晶(jing)(jing)體管開關(guan)電路(lu)(工作在(zai)(zai)飽和(he)態)在(zai)(zai)現(xian)代電路(lu)設計應用中屢見不鮮,經典(dian)的74LS,74ALS等(deng)集成(cheng)電路(lu)內(nei)部都使用了(le)晶(jing)(jing)體管開關(guan)電路(lu),只是驅動能力一般(ban)而(er)已。
TTL晶(jing)體管開關(guan)電(dian)(dian)(dian)路(lu)按驅(qu)動能力分為小信(xin)號開關(guan)電(dian)(dian)(dian)路(lu)和(he)功率(lv)開關(guan)電(dian)(dian)(dian)路(lu);按晶(jing)體管連接方式分為發(fa)射(she)極接地(di)(PNP晶(jing)體管發(fa)射(she)極接電(dian)(dian)(dian)源)和(he)射(she)級(ji)跟隨開關(guan)電(dian)(dian)(dian)路(lu)。
1.發(fa)射(she)極(ji)接(jie)地開(kai)關電路
1.1NPN型和PNP型基本開關原(yuan)理(li)圖:
上面的(de)基(ji)本電(dian)路離實際設計電(dian)路還有些距離:由于晶體管(guan)基(ji)極電(dian)荷存(cun)(cun)儲積累效(xiao)應使晶體管(guan)從(cong)導通到斷(duan)開(kai)有一個過(guo)渡(du)過(guo)程(cheng)(當晶體管(guan)斷(duan)開(kai)時,由于R1的(de)存(cun)(cun)在,減慢了基(ji)極電(dian)荷的(de)釋放,所以Ic不會馬上變為零)。也就是說發射極接(jie)地型(xing)開(kai)關(guan)(guan)電(dian)路存(cun)(cun)在關(guan)(guan)斷(duan)時間,不能直(zhi)接(jie)應用于中高頻開(kai)關(guan)(guan)。
1.2實用的NPN型和(he)PNP型開(kai)關原理圖1(添加(jia)加(jia)速電容)
解釋(shi):當晶(jing)(jing)(jing)體(ti)管(guan)突然導通(IN信號突然發(fa)生(sheng)跳(tiao)變),C1瞬間短路,為(wei)三(san)極管(guan)快速提供基極電(dian)流,這樣加速了(le)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)管(guan)的(de)導通。當晶(jing)(jing)(jing)體(ti)管(guan)突然關斷(duan)(IN信號突然發(fa)生(sheng)跳(tiao)變),C1也瞬間導通,為(wei)卸放基極電(dian)荷提供一條低阻(zu)通道,這樣加速了(le)晶(jing)(jing)(jing)體(ti)管(guan)的(de)關斷(duan)。C通常取值幾十到幾百皮法(fa)。電(dian)路中R2是為(wei)了(le)保證沒(mei)(mei)有IN輸(shu)入(ru)高(gao)電(dian)平(ping)時(shi)三(san)極管(guan)保持關斷(duan)狀態;R4是為(wei)了(le)保證沒(mei)(mei)有IN輸(shu)入(ru)低電(dian)平(ping)時(shi)三(san)極管(guan)保持關斷(duan)狀態。R1和R3是基極電(dian)流限流用。
1.3實用的NPN型開關原理圖2(消特基二極管鉗位)
解釋:由(you)于消特基二極(ji)(ji)管Vf為(wei)0.2至(zhi)0.4V比Vbe小(xiao)(xiao),所以當(dang)晶體管導通后大(da)部(bu)分(fen)的(de)基極(ji)(ji)電流(liu)是從二極(ji)(ji)管然后通過三極(ji)(ji)管到(dao)地的(de),這樣流(liu)到(dao)三極(ji)(ji)管基極(ji)(ji)的(de)電流(liu)就(jiu)很小(xiao)(xiao),積累起來的(de)電荷(he)也(ye)少(shao),當(dang)晶體管關斷(IN信號(hao)突然發生跳變)時需要卸放的(de)電荷(he)少(shao),關斷自然就(jiu)快。
1.4實際電(dian)路(lu)設計
在實(shi)際電(dian)路設計(ji)中需要考慮三(san)極(ji)管(guan)Vceo,Vcbo等滿(man)足耐(nai)壓,三(san)極(ji)管(guan)滿(man)足集電(dian)極(ji)功耗;通過(guo)負載電(dian)流和hfe(取三(san)極(ji)管(guan)小(xiao)hfe來計(ji)算(suan))計(ji)算(suan)基極(ji)電(dian)阻(要為基極(ji)電(dian)流留0.5至(zhi)1倍的(de)余量)。注意消特基二極(ji)管(guan)反向耐(nai)壓。
三極管開關(guan)電路(lu)設計
三(san)極管(guan)除(chu)了(le)可以當做交流信號放大(da)器之外,也可以做為(wei)(wei)開(kai)(kai)關(guan)(guan)之用。嚴格說起來,三(san)極管(guan)與一般的機械接(jie)點(dian)式開(kai)(kai)關(guan)(guan)在動(dong)作上并不完全(quan)相同(tong),但是它(ta)卻具有(you)一些機械式開(kai)(kai)關(guan)(guan)所沒有(you)的特點(dian)。圖1所示,即(ji)為(wei)(wei)三(san)極管(guan)電(dian)子開(kai)(kai)關(guan)(guan)的基本(ben)電(dian)路圖。
