在數(shù)字電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)用最多的當(dāng)屬三極管，它常常把數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)擴(kuò)流器件來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器、LED、繼電器等需要交大電流的器件。
本文只要是關(guān)于三極管開(kāi)關(guān)電路的相關(guān)介紹，并著重探討了三極管開(kāi)關(guān)電路的原理以及電路類(lèi)型。
三極管
三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)， 也用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。
三極管驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路圖10大類(lèi)型
三極管開(kāi)關(guān)電路圖原理
晶體管開(kāi)關(guān)電路（工作在飽和態(tài)）在現(xiàn)代應(yīng)用中屢見(jiàn)不鮮，經(jīng)典的74LS，74ALS等內(nèi)部都使用了晶體管開(kāi)關(guān)電路，只是驅(qū)動(dòng)能力一般而已。
TTL晶體管開(kāi)關(guān)電路按驅(qū)動(dòng)能力分為小信號(hào)開(kāi)關(guān)電路和功率開(kāi)關(guān)電路；按晶體管連接方式分為發(fā)射極接地（PNP晶體管發(fā)射極接電源）和射級(jí)跟隨開(kāi)關(guān)電路。
發(fā)射極接地開(kāi)關(guān)電路
1．1 NPN型和PNP型基本開(kāi)關(guān)原理圖：
上面的基本電路離實(shí)際設(shè)計(jì)電路還有些距離：由于晶體管基極電荷存儲(chǔ)積累效應(yīng)使晶體管從導(dǎo)通到斷開(kāi)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程（當(dāng)晶體管斷開(kāi)時(shí)，由于R1的存在，減慢了基極電荷的釋放，所以Ic不會(huì)馬上變?yōu)榱悖Ｒ簿褪钦f(shuō)發(fā)射極接地型開(kāi)關(guān)電路存在關(guān)斷時(shí)間，不能直接應(yīng)用于中高頻開(kāi)關(guān)。
1．2 實(shí)用的NPN型和PNP型開(kāi)關(guān)原理圖1（添加加速電容）
解釋：當(dāng)晶體管突然導(dǎo)通（IN信號(hào)突然發(fā)生跳變），C1瞬間短路，為三極管快速提供基極電流，這樣加速了晶體管的導(dǎo)通。當(dāng)晶體管突然關(guān)斷（IN信號(hào)突然發(fā)生跳變），C1也瞬間導(dǎo)通，為卸放基極電荷提供一條低阻通道，這樣加速了晶體管的關(guān)斷。C通常取值幾十到幾百皮法。電路中R2是為了保證沒(méi)有IN輸入高電平時(shí)三極管保持關(guān)斷狀態(tài)；R4是為了保證沒(méi)有IN輸入低電平時(shí)三極管保持關(guān)斷狀態(tài)。R1和R3是基極電流限流用。
1．3 實(shí)用的NPN型開(kāi)關(guān)原理圖2（消特基二極管鉗位）
解釋：由于消特基二極管Vf為0．2至0．4V比Vbe小，所以當(dāng)晶體管導(dǎo)通后大部分的基極電流是從二極管然后通過(guò)三極管到地的，這樣流到三極管基極的電流就很小，積累起來(lái)的電荷也少，當(dāng)晶體管關(guān)斷（IN信號(hào)突然發(fā)生跳變）時(shí)需要卸放的電荷少，關(guān)斷自然就快。
1．4 實(shí)際電路設(shè)計(jì)
在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中需要考慮三極管Vceo，Vcbo等滿足耐壓，三極管滿足集電極功耗；通過(guò)負(fù)載電流和hfe（取三極管最小hfe來(lái)計(jì)算）計(jì)算基極電阻（要為基極電流留0．5至1倍的余量）。注意消特基二極管反向耐壓。
三極管開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)
三極管除了可以當(dāng)做交流信號(hào)放大器之外，也可以做為開(kāi)關(guān)之用。嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，三極管與一般的機(jī)械接點(diǎn)式開(kāi)關(guān)在動(dòng)作上并不完全相同，但是它卻具有一些機(jī)械式開(kāi)關(guān)所沒(méi)有的特點(diǎn)。圖1所示，即為三極管電子開(kāi)關(guān)的基本電路圖。
由下圖可知，負(fù)載電阻被直接跨接于三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的回路上，
基本的三極管開(kāi)關(guān)
輸入電壓Vin則控制三極管開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟（open）與閉合（closed）動(dòng)作，當(dāng)三極管呈開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。詳細(xì)的說(shuō)，當(dāng)Vin為低電壓時(shí)，由于基極沒(méi)有電流，因此集電極亦無(wú)電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒(méi)有電流，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，此時(shí)三極管乃勝作于截止（cutoff）區(qū)。
同理，當(dāng)Vin為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過(guò)更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合，此時(shí)三極管乃勝作于飽和區(qū)（saturation）。838電子
1、三極管開(kāi)關(guān)電路的分析設(shè)計(jì)
由于對(duì)硅三極管而言，其基射極接面之正向偏壓值約為0．6伏特，因此欲使三極管截止，Vin必須低于0．6伏特，以使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為了可以更確定三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)起見(jiàn)，往往使Vin值低于0．3伏特。（838電子資源）當(dāng)然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開(kāi)關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。欲將電流傳送到負(fù)載上，則三極管的集電極與射極必須短路，就像機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。欲如此就必須使Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動(dòng)三極管使其進(jìn)入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時(shí)，集電極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個(gè)電源電壓Vcc均跨在負(fù)載電阻上，如此則VcE便接近于0，而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據(jù)奧姆定律三極管呈飽和時(shí)，其集電極電流應(yīng)該為﹕
