作者/程院蓮 劉修泉 ，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院

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基于Multisim12的晶體三極管開關(guān)電路應(yīng)用研究

作者/程院蓮 劉修泉 ，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)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(guān)來控制負(fù)載的工作狀態(tài)。通過Multisim12仿真軟件分析了三極管開關(guān)特性，然后基于三極管開關(guān)特性，將三極管作為電子開關(guān)應(yīng)用到驅(qū)動發(fā)光二極管、蜂鳴器、電動機(jī)、繼電器等器件的實(shí)際自控電路中。本文可加深對三極管開關(guān)特性的理解，提高學(xué)習(xí)電子技術(shù)的興趣和積極性，也可推動三極管作為電子開關(guān)在實(shí)際自控電路中的應(yīng)用開發(fā)。

關(guān)鍵詞：Multisim12，三極管，電子開關(guān)電路

引言

半導(dǎo)體三極管也稱晶體三極管，是電子電路中最重要的半導(dǎo)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(guān)特性作為電子開關(guān)。三極管電子開關(guān)與傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)比較，具有很多優(yōu)勢，主要在四個方面，1.三極管開關(guān)動作速度快，以微秒（us）計(jì)，而一般機(jī)械式開關(guān)動作速度慢很多，以毫秒（ms）計(jì)；2.三極管開關(guān)不具有活動結(jié)點(diǎn)部分，無磨損之慮，可使用無限多次，而一般機(jī)械式開關(guān)由于接點(diǎn)磨損，最多使用數(shù)百萬次；3.三極管開關(guān)沒有躍動現(xiàn)象，而一般的機(jī)械式開關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會有快速的連續(xù)啟閉動作，然后才能逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；4.利用三極管開關(guān)來驅(qū)動電感性負(fù)載時，在開關(guān)開啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。因此，在自動控制電路中，常使用半導(dǎo)體三極管作為電子開關(guān)來驅(qū)動控制發(fā)光二極管、蜂鳴器、電動機(jī)、繼電器等器件的工作狀態(tài)，而獲得廣泛應(yīng)用。

1.三極管開關(guān)電路

要使三極管起到開關(guān)作用，必須使其工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)三極管基極電流不斷增大，集電極電流不可能繼續(xù)增大時，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。進(jìn)入飽和狀態(tài)后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關(guān)閉合了。當(dāng)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(dāng)于開關(guān)斷開。將工作在截止和飽和狀態(tài)的三極管稱為開關(guān)管。

圖1為三極管開關(guān)電路，RB為基極電阻，RC為集電極電阻，VCC為工作電源，當(dāng)Vin為標(biāo)準(zhǔn)低電平時，三極管應(yīng)截止，三極管開關(guān)則斷開，而當(dāng)Vin為標(biāo)準(zhǔn)高電平時，三極管應(yīng)飽和，三極管開關(guān)則導(dǎo)通，但RB、RC、VCC的取值還需根據(jù)開關(guān)電路實(shí)際控制對象件來選取。

圖1　三極管開關(guān)電路

2.基于Multisim12的三極管開關(guān)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(shè)計(jì)的電子自動化工具，能將專業(yè)理論知識用計(jì)算機(jī)仿真展現(xiàn)出來，很好地解決理論設(shè)計(jì)與實(shí)際測試脫節(jié)的問題，目前在各高校教學(xué)中普遍使用Multisim12.0版本。

圖2為基于Multisim12的三極管開關(guān)電路，以發(fā)光二極管作為被驅(qū)動器件，用的是NPN管，發(fā)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(fā)生器，獲得開關(guān)電路驅(qū)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(qū)動信號幅度為閾值1.4V以上，則發(fā)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(guān)電路正常工作，但實(shí)際應(yīng)用中，建議驅(qū)動信號幅度為3V以上。如圖3，若將被驅(qū)動器件接在三極管的發(fā)射極，同樣取基極電阻為4.7K，通過仿真分析，驅(qū)動電壓下降，LED電流也隨之下降，三極管無法工作在開關(guān)狀態(tài)，所以開關(guān)電路不建議這樣設(shè)計(jì)。