由下(xia)圖(tu)可知(zhi),負載電(dian)阻被(bei)直接跨接于三(san)極管的集電(dian)極與電(dian)源之(zhi)間,而位居(ju)三(san)極管主電(dian)流的回路上,
圖1基本的三極(ji)管開關
輸入電(dian)壓Vin則控制三極管(guan)開(kai)(kai)關的(de)開(kai)(kai)啟(qi)(open)與閉合(he)(closed)動作,當三極管(guan)呈(cheng)開(kai)(kai)啟(qi)狀態(tai)時,負載電(dian)流(liu)便被(bei)阻(zu)斷,反之(zhi),當三極管(guan)呈(cheng)閉合(he)狀態(tai)時,電(dian)流(liu)便可以流(liu)通。詳細的(de)說,當Vin為低電(dian)壓時,由(you)于(yu)(yu)基(ji)極沒有(you)電(dian)流(liu),因此(ci)集電(dian)極亦無電(dian)流(liu),致使(shi)連接于(yu)(yu)集電(dian)極端的(de)負載亦沒有(you)電(dian)流(liu),而(er)相當于(yu)(yu)開(kai)(kai)關的(de)開(kai)(kai)啟(qi),此(ci)時三極管(guan)乃勝作于(yu)(yu)截(jie)止(cutoff)區。
同理,當Vin為高電(dian)(dian)(dian)壓時,由于(yu)有(you)基極電(dian)(dian)(dian)流(liu)流(liu)動,因此使集(ji)電(dian)(dian)(dian)極流(liu)過更大的放(fang)大電(dian)(dian)(dian)流(liu),因此負載(zai)回路便被導(dao)通,而(er)相當于(yu)開(kai)關(guan)的閉合(he),此時三極管乃勝作(zuo)于(yu)飽和區(saturation)。838電(dian)(dian)(dian)子
一、三極管(guan)開關電路的分析設計
由(you)于對硅三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管而言,其(qi)基射極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)接面(mian)之正(zheng)向偏(pian)壓(ya)值約(yue)為0.6伏特,因(yin)此欲使(shi)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管截(jie)止(zhi),Vin必(bi)(bi)(bi)須(xu)低(di)于0.6伏特,以(yi)使(shi)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管的(de)(de)基極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)流(liu)(liu)為零(ling)(ling)。通常在設計時(shi),為了可以(yi)更(geng)確(que)定三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管必(bi)(bi)(bi)處(chu)于截(jie)止(zhi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)起見(jian),往往使(shi)Vin值低(di)于0.3伏特。(838電(dian)(dian)子資(zi)源(yuan))當(dang)然輸入電(dian)(dian)壓(ya)愈接近零(ling)(ling)伏特便(bian)(bian)愈能保(bao)證三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管開關(guan)必(bi)(bi)(bi)處(chu)于截(jie)止(zhi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。欲將(jiang)電(dian)(dian)流(liu)(liu)傳送到(dao)負(fu)載(zai)上,則三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管的(de)(de)集(ji)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)與射極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)必(bi)(bi)(bi)須(xu)短路,就(jiu)像機械開關(guan)的(de)(de)閉合動作(zuo)一(yi)樣。