三san級ji管guan除chu了le可ke以yi當dang做zuo交jiao流liu信xin號hao放fang大da器qi之zhi外wai，也ye可ke以yi做zuo為wei開kai關guan之zhi用yong。嚴yan格ge說shuo起qi來lai，三san極ji管guan與yu一yi般ban的de機ji械xie接jie點dian式shi開kai關guan在zai動dong作zuo上shang並bing不bu完wan全quan相xiang同tong，但dan是shi它ta卻que具ju有you一yi些xie機ji械xie式shi開kai關guan所suo沒mei有you的de特te點dian。

 

圖 1 suoshi，jiweisanjiguandianzikaiguandejibendianlutu。youxiatukezhi，fuzaidianzubeizhijiekuajieyusanjiguandejidianjiyudianyuanzhijian
，erweijusanjiguanzhudianliudehuilushang。

輸 入電壓 Vin 則控製三極管開關的開啟(open) 與閉合(closed) 動作，當三極管呈開啟狀態時

，負載電流便被阻斷，反之，當三極管呈閉合狀態時，電流便可以流通。詳細的說，當 Vin 為低電壓時，由於基極沒有電流
，因此集 電極亦無電流，致使連接於集電極端的負載亦沒有電流，而相當於開關的開啟
，此時三極管乃勝作於截止(cut off)區。

 

同理，當 Vin weigaodianyashi
，youyuyoujijidianliuliudong
，yincishijidianjiliuguogengdadefangdadianliu，yincifuzaihuilubianbeidaotong
，erxiangdangyukaiguandebihe，cishisanjiguannaishengzuoyu

 

飽和區(saturation)。

一

、三極管開關電路的分析設計

 

由 於對矽三極管而言，其基射極接麵之正向偏壓值約為 0.6 伏特

，因此欲使三極管截止，Vin 必須低於 0.6 伏特，以使三極管的基極電流為零。通常在設計時， 為了可以更確定三極管必處於截止狀態起見
，往往使 Vin 值低於 0.3 伏特。(838 電子資源)當dang然ran輸shu入ru電dian壓ya愈yu接jie近jin零ling伏fu特te便bian愈yu能neng保bao證zheng三san極ji管guan開kai關guan必bi處chu於yu截jie止zhi狀zhuang態tai。欲yu將jiang電dian流liu傳chuan送song到dao負fu載zai上shang
，則ze三san極ji管guan的de集ji電dian極ji與yu射she極ji必bi須xu短duan路lu，就jiu像xiang機ji械xie開kai關guan 的閉合動作一樣。欲如此就必須使 Vin 達到夠高的準位
，以驅動三極管使其進入飽和工作區工作，三極管呈飽和狀態時，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 便接近於 0，而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據奧姆定律三極管呈飽和時，其集電極電流應該為﹕

 

 

因此，基極電流最少應為：

 

 

上式表出了 IC 和 IB 之間的基本關係

，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，有著甚大的差異。欲使開關閉 合，則其 Vin 值必須夠高，以送出超過或等於(式 1) 式所要求的最低基極電流值。由於基極回路隻是一個電阻和基射極接麵的串聯電路，故 Vin 可由下式來求解﹕

 

 

一旦基極電壓超過或等於(式 2) 式所求得的數值，三極管便導通，使全部的供應電壓均跨在負載電阻上，而完成了開關的閉合動作。

 

總而言之
，三極管接成圖 1 的(de)電(dian)路(lu)之(zhi)後(hou)，它(ta)的(de)作(zuo)用(yong)就(jiu)和(he)一(yi)隻(zhi)與(yu)負(fu)載(zai)相(xiang)串(chuan)聯(lian)的(de)機(ji)械(xie)式(shi)開(kai)關(guan)一(yi)樣(yang)，而(er)其(qi)啟(qi)閉(bi)開(kai)關(guan)的(de)方(fang)式(shi)，則(ze)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)利(li)用(yong)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)方(fang)便(bian)的(de)控(kong)製(zhi)，而(er)不(bu)須(xu)采(cai)用(yong) 機械式開關所常用的機械引動(mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或電驛電樞(relay armature)等控製方式。

 

為了避免混淆起見

，本文所介紹的三極管開關均采用 NPN 三極管
，當然 NPN 三極管亦可以被當作開關來使用，隻是比較不常見罷了。

 

