基于Multisim12的晶體三極管開關電路應用研究

作者/程院蓮 劉修泉 ，廣州番禺職業技術學院 機電工程學院

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基于Multisim12的晶體三極管開關電路應用研究

作者/程院蓮 劉修泉 ，廣州番禺職業技術學院 機電工程學院

文章摘要：在自動控制電路中，常使用晶體三極管作為電子開關來控制負載的工作狀態。通過Multisim12仿真軟件分析了三極管開關特性，然后基于三極管開關特性，將三極管作為電子開關應用到驅動發光二極管、蜂鳴器、電動機、繼電器等器件的實際自控電路中。本文可加深對三極管開關特性的理解，提高學習電子技術的興趣和積極性，也可推動三極管作為電子開關在實際自控電路中的應用開發。

關鍵詞：Multisim12，三極管，電子開關電路

引言

半導體三極管也稱晶體三極管，是電子電路中最重要的半導體器件，其主要用途有兩個，一是利用它的電流放大作用組成各種放大電路，另一用途則是利用它的開關特性作為電子開關。三極管電子開關與傳統的機械式開關比較，具有很多優勢，主要在四個方面，1.三極管開關動作速度快，以微秒（us）計，而一般機械式開關動作速度慢很多，以毫秒（ms）計；2.三極管開關不具有活動結點部分，無磨損之慮，可使用無限多次，而一般機械式開關由于接點磨損，最多使用數百萬次；3.三極管開關沒有躍動現象，而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，然后才能逐漸達到穩定狀態；4.利用三極管開關來驅動電感性負載時，在開關開啟的瞬間，不致有火花產生。因此，在自動控制電路中，常使用半導體三極管作為電子開關來驅動控制發光二極管、蜂鳴器、電動機、繼電器等器件的工作狀態，而獲得廣泛應用。

1.三極管開關電路

要使三極管起到開關作用，必須使其工作在飽和與截止狀態。當三極管基極電流不斷增大，集電極電流不可能繼續增大時，三極管就進入了飽和狀態。進入飽和狀態后，三極管的集電極跟發射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關閉合了。當基極電流為0時，三極管集電極電流為0，這時三極管截止，相當于開關斷開。將工作在截止和飽和狀態的三極管稱為開關管。

圖1為三極管開關電路，RB為基極電阻，RC為集電極電阻，VCC為工作電源，當Vin為標準低電平時，三極管應截止，三極管開關則斷開，而當Vin為標準高電平時，三極管應飽和，三極管開關則導通，但RB、RC、VCC的取值還需根據開關電路實際控制對象件來選取。

圖1　三極管開關電路

2.基于Multisim12的三極管開關電路分析

Multisim是美國NI公司推出的一款專門用于電子線路仿真與設計的電子自動化工具，能將專業理論知識用計算機仿真展現出來，很好地解決理論設計與實際測試脫節的問題，目前在各高校教學中普遍使用Multisim12.0版本。

圖2為基于Multisim12的三極管開關電路，以發光二極管作為被驅動器件，用的是NPN管，發光二極管LED接在三極管的集電極，R2為其限流電阻可取200Ω，XFG2為信號發生器，獲得開關電路驅動信號，XMM1為多用表，測量通過LED的電流。LED工作電流一般為10～20mA，基極電阻取4.7K，通過仿真分析，只要驅動信號幅度為閾值1.4V以上，則發光二極管閃爍，通過LED的電流一直為圖2多用表XMM1所示的13.13mA，說明三極管開關電路正常工作，但實際應用中，建議驅動信號幅度為3V以上。如圖3，若將被驅動器件接在三極管的發射極，同樣取基極電阻為4.7K，通過仿真分析，驅動電壓下降，LED電流也隨之下降，三極管無法工作在開關狀態，所以開關電路不建議這樣設計。

