三極管開關(guān)電路

1.基本原理


? ? 三極管除了可以當(dāng)做交流信號放大器之外,也可以做為開關(guān)之用。

如:


? 負(fù)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)的開啟與閉合的動作。

? 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?fàn)顟B(tài)起見,往往使Vin值低于 0.3伏特。

? ?欲使Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位,以驅(qū)動三極管使其進(jìn)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(dāng)大,幾乎使得整個電源電壓Vcc均跨在負(fù)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,基級電流最少應(yīng)為

? Vin值可以由下式來解:


? 一旦基極電壓超過或等于上式所求得的數(shù)值,三極管便導(dǎo)通,使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電阻上,而完成了開關(guān)的閉合動作。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

??我們常把基極與射極之間當(dāng)做完全短路的。但事實(shí)并非如此,沒用什么三極管可完全短路而使VCE=0,盡管VCE(飽和)的電壓很小,本身微不足道,但你把幾個三極管串連進(jìn)行工作時,其壓降就非??捎^了,但并聯(lián)方式工作卻是完美適用的。


2.測試


??三極管開關(guān)不像機(jī)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。在標(biāo)準(zhǔn)三極管開關(guān)電路中,當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時,VEC的讀值應(yīng)該為0,反之當(dāng)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(fù)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(jī)械式開關(guān)是完全相同的。如果開關(guān)本身應(yīng)導(dǎo)通而未導(dǎo)通,那就得測試Vin的大小了。欲保證三極管導(dǎo)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(zhǔn)位夠高,驅(qū)動三極管導(dǎo)通絕無問題時,而負(fù)載卻仍未導(dǎo)通,那就要測試電源電壓是否正常了。

??在導(dǎo)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(dāng)然這一準(zhǔn)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(dá)到1.5伏特,也未必就能肯定三極管的接面損壞,這時候最好先查閱三極管規(guī)格表后再下斷言。

??一旦VBE正常且有基極電流流動時,便必須測試VCE值,假使VCE趨近于VCC,就表示三極管的集基接面損壞,必須換掉三極管。假使VCE趨近于零伏特,而負(fù)載仍未導(dǎo)通,這可能是負(fù)載本身有開路現(xiàn)象發(fā)生,因此必須檢換負(fù)載。

??當(dāng)Vin降為低電壓準(zhǔn)位,三極管理應(yīng)截止而切斷負(fù)載,如果負(fù)載仍舊未被切斷,那可能是三極管的集基極和集射極短路,必須加以置換。

3.改進(jìn)電路


(1)

??圖左,在基射極間串接上一只二極管,因此使得可令基極電流導(dǎo)通的輸入電壓值提升了0.6伏特,如此即使Vin值由于信號源的誤動作而接近0.6伏特時,亦不致使三極管導(dǎo)通,因此開關(guān)仍可處于截止?fàn)顟B(tài)。圖6右加上了一只輔助-截止(hold-off)電阻R2,適當(dāng)?shù)腞1,R2及Vin值設(shè)計,可于臨界輸入電壓時確保開關(guān)截止。由圖6(b)可知在基射極接面未導(dǎo)通前(IB0),R1和R2形成一個串聯(lián)分壓電路,因此R1必跨過固定(隨Vin而變) 的分電壓,所以基極電壓必低于Vin值,因此即使Vin接近于臨界值(Vin=0.6伏特) ,基極電壓仍將受連接于負(fù)電源的輔助-截止電阻所拉下,使低于0.6伏特。由于R1,R2及VBB值的刻意設(shè)計,只要Vin在高值的范圍內(nèi),基極仍將有足夠的電壓值可使三極管導(dǎo)通,不致受到輔助-截止電阻的影響。

(2)


??在要求快速切換動作的應(yīng)用中,必須加快三極管開關(guān)的切換速度。圖7為一種常見的方式,此方法只須在RB電阻上并聯(lián)一只加速電容器,如此當(dāng)Vin由零電壓往上升并開始送電流至基極時,電容器由于無法瞬間充電,故形同短路,然而此時卻有瞬間的大電流由電容器流向基極,因此也就加快了開關(guān)導(dǎo)通的速度。稍后,待充電完畢后,電容就形同開路,而不影響三極管的正常工作。

(3)


??有時候三極管開關(guān)的負(fù)載并非直接加在集電極與電源之間,而是接成上圖的方式。

(4)

??假使圖3三極管開關(guān)加上了電容性負(fù)載(假定其與RLD并聯(lián)) ,那么在三極管截止后,由于負(fù)載電壓必須經(jīng)由RC電阻對電容慢慢充電而建立,因此電容量或電阻值愈大,時間常數(shù)(RC) 便愈大,而使得負(fù)載電壓之上升速率愈慢,在某些應(yīng)用中,這種現(xiàn)象是不容許的,因此必須采用上圖的改良電路。

(5)

??有時信號源(如正反器)輸出電路之電流容量太小,不足以驅(qū)動晶體管開關(guān),此時為避免信號源不勝負(fù)荷而產(chǎn)生誤動作,便須采用圖上圖所示的改良電路。

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