晶(jing)體管開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)(lu)(工作在(zai)飽和態)在(zai)現代電(dian)路(lu)(lu)設計(ji)應用(yong)中屢見不鮮,經典的74LS,74ALS等集成電(dian)路(lu)(lu)內部都使用(yong)了晶(jing)體管開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)(lu),只是驅動(dong)能(neng)力一般而已。
TTL晶體(ti)管開關電(dian)路(lu)(lu)(lu)按(an)驅動能力分(fen)為(wei)小信(xin)號開關電(dian)路(lu)(lu)(lu)和(he)功率開關電(dian)路(lu)(lu)(lu);按(an)晶體(ti)管連接(jie)方式分(fen)為(wei)發(fa)射(she)極接(jie)地(PNP晶體(ti)管發(fa)射(she)極接(jie)電(dian)源(yuan))和(he)射(she)級跟隨開關電(dian)路(lu)(lu)(lu)。
1.發射極接地開關電(dian)路
1.1NPN型和(he)PNP型基本開關原理圖:
上(shang)面的(de)基(ji)(ji)(ji)本電路(lu)離實際設計電路(lu)還有(you)些(xie)距離:由于(yu)晶體管基(ji)(ji)(ji)極電荷存(cun)(cun)儲積累效應使晶體管從導通到(dao)斷開(kai)(kai)有(you)一個過(guo)渡過(guo)程(當晶體管斷開(kai)(kai)時,由于(yu)R1的(de)存(cun)(cun)在(zai),減慢(man)了基(ji)(ji)(ji)極電荷的(de)釋(shi)放,所以(yi)Ic不會馬(ma)上(shang)變為(wei)零(ling))。也就是(shi)說發射極接(jie)地型開(kai)(kai)關電路(lu)存(cun)(cun)在(zai)關斷時間,不能直接(jie)應用于(yu)中(zhong)高頻開(kai)(kai)關。
1.2實用(yong)的NPN型(xing)和(he)PNP型(xing)開關原理圖1(添加加速電容(rong))
解釋:當晶體管突(tu)然(ran)導(dao)通(tong)(IN信號突(tu)然(ran)發生(sheng)跳(tiao)變),C1瞬間短路,為(wei)三(san)(san)極(ji)管快速提供(gong)基極(ji)電流,這樣加速了(le)(le)晶體管的導(dao)通(tong)。當晶體管突(tu)然(ran)關斷(duan)(duan)(IN信號突(tu)然(ran)發生(sheng)跳(tiao)變),C1也(ye)瞬間導(dao)通(tong),為(wei)卸放基極(ji)電荷提供(gong)一(yi)條低(di)阻(zu)通(tong)道,這樣加速了(le)(le)晶體管的關斷(duan)(duan)。C通(tong)常取值(zhi)幾(ji)十(shi)到幾(ji)百皮法。電路中R2是為(wei)了(le)(le)保(bao)證(zheng)沒有(you)IN輸入高電平時三(san)(san)極(ji)管保(bao)持(chi)關斷(duan)(duan)狀態;R4是為(wei)了(le)(le)保(bao)證(zheng)沒有(you)IN輸入低(di)電平時三(san)(san)極(ji)管保(bao)持(chi)關斷(duan)(duan)狀態。R1和R3是基極(ji)電流限流用。
1.3實用(yong)的NPN型開(kai)關原理圖2(消特(te)基二極(ji)管鉗位)
解釋:由(you)于消(xiao)特(te)基二極(ji)管Vf為(wei)0.2至0.4V比Vbe小(xiao),所以(yi)當晶體管導通后(hou)大部分的(de)基極(ji)電(dian)流是從二極(ji)管然后(hou)通過三極(ji)管到(dao)地的(de),這樣流到(dao)三極(ji)管基極(ji)的(de)電(dian)流就很(hen)小(xiao),積累起(qi)來的(de)電(dian)荷也少(shao),當晶體管關斷(IN信(xin)號(hao)突(tu)然發生跳變)時需(xu)要卸放的(de)電(dian)荷少(shao),關斷自(zi)然就快。
1.4實際電路設(she)計(ji)
在實際(ji)電(dian)(dian)路設(she)計(ji)中(zhong)需要考慮三(san)極(ji)管(guan)Vceo,Vcbo等滿足耐壓,三(san)極(ji)管(guan)滿足集電(dian)(dian)極(ji)功耗;通(tong)過負載電(dian)(dian)流(liu)和hfe(取三(san)極(ji)管(guan)小hfe來計(ji)算(suan))計(ji)算(suan)基(ji)極(ji)電(dian)(dian)阻(要為基(ji)極(ji)電(dian)(dian)流(liu)留0.5至1倍的(de)余量)。注意消特基(ji)二極(ji)管(guan)反向耐壓。
三極(ji)管開(kai)關電(dian)路設計
