「硬见幼百科」三极管开关电路设计详细过程

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三极管除了能够当做交流信号放大器之外,也能够做为开关之用。厉肃说首来,三极管与清淡的死板接点式开关在行为上并不十足相通,但是它却具有一些死板式开关所异国的特点。

图1所示,即为三极管电子开关的基本电路图。由下图可知,负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间,而位居三极管主电流的回路上。

输 入电压Vin则控制三极管开关的开启(open) 与闭相符(closed) 行为,当三极管呈开启状态时,负载电流便被阻断,逆之,当三极管呈闭相符状态时,电流便能够流通。详细的说,当Vin为矮电压时,由于基极异国电流,因此集 电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦异国电流,而相等于开关的开启,此时三极管乃胜作于截止(cut off)区。

同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流起伏,因此使集电极流过更大的放大电流,因此负载回路便被导通,而相等于开关的闭相符,此时三极管乃胜作于

睁开盈余93%

饱和区(saturation)。

一、三极管开关电路的分析设计

由 于对硅三极管而言,其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特,因此欲使三极管截止,Vin必须矮于0.6伏特,以使三极管的基极电流为零。清淡在设计时, 为了能够更确定三极管必处于截止状态首见,往往使Vin值矮于 0.3伏特。(838电子资源)自然输入电压愈挨近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上,则三极管的集电极与射极必须短路,就像死板开关 的闭相符行为相通。欲这样就必须使 Vin达到够高的准位,以驱动三极管使其进入饱和做事区做事,三极管呈饱和状态时,集电极电流相等大,几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上,这样 则VcE便挨近于0,而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下,按照奥姆定律三极管呈饱和时,其集电极电流答该为﹕

因此,基极电流最少答为:

上式外出了IC和IB之间的基原形关,式中的β值代外三极管的直流电流添好,对某些三极管而言,其交流β值和直流β值之间,有着甚大的迥异。欲使开关闭 相符,则其Vin值必须够高,以送出超过或等于(式1) 式所请求的最矮基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路,故Vin可由下式来求解﹕

一旦基极电压超过或等于(式2) 式所求得的数值,三极管便导通,使一切的供答电压均跨在负载电阻上,而完善了开关的闭相符行为。

总 而言之,三极管接成图1的电路之后,它的作用就和一只与负载相串联的死板式开关相通,而其启闭开关的手段,则能够直接行使输入电压方便的控制,而不须采用 死板式开关所常用的死板引动(mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或电驿电枢(relay armature)等控制手段。

为了避免杂沓首见,本文所介绍的三极管开关均采用NPN三极管,自然NPN三极管亦能够被当作开关来操纵,只是比较不常见罢了。

例题1

试注释出在图2的开关电路中,欲使开关闭相符(三极管饱和) 所须的输入电压为何﹖并注释出此时之负载电流与基极电流值解﹕由2式可知,在饱和状态下,一切的供电电压十足跨降于负载电阻上,因此

由方程式(1) 可知

因此输入电压可由下式求得﹕

图2 用三极管做为灯泡开关

由例题1-1得知,欲行使三极管开关来控制大到1.5A的负载电流之启闭行为,只须要行使甚幼的控制电压和电流即可。此外,三极管固然流过大电流,却不须 要装上散炎片,由于当负载电流流过时,三极管呈饱和状态,其VCE趋近于零,于是其电流和电压相乘的功率之专门幼,根本不须要散炎片。

二、三极管开关与死板式开关的比较

截至现在为止,吾们都倘若当三极管开关导通时,其基极与射极之间是十足短路的。原形并非这样,异国任何三极管能够十足短路而使VCE=0,大无数的幼信号硅 质三极管在饱和时,VCE(饱和) 值约为0.2伏特,纵使是专为开关行使而设计的交换三极管,其VCE(饱和) 值顶众也只能矮到0.1伏特旁边,而且负载电流一高,VCE(饱和) 值还会有些许的上升表象,固然对大无数的分析计算而言,VCE(饱和) 值能够不予考虑,但是在测试交换电路时,必须清新VCE(饱和) 值并非真的是0。

固然VCE(饱和)的电压很幼,自己微不能道,但是若 将几个三极管开关串接首来,其总和的压降效答就很可不悦目了,凶运的是死板式的开关频繁是采用串接的手段来做事的,如图3(a)所示,三极管开关无法模拟死板 式开关的等效电路(如图3(b)所示)来做事,这是三极管开关的一大弱点。

图3 三极管开关与死板式开关电路

幸好三极管开关固然不适用于串接手段,却能够完善的适用于并接的做事手段,如图4所示者即为一例。三极管开关和传统的死板式开关相较,具有下列四大益处﹕

图4三极管开关之并联联接

(1)三极管开关不具有运动接点部份,因此不致有磨损之虑,能够操纵无限众次,清淡的死板式开关,由于接点磨损,顶众只能操纵数百万 次旁边,而且其接点易受污损而影响做事,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)三极管开关的行为速度较清淡的开关为快,清淡开关的启闭时间是以毫秒 (ms)来计算的,三极管开关则以微秒(μs)计。

