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三極管

【干貨】三極管開關(guān)電路圖原理及設(shè)計(jì)詳解

發(fā)布日期:2022-10-09 點(diǎn)擊率:193


晶體管開關(guān)電路(工作在飽和態(tài))在現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)應(yīng)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(dòng)能力一般而已。

TTL晶體管開關(guān)電路按驅(qū)動(dòng)能力分為小信號(hào)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(jí)跟隨開關(guān)電路。

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:

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上面的基本電路離實(shí)際設(shè)計(jì)電路還有些距離:由于晶體管基極電荷存儲(chǔ)積累效應(yīng)使晶體管從導(dǎo)通到斷開有一個(gè)過渡過程(當(dāng)晶體管斷開時(shí),由于R1的存在,減慢了基極電荷的釋放,所以Ic不會(huì)馬上變?yōu)榱悖R簿褪钦f發(fā)射極接地型開關(guān)電路存在關(guān)斷時(shí)間,不能直接應(yīng)用于中高頻開關(guān)。

1.2 實(shí)用的NPN型和PNP型開關(guān)原理圖1(添加加速電容)

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解釋:當(dāng)晶體管突然導(dǎo)通(IN信號(hào)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(dǎo)通。當(dāng)晶體管突然關(guān)斷(IN信號(hào)突然發(fā)生跳變),C1也瞬間導(dǎo)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(shí)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(shí)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(shí)用的NPN型開關(guān)原理圖2(消特基二極管鉗位)

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解釋:由于消特基二極管Vf為0.2至0.4V比Vbe小,所以當(dāng)晶體管導(dǎo)通后大部分的基極電流是從二極管然后通過三極管到地的,這樣流到三極管基極的電流就很小,積累起來的電荷也少,當(dāng)晶體管關(guān)斷(IN信號(hào)突然發(fā)生跳變)時(shí)需要卸放的電荷少,關(guān)斷自然就快。

1.4 實(shí)際電路設(shè)計(jì)

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中需要考慮三極管Vceo,Vcbo等滿足耐壓,三極管滿足集電極功耗;通過負(fù)載電流和hfe(取三極管最小hfe來計(jì)算)計(jì)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(shè)計(jì)

三極管除了可以當(dāng)做交流信號(hào)放大器之外,也可以做為開關(guān)之用。嚴(yán)格說起來,三極管與一般的機(jī)械接點(diǎn)式開關(guān)在動(dòng)作上并不完全相同,但是它卻具有一些機(jī)械式開關(guān)所沒有的特點(diǎn)。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(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,

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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(dòng)作,當(dāng)三極管呈開啟狀態(tài)時(shí),負(fù)載電流便被阻斷,反之,當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí),電流便可以流通。詳細(xì)的說,當(dāng)Vin為低電壓時(shí),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(fù)載亦沒有電流,而相當(dāng)于開關(guān)的開啟,此時(shí)三極管乃勝作于截止(cutoff)區(qū)。

同理,當(dāng)Vin為高電壓時(shí),由于有基極電流流動(dòng),因此使集電極流過更大的放大電流,因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通,而相當(dāng)于開關(guān)的閉合,此時(shí)三極管乃勝作于飽和區(qū)(saturation)。838電子

1、三極管開關(guān)電路的分析設(shè)計(jì)

由于對(duì)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(jì)時(shí),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。(838電子資源)當(dāng)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?fàn)顟B(tài)。欲將電流傳送到負(fù)載上,則三極管的集電極與射極必須短路,就像機(jī)械開關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。欲如此就必須使Vin達(dá)到夠高的準(zhǔn)位,以驅(qū)動(dòng)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(shí),集電極電流相當(dāng)大,幾乎使得整個(gè)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(shí),其集電極電流應(yīng)該為﹕

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因此,基極電流最少應(yīng)為:

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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(duì)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(gè)電阻和基射極接面的串聯(lián)電路,故Vin可由下式來求解﹕

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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(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(dòng)作。

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