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敘三極管在開關(guān)電源中做開關(guān)的原理及設(shè)計(jì)方法（一）

來(lái)源：東莞市成良智能科技發(fā)布時(shí)間：2019-10-11 點(diǎn)擊量：1184

開關(guān)電源之三極管除了可以當(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)式開關(guān)動(dòng)作上并不完全相同，但是它卻具有一些機(jī)械式開關(guān)所沒(méi)有的特點(diǎn)。負(fù)載電阻被直接跨接于三極管的集電極與開關(guān)電源之間，而位居三極管主電流的回路上。

輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟（open）與閉合（closed）動(dòng)作，當(dāng)三極管呈開啟狀態(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)于開關(guān)的開啟，此時(shí)三極管乃勝作于截止（cut off）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)于開關(guān)的閉合，此時(shí)三極管乃勝作于飽和區(qū)（saturation）。

1 開關(guān)電源之三極管開關(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，以使開關(guān)電源之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，往往使Vin值低于 0.3伏特。當(dāng)然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。欲將電流傳送到負(fù)載上，則開關(guān)電源之三極管的集電極與射極必須短路，就像機(jī)械開關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。

表現(xiàn)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。欲使開關(guān)閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過(guò)或等于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：
一旦基極電壓超過(guò)或等于式所求得的數(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，而完成了開關(guān)的閉合動(dòng)作。

開關(guān)電源之三極管接成電路之后，它的作用就和一只與負(fù)載相串聯(lián)的機(jī)械式開關(guān)一樣，而其啟閉開關(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)械式開關(guān)所常用的機(jī)械引動(dòng)（mechanical actuator）﹑螺管柱塞（solenoid plunger）或電驛電樞（relay armature）等控制方式。

為了避免混淆起見，本文所介紹的開關(guān)電源之三極管開關(guān)均采用NPN三極管，當(dāng)然NPN三極管亦可以被當(dāng)作開關(guān)來(lái)使用，只是比較不常見罷了。欲利用開關(guān)電源之三極管開關(guān)來(lái)控制大到1.5A的負(fù)載電流之啟閉動(dòng)作，只須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，開關(guān)電源之三極管雖然流過(guò)大電流，卻不須要裝上散熱片，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流流過(guò)時(shí)，三極管呈飽和狀態(tài)，其VCE趨近于零，所以其電流和電壓相乘的功率之非常小，根本不須要散熱片。

2 開關(guān)電源之三極管開關(guān)與機(jī)械式開關(guān)的比較
假設(shè)當(dāng)三極管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其基極與射極之間是完全短路的。事實(shí)并非如此，沒(méi)有任何三極管可以完全短路而使VCE=0，大多數(shù)的小信號(hào)硅質(zhì)三極管在飽和時(shí)，VCE（飽和）值約為0.2伏特，縱使是專為開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的交換三極管，其VCE（飽和）值頂多也只能低到0.1伏特左右，而且負(fù)載電流一高，VCE（飽和）值還會(huì)有些許的上升現(xiàn)象，雖然對(duì)大多數(shù)的分析計(jì)算而言，VCE（飽和）值可以不予考慮，但是在測(cè)試交換電路時(shí)，必須明白VCE（飽和）值并非真的是0。
雖然VCE（飽和）的電壓很小，本身微不足道，但是若將幾個(gè)三極管開關(guān)串接起來(lái)，其總和的壓降效應(yīng)就很可觀了，不幸的是機(jī)械式的開關(guān)經(jīng)常是采用串接的方式來(lái)工作的，幸好三極管開關(guān)雖然不適用于串接方式，卻可以完美的適用于并接的工作方式。三極管開關(guān)和傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)相較，具有下列四大優(yōu)點(diǎn)﹕

（1）開關(guān)電源之三極管開關(guān)不具有活動(dòng)接點(diǎn)部份，因此不致有磨損之慮，可以使用無(wú)限多次，一般的機(jī)械式開關(guān)，由于接點(diǎn)磨損，頂多只能使用數(shù)百萬(wàn) 次左右，而且其接點(diǎn)易受污損而影響工作，因此無(wú)法在臟亂的環(huán)境下運(yùn)作，三極管開關(guān)既無(wú)接點(diǎn)又是密封的，因此無(wú)此顧慮。
（2）開關(guān)電源之三極管開關(guān)的動(dòng)作速度較一般的開關(guān)為快，一般開關(guān)的啟閉時(shí)間是以毫秒（ms）來(lái)計(jì)算的，三極管開關(guān)則以微秒（μs）計(jì)。
（3）開關(guān)電源之三極管開關(guān)沒(méi)有躍動(dòng)（bounce）現(xiàn)象。一般的機(jī)械式開關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會(huì)有快速的連續(xù)啟閉動(dòng)作，然后才能逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
（4）利用開關(guān)電源之三極管開關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，在開關(guān)開啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當(dāng)機(jī)械式開關(guān)開啟時(shí)，由于瞬間切斷了電感性負(fù)載樣上的電流，因此電感之瞬間感應(yīng)電壓，將在接點(diǎn)上引起弧光，這種電弧非但會(huì)侵蝕接點(diǎn)的表面，亦可能造成干擾或危害。

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