(3)三极管开关异国跃动(bounce) 表象。清淡的死板式开关在导通的转瞬会有快速的不息启闭行为,然后才能逐渐达到安详状态。

(4)行使三极管开关来驱动电感性负载时,在开关开启的转瞬,不致有火花产生。逆之,当死板式开关开启时,由于转瞬堵截了电感性负载样 上的电流,因此电感之转瞬感答电压,将在接点上引首弧光,这栽电弧非但会腐蚀接点的外貌,亦能够造成作梗或危害。

三、三极管开关的测试

极管开关不像死板式开关能够光凭肉眼就判定出它现在的启闭状态,因此必须行使电外来添以测试。在图5所示的标准三极管开关电路中,当开关导通时,VEC的读值答该为0,逆之当开关堵截时,VCE答对于VCC。

三极管开关在堵截的状况下,由于负载上异国电流流过,因此也异国压降,于是一切的供答电压均跨降在开关的两端,因此其VCE值答等于VCC,这和死板式开关 是十足相通的。倘若开关自己答导通而未导通,那就得测试Vin的大幼了。欲保证三极管导通,其基极的Vin电压值就必须够高,倘若Vin值过矮,则题目就 出自夸号源而非三极管自己了。伪使在Vin的准位够高,驱动三极管导通绝无题目时,而负载却仍未导通,那就要测试电源电压是否平常了。

在导通的状态下,硅三极管的VBE值约为0.6伏特,伪使Vin值够高,而VBE值却高于和矮于0.6伏特,例如VBE为1.5伏特或0.2伏特,这外示基 射极接面能够已经损坏,必须将三极管换失踪。自然这一准则也意外百分之百切确,很众大电流额定的功率三极管,其VBE值频繁是超过1伏特的,因此即使 VBE的读值达到1.5伏特,也意外就能一定三极管的接面损坏,这时候最好先查阅三极管规特殊后再下断言。

一旦VBE平常且有基极电流起伏时,便必须测试VCE值,伪使VCE趋近于VCC,就外示三极管的集基接面损坏,必须换失踪三极管。伪使VCE趋近于零伏特,而负载仍未导通,这能够是负载自己有开路表象发生,因此必须检换负载。

图5 三极管开关电路,常见问题各主要测试电的电压图

当Vin降为矮电压准位,三极管理答截止而堵截负载,倘若负载照样未被堵截,那能够是三极管的集基极和集射极短路,必须添以置换。

第二节 基本三极管开关之改进电路

意外候,吾们所设定的矮电压准位意外就能使三极管开关截止,尤其当输入准位挨近0.6伏特的时候更是这样。想要克服这栽临界状况,就必须采取修整步骤,以保证三极管必能截止。图6就是针对这栽状况所设计的两栽常见之改良电路。

图6 确保三极管开关行为,切确的两栽改良电路

图6(a) 的电路,在基射极间串接上一只二极管,因此使得可令基极电流导通的输入电压值升迁了0.6伏特,这样即使Vin值由于信号源的误行为而挨近0.6伏特时, 亦不致使三极管导通,因此开关仍可处于截止状态。图6(b)的电路添上了一只辅助-截止(hold-off)电阻R2,适答的R1,R2及Vin值设计, 可于临界输入电压时确保开关截止。由图6(b)可知在基射极接面未导通前(IB0),R1和R2形成一个串联分压电路,因此R1必跨过固定(随Vin而 变) 的分电压,于是基极电压必矮于Vin值,因此即使Vin挨近于临界值(Vin=0.6伏特) ,基极电压仍将受连接于负电源的辅助-截止电阻所拉下,使矮于0.6伏特。由于R1,R2及VBB值的刻意设计,只要Vin在高值的周围内,基极仍将有足 够的电压值可使三极管导通,不致受到辅助-截止电阻的影响。

添速电容器(speed-up capacitors)

在 请求快速切换行为的行使中,必须添快三极管开关的切换速度。图7为一栽常见的手段,此手段只须在RB电阻上并联一只添速电容器,这样当Vin由零电压去上 升并最先送电流至基极时,电容器由于无法转瞬充电,故形同短路,然而此时却有转瞬的大电流由电容器流向基极,因此也就添快了开关导通的速度。稍后,待充电 完毕后,电容就形同开路,而不影响三极管的平常做事。

图7 添了添速电容器的电路

一旦输入电压由高准位降回零电压准位时,电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成逆向偏压,而使三极管开关敏捷堵截,这是由于电容器的左端原已充电为正电 压,如图6-9所示,因此在输入电压消极的转瞬,电容器两端的电压无法转瞬转折仍将维持于定值,故输入电压的消极立即使基极电压随之而消极,因此令基射极 接面成为逆向偏压,而敏捷令三极管截止。适答的选取添速电容值可使三极管开关的切换时间减矮至几相等之微秒以下,大无数的添速电容值约为数百个微微法拉 (pF) 。

