电系魔法师成长之路—仪器仪表学习（一）设计一个三极管开关电路

零、前言

说来有趣，《电系魔法师成长之路》这一系列最早是从《电系魔法师成长之路—仪器仪表学习（二）衰减器》开始的，因为最开始做三极管开关电路的时候，我还不知道我设计这个有什么用，当时只是为了学习腐蚀板然后完成课设，直到后来开始系统学习电路设计，才认识到三极管开关电路是第一个作业，也一直在想要把这篇笔记补上，一直没找到一个好的机会。缘，妙不可言，老师给到了一个小项目，是帮助一个其他学院的同学设计一个电路，她的要求是通过一个数字量电流一串LED灯，但是因为某些原因亮度过低，最开始老师给的提示是三极管，自然而然地我就做了一个三极管放大电路，但失败了，后来才醒悟，这不就是第一个仪器仪表的作业，三极管开关电路！

一、用途

经验不足加上惯性思维，接到三极管不管三七二十一，上去就是一套放大器操作，结果可想而知。在做这个项目之前只知道三极管可以放大，但不知道三极管还可以做电子开关、两端或三端元件、逻辑门等等。只能说自己还是太年轻。在我们设计一个系统电路中，需要对一部分电路进行开关控制，但由于条件限制我们不能通过使用机械装置完成开关操作，我们只能通过程序或电路完成，这时候就需要使用三极管开关电路了，或者遇到我这样的情况也可以用开关电路，需要而外的电源带动电路。

二、原理

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图一 晶体管的输出特性曲线

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图二 三极管图

从三极管输出特性曲线可以看出，晶体管有三个工作区域，分别是截至区、放大区、饱和区。

①截止区

​ 顾名思义截止区的意思就是三极管不导通，ic电流和很小，对于共射电路其特征在于发射结电压小于开启电压 Ube<=Uon,且集电结反向偏置 Uce>Ube。

②放大区

​ 放大区能实现的功能就是放大，此时发射极电流Ic决定于Ib，Ic=βIb，对于共射电路其特征在于发射结正向偏置 Ube>Uon 且集电结反偏 Uce>Ube。

③饱和区

​ 什么饱和了呢？是电子，理想情况下电子全部北收集到了集电极，Ic不再由Ib控制！在实际电路中，若晶体管Ube增大时，Ib随之增大，但Ic基本不变，则说明进入饱和区，对于共射电路其特征在于发射结正偏 Ube>=Uon 且集电极正偏 Uce

很明显，作为开关电路要让三极管工作在截止区和饱和区。那么如何让三极管工作这两个区域呢？

1.进入截至区条件：很简单很简单，对于硅三极管，其导通电压约为0.6V，我们只要让基极输入电(Vin)低于0.6V就可以了。

2.进入饱和区条件：要在基极和集电极分别接入一个合适的电阻，如下图，设Ib=（Ui-Uon）/R1，Ic=βIb，Uce=VCC-R2*Ic，要满足Uce 接近于0，使得电源电压完全用在电阻R2上。此时三极管呈饱和，集电极饱和电流Ic=VCC/R2。

图三 开关电路原理图

三、开关电路的设计

开关电路的设计主要在于根据已知VCC、Vin、负载电阻的情况下，依据进入截止区和饱和区条件，通过公式Ib=（Vin-Von）/R1，Ic=βIb，Uce=VCC-R2*Ic选择合适的R1 、R2.

根据项目条件Vin=VCC=4V、β=100，设三极管工作在放大区，R1=1KΩ，Ib=（Vin-Von）/R1，Ic=βIb，Uce=VCC-R2*Ic，Uce=-29V，满足进入饱和区的条件。注意J1与J2是负载接口，当然本次项目是在不知道负载电阻大小的情况下设计，请同学们根据负载合理选择R1,R2。

电容C1为加速电容，当Vin信号发生跳变，C1瞬间短路，为三极管快速提供基极电流，这样加速了晶体管的导通。同理应得C1也可以瞬间导通，为泄放基极电荷提供一条低阻通道，加速晶体管的关断。C1取几十到几百皮法的小电容就行。

图四 开关电路原理图

四、实践操作

图五 开关电路实物电路板

​ 图五 开关电路实物图

当Vin=0V时，开关电路截止LED等不被点亮；当Vin=4V时，开关电路导通，负载两端电压为2.8V，LED灯条正常点亮！

五、实验心得

①通过制作开关电路，我更加全面与深入的认识到了三极管开关电路的原理，也学会了如何去运用三极管的各个工作区域，这一点也是非常重要的，电路设计本身并无难点，难点在于对于模电知识的理解，当时学模电的时候完全不明白有何作用，经过实践操作才真正认识到这个知识点的玩法！

上述学习记录，仅代表我个人观点，我认为我的电路知识学习地并不够扎实，许多基础知识还存在漏洞，若上述存在错误，还麻烦各位老师指出，谢谢。