三极管开关电路图原理及设计详解.pdf

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ycc 路上, RL 图1基木的三极管廾关 输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open)与闭合 RE ( closed)动作,当三极管呈廾启状态时,负载电流使 被阻断,反之,当三极管旱闭合状态时,电流便可以流 通。详细的说,当Vin为低电压时,由于基极没有电流, 因此集电极亦无电流,致使连接于集电板端的负载亦没 有电流,而相当于开关的开启,此时三极管乃胜作」截止( cut off区。 冋理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动,因此使集电极流过更大的放大电流,因此 负载囯路使被导通,而相当于廾关的闭合,此时三极管乃胜作于饱和区( saturation)。838 电子 三极管廾关电路的分析设计 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,因此饮使三极管截止 Vin必须低」0.6伏特,以使三极管的基极电流为零。通常在设计时,为了可以更确定三极 管必处于截止状态起见,往往使vin值低于0.3伏特。(838电子资源)当然输入电压愈接 近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电沇传送到负载上,则三极管的集电 极与射极必须短路,就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vin达到够高的准位, 以驱动三极管使其进入饱和工作区工作,三极管呈饱和状态时,集电极电流相当大,儿乎使 得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上,如此则V便接近于0,而使三极管的集电极和射 极儿乎呈短嵱。在理想状况下,根据奥姆定律三极管呈饱和时,其集电极电流应该为: Vc Ic(饱和) R LD 因此,基极电流最少应为 IB(饱和)二 Ic(sat)vcc(式1) B BR 式表出了IC和邛B之间的基本关系,式中的β值代表三极管的直流电流增益,对某些三 极管而言,其交流β值和直流β值之间,有着甚大的差异。欲使开关闭合,则其Vin值必 须够高,以送岀趯过或等」(式1)式所要求的最低基极电流值。由」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: 式2) ⅵin=IB饱和RB+06V 且基极电压超过或等于(式2)式所求得的数值,三极管便Vn=+0.6VCB 导通,使全部的供应电压均跨在负载电阻上,而完成了开关 βRLD 的闭合动作。 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机槭式开关一样, 而其启闭开关的方式,则可以直接利用输入电压方便的控制,而不须采用机械式开关所常用 的机械引动( mechanical actuator)、螺管柱塞( solenoid plunger)或电驿电枢( relay armature)等控制方式。 为了避免混淆起见,本文所介绍的三极管开关均采用NN三极管,当然NPN三极管亦可以被 当作开关来使用,只是比较不常见哭了。 例题1 试解释岀在图2的开关电路中,欲使开关闭合(三极管饱和)所须的输入电压为何?并解释 出此时之负载电沇与基极电流值? Va 24V 解:山2式可知,在饱和状态下,所有的供电电压完1c饱和 =1.5A LD 16g2 全跨降于负载电阻上,因此 CC 24V =10mA 由方程式(1)可知 s和PRD(150)(16 Vin二IB饱和)RB+0.6V=10mA4K)+0.6V=10.6V 因此输入电压可由卜式求得 24v 图2用三极管做为灯泡开关 16由例题1-1得知,欲利用三极管开关来控制大到1.5A 的负载电流之启闭动作,只须要利用甚小的控制电压和 P=150电流可,此外,三极管跟然流过大电流,却不须要装 1K 上散热片,因为当负载电流流过时,三极管呈饱和状态, 其VE趋近于零,所以其电流和电压相乘的功率之非常 小,根本不须要散热片 三极管开关与机槭式开关的比较 截至目前为止,我们都假设当三极管开关导通时,其基极与射极之间是完全短路的。事实并 非如此,没有任何三极管可以完全短路而使VE=0,大多数的小信号硅质三极管在饱和时, VCE(饱和)值约为0.2伏特,纵使是专为开关应用而设计的交换三极管,其VCE(饱和)值 顶多也只能低到0.1伏特左右,而且负载电流晑,VCE(饱和)值还会有些许的上升现象, 虽然对人多数的分析计算而言,VCE(饱和)值可以不予考虑,但是在测试交换电路时,必须 明白VCE(饱和)值并非真的是0 虽然VCE(饱和)的电压很小,本身微不足道,但是若将几个三极管开关串接起来,其总和的 压降效应就很可观了 不幸的是机械式的开关经常是采用串接的方式来工作的,如图3(a)所示,三极管开关无法 模拟机槭式开关的等效电路(如图3(b)所示)来工作,这是三极管开关的一大缺点。 图3三极管开关与机械 式开关电路 (A)机械串联开关 幸好三极管开关虽然不 适用于串接方式,却可以 完美的适用于并接的工 B)三极管串联开关 作方式,如图4所示者即 为一例。 三极管廾关和传统的札械式廾关相较,具有卜列四大优点: Vcc 图4 负载 极管开关之 并联联接 (1)三极管 开关不具有 活动接点部 n 份,因此不 致有磨损之 虑,可以使 用无限多次, 般的杋械式廾关,由于接点磨损,顶多只能使用薮百万次左石,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般的开关为快,般开关的启闭时间是以亳秒(ms)来计算 的,三极管开关则以微秒qs)计。 (3)三极管开关没有跃动( bounce)现象。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)利用三极管丌关来驱动电感性负载时,在开关开启的瞬间,不致有火花产生。反之, 当机械式开关开启时,由于瞬间切断了电感性负载样上的电流,因此电感之瞬间感应电 压,将在接点上引起弧光,这科电弧非但会侵蚀接点的表面,亦可能造成干扰或危害

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