例題 1

 

試解釋出在圖 2 的開關電路中，欲使開關閉合(三極管飽和) 所須的輸入電壓為何﹖並解釋出此時之負載電流與基極電流值解﹕由 2 式可知，在飽和狀態下，所有的供電電壓完全跨降於負載電阻上
，因此

 

 

由方程式(1) 可知

 

因此輸入電壓可由下式求得﹕

 

圖 2 用三極管做為燈泡開關

 

由例題 1-1 得知，欲利用三極管開關來控製大到 1.5A 的負載電流之啟閉動作，隻須要利用甚小的控製電壓和電流即可。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，三極管呈飽和狀態
，其 VCE 趨近於零，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。

 

二、三極管開關與機械式開關的比較

 

截至目前為止，我們都假設當三極管開關導通時，其基極與射極之間是完全短路的。事實並非如此，沒有任何三極管可以完全短路而使 VCE=0
，大多數的小信號矽 質三極管在飽和時
，VCE(飽和) 值約為 0.2 伏特
，縱使是專為開關應用而設計的交換三極管，其 VCE(飽和) 值頂多也隻能低到 0.1 伏特左右，而且負載電流一高
，VCE(飽和) 值還會有些許的上升現象，雖然對大多數的分析計算而言
，VCE(飽和) 值可以不予考慮
，但是在測試交換電路時，必須明白 VCE(飽和) 值並非真的是 0。

 

雖然 VCE(飽和)的電壓很小
，本身微不足道
，但是若 將幾個三極管開關串接起來，其總和的壓降效應就很可觀了，不幸的是機械式的開關經常是采用串接的方式來工作的，如圖 3(a)所示，三極管開關無法模擬機械 式開關的等效電路(如圖 3(b)所示)來工作，這是三極管開關的一大缺點。

 

圖 3 三極管開關與機械式開關電路

 

幸好三極管開關雖然不適用於串接方式，卻可以完美的適用於並接的工作方式

，如圖 4 所示者即為一例。三極管開關和傳統的機械式開關相較，具有下列四大優點﹕

 

圖 4 三極管開關之並聯聯接

 

（1）三極管開關不具有活動接點部份
，因此不致有磨損之慮，可以使用無限多次，一般的機械式開關，由於接點磨損
，頂多隻能使用數百萬   次左右
，而且其接點易受汙損而影響工作，因此無法在髒亂的環境下運作，三極管開關既無接點又是密封的
，因此無此顧慮。

 

（2）三極管開關的動作速度較一般的開關為快，一般開關的啟閉時間是以毫秒 (ms)來計算的，三極管開關則以微秒(μs)計。

 

（3）三極管開關沒有躍動(bounce) 現象。一般的機械式開關在導通的瞬間會有快速的連續啟閉動作
，然後才能逐漸達到穩定狀態。

 

（4）liyongsanjiguankaiguanlaiqudongdianganxingfuzaishi，zaikaiguankaiqideshunjian，buzhiyouhuohuachansheng。fanzhi，dangjixieshikaiguankaiqishi，youyushunjianqieduanledianganxingfuzaiyang   上的電流
，因此電感之瞬間感應電壓，將在接點上引起弧光，這種電弧非但會侵蝕接點的表麵，亦可能造成幹擾或危害。

 

三、三極管開關的測試

 

極管開關不像機械式開關可以光憑肉眼就判斷出它目前的啟閉狀態，因此必須利用電表來加以測試。在圖 5 所示的標準三極管開關電路中，當開關導通時，VEC 的讀值應該為 0

，反之當開關切斷時，VCE 應對於 VCC。

 

三極管開關在切斷的狀況下，由於負載上沒有電流流過，因此也沒有壓降，所以全部的供應電壓均跨降在開關的兩端
，因此其 VCE 值應等於 VCC，這和機械式開關 是完全相同的。如果開關本身應導通而未導通，那就得測試 Vin 的大小了。欲保證三極管導通
，其基極的 Vin 電壓值就必須夠高，如果 Vin 值過低，則問題就 出自信號源而非三極管本身了。假使在 Vin 的準位夠高，驅動三極管導通絕無問題時，而負載卻仍未導通，那就要測試電源電壓是否正常了。

 

