【模电】三级管开关电路分析

 本期来讲一下三极管作为开关电路的分析。由于现在用分立器件三极管搭电路的已经越来越少了，如果不是做模拟电路的ic设计，这方面的知识在工程中已经很少用到，但是作为开关来用的场景还是挺多，常见的如搭一个非门、驱动继电器、驱动直流电机等等情况。

严格来讲这一篇可能不完全算模电的范畴，但是说它是数电也不太对，暂且放这吧。

1）三极管的开关特性

我们以共射级电路为例讲三极管的开关特性，实际上三极管使用最多的也是共射级电路。

基本的共射级电路如下图：

简单解释一下其工作状态：

当Vbe电压很小时，工作在截止区，三极管不导通，其集电极和发射级间相当于断开，Vce约等于Vcc；

当Vbe电压足够大时，三极管导通，Ib有一定的电流通过，如果工作在放大区，则有Ic =β*Ib，但是需要满足Rc*Ic小于Vcc才能工作在放大区；此时，如果Ib足够大，使得Rc*β*Ib大于或者等于Vcc，则工作在饱和区，此时有Ic<β*ib，ic会增大到使得rc*ic略小于vcc，vce接近0v，集电极和发射级相当于导通。<>

由此可以看出，共射级电路工作在截止区时，相当于集电极和发射级断开，工作在饱和区时，相当于集电极和发射级导通，即当三级管工作在截止区和饱和区时，特性相当于一个开关。

 2）三极管做逻辑门

由上一节的分析，共射级电路工作在截止区时，Vce约等于Vcc；工作在饱和区时，Vce约等于0v，相当于输入低电压输出高电压，输入高电压输出低电压，这正好是数字电路里非门的作用。

以一个仿真的例子为例：

 输入一个0~5V的方波，经过共射级电路后输出。

当输入为0v时，三极管截止，Vce显然输出为5V。

图中R3为5.1k，当 Ic 为1mA 左右时，R3上的压降就会大于电源电压5V，会进入饱和区，当输入为5V时，Ib约为（5-0.7v）/2k = 2.15mA，三级管的放大倍数β一般为几十到几百，Ib的大小足够使得Ic大于1mA。所以当输入为5V时，已经进入了饱和区，Vce输出为0.几V。

由图中的波形也可以看出，A通道输入和B通道输出是反相的，输入0V输出5V，输入5V输出0V。

再看一个仿真的例子：

 这个例子是或非门，相当于把两个非门的输出再与一下。A、B通道是输入，D通道是输出；图中的波形从上至下是A、B、D通道，可以看到，当A和B都为0时，D才为1，即实现了或非门的功能。

再看一个与非门的例子，当两个三极管都导通时，才会输出低电平。这里就不详细分析了，与前面是类似的。

 实际设计电路时，可以遵循这个规律：把两个三极管串联就可以实现“与”的功能，把两个三极管并联就可以实现“或”的功能，使用集电极输出就是“非”的功能。

（有需要仿真文件的可以留言）

 3）三极管驱动继电器

典型的三极管驱动继电器的电路如下图：

 核心电路其实就是将上一节中讲的非门电路中的R3电阻替换为继电器的线圈。同时，由于继电器的线圈属于电感性器件，为防止关断时产生高压过冲，在其上并联一个二极管吸收产生的高压。

三极管的基极上连接的R2电阻是为了保证外界悬空时，能保持继电器关断。

使用三极管驱动继电器，一方面可以实现低电压控制高电压，如图中的例子，单片机一般只能输出5v或3.3v，而图里的继电器需要12v驱动，使用三极管后可以用低电压控制高电压的通断；另一方面可以增强驱动能力，隔离部分干扰，单片机的输出能力一般较弱，不能直接驱动继电器，另外继电器属于感性负载，在开关时会产生过冲高压，用三极管可以隔离部分高压的干扰，使其不会直接影响到单片机的管脚。

 4）电机驱动电路（H桥电路）

直流有刷电机的驱动电路如下图，也是使用了三极管的开关特性，来实现控制电机的正反转：

电机是感性负载，图中的二极管都是为了防止电机启动或停止时产生过冲高压。

Q1~Q4是电机驱动电路的主要部分，当Q1和Q3导通，Q2和Q4截止时，相当于电机M的右侧接VCC左侧接GND，电流沿图中的红色箭头线路流动；当Q1和Q3截止，Q2和Q4导通时，相当于电机M的右侧接GND左侧接VCC；这样可以实现电机的供电正负调换，以此控制电机的正反转。

Q5和Q6是用于辅助控制Q1~Q4用的，可以看出当1点电压升高，会使得Q5导通，Q5导通后其发射极电压升高会使得Q3导通，集电极电压降低后会使得Q1导通，这样就实现了一个端口同时控制Q1和Q3导通。同样，2点电压可以通过Q6同时控制Q2和Q4的导通。这样只用两个端口就能控制4个继电器。

但要注意的是，不能同时使得1点和2点同时输入高电平，因为这样的话，会使得四个三极管同时导通，这样就相当于VCC通过三极管直接接GND，会烧坏器件。

由于这个电路组合后，核心的四个三极管Q1~Q4排列起来像一个字母“H”，所以该电路也叫H桥电路。使用H桥电路可以很方便地为电机调换正负供电方向。同时由于三极管的开关速率可以很高，通过调整打开和关断的时间，可以控制电机供电的时间长度，实现电机调速。

 图中的H桥电路是最简单的电路，实际使用时一般还会有很多保护措施，以防止H桥同一边上下的三极管同时导通导致烧毁。三极管也可以用场效应管代替。工程应用中，也可以选择集成驱动芯片代替分立三极管来驱动电机，如L293D就是一种集成化H桥驱动芯片，一片就可以实现多个三极管组合H桥的功能。