晶体管开关电路：设计原理和技巧介绍

在许多情况下，晶体管或更具体地说，双极结型晶体管 BJT 被用作开关，而不是用于提供模拟放大。

晶体管开关电路用于许多电路设计中，并且通常需要很少的电子元件。

这些电子电路设计可用于为输出驱动可能不足的集成电路提供更高级别的开关。它们可用于在各种电路设计中提供逻辑功能。它们可用于为许多电路提供开关功能 - 它们甚至可用于驱动某种形式的机电继电器。

晶体管开关基础知识

对于开关，晶体管通常工作在共发射极模式，驱动被施加到基极并且集电极发射极电路被切换。

毫不奇怪，使用晶体管作为开关的本质是它工作在两种状态之一：开或关。它永远不会介于两者之间，除非它转变，而且这是尽快实现的。

在完全导通状态下，晶体管的集电极和发射极之间确实有一个小电压。这称为集电极发射极饱和电压 V CEsat，在晶体管数据表中引用。

基本晶体管开关电路

当晶体管无法再通过任何电流并且晶体管两端存在残余电压时，就会出现饱和电压。该饱和电压通常约为 0.5 至 0.2V，但我的经验是，在大多数情况下它往往更接近 0.2V。

在设计晶体管开关电路时，基极驱动必须足够强，以确保其饱和，但不能太多，否则会存储过多电荷，并且晶体管需要更长的时间才能关闭。

其他需要考虑的因素是最大集电极电流。应切换的最大值应完全落在该限制范围内，通常最大额定值的 60% 左右即可。

此外，还需要考虑最小 h FE，因为这将决定底座所需的驱动器。

电压规格也很重要，但如果电路要在低电压下使用，这通常不是主要问题。

值得注意的是该电路的信号极性。当输入电压较高时，电流将流入晶体管的基极并使晶体管导通。这意味着电流将流过负载，但输出端的电压将是输入端的反相。

这可以用来打开继电器、二极管或白炽灯等。对于这些，当输入高时，负载将通过电流，继电器、灯等将打开。

用作 LED 驱动器的基本晶体管开关电路

请注意，对于该电路，打开晶体管的输入电压不需要与轨电压相同。例如，5伏逻辑信号可用于打开晶体管，但晶体管电源轨可以是+12或+15伏等。

晶体管开关电子电路设计流程

设计基本的单晶体管开关电路时，整个设计过程需要执行几个步骤。

• 了解要求：   第一阶段是了解要求，并注意可以提供的输入驱动以及必要的输出电流和电压摆幅。
• 选择晶体管类型：   下一步是晶体管的选择。这通常可能是 NPN 类型，因为大多数电源轨为负极，而接地线为正极。晶体管应该具有电流增益，能够在输出端从前一级的可用电流中提供足够的电流。
• 计算输出所需的负载电阻：   这将由集电极电路中流动所需的电流决定。

• 请注意，如果要在此电路设计中驱动 LED 指示器，则电压将下降约 1.2 伏左右，因此需要将其包括在内。换句话说，需要修改方程，使得顶线上的电压为(V CC -V CEsat -V LED)。其中 V LED)是 LED 上的压降。
• 计算所需的基极电流：   基极电流的计算很容易通过将集电极电流除以晶体管的电流增益来计算。由于双极晶体管的电流增益在一个器件和下一个器件之间差异很大，因此采用可能遇到的最低值非常重要，因为您永远无法知道所使用的特定晶体管的性能可能是什么。 在此阶段值得检查驱动级是否能够提供所需的电流水平。
• 计算基极串联电阻：   简单地利用欧姆定律即可实现电阻的计算。 为了计算这个值，请取前一级的最低电压值，记住在提供电流时电压可能会下降。从中减去 BJT 开关器件的基极发射极电压 - 对于硅，为 0.7 伏。然后将其除以先前计算的电流，得到所需的电阻值。取较低电阻一侧可能出错的最接近的首选值，以确保提供足够的电流。
• 基极漏电电阻：   为了确保最快的开关，并确保任何基极漏电不会导致基极电压浮动过高，通常在基极和地之间加入一个电阻。通常，这可能是串联基极电阻的五到十倍左右 - 它的值并不重要，但它可以提高开关性能。其值约为串联电阻器的十倍，并且如果提供大量的基极电流，则只需很少或无需对串联电阻器值进行调整。