在導通的狀態下
，矽三極管的 VBE 值約為 0.6 伏特，假使 Vin 值夠高
，而 VBE 值卻高於和低於 0.6 伏特，例如 VBE 為 1.5 伏特或 0.2 伏特，這表示基 射極接麵可能已經損壞
，必須將三極管換掉。當然這一準則也未必百分之百正確
，許多大電流額定的功率三極管，其 VBE 值經常是超過 1 伏特的，因此即使 VBE 的讀值達到 1.5 伏特，也未必就能肯定三極管的接麵損壞，這時候最好先查閱三極管規格表後再下斷言。

 

一旦 VBE 正常且有基極電流流動時，便必須測試 VCE 值，假使 VCE 趨近於 VCC，就表示三極管的集基接麵損壞
，必須換掉三極管。假使 VCE 趨近於零伏特

，而負載仍未導通
，這可能是負載本身有開路現象發生
，因此必須檢換負載。

 

圖 5 三極管開關電路
，各主要測試電的電壓圖

 

當 Vin 降為低電壓準位，三極管理應截止而切斷負載
，如果負載仍舊未被切斷，那可能是三極管的集基極和集射極短路，必須加以置換。

 

第二節 基本三極管開關之改進電路

 

有時候，我們所設定的低電壓準位未必就能使三極管開關截止，尤其當輸入準位接近 0.6 伏特的時候更是如此。想要克服這種臨界狀況，就必須采取修正步驟，以保證三極管必能截止。圖 6 就是針對這種狀況所設計的兩種常見之改良電路。

 

圖 6 確保三極管開關動作，正確的兩種改良電路

 

圖 6(a) 的電路
，在基射極間串接上一隻二極管，因此使得可令基極電流導通的輸入電壓值提升了 0.6 伏特，如此即使 Vin 值由於信號源的誤動作而接近 0.6 伏特時， 亦不致使三極管導通，因此開關仍可處於截止狀態。圖 6(b)的電路加上了一隻輔助 - 截止(hold-off)電阻 R2，適當的 R1
，R2 及 Vin 值設計， 可於臨界輸入電壓時確保開關截止。由圖 6(b)可知在基射極接麵未導通前(IB0)

，R1 和 R2 形成一個串聯分壓電路，因此 R1 必跨過固定(隨 Vin 而 變) 的分電壓，所以基極電壓必低於 Vin 值，因此即使 Vin 接近於臨界值(Vin=0.6 伏特) ，基極電壓仍將受連接於負電源的輔助 - 截止電阻所拉下，使低於 0.6 伏特。由於 R1，R2 及 VBB 值的刻意設計，隻要 Vin 在高值的範圍內，基極仍將有足 夠的電壓值可使三極管導通，不致受到輔助 - 截止電阻的影響。

 

加速電容器(speed-up capacitors)

 

在 要求快速切換動作的應用中，必須加快三極管開關的切換速度。圖 7 為一種常見的方式，此方法隻須在 RB 電阻上並聯一隻加速電容器
，如此當 Vin 由零電壓往上 升(sheng)並(bing)開(kai)始(shi)送(song)電(dian)流(liu)至(zhi)基(ji)極(ji)時(shi)，電(dian)容(rong)器(qi)由(you)於(yu)無(wu)法(fa)瞬(shun)間(jian)充(chong)電(dian)，故(gu)形(xing)同(tong)短(duan)路(lu)，然(ran)而(er)此(ci)時(shi)卻(que)有(you)瞬(shun)間(jian)的(de)大(da)電(dian)流(liu)由(you)電(dian)容(rong)器(qi)流(liu)向(xiang)基(ji)極(ji)
，因(yin)此(ci)也(ye)就(jiu)加(jia)快(kuai)了(le)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)的(de)速(su)度(du)。稍(shao)後(hou)，待(dai)充(chong)電(dian) 完畢後，電容就形同開路，而不影響三極管的正常工作。

 

圖 7 加了加速電容器的電路

 

一yi旦dan輸shu入ru電dian壓ya由you高gao準zhun位wei降jiang回hui零ling電dian壓ya準zhun位wei時shi，電dian容rong器qi會hui在zai極ji短duan的de時shi間jian內nei即ji令ling基ji射she極ji接jie麵mian變bian成cheng反fan向xiang偏pian壓ya
，而er使shi三san極ji管guan開kai關guan迅xun速su切qie斷duan