三極(ji)(ji)管除了可以當做交流信號放大器之外,也可以做為(wei)開(kai)關(guan)之用。嚴格說起來,三極(ji)(ji)管與一(yi)般的機械接點式開(kai)關(guan)在動作上并不完全相同,但是它卻具有(you)一(yi)些機械式開(kai)關(guan)所(suo)沒(mei)有(you)的特點。圖1所(suo)示,即為(wei)三極(ji)(ji)管電子開(kai)關(guan)的基本電路圖。
由下(xia)圖可知,負(fu)載(zai)電(dian)阻被直(zhi)接(jie)跨接(jie)于三極管的集(ji)電(dian)極與電(dian)源之間,而(er)位居三極管主電(dian)流的回路上(shang),
圖1基本的三極(ji)管開(kai)關
輸(shu)入電壓Vin則控制三極(ji)(ji)管開(kai)關的開(kai)啟(qi)(open)與閉合(closed)動作,當(dang)三極(ji)(ji)管呈開(kai)啟(qi)狀態時,負載(zai)電流(liu)便被阻斷,反之,當(dang)三極(ji)(ji)管呈閉合狀態時,電流(liu)便可以流(liu)通(tong)。詳細的說,當(dang)Vin為低電壓時,由于基極(ji)(ji)沒有電流(liu),因(yin)此集電極(ji)(ji)亦無(wu)電流(liu),致(zhi)使連(lian)接(jie)于集電極(ji)(ji)端的負載(zai)亦沒有電流(liu),而(er)相當(dang)于開(kai)關的開(kai)啟(qi),此時三極(ji)(ji)管乃勝作于截(jie)止(cutoff)區。
同理,當(dang)(dang)Vin為高電(dian)(dian)壓(ya)時(shi),由于(yu)有(you)基極電(dian)(dian)流(liu)(liu)流(liu)(liu)動(dong),因此使(shi)集電(dian)(dian)極流(liu)(liu)過更大的放大電(dian)(dian)流(liu)(liu),因此負載回(hui)路便(bian)被(bei)導通,而相當(dang)(dang)于(yu)開關的閉(bi)合(he),此時(shi)三極管乃勝作于(yu)飽和區(saturation)。838電(dian)(dian)子(zi)
一、三極管(guan)開關電路的(de)分析設計
由于(yu)對硅三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)而言,其基(ji)射(she)(she)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)接(jie)(jie)面之正向(xiang)偏壓值(zhi)約為0.6伏特(te)(te),因此欲使(shi)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)截(jie)止,Vin必須低于(yu)0.6伏特(te)(te),以(yi)使(shi)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de)基(ji)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流為零。通常在(zai)設計(ji)時,為了可(ke)以(yi)更確定三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)必處(chu)于(yu)截(jie)止狀態(tai)起(qi)見,往(wang)往(wang)使(shi)Vin值(zhi)低于(yu)0.3伏特(te)(te)。(838電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子資(zi)源)當然(ran)輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓愈接(jie)(jie)近零伏特(te)(te)便(bian)愈能(neng)保證三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)開關必處(chu)于(yu)截(jie)止狀態(tai)。欲將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流傳送到負載上,則三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de)集(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)與射(she)(she)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)必須短路,就(jiu)像(xiang)機械(xie)開關的(de)閉合動(dong)作(zuo)一(yi)樣(yang)。