电子开关的分析与制作技巧

知识应用

开关即开启和关闭。电路中的开关是一类电子元件，它是指一个可以使电路开路、使电流中断或使其流到其他电路的电子元件。开关是由人操作的机电设备，其中有一个或数个电子接点。接点的“闭合”（Closed）表示电子接点导通，允许电流流过（电子电路“导通”）；开关的“开路”（Open）表示电子接点不导通形成开路，不允许电流流过（电子电路“断开”），开关通过对电子电路的“导通”“断开”操作或电路自身的切换发挥作用，用于生产现场及日常生活。

开关在日常生活中应用广泛，在数字电路中使用三极管就可以作为开关，但一般是用于控制小信号，对于大电流，三极管发热会比较严重。MOS管因为导通电阻非常小，损耗小，所以特别适合控制大电流的电路。电子开关是指利用电子电路以及电力电子器件实现电路通断的运行单元，至少包括一个可控的电子驱动器件，如晶闸管、晶体管、场效应管、可控硅等。电子开关使用功率开关器件替代机械开关，其优点在于：① 机械触点无大电流通过，不存在触点打火的问题；② 电子开关可实现自动切断电源功能，实现绿色节能，在手持设备中较多见。

图1.48　NPN型三极管构成的开关电路

图1.48所示为NPN型三极管构成的开关电路。

1.饱和条件

（1）Vin＜0.6V截止。

2.三极管开关电路的特点

（1）三极管开关不具有活动接点部分，开关工作寿命长。可以使用无限多次，一般的机械式开关，由于接点磨损，顶多只能使用数百万次左右，而且其接点易受污损而影响工作，因此无法在脏乱的环境下运作，三极管开关既无接点又是密封的，因此无此顾虑。

（2）三极管开关的动作速度较一般的开关为快，一般开关的启闭时间是以毫秒（ms）为单位来计算的，三极管开关则以微秒（μs）为单位计算。

（3）三极管开关没有抖动（跃动bounce）现象。一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续启闭动作，然后才能逐渐达到稳定状态。

（4）利用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关开启的瞬间，不至于有火花产生；反之，当机械式开关开启时，由于瞬间切断了电感性负载上的电流，因此电感的瞬间感应电压，将在接点上引起弧光，这种电弧非但会侵蚀接点的表面，也可能造成干扰或危害。

3.MOS管构成的开关电路的导通特性（图1.49）

图1.49　MOS管构成的开关电路

（1）NMOS的特性，UGS大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4 V或10 V就可以了。

（2）PMOS的特性，UGS小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。

4.三极管与MOS构成的开关特点对比(www.xing528.com)

（1）三极管用电流控制，MOS管属于电压控制。

（2）问题：三极管便宜，MOS管贵。

（3）功耗问题：三极管损耗大。

（4）驱动能力：MOS管常用来作电源开关，以及大电流与高频高速的场合。三极管比较便宜，常用在数字电路开关控制等低成本场合。

5.设计电源电子开关的要求

（1）按下手动开关，开关管导通，负载得电。

（2）在手动按键松开后，发生器应输出信号使开关管继续导通。

（3）负载得电的情况下，当按下按键时，发生器输出为使开关管断开的信号。

（4）需考虑定时关闭电源的功能。

图1.50所示为电源电子开关电路原理，具体电路原理请自行分析。图中U2为单片机，选用的是STC15F104E，程序已编制并下载到位，其中1脚为机械按键信号输入端（低电平按下），3脚为输出开关控制信号（高电平有效）。

图1.50　电源电子开关电路

电源电子开关实验现象