，這zhe是shi由you於yu電dian容rong器qi的de左zuo端duan原yuan已yi充chong電dian為wei正zheng電dian 壓，如圖 6-9 所(suo)示(shi)，因(yin)此(ci)在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)的(de)瞬(shun)間(jian)，電(dian)容(rong)器(qi)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)無(wu)法(fa)瞬(shun)間(jian)改(gai)變(bian)仍(reng)將(jiang)維(wei)持(chi)於(yu)定(ding)值(zhi)，故(gu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)下(xia)降(jiang)立(li)即(ji)使(shi)基(ji)極(ji)電(dian)壓(ya)隨(sui)之(zhi)而(er)下(xia)降(jiang)，因(yin)此(ci)令(ling)基(ji)射(she)極(ji) 接(jie)麵(mian)成(cheng)為(wei)反(fan)向(xiang)偏(pian)壓(ya)，而(er)迅(xun)速(su)令(ling)三(san)極(ji)管(guan)截(jie)止(zhi)。適(shi)當(dang)的(de)選(xuan)取(qu)加(jia)速(su)電(dian)容(rong)值(zhi)可(ke)使(shi)三(san)極(ji)管(guan)開(kai)關(guan)的(de)切(qie)換(huan)時(shi)間(jian)減(jian)低(di)至(zhi)幾(ji)十(shi)分(fen)之(zhi)微(wei)秒(miao)以(yi)下(xia)
，大(da)多(duo)數(shu)的(de)加(jia)速(su)電(dian)容(rong)值(zhi)約(yue)為(wei)數(shu)百(bai)個(ge)微(wei)微(wei)法(fa)拉(la) (pF) 。

 

有時候三極管開關的負載並非直接加在集電極與電源之間，而是接成圖 8 的方式，這種接法和小信號交流放大器的電路非常接近，隻 是shi少shao了le一yi隻zhi輸shu出chu耦ou合he電dian容rong器qi而er已yi。這zhe種zhong接jie法fa和he正zheng常chang接jie法fa的de動dong作zuo恰qia好hao相xiang反fan，當dang三san極ji管guan截jie止zhi時shi
，負fu載zai獲huo能neng，而er當dang三san極ji管guan導dao通tong時shi
，負fu載zai反fan被bei切qie斷duan，這zhe兩liang種zhong電dian路lu的de形xing式shi都dou是shi常chang 見的，因此必須具有清晰的分辨能力。

 

圖 8 將負載接於三極管開關電路的改進接法

 

圖騰式開關(Totem-pole switches)

 

假使圖 8 的三極管開關加上了電容性負載(假定其與 RLD 並聯) ，那麼在三極管截止後，由於負載電壓必須經由 RC 電阻對電容慢慢充電而建立，因此電容量或電阻值愈大
，時間常數(RC) 便愈大，而使得負載電壓之上升速率愈慢，在某些應用中，這種現象是不容許的
，因此必須采用圖 9 的改良電路。

 

圖騰式電路是將一隻三極管直接迭接於另一三極管之上所構成的，它也因此而得名。欲使負載獲能，必須使 Q1 三極管導通，同時使 Q2 三極管截斷，如此負載便可經 由 Q1 而連接至 VCC 上
，欲使負載去能，必須使 Q1 三極管截斷，同時使 Q2 三極管導通
，如此負載將經由 Q2 接地。由於 Q1 的集電極除了極小的接點電阻外

， 幾乎沒有任何電阻存在(如圖 9 所示) ，因此負載幾乎是直接連接到正電源上的，也因此當 Q1 導通時，就再也沒有電容的慢速充電現象存在了。所以可說 Q1“將負載拉起”
，而稱之為“挽起 (pull up) 三極管”，Q2 則稱為“拉下(pull down) 三極管”。圖 9 左半部的輸入控製電路，負責 Q1 和 Q2 三極管的導通與截斷控製，但是必須確保 Q1 和 Q2 使不致同時導通，否則將使 VCC 和地之間經由 Q1 和 Q2 而形同短路，果真如此，則短路的大電流至少將使一隻三極管燒毀。因此圖騰式三極管開關絕對不可如圖 6-4 般地采用並聯方式來使用
，否則隻要圖騰上方的 三極管 Q1 群中有任一隻導通，而下方的 Q2 群中又恰好有一隻導通
，電源便經由導通之 Q1 和 Q2 短路，而造成嚴重的後果。