因此，基極電流最少應(yīng)為：
上式表出了IC和IB之間的基本關(guān)系，式中的β值代表三極管的直流電流增益，對(duì)某些三極管而言，其交流β值和直流β值之間，有著甚大的差異。欲使開(kāi)關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過(guò)或等于（式1）式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個(gè)電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故Vin可由下式來(lái)求解﹕
旦基極電壓超過(guò)或等于（式2）式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻上，而完成了開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作。
總而言之，三極管接成圖1的電路之后，它的作用就和一只與負(fù)載相串聯(lián)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)一樣，而其啟閉開(kāi)關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機(jī)械式開(kāi)關(guān)所常用的機(jī)械引動(dòng)（mechanicalactuator）﹑螺管柱塞（solenoidplunger）或電驛電樞（relayarmature）等控制方式。
為了避免混淆起見(jiàn)，本文所介紹的三極管開(kāi)關(guān)均采用NPN三極管，當(dāng)然NPN三極管亦可以被當(dāng)作開(kāi)關(guān)來(lái)使用，只是比較不常見(jiàn)罷了。
三極管開(kāi)關(guān)電路的使用誤區(qū)
如圖（a）所示，用NPN三極管，蜂鳴器連接到三極管的集電極，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是常見(jiàn)的3.3V或者5V ? TTL電平，高電平導(dǎo)通，電阻按照經(jīng)驗(yàn)值取4.7KΩ，三極管導(dǎo)通時(shí)假設(shè)高電平為5v,基極電流為：
Ib=（5-0.7）V ÷4.7KΩ = 0.9mA
它可以使 三極管完全飽和。
如圖（b）所示，用NPN三極管，同樣把蜂鳴器連接到三極管集電極，不同的是 是還用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是5V的TTL電平。
以上兩個(gè)電路都可以正常工作，只要PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作在合適的頻率下，蜂鳴器（有源）就會(huì)發(fā)出最大的聲音。
圖2和圖1對(duì)比，最大的區(qū)別就是被驅(qū)動(dòng)器件連接到了三極管的發(fā)射機(jī)。
如圖（c）所示，三極管導(dǎo)通時(shí)假設(shè)高電平是5V，基極電流為
Ib=（5-0.7-UL）V ÷4.7KΩ?
其中，UL為被驅(qū)動(dòng)器件上的壓降。可以看出，同樣取積極電阻為4.7KΩ ，流過(guò)基極的電流會(huì)比圖1中的（a）電路電流要小，小多少需要看UL為多少：如果UL較大，那么相應(yīng)的Ib也就會(huì)很小，很有可能導(dǎo)致三極管無(wú)法工作在飽和狀態(tài)，使得驅(qū)動(dòng)器件無(wú)法動(dòng)作 。有人認(rèn)為把基極電阻調(diào)小就好了，可是被驅(qū)動(dòng)器件的壓降是很難獲知的，有些被驅(qū)動(dòng)器件的壓降是變動(dòng)的，這樣一來(lái) ，基極電阻就很難選擇合適：阻值選的太大，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)失敗 ； 阻值選擇太小，損耗又變大。所以，不在萬(wàn)不得已的情況下，不建議用圖2的兩種電路。
如圖3，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為3.3V電平，而被驅(qū)動(dòng)器件導(dǎo)通電壓需要5V。在3.3V單片機(jī)電路中，若不小心，就容易設(shè)計(jì)出這兩種電路。
如圖（e）所示，這是典型的“發(fā)射極正偏，集電極反偏”的放大電路，或者叫做射極輸出器。當(dāng)PWM信號(hào)為3.3V時(shí)，三極管發(fā)射極電壓為3.3V-0.7V=2.6V，無(wú)法達(dá)到期望的5V。
如圖（f）所示，這是一個(gè)失敗的電路。首先，這個(gè)電路無(wú)法斷開(kāi)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM為3.3V高電平是，Ube=5V-3.3V = 1.7V 仍然可以使三極管導(dǎo)通，于是電路無(wú)法斷開(kāi)。在這里，有人會(huì)說(shuō)用過(guò)這個(gè)電路，他沒(méi)有問(wèn)題，而且單片機(jī)的電壓也是3.3V。筆者個(gè)人認(rèn)為這個(gè)人用的是OD（開(kāi)漏）驅(qū)動(dòng)方式，而且是真正的ＯＤ或者是５Ｖ可以容忍的ＯＤ，比如ＳＴＭ３２的很多IO都可以設(shè)置為OD門(mén)驅(qū)動(dòng)方式，輸出高電平，信號(hào)就變成了高阻態(tài)，流過(guò)基極電流為0，三極管可以有效截止，這時(shí)候圖（f）依然有效。
綜上幾種電路，得到上圖兩種最優(yōu)電路。與圖（1）不同，圖（4）在基極和發(fā)射機(jī)之間增加了一個(gè)100KΩ的電阻，這個(gè)電阻有一定的作用，可以讓三極管有一個(gè)已知的默認(rèn)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)被除去的時(shí)候，三極管還處于截止?fàn)顟B(tài)。從安全性方面考慮，多加這個(gè)電阻還是很有必要的，或者說(shuō)可以讓三極管工作在更好的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于三極管開(kāi)關(guān)電路的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。