三极管的应用之开关电路设计

—引言—

开关电路常用于单片机电路设计，一般有两个功能，一是电平转换，二是增加单片机IO嘴的驱动能力。虽然这个电路很简单，也很常用，但我发现有些人的电路结构错误或参数不会设置。

—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没有基极电阻。可能不是他不知道这个电路结构，而是他不会调整参数，无论如何改变Rb，电路始终没有进入饱和区，最终会Rb短接后发现电路正常，导致他认为电路可以使用。

事实上，如果是单片机，没有基极电阻IO单片机工程师控制单片机IO当口输出高电平时，IO口上的电压只有0.7V左右。那是因为单片机IO口的电流只有10mA左右不能为三极管提供足够大的电流，从而将电压降低到三极管b、e导通电压0.7V左右。当三极管基极能够提供足够的电流时，控制电压大于三极管b、e三极管在电压极限电压之间燃烧，如果不大于其极限电压，但电流很大，长时间会导致三极管热损伤。因此，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，即控制端不连接任何东西就会出现高阻状态，三极管的工作状态不确定。为了安全起见，当三极管没有控制时，三极管应该在截止日期工作。如果你想NPN型三极管截止，Ib如图2所示，可选择在三极管基极连接下拉电阻。取值远大于(10倍以上)Rb是的，这样下拉电阻就不会影响三极管的控制。我个人的取值习惯是100K。

图2 带下拉电阻的开关电路

如果要驱动无源蜂鸣器，需要在控制端输入方波信号进行控制。此时，需要快速切换三极管。如果要加快三极管的切换速度，应如图3所示Rb并联一个加速电容器。

图3 带加速电容的三极管开关电路

其原理是电容器两端的电压不能突变，因此控制器给出高电平时刻，电容器可视为短路，电流最大，加速三极管的传导速度，临时过程很快结束，电容器充电进入稳定状态，电容器开路，不影响电路的正常运行。当控制端变成低电平时，由于电容在控制端高电平时充满左右负电压(0V）电容器两端的电压无法突变，因此电容器右端出现负电压，加速了三极管的关闭。在大多数情况下，加速电容取值约为数百种皮法。为什么加速电容器可以实现加速关闭和导电，因为三极管是结电容器，导电和关闭时间取决于结电容器充放电时间，这种现象称为米勒效应，加速电容器，加速结电容器充放电时间，使三极管迅速跨越米勒平台，因此可以加速三极管的关闭和导电。

—参数计算—

三极管的开关状态是三极管的饱和和截止，三极管的截止很容易实现，只要IB三极管的截止日期可以通过降低到O来实现。三极管的饱和度不如截止日期实现。开关电路的计算是计算三极管进入饱和度的参数。为了计算，有必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.集电极和电源之间的电阻越大，就越容易饱和；2.基极电流越大，集电极电阻分配的电压越大，集电极电压越低，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。

饱和现象：1.基极电压大于集电极电压；2.Uce为0.5V饱和度越小越深。

临界饱和：Ib=（Vcc/RL）/β

在知道了这些概念之后，我们就知道如何计算参数了。首先，在设计的早期阶段，我们应该知道一些负载参数，如电压和电流。负载所需的电流是设计的关键，通过负载电流获得Ib，此时的Ib这是三极管的临界饱和值。一般来说，为了确保三极管的深度饱和，我们需要取几倍。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—

表1 三极管开关电路设计要求

要求	3.3V单片机驱动液晶背光

1.确定电路结构

我不需要控制背光亮度，只需要控制背光亮度和不亮度，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.确定电源电压

图5 液晶背光参数

通过图5 如果你想正常背光，电源电压应该大于3.0V，然后取3个电源电压.3V。

3.RC阻值确定

RC其作用是分压限流，保证背光不燃烧。背光为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

根据上述描述，临界饱和基极电流为IB=IC/β，这里β取100，那么IB=15mA/100=150uA，为了保证三极管的深度饱和，需要取几倍IB，这里拿10倍，饱和IB=150uA*100=1.5mA，单片机IO完全可以提供1.5mA电流。单片机高电平为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，我们取2K，因为IB我们拿了好几次，所以RB也可以比理论值大一点。

5.R1确定

R我已经在前面描述了下拉电阻。在这里我们取100K。

6.确定三极管

电路电源电压低，电流小，对三极管要求不大，可选择9013、8050三极管。让我们来看看这两个三极管的参数。

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。