欲如(ru)此就(jiu)必須使(shi)Vin達到夠高的(de)準位,以(yi)驅動(dong)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)使(shi)其進(jin)入(ru)(ru)飽和工(gong)作(zuo)區工(gong)作(zuo),三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)呈(cheng)(cheng)飽和狀態(tai)時,集(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流相當大,幾乎(hu)使(shi)得整個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓Vcc均跨在(zai)負載電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)上,如(ru)此則VcE便(bian)接(jie)(jie)近于(yu)0,而使(shi)三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)的(de)集(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和射(she)(she)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)幾乎(hu)呈(cheng)(cheng)短路。在(zai)理想狀況下,根據奧姆定律三(san)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)呈(cheng)(cheng)飽和時,其集(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流應該為﹕
因此,基極電流少應為(wei):
上式(shi)表出了IC和(he)(he)IB之間的(de)基本關(guan)系(xi),式(shi)中的(de)β值代(dai)表三極(ji)管的(de)直流(liu)電流(liu)增益,對(dui)某些(xie)三極(ji)管而言,其(qi)交流(liu)β值和(he)(he)直流(liu)β值之間,有著甚大的(de)差異(yi)。欲使(shi)開關(guan)閉合,則其(qi)Vin值必須夠(gou)高,以送出超過或等于(yu)(式(shi)1)式(shi)所要求的(de)低(di)基極(ji)電流(liu)值。由于(yu)基極(ji)回路只是一個電阻和(he)(he)基射極(ji)接面的(de)串(chuan)聯(lian)電路,故Vin可由下式(shi)來求解﹕
式2)
一(yi)旦基極電(dian)(dian)壓超過(guo)或等(deng)于(yu)(式2)式所求得的數值(zhi),三極管便導通,使全部的供應電(dian)(dian)壓均跨在負載電(dian)(dian)阻(zu)上,而完成了開關(guan)的閉合(he)動作。
總(zong)而(er)言(yan)之,三極(ji)管接成(cheng)圖(tu)1的(de)電(dian)(dian)路之后(hou),它(ta)的(de)作用(yong)就和(he)一只(zhi)與負載相(xiang)串聯的(de)機(ji)械(xie)式開關一樣,而(er)其啟(qi)閉開關的(de)方式,則可以直接利用(yong)輸入電(dian)(dian)壓方便的(de)控(kong)制(zhi)(zhi),而(er)不(bu)須采用(yong)機(ji)械(xie)式開關所(suo)常用(yong)的(de)機(ji)械(xie)引(yin)動(dong)(mechanicalactuator)﹑螺(luo)管柱塞(sai)(solenoidplunger)或電(dian)(dian)驛電(dian)(dian)樞(shu)(relayarmature)等控(kong)制(zhi)(zhi)方式。
為了避免混淆起見(jian),本文所介紹的(de)三極管開關均采用(yong)NPN三極管,當然NPN三極管亦可以被當作開關來使(shi)用(yong),只是比較不常見(jian)罷了。
例題1
試解釋出在圖(tu)2的開(kai)關(guan)(guan)電路中,欲使開(kai)關(guan)(guan)閉(bi)合(三極(ji)管飽和)所須(xu)的輸入電壓為何(he)?并解釋出此(ci)時之負載(zai)電流與基極(ji)電流值?
解﹕由2式可知(zhi),在飽和狀態(tai)下(xia),所有的供電(dian)電(dian)壓完(wan)全跨降于負載電(dian)阻上(shang),因此
由(you)方程式(shi)(1)可知(zhi)
因此輸入電(dian)壓可由下(xia)式(shi)求(qiu)得(de)
圖2用三極(ji)管(guan)做為燈(deng)泡開關
由例題1-1得知,欲利(li)用三(san)極管(guan)開關來控制大(da)到1.5A的(de)負載(zai)電(dian)(dian)流(liu)(liu)之(zhi)啟閉動作,只須要(yao)利(li)用甚小的(de)控制電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流(liu)(liu)即可(ke)。此外,三(san)極管(guan)雖然流(liu)(liu)過大(da)電(dian)(dian)流(liu)(liu),卻不須要(yao)裝上散(san)熱片,因為當負載(zai)電(dian)(dian)流(liu)(liu)流(liu)(liu)過時(shi),三(san)極管(guan)呈飽和狀態,其VCE趨(qu)近于零,所以其電(dian)(dian)流(liu)(liu)和電(dian)(dian)壓(ya)相(xiang)乘的(de)功率之(zhi)非(fei)常小,根(gen)本不須要(yao)散(san)熱片。