所有这些阶段完成后，BJT 开关电路设计就完成了。它非常简单，因为电路本身并不复杂。

替代晶体管开关电路

尽管最常见的电路类型是我们讨论过的 NPN 共发射极电路，但还有其他电子电路设计可用于提供不同的开关场景。

基本的共发射极电路的负载位于电源轨和晶体管集电极之间。在某些情况下，有必要将负载的一侧接地。

将晶体管的极性切换为 PNP 型并在负载一侧接地的情况下操作电路非常容易。

使用PNP晶体管使负载一侧接地的晶体管开关电路

同样，需要一个简单的串联电阻，但这次请记住，当输入拉低（即接近零伏）时，电流将流过负载，即电路将导通。

使用该电路时，值得记住开关的意义。当输入被拉高时，晶体管关闭，通过负载的电流为零。

还必须记住，要使晶体管关闭，输入电压必须达到轨电压。对于某些电路设计来说，这可能不是问题，但特别是在输入控制电压可能无法保证达到轨电压的情况下，这是一个问题。即使 TTL 逻辑在 5 伏电源轨上运行，高输出也可能低至 2.4 伏，并且如果晶体管在 5 伏电源轨上运行，则不能保证晶体管关闭。

换句话说，该电路的缺点是控制电压需要从轨电压变为足以导通晶体管的低状态。这可能并不总是容易实现。

要克服这个问题，非常容易。可以在最终开关晶体管之前添加一个驱动晶体管。

使用带有接地负载的NPN和PNP晶体管的两个晶体管开关电路

在该电路中，第一个晶体管是 NPN 晶体管，它充当单个晶体管开关，根据输入控制电压打开和关闭。当 TR1 关闭时，其集电极将达到轨电压，这将使其能够完全关闭第二个 PNP 晶体管。

当控制电压较高时，TR1 会导通，这会将其集电极拉至接近 0V，即 V CEsat高于 0V，这意味着 TR2 的基极会汲取电流，进而会通过其作为集电极的负载汲取电流。 TR2 的 V CEsat低于干线电压。

TR1集电极电路中的两个电阻R2和R3组成的分压器保证了TR2的正确工作。R3 的目的是确保 TR2 在需要时保持关闭状态。

R3确保当TR1关闭时TR2的基极保持高电平，这确保TR2基极上的电压保持高电平以确保正确的开关状态。

晶体管开关电路设计的重要技巧

晶体管开关电路通常非常容易设计，但有时需要遵守一些预防措施才能使电路有效可靠地工作。

下面的指示或提示和技巧是通过艰苦的方式学习的，很可能有助于确保电路按计划运行。

• 使用开关晶体管：   当需要快速时，应使用开关晶体管，因为这将具有快速的开关时间和低水平的设备内电荷存储。我记得使用了具有非常高 f T转换频率的 RF 晶体管，该频率远高于向晶体管提供脉冲所需的速度，但在输出上看不到任何东西。只有当给开关晶体管充电时，问题才得到解决。
• 使用基极漏电电阻：   尽管基极漏电电阻在许多电路设计中并不是必需的，但加入基极漏电电阻将确保晶体管基极具有接地漏电路径，因此不会出现电压浮动并提供虚假导通情况。IT 还将有助于提高开关速度，因为当输入电压下降时，电荷可以传递到地。
• 提供足够的基极驱动，但不要太多：   应该有足够的驱动电流，以确保晶体管在所有级别的晶体管增益下都能正确导通，但不要过度驱动，因为这会降低开关速度 - 这在某些情况下可能很重要速度可能是关键参数的逻辑电路。 重要的是要记住，晶体管电流增益会有很大的变化，但会在数据表中定义。此外，增益会随温度下降，因此如果电路要在低环境温度下使用，则需要适应这一点。
• 请记住用于感性负载的保护二极管：   如果晶体管要驱动感性负载（例如干簧继电器等），则应在负载两端放置一个二极管，以防止反电动势在晶体管关闭时损坏晶体管。 在正常工作条件下，二极管是反向偏置的，但当晶体管关闭时，会产生反电动势，但当这种情况发生时，二极管会进入正向传导并吸收任何可能损坏电路的尖峰。
• 请记住，晶体管开关永远不会像逻辑 IC 的输出一样快：   重要的是要记住，晶体管开关电路永远不会像逻辑 IC 的输出一样快。这是因为逻辑 IC 的内部尺寸非常小，并且电路针对速度进行了优化。如图所示的单晶体管电路要大得多，并且会受到更高水平的寄生电容和电感的影响，从而降低输出速度。此外，它们不会使用 IC 的互补对称输出配置来实现非常高的速度。

这些只是一些电路设计技巧，在设计使用双极结型晶体管 (BJT) 的开关电路时可能会很有用。

有许多不同的电子电路设计，其中晶体管被用作基本构建块。开关电路只是其中之一：前一级的驱动能力不足以提供所需的驱动能力水平。

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