三极管开关电路的工作状态与计算方法

三极管开关电路作为功率管的控制应用广泛。这里对一个实用开关电路中的各元器件作用作具体分析。

三极管开关控制电路：

上图是一个小功率三极管控制大功率三极管（达林顿管）开关电路。

控制信号通过控制小功率三极管的开关来控制大功率管Q1的开关。

原理分析

三极管开关电路的基本原理就是控制三极管工作在截止区和饱和区工作。电路设计原则等不作赘述，一般的三极管电路参考书籍有介绍。在这里也只讨论图中这些阻容元器件的作用，不讨论其取值计算（因为取值计算需要选定三极管，而且颇为简单）。

图中R1作用是Q2的基极限流；R3作用是泄放掉关断状态时基极电荷，让Q2在低电平时保持截止状态；R4作用是Q2的集电极限流以及Q1的基极限流；电容C2是加速电容，加速Q2的开关速度，降低Q2管耗，从而延长Q2寿命；R5和C1是作为输出反馈给Q2的基极，作用同样为加速Q2的开关速度，延长Q2的寿命以及电路整体的性能，此为正反馈。

三极管开关电路的工作状态分析，快速判断，以及计算方法！

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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