圖2　基于Multisim12的NPN型驅(qū)動發(fā)光二極管的三極管開關(guān)電路1（合適的設(shè)計(jì)）

圖3　基于Multisim12的NPN型驅(qū)動發(fā)光二極管的三極管開關(guān)電路2（不合適的設(shè)計(jì)）

圖4　PNP型驅(qū)動發(fā)光二極管的三極管開關(guān)電路

圖5　驅(qū)動蜂鳴器的三極管開關(guān)電路

3.三極管開關(guān)電路應(yīng)用

■3.1驅(qū)動蜂鳴器的三極管開關(guān)電路

在簡易自動報(bào)警器中，常常采用蜂鳴器發(fā)聲或發(fā)光二極管發(fā)光產(chǎn)生示警信號。圖5為驅(qū)動蜂鳴器的三極管開關(guān)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(jīng)飽和導(dǎo)通，其集電極—發(fā)射極之間電壓 僅為0.05V 。若將圖5電路中的控制開關(guān)S換成干簧管開關(guān)，就成為磁控聲響電路，可用于保險(xiǎn)柜防盜報(bào)警器，在打開保險(xiǎn)柜門時，由于磁鐵離開干簧管而報(bào)警。若將圖5電路中的R減小到10kΩ，控制開關(guān)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(qū)動電動機(jī)的三極管開關(guān)電路

玩具電動機(jī)是常用的動力裝置，它能夠把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，可用于小電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動、小離心水泵抽水等執(zhí)行功能。在圖6（a）電路中，電動機(jī)空載時運(yùn)轉(zhuǎn)電流約為500mA，此時電源（用兩節(jié)5號電池供電）電壓降至2.4V，VT基極-發(fā)射極之間電壓VBE≈0.9V。根據(jù)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(shí)取100Ω。為使電動機(jī)更可靠地啟動，R甚至可減少到51Ω。在調(diào)試電路時，接通控制開關(guān)S，電動機(jī)應(yīng)能自行啟動，測量VT集電極—發(fā)射極之間電壓VCE≤0.35V，說明三極管已飽和導(dǎo)通，三極管開關(guān)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(guān)S換成雙金屬復(fù)片開關(guān)ST，就成為熱控電路了。當(dāng)蠟燭火焰燒烤到雙金屬復(fù)片時，復(fù)片趨于伸直狀態(tài)，使得開關(guān)ST接通，電動機(jī)啟動，帶動小風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，對準(zhǔn)蠟燭吹風(fēng)，自動將火焰熄滅；當(dāng)雙金屬片冷卻后，開關(guān)斷開，小電風(fēng)扇自動停轉(zhuǎn)，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(guān)S，玩具車啟動，行駛到接進(jìn)磁鐵時，安裝在VT基極與發(fā)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(jī)停止轉(zhuǎn)動，保護(hù)了電動機(jī)及避免大電流放電。

圖6　驅(qū)動玩具動機(jī)的三極管開關(guān)電路

■3.3驅(qū)動繼電器的三極管開關(guān)電路

利用三極管開關(guān)直接驅(qū)動負(fù)載—玩具電動機(jī)、蜂鳴器等，使得自控電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇受到牽制，采用繼電器可解決此問題。圖7為驅(qū)動繼電器的三極管開關(guān)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(jī)工作電流小，比蜂鳴器、發(fā)光二極管工作電流大，因此設(shè)計(jì)電路時各元件參數(shù)介于兩者之間，圖中參數(shù)供參考。F為銜鐵，D為常閉觸點(diǎn)，E為常開觸點(diǎn)。當(dāng)控制開關(guān)S閉合時，繼電器吸合，常開觸點(diǎn)F－E接通，發(fā)光二極管VD1點(diǎn)亮，R2為限流電阻器。

若將圖7中的控制開關(guān)S換成干簧管開關(guān)、雙金屬復(fù)片開關(guān)，就可以進(jìn)行磁控和熱控自動控制了。繼電器觸點(diǎn)可以根據(jù)需要選用常開或常閉觸點(diǎn)。比如，利用日光燈中啟輝器中的雙金屬復(fù)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(bào)警器等。若選用JRX型繼電器，其觸點(diǎn)可以接220V交流電，直接驅(qū)動交流電用電器。

圖7　驅(qū)動繼電器的三極管開關(guān)電路

4.結(jié)束語

基于mulitisim12仿真軟件分析了三極管開關(guān)特性，且將三極管開關(guān)特性應(yīng)用到實(shí)際自控電路中，能夠?qū)ψ钥仉娐吩O(shè)計(jì)起到一定啟發(fā)作用。

參考文獻(xiàn)：

＊[1] 盧敦陸.Multisim仿真軟件中三極管模型參數(shù)的確定.現(xiàn)代電子技術(shù)[J]，2014，37（21）：120～123.

＊[2] 王曉靜.三極管的開關(guān)特性及應(yīng)用.電子制作[J]，2009，6：64～65.

＊[3] 官飛.三極管的開關(guān)電路.河南科技[J]，2013,3：2～3.

＊[4] 陳永利.任艷艷.基于PLC和觸摸屏的電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).制造業(yè)自動化[J]，2011，12：149～151.