为什么存在这两种方式,它们的工作原理,以及何时使用它们?
电路中,晶体管常常被用来当做开关使用。晶体管用作开关时有两种不同的接线方式:高边(high side)和低边(low side)。高边和低边是由晶体管在电路中的位置决定的。晶体管可以是双极性晶体管(BJT)或者场效应管(MOSFET)。
1. 低边晶体管电路
低边开关,晶体管接地,也就是说晶体管在负载和地之间。由于晶体管正在开关接地线路或位于负载的低电压端,因此称为低边开关。
通常使用 NPN 型三极管或者 N 沟道场效应管。
对于 NPN 三极管来说,发射极接地,集电极连接到负载。作为开关,三极管工作在饱和状态。饱和意味着有足够的基极电流来完全开启三极管。
对于 N 沟道场管来说,源极接地,漏极连接到负载的负侧。虽然您可以在该电路中使用结型场效应管(JFET),但增强型场管效果更好。注意:场管有一个下拉电阻。
2. 高边晶体管电路
与低边开关相对的是高边开关。晶体管连接在电源正极和负载高电压端之间。在 Arduino 或 Raspberry Pi 电路中使用这些晶体管可能会有些困难。
通常使用 PNP 型三极管或者 P 沟道场效应管。
对于 PNP 型三极管来说,发射极连接到电压正极,而集电极连接到负载。对比上面的低边三极管开关电路,PNP 的发射极和集电极正好是与之颠倒的。就像 NPN 三极管一样,PNP 三极管需要在饱和区工作才能完全导通晶体管。
对于 P 沟道场管来说,源极连接到电压正极,漏极连接负载。与低边开关一样,您可能希望使用增强型场效应管。注意:场管有一个上拉电阻。
当被控信号(负载电路)的电压电压和控制信号电压相同时,如果使用 P 型晶体管,上面的电路可以正常工作。值得注意的是 P 管是个反管,也就是说,输入高电平时,电路不导通,输入低电平时导通。
当被控信号的电压高于控制信号电压时,你需要使用晶体管驱动。下面,让我们看看用晶体管驱动另一个晶体管。
3. 晶体管驱动另一个晶体管
晶体管驱动电路是指用来驱动另一个晶体管的电路。晶体管驱动电路被用在当驱动信号电压(或电流)和被控晶体管电压不同的情况。下面是需要晶体管驱动的两种情况。
大电流场管具有相当大的栅源极阈值电压(Vgs)。虽然来自 Arduino GPIO 引脚的 5 伏电压可能足以打开晶体管,但不足以使其进入饱和状态。在场管饱和之前,其导通电阻可能相对较高,从而限制了它可以处理的最大电流。
当被控电压高于控制信号电压时,用 NPN 三极管驱动 PNP 三极管 或 P 沟道场管是很常见的。如果没有驱动电路,晶体管可能永远不会关断。
4. 高边晶体管为什么会存在
对于开关来说,使用低边开关简单易用,易于理解。而且,对于双极型(BJT)晶体管和场管来说,P 管通常比 N 管具有更大的电阻值(或更低的电流输出能力)。既然如此,它们为什么存在呢?
低边开关电路切换的是对地的导通,高边开关电路切换的是对电源的导通。有时候,你想保持接地并且控制对电源的导通与否。还有一个原因就是,即使晶体管完全导通,其两端仍然存在一个很小的压降。这意味着,被控制器件的接地不是完全接地的 0 伏电压。对于像 LED 这样的器件,切换电源或是地并不重要。但是,对于像 MCU 这样的的有源设备需要良好的接地!这种情形需要用到高边管。还有一种情况就是开关电源中,需要控制对待转换电源的通断,也需要高边管。
总体来说,如果你要打开或关闭器件,低边开关是一个简单的解决方案。但是,如果你要控制的是整个电路或电压敏感设备的供电,则需要使用高边开关。
现在有一种现成的芯片称为“负载开关(Load Switch)”。这些芯片具有 P 沟道 MOSFET 作为开关晶体管,并带有用于该 P 沟道的内置驱动器。这种类型的器件不需要外部驱动电路。
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