下面主要通過使用NPN三極管進行開關電路設計，PNP三極管的開關電路與NPN的類似。

一、三極管開關電路設計的可行性及必要性

可行性：用過三極管的人都清楚，三極管有一個特性，就是有飽和狀态與截止狀态，正是因為有了這兩種狀态，使其應用于開關電路成為可能。

必要性：假設我們在設計一個系統電路中，有些電壓、信号等等需要在系統運行過程中進行切斷，但是又不能通過機械式的方式切斷，此時就隻能通過軟件方式處理，這就需要有三極管開關電路作為基礎了。

二、三極管基本開關電路概述

如下（圖.1）就是一個最基本的三極管開關電路，NPN的基極需連接一個基極電阻（R2）、集電極上連接一個負載電阻（R1）

首先我們要清楚當三極管的基極沒有電流時候集電極也沒有電流，三極管處于截止狀态，即斷開；當基極有電流時候将會導緻集電極流過更大的放大電流，即進入飽和狀态，相當于關閉。當然基極要有一個符合要求的電壓輸入才能确保三極管進入截止區與飽和區。

圖.1 NPN基本開關電路

三、三極管開關電路設計及分析

（1）截止區、飽和區條件

1、進入截止區條件：上面提到了要使三級管進入截止區的條件是當基極沒有電流時候，但是在什麼情況下能達到此要求呢？對矽三極管而言，其基極跟發射極接通的正向偏壓約為0.6V，因此欲使三極管截止，基極輸入電壓（Vin）必須低于0.6V，以使三極管的基極電流為零。通常在設計時，為了令三極管必定處于截止狀态，往往使Vin值低于0.3V。當然基極輸入電壓愈接近0V愈能保證三極管必處于截止狀态。

2、進入飽和區條件：首先集電極要接一個負載電阻R1，基極要接一個基極電阻R2，如圖.1所示。欲将電流傳送到負載上，則三極管的集電極與發射極必須短路。因此必須使Vin達到足夠高的電位，以驅動三極管進入飽和工作區工作。三極管呈飽和狀态時，集電極電流相當大，幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負載電阻上，如此則Vce便接近于0，而使三極管的集電極和發射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據歐姆定律，三極管呈飽和時，

1）集電極飽和電流應該為:

Ic(飽和)=Vcc/R1------------------（公式1）集電極飽和電流

2）基極電流最少應為：

Ib(飽和)=Ic(sat)/β=Vcc/(β*R1)--------（公式2）基極飽和電流

上式表達出了Ic和Ib之間的基本關系，式中的β值代表三極管的直流電流增益，對某些三極管而言，其交流β值和直流β值之間有着甚大的差異。欲使開關閉合，則其Vin值必須夠高，以送出超過或等于（公式2）式所要求的最低基極電流。由于基極回路隻是一個基極電阻、基極與發射極接面的串聯電路，故Vin可由下式來求解：

3）基極輸入電壓Vin最少應為：

Vin=Ib(飽和)*R2 0.6V=====》Vin=（ 0.6V*Vcc*R2）/（β*R1）----（公式3）基極飽和輸入電壓

一旦基極電壓超過或等于(公式3) 式所求得的數值，三極管便導通，即進入飽和區，使全部的供應電壓均跨在負載電阻R1上，而完成了開關的閉合動作。

（2）實例分析之用三極管做為燈泡開關

如下電路圖.2所示，燈泡的内阻為16歐姆，基極串接電阻為1K，三極管的直流電流增益為150，現在我們要确定Vin的電壓為多少時候可以使三極管處于截止、飽和狀态，即可以使燈泡點亮或者熄滅。

圖.2

1、燈泡熄滅

隻要Vin小于0.3V，此時三極管進入截止區，集電極沒有電流流過，燈泡自然就熄滅了。

2、燈泡點亮

要使燈泡點亮，則三極管的集電極必須有電流流過，即要進入飽和區。根據公式可計算出:

集電極的飽和電流為（根據公式1）：Ic(飽和)=24V/16R=1.5A

基極飽和電流為（根據公式2）：Ib(飽和)=24V/(150*16)=10mA

基極輸入電壓為(根據公式3)：Vin=10mA*1K 0.6V=10.6V

所以，當Vin大于或等于10.6V時候，燈泡就會點亮；反之，當Vin小于或等于0.3V時候，燈泡會熄滅。

由此例子可以看出，欲利用三極管開關來控制大到1.5A的負載電流的啟閉動作，隻須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，三極管雖然流過大電流，卻不須要裝上散熱片，因為當負載電流流過時，三極管呈飽和狀态，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）實例分析之用三極管做為電壓輸出開關

1、供電電壓Vcc=9V；Vin使用MCU的GPIO口控制，輸出電壓為：0V與3.3V；要求Vout的輸出電壓為4V/10mA。

2、9014的技術參數：

集電極最大耗散功率PCM＝0.4W（Tamb=25℃）

集電極最大允許電流ICM=0.1A 集電極基極擊穿電壓BVCBO=50V 集電極發射極擊穿電壓BVCEO=45V 發射極基極擊穿電壓BVEBO=5V

基極發射極飽和壓降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)

β=150

圖.3

3、計算集電極上的電阻（R1)的值

集電極最大允許電流ICM=0.1A，所以R1=Vcc/0.1A=9V/0.1A=90R，所以最小集電極的電阻為90R，我們不妨定R1的電阻為10K。所以我們取R1=10K。由于Vout的電流輸出最大為10mA，為了留夠餘量所以定為20mA或者30mA。

現在我們定為20mA，R1的功率為PR1=20mA*4V=0.08W<1/8。最後我們就可以定R1為10K貼片電阻（1/8W）。

4、計算負載電阻（R3的值）

當Vin=0V時候，三極管截止，9014的集電極沒有電流流過，Vout的值是由R1、R2這兩個電阻分壓得來的。根據分壓我們就可以算出R3的電阻值了：

R3=（R1*Vout）/（Vcc-Vout）=（10K*4V）/（9V-4V）=8K

由于8K電阻比較難買到，所以我們定一個較常見的8.2K，所以R3=8.2K貼片電阻（1/8W）。

5、計算基極電阻（R2的值）

我們已經知道了Vin的上限為3.3V，根據公式1、2、3就可以計算出R2的值了：

R2=（Vin-Vbe）* β*R1/VCC=（3.3V-1V）*150*10K/9V=383K，最後定R2=370K/貼片電阻

确定的參數：R1=10K/0603

R2=370K/0603

R3=8.2K/0603

測試結果：

Vin=3.3V時候：測試Vbe=0.567V接近于0.6V，三極管已經進入飽和區。

萬用表上顯示的是Vout為0.1V，實際上就是Vce=0.1V<<4V。

Vin=0V時候：萬用表上顯示的是Vout為4.06V，即符合當初設想的4V電壓輸出。

圖.4（Vin=3.3V）三極管進入飽和區

圖.4（Vin=0V）三極管進入截止區

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