 

第三節 三極管開關之應用

 

晶jing體ti管guan開kai關guan最zui常chang見jian的de應ying用yong之zhi一yi，是shi用yong以yi驅qu動dong指zhi示shi燈deng，利li用yong指zhi示shi燈deng可ke以yi指zhi示shi電dian路lu某mou特te定ding點dian的de動dong作zuo狀zhuang況kuang
，亦yi可ke以yi指zhi示shi馬ma達da的de控kong製zhi器qi是shi否fou被bei激ji勵li，此ci外wai亦yi可ke以yi指zhi示shi某mou一yi限xian製zhi開kai關guan是shi否fou導dao通tong或huo是shi某mou一yi數shu字zi電dian路lu是shi否fou處chu於yu高gao電dian位wei狀zhuang態tai。

 

舉例而言
，(a)即是利用晶體管開關來指示一隻數字正反器(flip-flop)的輸出狀態。假使正反器的輸出為高準位(一般為 5 伏特) ，jingtiguankaiguanbianbeidaotong，erlingzhishidengfaliang
，yincicaozuoyuanzhiyaoyikanzhishideng，biankeyizhidaozhengfanqimuqiandegongzuozhuangkuang
，erbuxuyaoliyongdianbiaoqujiance。

 

有時信號源(如正反器)輸出電路之電流容量太小
，不足以驅動晶體管開關，此時為避免信號源不勝負荷而產生誤動作，便須采用圖 10(b) 所示的改良電路，當輸出為高準位時，先驅動射極隨耦晶體管 Q1 做電流放大後，

 

(a) 基本電路圖         (b) 改良電路

 

再使 Q2 導通而驅動指示燈，由於射極隨耦級的輸入阻抗相當高，因此正反器之須要提供少量的輸入電流
，便可以得到滿意的工作。

 

在(zai)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)中(zhong)，往(wang)往(wang)必(bi)須(xu)利(li)用(yong)固(gu)態(tai)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)來(lai)擔(dan)任(ren)控(kong)製(zhi)的(de)工(gong)作(zuo)，有(you)關(guan)數(shu)字(zi)邏(luo)輯(ji)電(dian)路(lu)的(de)原(yuan)理(li)，將(jiang)在(zai)下(xia)一(yi)章(zhang)詳(xiang)細(xi)加(jia)以(yi)介(jie)紹(shao)，在(zai)此(ci)為(wei)說(shuo)明(ming)界(jie)麵(mian)電(dian)路(lu)起(qi)見(jian)
，先(xian)將(jiang)工(gong)業(ye)設(she)備(bei)的(de)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)分(fen)為(wei)三(san)大(da)部(bu)份(fen)﹕(1)輸入部份
，(2)邏輯部份，(3)輸出部份。

 

為達到可靠的運作
，工業設備的輸入與輸出部份通常工作於較高的電壓準位，一般為 220 伏特。而邏輯部份卻是操作於低電壓準位的，為了使係統正常工作，便必須 使這兩種不同的電壓準位之間能夠溝通，這種不同電壓間的匹配工作就稱做界麵(interface)問題。擔任界麵匹配工作的電路，則稱為界麵電路。三極管 開關就經常被用來擔任此類工作。

 

圖 11 利用三極管開關做為由高壓輸入控製低壓邏輯的界麵電路之實例，當輸入部份的微動開關閉合時，降壓變 壓器便被導通，而使全波整流濾波電路送出低壓的直流控製信號，此信號使三極管導通
，此時集電極電壓降為 0(飽和)伏特

，此 0 伏特信號可被送入邏輯電路中， 以表示微動開關處於閉合狀態。

 

反之，若微動開關開啟

，變壓器便不通電，而使三極管截止，此時集電極電壓便上升至 VCC 值，此一 VCC 信 號，可被送入邏輯電路中，藉以表示微動開關處於開啟狀態。在圖 11 之中，邏輯電路被當作三極管的負載，連接於集電極和地之間(如圖 11) ，因此三極管開關電路的 R1，R2 和 RC 值必須慎加選擇，以保證三極管隻工作於截止區與飽和區，而不致工作於主動(線性) 區內。