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三极管开关电路设计详细过程

作者:dolphin时间:2012-10-31

三极管除了可以当做交流信号放大器之外,也可以做为开关之用。严格说起来,三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同,但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示,即为三极管电子开关的基本电路图。由下图可知,负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间,而位居三极管主电流的回路上。


输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作,当三极管呈开启状态时,负载电流便被阻断,反之,当三极管呈闭合状态时,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,致使连接于集电极端的负载亦没有电流,而相当于开关的开启,此时三极管乃胜作于截止(cut off)区。
同理,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,因此负载回路便被导通,而相当于开关的闭合,此时三极管乃胜作于饱和区(saturation)。
一、三极管开关电路的分析设计
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,因此欲使三极管截止,Vin必须低于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。欲将电流传送到负载上,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,几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上,如此则VcE便接近于0,而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。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s


因此,基极电流最少应为:




图9 图腾式三极管开关
图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所构成的,它也因此而得名。欲使负载获能,必须使Q1三极管导通,同时使Q2三极管截断,如此负载便可经由Q1而连接至VCC上,欲使负载去能,必须使Q1三极管截断,同时使Q2三极管导通,如此负载将经由Q2接地。由于Q1的集电极除了极小的接点电阻外,几乎没有任何电阻存在(如图9所示) ,因此负载几乎是直接连接到正电源上的,也因此当Q1导通时,就再也没有电容的慢速充电现象存在了。所以可说Q1“将负载拉起”,而称之为“挽起 (pull up) 三极管”,Q2则称为“拉下(pull down) 三极管”。图9左半部的输入控制电路,负责Q1和Q2三极管的导通与截断控制,但是必须确保Q1和Q2使不致同时导通,否则将使VCC和地之间经由Q1和 Q2而形同短路,果真如此,则短路的大电流至少将使一只三极管烧毁。因此图腾式三极管开关绝对不可如图6-4般地采用并联方式来使用,否则只要图腾上方的三极管Q1群中有任一只导通,而下方的Q2群中又恰好有一只导通,电源便经由导通之Q1和Q2短路,而造成严重的后果。
第三节 三极管开关之应用
晶体管开关最常见的应用之一,是用以驱动指示灯,利用指示灯可以指示电路某特定点的动作状况,亦可以指示马达的控制器是否被激励,此外亦可以指示某一限制开关是否导通或是某一数字电路是否处于高电位状态。
举例而言,图10(a)即是利用晶体管开关来指示一只数字正反器(flip-flop)的输出状态。假使正反器的输出为高准位(一般为5伏特) ,晶体管开关便被导通,而令指示灯发亮,因此操作员只要一看指示灯,便可以知道正反器目前的工作状况,而不须要利用电表去检测。
有时信号源(如正反器)输出电路之电流容量太小,不足以驱动晶体管开关,此时为避免信号源不胜负荷而产生误动作,便须采用图10(b) 所示的改良电路,当输出为高准位时,先驱动射极随耦晶体管Q1做电流放大后,


(a) 基本电路图 (b) 改良电路

再使Q2导通而驱动指示灯,由于射极随耦级的输入阻抗相当高,因此正反器之须要提供少量的输入电流,便可以得到满意的工作。
数字显示器图10(a)之电路经常被使用于数字显示器上。
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械式开关的等效电路(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
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作方式,如图4所示者即为一例。三极管开关和传统的机械式开关相较,具有下列四大优点s


图4三极管开关之并联联接
(1)三极管开关不具有活动接点部份,因此不致有磨损之虑,可以使用无限多次,一般的机械式开关,由于接点磨损,顶多只能使用数百万 次左右,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一般的开关为快,一般开关的启闭时间是以毫秒 (ms)来计算的,三极管开关则以微秒(μs)计。
(3)三极管开关没有跃动(bounce) 现象。一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)利用三极管开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,这种电弧非但会侵蚀接点的表面,亦可能造成干扰或危害。
三、三极管开关的测试



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