三极管开关电路的工作状态分析-快速判断-及计算方法
一、三极管的工作状态分析
三极管有三个工作区域,分别是:
截止区:基极电压小于开启电压(0.6~0.7V)或基极电路小于开启电流,供应不足;
饱和区:注入基极的电流不断聚集,超过了需求量,供大于求;
放大区:介于截止和饱和区之间的一个阶段,注入基极的电流不断上升,对应的集电极电流成比例(三极管的放大倍数)增加,供需平衡。
图1.1、典型的NPN三极管开关电路
如图1.1, 三极管的放大倍数为A,则Ic=A*Ib,然后Vout=Vcc-Ic*R3。
当Ib持续增加,Ic会成比例(A*Ib)增加,然后Vout=(Vcc-Ic*R3)会持续地减小,此时三极管处于放大区。显然,Vout的减小是有一个下限的,这个下限是三极管的Vce的饱和值(Vce_sat),一般在0.2V左右。总之,Ib增大到一定数值之后,Ic不会再增加,Vout会被限制在Vce_sat处,此时三极管处于饱和区。
当三极管可以在饱和区和截止区之间自由切换,那么这个三极管电路可以作为一个数字开关来使用。
图1.1,是一个典型的三极管开关电路,R1=20Kohm,R2=10Kohm,R3=10Kohm,U1=BC847C。
图1.2、典型的NPN三极管开关电路
基于图1.2,为了测试开关电路的开关特性,在输入端注入三角波,然后可以得到其中的控制逻辑关系如图1.3所示。
图1.3、三极管开关电路的逻辑关系
如果将R1由20Kohm增大到150Kohm,电路的特性发生了很大变化,虽然还能实现开关,但是开关过程已经变得不再干脆,显得“粘滞”。
图1.4、增大R1=150Kohm之后的三极管电路
继续增大R1至160Kohm之后,情况进一步恶化,已经无法达到开关的目的了,如图1.5所示。
图1.5、增大R1=160Kohm之后的三极管电路
由此可见,R1就像一个阀门,如果三极管的目的是被用作数字开关使用,那么阀门的开口必须足够大。否则,即使输入开足了马力,三极管也无法进入充分的导通。
显然,R1这个阀门也不能不加以限制,否则三极管基极将会因过流而损坏。那么,在保证不会导致三极管基极过流的情况下,R1是不是越小越好呢?当然,也不是!当三极管处于饱和区时,基极电流已经供大于求,当R1进一步减小时,将导致基极电流严重地供大于求,此谓三极管的过饱和。
那么,过饱和有啥后果呢?实际上也没有太大的后果,唯一的后果是三极管的关断速度会变慢。原因是三极管在过饱和的状态下,在基极上堆积了过多的电荷(严重对供大于求,库存积压),所以三极管由开通状态退出而进入截止时,这些(库存)电荷首先需要被导走,所以关断速度必定会较平常变慢。
三极管的过饱和也不是一无是处,它虽然会减慢关断速度,但是可以加快导通速度。因此,如果对三极管的关断速度不在乎,而只对开通速度很在乎。那么,需要使用一定的技巧使得三极管快速进入饱和状态,如图1.6,使用C1作为加速电容来减小基极驱动电阻,从而加快三极管的开通速度。
具体原理是:开关瞬间,“加速电容”相当于“短路”,电压瞬间加到Ube,使管子快速开通;开关信号到达稳态之后,“加速电容”又相当于“断路”;R1的作用是抑制瞬态的基极电流,确保三极管不会因为基极电流过载而损毁。
图1.6、含加速电容的三极管开关电路
二、三极管工作状态的快速判断
图1.7、三极管的开关电路
给定一个三极管开关电路,如何快速地判断电路是否可以用作数字开关呢?即三极管能否顺利地进入饱和区呢?为了判断,需要有一定的计算,当然是一些非常简单的计算,可以说只需要懂得欧姆定律就可以用来设计三极管数字开关。
计算步骤如下:
1、T1导通之后,Ube为定值,得到流经R2的电流:Ir2=Ube/R2;
2、流经R1的电流,Ir1=(Vsw-Ube)/R1;
3、得到基极电流,Ib=Ir1-Ir2=(Vsw-Ube)/R1-Ube/R2=Vsw/R1-(1/R1+1/R2)*Ube;
4、假设三极管T1的放大倍数为A,则Ic=Ib*A, Vout=Vcc-R3*Ic。
如果,Vout
三、三极管开关电路的计算
有了以上的基础,接下来可以讲一些更为实用的知识了。
1、首先,选择R3的数值:
首先,根据对开关输出电流的需要确定R3的数值。一般情况下,此电路会被接到单片机的GPIO口或者用于驱动下一级的大功率三极管,驱动电流小于10mA。假设VCC=3.3V,R3的选值范围一般在1K~10K左右,对应的驱动电流范围为3.3mA~330uA,如果仅作信号传输多选R3=10KOhm。
2、认真阅读规格书
认真阅读规格书,并从三极管的规格书得到一些重要参数,比如集电极与发射极间的饱和电压Vce_sat,放大倍数?,三极管基极与发射极间的关闭与饱和电压。
3、了解三极管的温度特性
三极管的参数不是一成不变的,它受温度、集电极输出电流等因素的影响。请放弃精确计算三极管电路的想法,因为影响的因素太多了。从工程应用的角度,可以简单的使用以下经验参数进行计算:
(1)常温下,基极饱和电压 Ube_sat=0.6V;基极关闭电压Ube_off=0.56V。书上一般说Ube=0.6~0.7V,根据实际经验,需要相对精确计算时,可设定Ube_sat=0.6V比较合适。
(2)三极管的特性呈现“负温度”特性。也就是说,随着温度上升,Ube间的电压会下降,温度系数的经验值为:-2mV/°C, 即Ube=0.6-0.002*(T-25),T为温度(°C) 。此特性和经验参数同样适用于二极管。
(3)为了方便理解和记忆,关于三极管/二极管的温度特性,可以如此认为:温度升高,电子运动变得活跃,所以PN结之间的压降变小了;反之变大。PN结有点像节假日高速路上的堵车,没有完全堵死,车辆还挪动,车辆挪动的速变决定堵车的长度(类比PN的压降)。
以上所述为经验数据,如果需要使用相对精确的参数,请详细查询所选的三极管的规格书。
图1.8、NPN三极管BC847C的温度特性曲线
4、建立自己的计算工具
在计算过程中,建议把所有的计算公式输入到Excel工具中来。因为,一旦引入了温度特性,计算过程会显得繁琐,而采用仿真工具又不利于归档,创建一份属于自己的简易Excel计算工具很有必要。
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