三极管开关电路的工作状态分析-快速判断-及计算方法

一、三极管的工作状态分析

三极管有三个工作区域，分别是：

截止区：基极电压小于开启电压（0.6~0.7V）或基极电路小于开启电流，供应不足；

饱和区：注入基极的电流不断聚集，超过了需求量，供大于求；

放大区：介于截止和饱和区之间的一个阶段，注入基极的电流不断上升，对应的集电极电流成比例（三极管的放大倍数）增加，供需平衡。

图1.1、典型的NPN三极管开关电路

如图1.1， 三极管的放大倍数为A,则Ic=A*Ib，然后Vout=Vcc-Ic*R3。

当Ib持续增加，Ic会成比例(A*Ib)增加，然后Vout=(Vcc-Ic*R3)会持续地减小，此时三极管处于放大区。显然，Vout的减小是有一个下限的，这个下限是三极管的Vce的饱和值（Vce_sat），一般在0.2V左右。总之，Ib增大到一定数值之后，Ic不会再增加，Vout会被限制在Vce_sat处，此时三极管处于饱和区。

当三极管可以在饱和区和截止区之间自由切换，那么这个三极管电路可以作为一个数字开关来使用。

图1.1，是一个典型的三极管开关电路，R1=20Kohm,R2=10Kohm,R3=10Kohm,U1=BC847C。

图1.2、典型的NPN三极管开关电路

基于图1.2，为了测试开关电路的开关特性，在输入端注入三角波，然后可以得到其中的控制逻辑关系如图1.3所示。

图1.3、三极管开关电路的逻辑关系

如果将R1由20Kohm增大到150Kohm，电路的特性发生了很大变化，虽然还能实现开关，但是开关过程已经变得不再干脆，显得“粘滞”。

图1.4、增大R1=150Kohm之后的三极管电路

继续增大R1至160Kohm之后，情况进一步恶化，已经无法达到开关的目的了，如图1.5所示。

图1.5、增大R1=160Kohm之后的三极管电路

由此可见，R1就像一个阀门，如果三极管的目的是被用作数字开关使用，那么阀门的开口必须足够大。否则，即使输入开足了马力，三极管也无法进入充分的导通。

显然，R1这个阀门也不能不加以限制，否则三极管基极将会因过流而损坏。那么，在保证不会导致三极管基极过流的情况下，R1是不是越小越好呢？当然，也不是！当三极管处于饱和区时，基极电流已经供大于求，当R1进一步减小时，将导致基极电流严重地供大于求，此谓三极管的过饱和。

那么，过饱和有啥后果呢？实际上也没有太大的后果，唯一的后果是三极管的关断速度会变慢。原因是三极管在过饱和的状态下，在基极上堆积了过多的电荷（严重对供大于求，库存积压），所以三极管由开通状态退出而进入截止时，这些（库存）电荷首先需要被导走，所以关断速度必定会较平常变慢。

三极管的过饱和也不是一无是处，它虽然会减慢关断速度，但是可以加快导通速度。因此，如果对三极管的关断速度不在乎，而只对开通速度很在乎。那么，需要使用一定的技巧使得三极管快速进入饱和状态，如图1.6，使用C1作为加速电容来减小基极驱动电阻，从而加快三极管的开通速度。

具体原理是：开关瞬间，“加速电容”相当于“短路”，电压瞬间加到Ube，使管子快速开通；开关信号到达稳态之后，“加速电容”又相当于“断路”；R1的作用是抑制瞬态的基极电流，确保三极管不会因为基极电流过载而损毁。

图1.6、含加速电容的三极管开关电路

二、三极管工作状态的快速判断

图1.7、三极管的开关电路

给定一个三极管开关电路，如何快速地判断电路是否可以用作数字开关呢？即三极管能否顺利地进入饱和区呢？为了判断，需要有一定的计算，当然是一些非常简单的计算，可以说只需要懂得欧姆定律就可以用来设计三极管数字开关。

计算步骤如下：

1、T1导通之后，Ube为定值，得到流经R2的电流：Ir2=Ube/R2;

2、流经R1的电流，Ir1=(Vsw-Ube)/R1;

3、得到基极电流，Ib=Ir1-Ir2=(Vsw-Ube)/R1-Ube/R2=Vsw/R1-(1/R1+1/R2)*Ube;

4、假设三极管T1的放大倍数为A，则Ic=Ib*A, Vout=Vcc-R3*Ic。

如果，Vout

三、三极管开关电路的计算

有了以上的基础，接下来可以讲一些更为实用的知识了。

1、首先，选择R3的数值：

首先，根据对开关输出电流的需要确定R3的数值。一般情况下，此电路会被接到单片机的GPIO口或者用于驱动下一级的大功率三极管，驱动电流小于10mA。假设VCC=3.3V，R3的选值范围一般在1K~10K左右，对应的驱动电流范围为3.3mA~330uA，如果仅作信号传输多选R3=10KOhm。

2、认真阅读规格书

认真阅读规格书，并从三极管的规格书得到一些重要参数，比如集电极与发射极间的饱和电压Vce_sat，放大倍数?，三极管基极与发射极间的关闭与饱和电压。

3、了解三极管的温度特性

三极管的参数不是一成不变的，它受温度、集电极输出电流等因素的影响。请放弃精确计算三极管电路的想法，因为影响的因素太多了。从工程应用的角度，可以简单的使用以下经验参数进行计算：

(1)常温下,基极饱和电压 Ube_sat=0.6V；基极关闭电压Ube_off=0.56V。书上一般说Ube=0.6~0.7V，根据实际经验，需要相对精确计算时，可设定Ube_sat=0.6V比较合适。

(2)三极管的特性呈现“负温度”特性。也就是说，随着温度上升，Ube间的电压会下降，温度系数的经验值为：-2mV/°C， 即Ube=0.6-0.002*(T-25)，T为温度（°C） 。此特性和经验参数同样适用于二极管。

(3)为了方便理解和记忆，关于三极管/二极管的温度特性，可以如此认为：温度升高，电子运动变得活跃，所以PN结之间的压降变小了；反之变大。PN结有点像节假日高速路上的堵车，没有完全堵死，车辆还挪动，车辆挪动的速变决定堵车的长度（类比PN的压降）。

以上所述为经验数据，如果需要使用相对精确的参数，请详细查询所选的三极管的规格书。

图1.8、NPN三极管BC847C的温度特性曲线

4、建立自己的计算工具

在计算过程中，建议把所有的计算公式输入到Excel工具中来。因为，一旦引入了温度特性，计算过程会显得繁琐，而采用仿真工具又不利于归档，创建一份属于自己的简易Excel计算工具很有必要。

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