意外候三极管开关的负载并非直接添在集电极与电源之间,而是接成图8的手段,这栽接法和幼信号交流放大器的电路专门挨近,只 是少了一只输出耦相符电容器而已。这栽接法和平常接法的行为正好相逆,当三极管截止时,负载获能,而当三极管导通时,负载逆被堵截,这两栽电路的方法都是常 见的,因此必须具有清亮的分辨能力。

图8 将负载接于三极管开关电路的改进接法

图腾式开关(Totem-pole switches)

伪 使图8的三极管开关添上了电容性负载(伪定其与RLD并联) ,那么在三极管截止后,由于负载电压必须经由RC电阻对电容徐徐充电而竖立,因此电容量或电阻值愈大,时间常数(RC) 便愈大,而使得负载电压之上升速率愈慢,在某些行使中,这栽表象是不批准的,因此必须采用图9的改良电路。

图9 图腾式三极管开关

图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所组成的,它也因此而得名。欲使负载获能,必须使Q1三极管导通,同时使Q2三极管截断,这样负载便可经 由Q1而连接至VCC上,欲使负载去能,必须使Q1三极管截断,同时使Q2三极管导通,这样负载将经由Q2接地。由于Q1的集电极除了极幼的接点电阻外, 几乎异国任何电阻存在(如图9所示) ,因此负载几乎是直一连接到正电源上的,也因此当Q1导通时,就再也异国电容的慢速充电表象存在了。于是可说Q1“将负载拉首”,而称之为“挽首 (pull up) 三极管”,Q2则称为“拉下(pull down) 三极管”。图9左半部的输入控制电路,负责Q1和Q2三极管的导通与截断控制,但是必须确保Q1和Q2使不致同时导通,否则将使VCC和地之间经由Q1和 Q2而形同短路,果真这样,则短路的大电流起码将使一只三极管销毁。因此图腾式三极管开关绝对不走如图6-4般地采用并联手段来操纵,否则只要图腾上方的 三极管Q1群中有任一只导通,而下方的Q2群中又正好有一只导通,电源便经由导通之Q1和Q2短路,而造成主要的效果。

第三节 三极管开关之行使

晶体管开关最常见的行使之一,是用以驱动指使灯,行使指使灯能够指使电路某特定点的行为状况,亦能够指使马达的控制器是否被激励,此外亦能够指使某一局限开关是否导通或是某一数字电路是否处于高电位状态。

举例而言,图10(a)即是行使晶体管开关来指使一只数字正逆器(flip-flop)的输出状态。伪使正逆器的输出为高准位(清淡为5伏特) ,晶体管开关便被导通,而令指使灯发亮,因此操作员只要一望指使灯,便能够清新正逆器现在的做事状况,而不须要行使电外去检测。

意外信号源(如正逆器)输出电路之电流容量太幼,不能以驱动晶体管开关,此时为避免信号源不胜负荷而产生误行为,便须采用图10(b) 所示的改良电路,当输出为高准位时,先驱动射极随耦晶体管Q1做电流放大后,

(a) 基本电路图 (b) 改良电路

再使Q2导通而驱动指使灯,由于射极随耦级的输入阻抗相等高,因此正逆器之须要挑供幼批的输入电流,便能够得到舒坦的做事。

数字表现器图10(a)之电路频繁被操纵于数字表现器上。

行使三极管开关做为分别电压准位之界面电路

在工业设备中,往往必须行使固态逻辑电路来担任控制的做事,相关数字逻辑电路的原理,将在下一章详细添以介绍,在此为表明界面电路首见,先将工业设备的控制电路分为三大部份﹕(1)输入部份,(2)逻辑部份,(3)输出部份。

为达到郑重的运作,工业设备的输入与输出部份清淡做事于较高的电压准位,清淡为220伏特。而逻辑部份却是操作于矮电压准位的,为了使编制平常做事,便必须 使这两栽分别的电压准位之间能够疏导,这栽分别电压间的匹配做事就称做界面(interface)题目。担任界面匹配做事的电路,则称为界面电路。三极管 开关就频繁被用来担任此类做事。

图11行使三极管开关做为由高压输入控制矮压逻辑的界面电路之实例,当输入部份的微动开关闭相符时,降压变 压器便被导通,而使全波整流滤波电路送出矮压的直流控制信号,此信号使三极管导通,此时集电极电压降为0(饱和)伏特,此0伏特信号可被送入逻辑电路中, 以外示微动开关处于闭相符状态。

逆之,若微动开关开启,变压器便不通电,而使三极管截止,此时集电极电压便上升至VCC值,此一VCC信 号,可被送入逻辑电路中,藉以外示微动开关处于开启状态。在图11之中,逻辑电路被当作三极管的负载,连接于集电极和地之间(如图11) ,因此三极管开关电路的R1,R2和RC值必须慎添选择,以保证三极管只做事于截止区与饱和区,而不致做事于主动(线性) 区内。

图11三极管开关当作输入部份与逻辑部份之间的界面

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