三極管開關(guān)電路設(shè)計參考
引言
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。
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)。
1 三極管開關(guān)電路的分析設(shè)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(shè)計時,為了可以更確定三極管必處于截止狀態(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(yīng)該為:
因此,基極電流最少應(yīng)為:
上式表出了IC和IB之間的基本關(guān)系,式中的β值代表三極管的直流電流增益,對某些三極管而言,其交流β值和直流β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:
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(yīng)電壓均跨在負載電阻上,而完成了開關(guān)的閉合動作。
總而言之,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 armature)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。
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)
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),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。
2 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(shè)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(yīng)用而設(shè)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(yīng)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﹕
?。?)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。
?。?)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(μs)計。
?。?)三極管開關(guān)沒有躍動(bounce) 現(xiàn)象。一般的機械式開關(guān)在導通的瞬間會有快速的連續(xù)啟閉動作,然后才能逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。
?。?)利用三極管開關(guān)來驅(qū)動電感性負載時,在開關(guān)開啟的瞬間,不致有火花產(chǎn)生。反之,當機械式開關(guān)開啟時,由于瞬間切斷了電感性負載樣 上的電流,因此電感之瞬間感應(yīng)電壓,將在接點上引起弧光,這種電弧非但會侵蝕接點的表面,亦可能造成干擾或危害。
圖4 三極管開關(guān)之并聯(lián)聯(lián)接
3 三極管開關(guān)的測試
三極管開關(guān)不像機械式開關(guān)可以光憑肉眼就判斷出它目前的啟閉狀態(tài),因此必須利用電表來加以測試。在圖5所示的標準三極管開關(guān)電路中,當開關(guān)導通時,VEC的讀值應(yīng)該為0,反之當開關(guān)切斷時,VCE應(yīng)對于VCC。
三極管開關(guān)在切斷的狀況下,由于負載上沒有電流流過,因此也沒有壓降,所以全部的供應(yīng)電壓均跨降在開關(guān)的兩端,因此其VCE值應(yīng)等于VCC,這和機械式開關(guān)是完全相同的。如果開關(guān)本身應(yīng)導通而未導通,那就得測試Vin的大小了。欲保證三極管導通,其基極的Vin電壓值就必須夠高,如果Vin值過低,則問題就出自信號源而非三極管本身了。假使在Vin的準位夠高,驅(qū)動三極管導通絕無問題時,而負載卻仍未導通,那就要測試電源電壓是否正常了。
在導通的狀態(tài)下,硅三極管的VBE值約為0.6伏特,假使Vin值夠高,而VBE值卻高于和低于0.6伏特,例如VBE為1.5伏特或0.2伏特,這表示基射極接面可能已經(jīng)損壞,必須將三極管換掉。當然這一準則也未必百分之百正確,許多大電流額定的功率三極管,其VBE值經(jīng)常是超過1伏特的,因此即使 VBE的讀值達到1.5
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