三、三极管开关电路设计及分析

（1）截止区、饱和区条件

1、进入截止区条件：上面提到了要使三级管进入截止区的条件是当基极没有电流时候，但是在什么情况下能达到此要求呢？对硅三极管而言，其基极跟发射极接通的正向偏压约为0.6V，因此欲使三极管截止，基极输入电压（Vin）必须低于0.6V，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时，为了令三极管必定处于截止状态，往往使Vin值低于0.3V。当然基极输入电压愈接近0V愈能保证三极管必处于截止状态。

2）基极电流最少应为：

 Ib(饱和)=Ic(sat)/β=Vcc/(β*R1)--------（公式2）基极饱和电流

    上式表达出了Ic和Ib之间的基本关系，式中的β值代表三极管的直流电流增益，对某些三极管而言，其交流β值和直流β值之间有着甚大的差异。欲使开关闭合，则其Vin值必须够高，以送出超过或等于（公式2）式所要求的最低基极电流。由于基极回路只是一个基极电阻、基极与发射极接面的串联电路，故Vin可由下式来求解：

3）基极输入电压Vin最少应为：

 Vin=Ib(饱和)*R2 + 0.6V=====》Vin=（+0.6V*Vcc*R2）/（β*R1）----（公式3）基极饱和输入电压

    一旦基极电压超过或等于(公式3) 式所求得的数值，三极管便导通，即进入饱和区，使全部的供应电压均跨在负载电阻R1上，而完成了开关的闭合动作。

（2）实例分析之用三极管做为灯泡开关

    如下电路图.2所示，灯泡的内阻为16欧姆，基极串接电阻为1K，三极管的直流电流增益为150，现在我们要确定Vin的电压为多少时候可以使三极管处于截止、饱和状态，即可以使灯泡点亮或者熄灭。

1、灯泡熄灭

    只要Vin小于0.3V，此时三极管进入截止区，集电极没有电流流过，灯泡自然就熄灭了。

2、灯泡点亮

    要使灯泡点亮，则三极管的集电极必须有电流流过，即要进入饱和区。根据公式可计算出:

集电极的饱和电流为（根据公式1）：Ic(饱和)=24V/16R=1.5A

基极饱和电流为（根据公式2）：Ib(饱和)=24V/(150*16)=10mA

基极输入电压为(根据公式3)：Vin=10mA*1K+0.6V=10.6V

    所以，当Vin大于或等于10.6V时候，灯泡就会点亮；反之，当Vin小于或等于0.3V时候，灯泡会熄灭。

    由此例子可以看出，欲利用三极管开关来控制大到1.5A的负载电流的启闭动作，只须要利用甚小的控制电压和电流即可。此外，三极管虽然流过大电流，却不须要装上散热片，因为当负载电流流过时，三极管呈饱和状态，其Vce趋近于零，所以其电流和电压相乘的功率之非常小，根本不须要散热片。

（2）实例分析之用三极管做为电压输出开关

1、供电电压Vcc=9V；Vin使用MCU的GPIO口控制，输出电压为：0V与3.3V；要求Vout的输出电压为4V/10mA。

2、9014的技术参数：

集电极最大耗散功率PCM＝0.4W（Tamb=25℃）

集电极最大允许电流ICM=0.1A

集电极基极击穿电压BVCBO=50V

集电极发射极击穿电压BVCEO=45V

发射极基极击穿电压BVEBO=5V

基极发射极饱和压降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)

β=150

 

图.3

3、计算集电极上的电阻（R1)的值

    集电极最大允许电流ICM=0.1A，所以R1=Vcc/0.1A=9V/0.1A=90R，所以最小集电极的电阻为90R，我们不妨定R1的电阻为10K。所以我们取R1=10K。由于Vout的电流输出最大为10mA，为了留够余量所以定为20mA或者30mA。

现在我们定为20mA，R1的功率为PR1=20mA*4V=0.08W<1/8。最后我们就可以定R1为10K贴片电阻（1/8W）。

4、计算负载电阻（R3的值）

    当Vin=0V时候，三极管截止，9014的集电极没有电流流过，Vout的值是由R1、R2这两个电阻分压得来的。根据分压我们就可以算出R3的电阻值了：

R3=（R1*Vout）/（Vcc-Vout）=（10K*4V）/（9V-4V）=8K

由于8K电阻比较难买到，所以我们定一个较常见的8.2K，所以R3=8.2K贴片电阻（1/8W）。

5、计算基极电阻（R2的值）

    我们已经知道了Vin的上限为3.3V，根据公式1、2、3就可以计算出R2的值了：

R2=（Vin-Vbe）* β*R1/VCC=（3.3V-1V）*150*10K/9V=383K，最后定R2=370K/贴片电阻

确定的参数：R1=10K/0603

           R2=370K/0603

           R3=8.2K/0603

测试结果：

  Vin=3.3V时候：测试Vbe=0.567V接近于0.6V，三极管已经进入饱和区。

                万用表上显示的是Vout为0.1V，实际上就是Vce=0.1V<<4V。

  Vin=0V时候：万用表上显示的是Vout为4.06V，即符合当初设想的4V电压输出。

图.4（Vin=3.3V）三极管进入饱和区

图.4（Vin=0V）三极管进入截止区