晶體管開關電路計算實例

引言：開路集電極開關和開路發射極開關也叫負載串聯型開關，前者是負載串聯在集電極，后者是負載串聯在發射極。 負載串聯型開關使用更加廣泛，可以用來驅動MOS，驅動LED燈，控制燈光的明暗等等。 晶體管負載串聯型開關與MOS負載串聯型開關相比，其優勢在于主回路的電流可以使用基極電流進行接近線性的大小控制，更具有“主動性”，而MOS負載串聯型開關，只能是負載需求多大電流給多大電流。

1.開路集電極開關

圖3-1是NPN和PNP開路集電極開關，從圖中可見，負載Rload均串接在集電極一側。

圖3-1：NPN和PNP開路集電極開關

NPN型負載直接跨接于三極管的集電極和電源之間，PNP型負載直接跨接于三極管的集電極和GND之間，二者都位于三極管主電流的回路上。

以NPN型為例，當Ctrl in為低電平電壓時，由于基極沒有電流，因此集電極也沒有電流，負載也沒有電流，就相當于開關的開啟，此時三極管工作在截止區。 當Ctrl in為高電平時，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，負載回路導通，相當于開關閉合，此時三極管工作在飽和區。

2.設計實例

設計背景：

控制端為MCU的GPIO，高電平3.3V，VDD為3.3V，設計一個LED驅動電路，除了可以控制LED的亮滅。 LED為ROHM的SMLZ24BN3TT86，相關參數如下：

圖3-2：LED的最大額定參數

圖3-3：LED的標準參數

從上述參數可知，LED正常工作時，導通電流IFMAX=30mA，脈沖峰值電流為100mA，那么控制LED關閉時電流為0mA，導通時電流為20mA，明暗就在0-20mA之間變化。

設計分析：

Q1導通時，VDD--->Rload--->GND路徑電流為30mA，所以在Q1導通時，Q1的Ic耐受電流最大額定值需要Ic＞30mA。 VDD=3.3V加在集電極-發射極之和集電極-基極之間，in=3.3V加在基極-發射極之間。 所以應選擇集電極-發射極間和集電極-基極間電壓最大額定值Vceo，Vcbo大于VDD，Vbeo大于Vin的晶體管。 即條件匯總為：

Vceo>3.3V，Vcbo>3.3V，Vbe>3.3V，Ic>30mA。

可以選擇通用的小信號晶體管，此處以LRC的型號L2SC5635WT1G為例：

圖3-4：L2SC5635WT1G最大額定參數

圖3-5：L2SC5635WT1G電氣性能參數

設計方式一：完全使用Rd來控制Ic的電流

Ic可以支持到50mA，我們以20mA為臨界點，hfe取50，Ic=20mA，hfe=50，控制基極電流Ib=20mA/50×1.5（2）=0.6mA-0.8mA，由于基極電位是0.6V，那么Rd上產生的壓降為3.3-0.6=2.7V，Ib取0.6mA（因為hfe取的最小值，這里可以不用過驅動），所以Rd=2.7V/0.6mA= 4.5kΩ（忽略流過R2的電流，0.6V時be二極管導通，導通電阻遠小于R2，電流大部分流向Q1，流向R2的很小）

R2是輸入端開路時確保晶體管處于截止狀態的電阻，如果R2過大，將容易受噪聲電流的干擾，過小則在晶體管處于導通狀態時無用電流流過R2，R2可以取值10kΩ，如圖3-6左所示。

從上述計算可以看到，因為hfe具有很大的不確定性（50-250），上述計算按hfe=50，計算得到Ib=0.4mA，若實際hfe=200，那么Ic=80mA，既超出晶體管的額定值ic=50mA，也超出LED的30mA。如按hfe=250計算，Ib=0.08mA，當實際hfe=100時，Ic=8mA，此時LED要么不亮，要么亮度比較微弱，所以完全使用Rd來控制Ic的電流，很不精準，尤其是驅動這種小電流LED，但是適合設計驅動大并且寬電流LED，還可以控制燈的亮度。所以小電流LED多采用設計方式二，讓晶體管完全工作在飽和區，并加入限流電阻。

設計方式二：負載路徑上增加限流電阻R控制Ic

當Q1導通時，從參數可知，IF=20mA，VF=3.3V=VDD，那么此種情況就不能在負載路徑上增加限流電阻，否則分壓導致VF不夠。假如此時VDD=5.0V，那么限流電阻R3=((VDD-VF)/IF)=(5.0-3.3)/0.02=85Ω。此時只需要Rd來控制Q1處于飽和區即可（限流電阻R已經限制了回路電流的上限值）

放大區與飽和區的臨界：首先判斷三極管的工作狀態，作為開關使用工作在飽和區（傳送門BJT-1：三極管的三區含義），以NPN管為例計算選值，Ib=（Vctrl-Vbe）/Rd，Vce=VDD-Ic×R=VDD-Ib×hfe×R，（當Vce＜0.6V（門限電壓），B-C集電結進入正偏，進入飽和狀態）令Vce=0（實際是0.6V，這里取Vce=0V，其實已經進入了飽和狀態），由此可算出臨界值（飽和值）。

從公式可以看出，臨界狀態由兩個參數確定，當R3值確定時，可以反推臨界基極驅動電流；當基極電流Ib確定時，可以反推臨界R3。

因為LED壓降已經占去3.3V，對于VDD=5.0V，R3=85Ω，hf=50，Ib×50×85Ω=1.7V，臨界Ib=0.4mA，計算飽和Rd=（3.3V-0.6）/0.4mA=6.75kΩ。 取Rd≤6.75kΩ（越小越深度飽和）即可，如***圖3-6右***所示。

圖3-6：兩種方式設計參數（小電流LED不推薦左圖）

小結：設計方式一，完全使用Rd來控制Ic的電流是讓晶體管工作在放大區； 設計方式二，負載路徑上增加限流電阻R控制Ic是讓晶體管工作在飽和區。 注意上面的實例是使用了LED作為負載，LED負載本身會占去一部分電壓VF。

延伸：其實也可以使用上一章節講到的發射極接地型或者射極跟隨器型開關（傳送門BJT-2：如何計算晶體管開關電路-1）來驅動LED，設計也更加簡單，大家可以思考一下。

3. 損耗

晶體管處于導通狀態時的功率損耗為P損=Vce(sat)×Ic。 （Vcesat：集電極飽和電壓），Ic比較大時，需要考慮發熱問題。

4.開路發射極開關

圖3-7：NPN和PNP開路發射極開關

圖3-7是NPN和PNP開路發射極開關，從圖中可見，負載Rload均串接在發射極一側。 NPN型負載直接跨接于三極管的發射極和GND之間，PNP型負載直接跨接于三極管的發射極和VDD之間，二者都位于三極管主電流的回路上。

以NPN型為例，當Ctrl in為低電平電壓時，由于基極沒有電流，因此發射極也沒有電流，負載也沒有電流，就相當于開關的開啟，此時三極管工作在截止區。 當Ctrl in為高電平時，由于有基極電流流動，因此使發射極流過更大的放大電流，負載回路導通，相當于開關閉合，此時三極管工作在飽和區。

關于開路發射極開關的計算示例，和開路集電極類似，這里不再舉例。