三极管开关电路的结构与设计

引言

开关电路在单片机电路设计中经常用到，一般有两个作用，一是电平的转换，二是增加单片机IO口的驱动能力。虽然这个电路很简单，也很常用，但是我发现还是有些人电路结构错误或者参数不会设置。

电路结构

如图1所示，三极管开关电路基本结构由基极电阻，集电极电阻(负载)组成。

图1 三极管开关电路基本结构

有些人设计的开关电路就没有基极电阻，有可能不是他不知道这种电路结构，而是他不会调参数，不管怎么改变Rb，始终电路都没有进入饱和区，最后将Rb短接后发现电路正常了，导致他认为这样电路是可以用的。

事实上，没有基极电阻，如果说是单片机的IO口接的控制引脚，那么单片机工程师控制单片机IO口输出高电平的时候，IO口上的电压只有0.7V左右。那是由于单片机IO口的电流只有10mA左右，不能给三极管提供足够大大的电流，以至于拉低电压至三极管b、e之间的导通电压0.7V左右。当给三极管基极能够提供足够电流，而控制电压大于三极管b、e之间电压极限电压的时候就会烧坏三极管，如果没有大于它的极限电压，但是电流很大，时间久了就会导致三极管热损坏。所以只有设置合适的基极电阻才能保证电路的可靠性。

该电路存在一个问题，就是控制端没有接任何东西就会出现高阻状态，三极管的工作状态是不确定的。为了安全起见，没有对三极管进行控制的时候，应该让三极管工作在截止区，要想NPN型三极管截止，Ib就要很小，可以选择在三极管基极接一个下拉电阻，如图2所示。取值是要远大于(10倍以上)Rb的，这样才能下拉电阻不影响对三极管的控制。小编我个人的取值习惯是100K。

图2 带下拉电阻的开关电路

如果我们想驱动无源蜂鸣器，那么就要在控制端输入一个方波信号进行控制，这时候就需要三极管进行快速切换，想加快三极管切换速度就要如图3所示，在Rb上并联一个加速电容。

图3 带加速电容的三极管开关电路

其原理是，电容两端的电压不能发生突变，那么控制端给一个高电平的瞬间，电容可以视为短路，此时的电流最大，因此加快了三极管的导通速度，这个暂态过程很快就结束了，电容充电完成后进入了稳态，电容就形如开路，而不影响电路的正常工作。由于电容在控制端高电平期间充了左正右负的电压，当控制端变成低电平(0V)瞬间电容两端的电压不能突变，所以在电容的右端出现了负电压，加快了三极管的关断。大多数情况下，加速电容取值约为几百个pF。为什么加了加速电容就能实现加快关断与导通，那是因为三极管是存在结电容的，导通与关断时间是决定于结电容的充放电时间的，这个现象就叫米勒效应，加了加速电容后，就加快了结电容充放电时间，使得三极管很快跨越了米勒平台，所以能加快三极管的关断与导通。

参数计算

三极管的开关状态就是三极管的饱和与截止，三极管的截止容易实现，只要将IB降为O就可以实现三极管的截止。而三极管的饱和没有截止那么实现，开关电路的计算就是在计算三极管进入饱和的参数。要想进行计算，那么就要了解三极管的饱和特性。

1. 如何判断饱和?

一是三极管发射结和集电结正偏，基极电流变化，集电极电流几乎不变。

饱和条件：

1.集电极和电源之间电电阻越大越容易饱和;2.基极电流比较大以使得集电极的电阻上分得的电压越大，集电极电压就被拉低，而出现Ub大于Uc的情况。

影响饱和的因素：

1.集电极电阻的大小(负载);2.放大倍数的大小;3.基极电流的大小。

饱和的现象：

1.基极电压大于集电极电压;2.Uce为0.5V左右，越小饱和越深。

临界饱和条件：

Ib=(Vcc/RL)/β

知道这些概念后，我们就知道怎么去计算参数了。首先我们在设计前期我们应该知道负载一些参数，如电压电流。负载需要的电流就是设计的关键，通过负载电流求得Ib，此时的Ib是三极管临界饱和的值，一般我们要取数倍才能保证三极管进入深度饱和。然后根据控制端的电压减去Ube(0.7V)除以Ib就可以得到Rb。

电路设计

1.电路结构确定

我不需要控制背光亮度，只需要控制背光亮与不亮，所以选择带下拉电阻的开关电路。如图4所示。

图4 背光驱动电路

2.电源电压确定

图5 一款液晶的背光参数

通过图5 就可以知道要想背光正常量的话，电源电压要大于3.0V，那么电源电压就取3.3V。

3.RC阻值确定

RC的作用是分压，限流，保证背光不被烧。背光是3.0V，电流是15mA，电源是3.3V，那么RC=(3.3V-3.0V)/15mA=20Ω。

4. RB的确定

根据前面叙述的，临界饱和的基极电流为IB=IC/β，这里β取100，那么IB=15mA/100=150uA，为了保证三极管进入深度饱和，还要取数倍IB，这里取10倍，那么饱和IB=150uA*100=1.5mA，单片机IO完全能够提供1.5mA电流。单片机高电平是3.3V，那么RB=(3.3V-Ube)/1.5mA=(3.3V-0.7V)/1.5mA=1.733KΩ，因为电阻系列没有这种电阻，所以我们取2K，因为IB我们取了数倍，所以RB比理论值大一点也是可以行的。

5. R1确定

R1下拉电阻，我在前面已经叙述过了，这里我们取100K。

6.三极管确定

该电路的电源电压不高，电流也不大，所以对三极管要求也不是很大，所以选择9013,8050三极管都可以。下面我们看看这两款三极管的参数。

图6 9013性能参数

图7 8050性能参数

如图8仿真结果

图8 电路仿真

通过，仿真我们发现我们计算的参数已经使得三极管进入了深度饱和，因为Uce=92mV，满足深度饱和条件。

但是IC没有达到15mA，那是因为我们忽略了Uce的存在而导致的偏差，但是这一点偏差不影响开关电路的正常工作，可以接受。

因此，我们这种设计的思路是可行的，如果大家有更好的方法就在评论讨论讨论。