶体管开关，此时为避免信号源不胜负荷而产生误动作，便须采用图10(b) 所示的改良电路，当输出为高准位时，先驱动射极随耦晶体管Q1做电流放大后，再使Q2导通而驱动指示灯，由于射极随耦级的输入阻抗相当高，因此正反器之须 要提供少量的输入电流，便可以得到满意的工作。 数字显示器图10(a)之电路经常被使用于数字显示器上。 图10 (a) 基本电路图 (b) 改良电路
在工业设备中，往往必须利用固态逻辑电路来担任控制的工作，有关数字逻辑电路的原理，将在下一章详细加以介绍，在此为说明界面电路起见，先将工业设备的控制电路分为三大部份﹕(1)输入部份，(2)逻辑部份，(3)输出部份。 为达到可靠的运作，工业设备的输入与输出部份通常工作于较高的电压准位，一般为220伏特。 而逻辑部份却是操作于低电压准位的，为了使系统正常工作，便必须 使这两种不同的电压准位之间能够沟通，这种不同电压间的匹配工作就称做界面(interface)问题。 担任界面匹配工作的电路，则称为界面电路。 三极管 开关就经常被用来担任此类工作。
图11利用三极管开关做为由高压输入控制低压逻辑的界面电路之实例，当输入部份的微动开关闭合时，降压变 压器便被导通，而使全波整流滤波电路送出低压的直流控制信号，此信号使三极管导通，此时集电极电压降为0(饱和)伏特，此0伏特信号可被送入逻辑电路中， 以表示微动开关处于闭合状态。 反之，若微动开关开启，变压器便不通电，而使三极管截止，此时集电极电压便上升至VCC值，此一VCC信 号，可被送入逻辑电路中，藉以表示微动开关处于开启状态。 在图11之中，逻辑电路被当作三极管的负载，连接于集电极和地之间(如图11) ，因此三极管开关电路的R1，R2和RC值必须慎加选择，以保证三极管只工作于截止区与饱和区，而不致工作于主动(线性) 区内。 图11三极管开关当作输入部份与逻辑部份之间的界面 文章知识内容来源于电子工程专辑，如果侵权请联系小编
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