欲如此就(jiu)必(bi)(bi)(bi)須(xu)使(shi)Vin達到(dao)夠高的(de)(de)準位,以(yi)驅(qu)動三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管使(shi)其(qi)進入飽和(he)工(gong)作(zuo)區工(gong)作(zuo),三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管呈飽和(he)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)時(shi),集(ji)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)流(liu)(liu)相當(dang)大(da),幾乎使(shi)得整(zheng)個電(dian)(dian)源(yuan)電(dian)(dian)壓(ya)Vcc均(jun)跨在負(fu)載(zai)電(dian)(dian)阻上,如此則VcE便(bian)(bian)接近于0,而使(shi)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管的(de)(de)集(ji)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)射極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)幾乎呈短路。在理想狀(zhuang)(zhuang)況下,根據奧(ao)姆定律(lv)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管呈飽和(he)時(shi),其(qi)集(ji)電(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)流(liu)(liu)應該為﹕
因此,基極電流少應為:
上式表(biao)出(chu)(chu)了IC和IB之間(jian)(jian)的(de)基本關系,式中的(de)β值(zhi)代表(biao)三極(ji)(ji)(ji)管的(de)直流(liu)電(dian)流(liu)增益(yi),對某些三極(ji)(ji)(ji)管而言,其交流(liu)β值(zhi)和直流(liu)β值(zhi)之間(jian)(jian),有著甚大的(de)差(cha)異。欲使開(kai)關閉(bi)合,則(ze)其Vin值(zhi)必須夠高,以送出(chu)(chu)超過或等于(式1)式所(suo)要求(qiu)的(de)低基極(ji)(ji)(ji)電(dian)流(liu)值(zhi)。由(you)于基極(ji)(ji)(ji)回(hui)路只是一個電(dian)阻和基射極(ji)(ji)(ji)接面的(de)串聯電(dian)路,故(gu)Vin可由(you)下(xia)式來(lai)求(qiu)解﹕
式2)
一旦基極電(dian)壓(ya)超過或等于(式2)式所(suo)求得(de)的數(shu)值,三極管便導通,使全部的供應電(dian)壓(ya)均(jun)跨在負載電(dian)阻(zu)上,而完成(cheng)了(le)開關的閉合動作。
總而言之,三極管接(jie)成圖1的電(dian)路之后,它的作用就和一(yi)只與負載相串聯的機械式(shi)(shi)開(kai)關一(yi)樣(yang),而其(qi)啟閉(bi)開(kai)關的方式(shi)(shi),則可以直(zhi)接(jie)利(li)用輸入電(dian)壓(ya)方便(bian)的控制,而不須(xu)采用機械式(shi)(shi)開(kai)關所(suo)常用的機械引(yin)動(mechanicalactuator)﹑螺管柱塞(sai)(solenoidplunger)或電(dian)驛電(dian)樞(relayarmature)等控制方式(shi)(shi)。
為了避(bi)免混淆起見,本(ben)文所介紹的三(san)極管(guan)開(kai)關均采用NPN三(san)極管(guan),當(dang)然NPN三(san)極管(guan)亦可以(yi)被當(dang)作開(kai)關來使用,只是比較不常見罷了。
例題1
試解釋出(chu)(chu)在圖2的開關電(dian)路中(zhong),欲使開關閉(bi)合(he)(三極管飽和)所須的輸入電(dian)壓為何?并解釋出(chu)(chu)此時之負載電(dian)流與基極電(dian)流值?
解(jie)﹕由2式可知(zhi),在飽和狀態下,所(suo)有的供電電壓完全(quan)跨降于負載(zai)電阻上,因此
由(you)方程式(1)可知
因此輸入電壓(ya)可由下式求得
圖2用三(san)極管做為燈(deng)泡開關
由例題(ti)1-1得(de)知,欲利用三(san)極(ji)管(guan)開關來(lai)控制大(da)到(dao)1.5A的負載電(dian)(dian)流(liu)之啟閉動(dong)作,只須要利用甚小(xiao)的控制電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流(liu)即可(ke)。此外,三(san)極(ji)管(guan)雖然流(liu)過大(da)電(dian)(dian)流(liu),卻(que)不須要裝上散熱(re)片,因為當負載電(dian)(dian)流(liu)流(liu)過時(shi),三(san)極(ji)管(guan)呈飽和狀態,其(qi)VCE趨近(jin)于零(ling),所(suo)以其(qi)電(dian)(dian)流(liu)和電(dian)(dian)壓(ya)相乘的功率之非常(chang)小(xiao),根本不須要散熱(re)片。