圖2　基于Multisim12的NPN型驅動發光二極管的三極管開關電路1（合適的設計）

圖3　基于Multisim12的NPN型驅動發光二極管的三極管開關電路2（不合適的設計）

圖4　PNP型驅動發光二極管的三極管開關電路

圖5　驅動蜂鳴器的三極管開關電路

3.三極管開關電路應用

■3.1驅動蜂鳴器的三極管開關電路

在簡易自動報警器中，常常采用蜂鳴器發聲或發光二極管發光產生示警信號。圖5為驅動蜂鳴器的三極管開關電路。HA為聲響指示器，采用低電壓（3V）蜂鳴器，其工作電流僅需十幾個毫安。VT選用9013，hfe≈200，偏置電阻器R為15kΩ，VT的基極電流 約0.15mA（），集電極電流IC約為15mA，蜂鳴器可正常工作，此時VT已經飽和導通，其集電極—發射極之間電壓 僅為0.05V 。若將圖5電路中的控制開關S換成干簧管開關，就成為磁控聲響電路，可用于保險柜防盜報警器，在打開保險柜門時，由于磁鐵離開干簧管而報警。若將圖5電路中的R減小到10kΩ，控制開關S換成光敏電阻器或光敏二極管，就成為光控聲響電路。

■3.2驅動電動機的三極管開關電路

玩具電動機是常用的動力裝置，它能夠把電能轉換為機械能，可用于小電風扇轉動、小離心水泵抽水等執行功能。在圖6（a）電路中，電動機空載時運轉電流約為500mA，此時電源（用兩節5號電池供電）電壓降至2.4V，VT基極-發射極之間電壓VBE≈0.9V。根據歐姆定律，VT基極限流電阻器的電阻值R＝（2.4－0.9）V／12mA≈0.13kΩ。考慮到VT在IC較大時，hfe要減小，電阻值R還要小一些，實取100Ω。為使電動機更可靠地啟動，R甚至可減少到51Ω。在調試電路時，接通控制開關S，電動機應能自行啟動，測量VT集電極—發射極之間電壓VCE≤0.35V，說明三極管已飽和導通，三極管開關電路工作正常，否則會使VT過熱而損壞。

自動滅火的熱量自動控制電路見圖6（b）。該電路是將圖6（a）中的控制開關S換成雙金屬復片開關ST，就成為熱控電路了。當蠟燭火焰燒烤到雙金屬復片時，復片趨于伸直狀態，使得開關ST接通，電動機啟動，帶動小風扇葉片旋轉，對準蠟燭吹風，自動將火焰熄滅；當雙金屬片冷卻后，開關斷開，小電風扇自動停轉，完成了自動滅火的程序。

自動停車的磁力自動控制電路見圖6（c）。開啟電源開關S，玩具車啟動，行駛到接進磁鐵時，安裝在VT基極與發射極之間的干簧管SQ閉合，將基極偏置電流短路，VT截止，電動機停止轉動，保護了電動機及避免大電流放電。

圖6　驅動玩具動機的三極管開關電路

■3.3驅動繼電器的三極管開關電路

利用三極管開關直接驅動負載—玩具電動機、蜂鳴器等，使得自控電路執行機構的選擇受到牽制，采用繼電器可解決此問題。圖7為驅動繼電器的三極管開關電路。繼電器K選用JRC—21F等超小型弱功率電磁繼電器，線圈電壓選6V，消耗功率0.36W。由于繼電器線圈工作電流60mA，比玩具電動機工作電流小，比蜂鳴器、發光二極管工作電流大，因此設計電路時各元件參數介于兩者之間，圖中參數供參考。F為銜鐵，D為常閉觸點，E為常開觸點。當控制開關S閉合時，繼電器吸合，常開觸點F－E接通，發光二極管VD1點亮，R2為限流電阻器。

若將圖7中的控制開關S換成干簧管開關、雙金屬復片開關，就可以進行磁控和熱控自動控制了。繼電器觸點可以根據需要選用常開或常閉觸點。比如，利用日光燈中啟輝器中的雙金屬復片，改制成可控溫度傳感器，制作成簡易電子恒溫箱、酸奶器，甚至炕頭孵化雞蛋的過熱、過冷報警器等。若選用JRX型繼電器，其觸點可以接220V交流電，直接驅動交流電用電器。

圖7　驅動繼電器的三極管開關電路

4.結束語

基于mulitisim12仿真軟件分析了三極管開關特性，且將三極管開關特性應用到實際自控電路中，能夠對自控電路設計起到一定啟發作用。

參考文獻：

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