三極管開關(guān)電路圖原理及設計詳解

1、三極管開關(guān)電路圖原理及設計詳解晶體管開關(guān)電路(工作在飽和態(tài)在現(xiàn)代電路設計應用中屢見不鮮,經(jīng)典的74LS,74ALS等集成電路內(nèi)部都使用了晶體管開關(guān)電路,只是驅(qū)動能力一般而已。TTL晶體管開關(guān)電路按驅(qū)動能力分為小信號開關(guān)電路和功率開關(guān)電路;按晶體管連接方式分為發(fā)射極接地(PNP晶體管發(fā)射極接電源和射級跟隨開關(guān)電路。1. 發(fā)射極接地開關(guān)電路1.1 NPN型和PNP型基本開關(guān)原理圖: 上面的基本電路離實際設計電路還有些距離:由于晶體管基極電荷存儲積累效應使晶體管從導通到斷開有一個過渡過程(當晶體管斷開時,由于R1的存在,減慢了基極電荷的釋放,所以Ic不會馬上變?yōu)榱?。也就是說發(fā)射極接地型開關(guān)電路存在關(guān)

2、斷時間,不能直接應用于中高頻開關(guān)。1.2 實用的NPN型和PNP型開關(guān)原理圖1(添加加速電容: 解釋:當晶體管突然導通(IN信號突然發(fā)生跳變,C1瞬間短路,為三極管快速提供基極電流,這樣加速了晶體管的導通。當晶體管突然關(guān)斷(IN信號突然發(fā)生跳變,C1也瞬間導通,為卸放基極電荷提供一條低阻通道,這樣加速了晶體管的關(guān)斷。C通常取值幾十到幾百皮法。電路中R2是為了保證沒有IN輸入高電平時三極管保持關(guān)斷狀態(tài);R4是為了保證沒有IN輸入低電平時三極管保持關(guān)斷狀態(tài)。R1和R3是基極電流限流用。1.3 實用的NPN型開關(guān)原理圖2(消特基二極管鉗位: 1.4 實際電路設計在實際電路設計中需要考慮三極管Vceo

3、,Vcbo等滿足耐壓,三極管滿足集電極功耗;通過負載電流和hfe(取三極管最小hfe來計算計算基極電阻(要為基極電流留0.5至1倍的余量。注意消特基二極管反向耐壓。三極管開關(guān)電路設計三極管除了可以當做交流信號放大器之外,也可以做為開關(guān)之用。嚴格說起來,三極管與一般的機械接點式開關(guān)在動作上并不完全相同,但是它卻具有一些機械式開關(guān)所沒有的特點。圖1所示,即為三極管電子開關(guān)的基本電路圖。由下圖可知,負載電阻被直接跨接于三極管的集電極與電源之間,而位居三極管主電流的回 路上,圖1 基本的三極管開關(guān)輸入電壓Vin則控制三極管開關(guān)的開啟(open 與閉合(closed 動作,當三極管呈開啟狀態(tài)時,負載電流

4、便被阻斷,反之,當三極管呈閉合狀態(tài)時,電流便可以流通。詳細的說,當Vin為低電壓時,由于基極沒有電流,因此集電極亦無電流,致使連接于集電極端的負載亦沒有電流,而相當于開關(guān)的開啟,此時三極管乃勝作于截止(cut off區(qū)。同理,當Vin為高電壓時,由于有基極電流流動,因此使集電極流過更大的放大電流,因此負載回路便被導通,而相當于開關(guān)的閉合,此時三極管乃勝作于飽和區(qū)(saturation。838電子一、三極管開關(guān)電路的分析設計由于對硅三極管而言,其基射極接面之正向偏壓值約為0.6伏特,因此欲使三極管截止, Vin必須低于0.6伏特,以使三極管的基極電流為零。通常在設計時,為了可以更確定三極管必處于

5、截止狀態(tài)起見,往往使Vin值低于 0.3伏特。 (838電子資源當然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開關(guān)必處于截止狀態(tài)。欲將電流傳送到負載上,則三極管的集電極與射極必須短路,就像機械開關(guān)的閉合動作一樣。欲如此就必須使Vin達到夠高的準位,以驅(qū)動三極管使其進入飽和工作區(qū)工作,三極管呈飽和狀態(tài)時,集電極電流相當大,幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負載電阻上,如此則VcE便接近于0,而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下,根據(jù)奧姆定律三極管呈飽和時,其集電極電流應該為 因此,基極電流最少應為: (式1上式表出了IC和IB之間的基本關(guān)系,式中的值代表三極管的直流電流增益,對某些三極管而言

