来源:电子工程专辑

晶体管开关电路(工作在饱和态)在现代电路设计应用中屡见不鲜,经典的74LS,74ALS等集成电路内部都使用了晶体管开关电路,只是驱动能力一般而已。

TTL晶体管开关电路按驱动能力分为小信号开关电路和功率开关电路;按晶体管连接方式分为发射极接地(PNP晶体管发射极接电源)和射级跟随开关电路。

上面的基本电路离实际设计电路还有些距离:由于晶体管基极电荷存储积累效应使晶体管从导通到断开有一个过渡过程(当晶体管断开时,由于R1的存在,减慢了基极电荷的释放,所以Ic不会马上变为零)。也就是说发射极接地型开关电路存在关断时间,不能直接应用于中高频开关。

实用的NPN型和PNP型开关原理图1(添加加速电容)

解释:当晶体管突然导通(IN信号突然发生跳变),C1瞬间短路,为三极管快速提供基极电流,这样加速了晶体管的导通。当晶体管突然关断(IN信号突然发生跳变),C1也瞬间导通,为卸放基极电荷提供一条低阻通道,这样加速了晶体管的关断。C通常取值几十到几百皮法。电路中R2是为了保证没有IN输入高电平时三极管保持关断状态;R4是为了保证没有IN输入低电平时三极管保持关断状态。R1和R3是基极电流限流用。

实用的NPN型开关原理图2(消特基二极管钳位)

解释:由于消特基二极管Vf为0.2至0.4V比Vbe小,所以当晶体管导通后大部分的基极电流是从二极管然后通过三极管到地的,这样流到三极管基极的电流就很小,积累起来的电荷也少,当晶体管关断(IN信号突然发生跳变)时需要卸放的电荷少,关断自然就快。

在实际电路设计中需要考虑三极管Vceo,Vcbo等满足耐压,三极管满足集电极功耗;通过负载电流和hfe(取三极管最小hfe来计算)计算基极电阻(要为基极电流留0.5至1倍的余量)。注意消特基二极管反向耐压。

图1 基本的三极管开关

由图可知,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(cutoff)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)。

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﹕

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﹕

式2)

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。

总而言之,三极管接成图1的电路之后,它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关一样,而其启闭开关的方式,则可以直接利用输入电压方便的控制,而不须采用机械式开关所常用的机械引动(mechanicalactuator)﹑螺管柱塞(solenoidplunger)或电驿电枢(relayarmature)等控制方式。 为了避免混淆起见,本文所介绍的三极管开关均采用NPN三极管,当然NPN三极管亦可以被当作开关来使用,只是比较不常见罢了。

例题 试解释出在图2的开关电路中,欲使开关闭合(三极管饱和)所须的输入电压为何?并解释出此时之负载电流与基极电流值?

解﹕由2式可知,在饱和状态下,所有的供电电压完全跨降于负载电阻上,因此

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。

截至目前为止,我们都假设当三极管开关导通时,其基极与射极之间是完全短路的。事实并非如此,没有任何三极管可以完全短路而使VCE=0,大多数的小信号硅质三极管在饱和时,VCE(饱和)值约为0.2伏特,纵使是专为开关应用而设计的交换三极管,其VCE(饱和)值顶多也只能低到0.1伏特左右,而且负载电流一高,VCE(饱和)值还会有些许的上升现象,虽然对大多数的分析计算而言,VCE(饱和)值可以不予考虑,但是在测试交换电路时,必须明白VCE(饱和)值并非真的是0。

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﹕

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。