二、三極管(guan)開關(guan)與機械式開關(guan)的(de)比較
截至目前為(wei)止,我們都(dou)假設當三(san)(san)(san)極(ji)(ji)(ji)管開關(guan)導(dao)通(tong)時,其基極(ji)(ji)(ji)與射極(ji)(ji)(ji)之(zhi)間是(shi)完全(quan)短路(lu)的(de)。事實并非如此,沒有任何三(san)(san)(san)極(ji)(ji)(ji)管可(ke)以完全(quan)短路(lu)而(er)使(shi)VCE=0,大多數(shu)的(de)小信號(hao)硅質(zhi)三(san)(san)(san)極(ji)(ji)(ji)管在飽(bao)和(he)時,VCE(飽(bao)和(he))值(zhi)(zhi)約為(wei)0.2伏特,縱(zong)使(shi)是(shi)專為(wei)開關(guan)應用而(er)設計的(de)交換三(san)(san)(san)極(ji)(ji)(ji)管,其VCE(飽(bao)和(he))值(zhi)(zhi)頂多也只能低(di)到(dao)0.1伏特左(zuo)右,而(er)且負載電(dian)流一高,VCE(飽(bao)和(he))值(zhi)(zhi)還會(hui)有些許的(de)上升現(xian)象,雖然對大多數(shu)的(de)分析計算而(er)言,VCE(飽(bao)和(he))值(zhi)(zhi)可(ke)以不予考慮(lv),但是(shi)在測試交換電(dian)路(lu)時,必須(xu)明白VCE(飽(bao)和(he))值(zhi)(zhi)并非真(zhen)的(de)是(shi)0。
雖然VCE(飽和)的(de)電壓很小,本身微不足道,但(dan)是(shi)(shi)(shi)若將幾個三極管(guan)(guan)開(kai)(kai)關(guan)(guan)串(chuan)接起(qi)來(lai),其(qi)總和的(de)壓降效應就很可觀了,不幸的(de)是(shi)(shi)(shi)機(ji)(ji)械式的(de)開(kai)(kai)關(guan)(guan)經常是(shi)(shi)(shi)采用串(chuan)接的(de)方式來(lai)工作的(de),如圖(tu)3(a)所示,三極管(guan)(guan)開(kai)(kai)關(guan)(guan)無法模(mo)擬機(ji)(ji)械式開(kai)(kai)關(guan)(guan)的(de)等效電路(如圖(tu)3(b)所示)來(lai)工作,這是(shi)(shi)(shi)三極管(guan)(guan)開(kai)(kai)關(guan)(guan)的(de)一大缺點。
圖3三極管開關與(yu)機械(xie)式(shi)開關電路
幸(xing)好(hao)三(san)極(ji)管開(kai)關雖然(ran)不適用于串接方式,卻可(ke)以完美的(de)適用于并接的(de)工作方式,如圖(tu)4所示者即(ji)為一例。
三極管開關(guan)和(he)傳統(tong)的機(ji)械式開關(guan)相較,具有下列(lie)四大優點(dian)﹕
圖4三極管開關之并聯(lian)聯(lian)接
(1)三極管(guan)開關不(bu)具有活(huo)動接點部份,因此不(bu)致有磨損之慮(lv),可(ke)以使用無限多次,
一般的機械式開關,由于接點(dian)磨(mo)損,頂多只(zhi)能使(shi)用(yong)數百萬(wan)次左(zuo)右,而且其接點(dian)易受污損而影響工(gong)作,因此(ci)無法(fa)在(zai)臟(zang)亂(luan)的環(huan)境下運(yun)作,三極管(guan)開關既(ji)無接點(dian)又(you)是密封的,因此(ci)無此(ci)顧(gu)慮(lv)。
(2)三(san)極管(guan)開(kai)關(guan)的(de)動作速(su)度較一(yi)般(ban)的(de)開(kai)關(guan)為(wei)快,一(yi)般(ban)開(kai)關(guan)的(de)啟閉時間是以毫(hao)秒(ms)來計算(suan)的(de),三(san)極管(guan)開(kai)關(guan)則以微(wei)秒(μs)計。
(3)三極(ji)管開(kai)關沒(mei)有(you)(you)躍(yue)動(bounce)現象(xiang)。一般的機械(xie)式開(kai)關在導通(tong)的瞬(shun)間(jian)會(hui)有(you)(you)快速(su)的連續啟閉動作(zuo),然(ran)后才能逐漸達到穩定(ding)狀(zhuang)態。
(4)利用三極管開(kai)(kai)關(guan)(guan)來(lai)驅動(dong)電(dian)感(gan)性負載(zai)時,在開(kai)(kai)關(guan)(guan)開(kai)(kai)啟的瞬間(jian),不致有火花產生。反(fan)之,當機械式開(kai)(kai)關(guan)(guan)開(kai)(kai)啟時,由于瞬間(jian)切(qie)斷(duan)了(le)電(dian)感(gan)性負載(zai)樣上的電(dian)流,因此電(dian)感(gan)之瞬間(jian)感(gan)應(ying)電(dian)壓,將在接點上引起弧(hu)光,這種電(dian)弧(hu)非但會侵(qin)蝕接點的表(biao)面(mian),亦可能造(zao)成干擾(rao)或危害。