二、三極管(guan)開(kai)關(guan)與機械式開(kai)關(guan)的比較
截至目前(qian)為止,我們(men)都(dou)假設當三(san)極(ji)管開關導通時(shi),其(qi)基極(ji)與射極(ji)之(zhi)間是(shi)(shi)完全(quan)短路的。事實(shi)并非(fei)(fei)如此,沒有(you)任何三(san)極(ji)管可以完全(quan)短路而(er)使VCE=0,大多(duo)數(shu)的小信號硅質三(san)極(ji)管在飽(bao)和時(shi),VCE(飽(bao)和)值(zhi)約為0.2伏特(te),縱使是(shi)(shi)專為開關應(ying)用而(er)設計(ji)的交換三(san)極(ji)管,其(qi)VCE(飽(bao)和)值(zhi)頂多(duo)也(ye)只能(neng)低到0.1伏特(te)左右,而(er)且負載電流一高,VCE(飽(bao)和)值(zhi)還(huan)會有(you)些許的上升現(xian)象(xiang),雖然對大多(duo)數(shu)的分析計(ji)算而(er)言,VCE(飽(bao)和)值(zhi)可以不予(yu)考慮(lv),但是(shi)(shi)在測試交換電路時(shi),必須明白(bai)VCE(飽(bao)和)值(zhi)并非(fei)(fei)真的是(shi)(shi)0。
雖然VCE(飽(bao)和)的(de)電(dian)壓(ya)很小,本(ben)身微不(bu)足道,但是若將幾個三(san)極管開(kai)關(guan)串接起來(lai),其總和的(de)壓(ya)降效應就(jiu)很可(ke)觀了(le),不(bu)幸的(de)是機械(xie)式的(de)開(kai)關(guan)經常是采用串接的(de)方式來(lai)工(gong)作(zuo)的(de),如圖(tu)(tu)3(a)所示,三(san)極管開(kai)關(guan)無法模擬機械(xie)式開(kai)關(guan)的(de)等(deng)效電(dian)路(如圖(tu)(tu)3(b)所示)來(lai)工(gong)作(zuo),這是三(san)極管開(kai)關(guan)的(de)一大缺點。
圖3三(san)極管開(kai)關(guan)與機械式開(kai)關(guan)電路
幸好三極管開(kai)關雖(sui)然不適(shi)用(yong)于(yu)串(chuan)接方式,卻可以完美(mei)的適(shi)用(yong)于(yu)并(bing)接的工(gong)作(zuo)方式,如(ru)圖4所(suo)示者即為一例。
三(san)極管(guan)開關和傳統的機械式開關相較,具有下列四大優點(dian)﹕
圖4三極管開(kai)關(guan)之并聯聯接
(1)三極管開關不具有活動接點部份(fen),因(yin)此(ci)不致有磨(mo)損(sun)之慮(lv),可(ke)以使用(yong)無(wu)限(xian)多次(ci),
一般的機(ji)械式開關(guan),由于接點(dian)磨損,頂多(duo)只(zhi)能使(shi)用(yong)數百萬次左右,而且其(qi)接點(dian)易受(shou)污損而影響工(gong)作,因(yin)此無法在臟亂的環(huan)境下運作,三極(ji)管(guan)開關(guan)既(ji)無接點(dian)又(you)是密封(feng)的,因(yin)此無此顧慮。
(2)三極管(guan)(guan)開關(guan)的(de)動(dong)作(zuo)速度較(jiao)一般的(de)開關(guan)為快,一般開關(guan)的(de)啟(qi)閉時間是(shi)以(yi)毫秒(ms)來(lai)計算的(de),三極管(guan)(guan)開關(guan)則(ze)以(yi)微秒(μs)計。
(3)三極(ji)管開關沒有躍動(bounce)現象(xiang)。一般(ban)的機械式開關在(zai)導通的瞬(shun)間會(hui)有快速的連續啟閉(bi)動作,然后才(cai)能(neng)逐(zhu)漸達到穩定狀(zhuang)態。
(4)利用三極(ji)管(guan)開關(guan)(guan)來驅動(dong)電(dian)感性負載時,在(zai)開關(guan)(guan)開啟(qi)的(de)(de)瞬間,不致有火花產生(sheng)。反(fan)之(zhi),當機械式開關(guan)(guan)開啟(qi)時,由(you)于瞬間切斷了電(dian)感性負載樣上的(de)(de)電(dian)流,因此電(dian)感之(zhi)瞬間感應(ying)電(dian)壓,將在(zai)接點上引起弧(hu)光,這種電(dian)弧(hu)非但會侵蝕接點的(de)(de)表面,亦(yi)可(ke)能造成(cheng)干擾或危(wei)害。