6、,其交流值和直流值之間,有著甚大的差異。欲使開關(guān)閉合,則其Vin值必須夠高,以送出超過或等于(式1 式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個電阻和基射極接面的串聯(lián)電路,故Vin可由下式來求解 式2一旦基極電壓超過或等于(式2 式所求得的數(shù)值,三極管便導通,使全部的供應電壓均跨在負載電阻上,而完成了開關(guān)的閉合動作?？偠灾?三極管接成圖1的電路之后,它的作用就和一只與負載相串聯(lián)的機械式開關(guān)一樣,而其啟閉開關(guān)的方式,則可以直接利用輸入電壓方便的控制,而不須采用機械式開關(guān)所常用的機械引動(mechanical actuator螺管柱塞(solenoid plunger或電驛電樞(relay a

7、rmature等控制方式。為了避免混淆起見,本文所介紹的三極管開關(guān)均采用NPN三極管,當然NPN三極管亦可以被當作開關(guān)來使用,只是比較不常見罷了。例題1試解釋出在圖2的開關(guān)電路中,欲使開關(guān)閉合(三極管飽和 所須的輸入電壓為何并解釋 出此時之負載電流與基極電流值解由2式可知,在飽和狀態(tài)下,所有的供電電壓完全跨降于負載電阻上,因此 由方程式(1 可知 因此輸入電壓可由下式求得 圖2 用三極管做為燈泡開關(guān)由例題1-1得知,欲利用三極管開關(guān)來控制大到1.5A的負載電流之啟閉動作,只須要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外,三極管雖然流過大電流,卻不須要裝上散熱片,因為當負載電流流過時,三極管呈飽和狀態(tài),

8、其VCE趨近于零,所以其電流和電壓相乘的功率之非常小,根本不須要散熱片。二、三極管開關(guān)與機械式開關(guān)的比較截至目前為止,我們都假設當三極管開關(guān)導通時,其基極與射極之間是完全短路的。事實并非如此,沒有任何三極管可以完全短路而使VCE=0,大多數(shù)的小信號硅質(zhì)三極管在飽和時, VCE(飽和 值約為0.2伏特,縱使是專為開關(guān)應用而設計的交換三極管,其VCE(飽和 值頂多也只能低到0.1伏特左右,而且負載電流一高,VCE(飽和 值還會有些許的上升現(xiàn)象,雖然對大多數(shù)的分析計算而言,VCE(飽和 值可以不予考慮,但是在測試交換電路時,必須明白VCE(飽和 值并非真的是0。雖然VCE(飽和的電壓很小,本身微不足

9、道,但是若將幾個三極管開關(guān)串接起來,其總和的壓降效應就很可觀了,不幸的是機械式的開關(guān)經(jīng)常是采用串接的方式來工作的,如圖3(a所示,三極管開關(guān)無法模擬機械式開關(guān)的等效電路(如圖3(b所示來工作,這是三極管開關(guān)的一大缺點。 圖3 三極管開關(guān)與機械式開關(guān)電路幸好三極管開關(guān)雖然不適用于串接方式,卻可以完美的適用于并接的工作方式,如圖4所示者即為一例。三極管開關(guān)和傳統(tǒng)的機械式開關(guān)相較,具有下列四大優(yōu)點 圖4三極管開關(guān)之并聯(lián)聯(lián)接(1三極管開關(guān)不具有活動接點部份,因此不致有磨損之慮,可以使用無限多次,一般的機械式開關(guān),由于接點磨損,頂多只能使用數(shù)百萬次左右,而且其接點易受污損而影響工作，因此無法在臟亂的環(huán)境下運作，三極管開關(guān)既無接點又是密封的，因此無此顧 慮。 （2） 三極管開關(guān)的動作速度較一般的開關(guān)為快， 一般開關(guān)的啟閉時間是以毫秒 (ms來計算 的，三極管開關(guān)則以微秒( s計。 （3） 三極管開關(guān)沒有躍動(bounce 現(xiàn)象。 一般的機械式開關(guān)在導通的