三极管开关电路_[经验] 三极管开关电路设计指南
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。 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。 因此,基极电流最少应为: 上式表出了IC和IB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,以送出超过或等于(式1) 式所要求的最低基极电流值。由于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﹕ 一旦基极电压超过或等于(式2) 式所求得的数值,三极管便导通,使全部的供应电压均跨在负载电阻上,而完成了开关的闭合动作。 由方程式(1) 可知 因此输入电压可由下式求得﹕ 图2 用三极管做为灯泡开关 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电流即可。此外,三极管虽然流过大电流,却不须要装上散热片,因为当负载电流流过时,三极管呈饱和状态,其VCE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。 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﹕ 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。 图5 三极管开关电路,各主要测试电的电压图 当Vin降为低电压准位,三极管理应截止而切断负载,如果负载仍旧未被切断,那可能是三极管的集基极和集射极短路,必须加以置换。 图6 确保三极管开关动作,正确的两种改良电路 图6(a) 的电路,在基射极间串接上一只二极管,因此使得可令基极电流导通的输入电压值提升了0.6伏特,如此即使Vin值由于信号源的误动作而接近0.6伏特时,亦不致使三极管导通,因此开关仍可处于截止状态。图6(b)的电路加上了一只辅助-截止(hold-off)电阻R2,适当的R1,R2及Vin值设计,可于临界输入电压时确保开关截止。由图6(b)可知在基射极接面未导通前(IB0),R1和R2形成一个串联分压电路,因此R1必跨过固定(随Vin而变) 的分电压,所以基极电压必低于Vin值,因此即使Vin接近于临界值(Vin=0.6伏特) ,基极电压仍将受连接于负电源的辅助-截止电阻所拉下,使低于0.6伏特。由于R1,R2及VBB值的刻意设计,只要Vin在高值的范围内,基极仍将有足够的电压值可使三极管导通,不致受到辅助-截止电阻的影响。 图7 加了加速电容器的电路 一旦输入电压由高准位降回零电压准位时,电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反向偏压,而使三极管开关迅速切断,这是由于电容器的左端原已充电为正电压,如图6-9所示,因此在输入电压下降的瞬间,电容器两端的电压无法瞬间改变仍将维持于定值,故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降,因此令基射极接面成为反向偏压,而迅速令三极管截止。适当的选取加速电容值可使三极管开关的切换时间减低至几十分之微秒以下,大多数的加速电容值约为数百个微微法拉(pF) 。 图8 将负载接于三极管开关电路的改进接法 图腾式开关(Totem-pole switches) 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。 图10(a) 基本电路图 图10(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。 图11三极管开关当作输入部份与逻辑部份之间的界面 |
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