如何使三極管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)
如何使三極管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)?
晶體三極管的實(shí)際開(kāi)關(guān)特性決定于管子的工作狀態(tài)。晶體三極管輸出特性三個(gè)工作區(qū)，即截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū),如圖4.2.1(b)所示。如果要使晶體三極管工作于開(kāi)關(guān)的接通狀態(tài)，就應(yīng)該使之工作于飽和區(qū)；
要使晶體三極管工作于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)狀態(tài)，就應(yīng)該使之工作于截止區(qū)，發(fā)射極電流iE=0，這時(shí)晶體三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。集電結(jié)加有反向電壓，集電極電流iC=ICBO，而基極電流iB=-ICBO。說(shuō)明三極管截止時(shí)，iB并不是為0，而等于-ICBO。基極開(kāi)路時(shí)，外加電源電壓VCC使集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置晶體三極管基極電流iB=0時(shí)，晶體管并未進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)iE=iC =ICEO還是較大的。晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，晶體管基極與發(fā)射極之間加反向電壓，這時(shí)只存在集電極反向飽和電流ICBO，iB =-ICBO，iE=0，為臨界截止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)一步加大基極電壓的絕對(duì)值，當(dāng)大于VBO時(shí)，發(fā)射結(jié)處于反向偏置而截止，流過(guò)發(fā)射結(jié)的電流為反向飽和電流IEBO，這時(shí)晶體管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)iB = -(ICBO+ IEBO)，iC= ICBO。發(fā)射結(jié)外加正向電壓不斷升高，集電極電流不斷增加。同時(shí)基極電流也增加，隨著基極電流iB 的增加基極電位vB升高，而隨著集電極電流iC的增加，集電極電位vC卻下降。當(dāng)基極電流iB增大到一定值時(shí)，將出現(xiàn)vBE =vCE的情況。這時(shí)集電結(jié)為零偏，晶體管出現(xiàn)臨界飽和。
如果進(jìn)一步增大iB ，iB增大，使得集電結(jié)由零偏變?yōu)檎蚱茫娊Y(jié)位壘降低，集電區(qū)電子也將注入基區(qū)，從而使集電極電流iC隨基極電流iB的增大而增大的速度減小。這時(shí)在基區(qū)存儲(chǔ)大量多余電子-空穴對(duì)，當(dāng)iB繼續(xù)增大時(shí)，iC基本維持不變，即iB失去對(duì)iC的控制作用，或者說(shuō)這時(shí)晶體管的放大能力大大減弱了。這時(shí)稱晶體管工作于飽和狀態(tài)。一般地說(shuō)，在飽和狀態(tài)時(shí)飽和壓降VBE(sat)近似等于0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由圖4.2.1(a)可看出，集電極電流iC的增加受外電路的限制。由電路可得出iC的最大值為ICM= VCC/ RC。晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)，基極電流增大，集電極電流變化很小，即
iC=ICS=(VCC-VBE(sat))/RC晶體管處于臨界飽和時(shí)的基極電流為
IBS=ICS/β=(VCC-VBE(sat))/βRC
基極電阻增大,驅(qū)動(dòng)電流不足,特別是晶體管從放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)時(shí)間太長(zhǎng),開(kāi)關(guān)晶體管發(fā)熱燒壞,因此此電阻的計(jì)算為:Rb《
=Hfe*(Vb-0.7)/Icm
在簡(jiǎn)易自動(dòng)控制電路中，將介紹一些模擬實(shí)驗(yàn)電路，利用一些物理現(xiàn)象產(chǎn)生的力、熱、聲、光、電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以達(dá)到某種控制效果。
磁控和熱控電路
在磁力自動(dòng)控制電路中，傳感元件是干簧管，當(dāng)磁鐵靠近時(shí)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合而接通傳感電路，完成位置傳感作用。 能不能用干簧管開(kāi)關(guān)直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)與停呢？玩具電動(dòng)機(jī)是常用的動(dòng)力裝置，它能夠把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，可用于小電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)、小離心水泵抽水等執(zhí)行功能。通常玩具直流電動(dòng)機(jī)工作電壓低，雖然在1.5～3V就可以啟動(dòng)，但起動(dòng)電流較大（1～2安培），如果用觸點(diǎn)負(fù)荷僅為幾十毫安的干簧管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，將大大縮短其使用壽命。因此，在自動(dòng)控制電路中，常使用電子開(kāi)關(guān)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。
三極管電子開(kāi)關(guān)電路
見(jiàn)圖1 。由開(kāi)關(guān)三極管VT，玩具電動(dòng)機(jī)M，控制開(kāi)關(guān)S，基極限流電阻器R和電源GB組成。VT采用NPN型小功率硅管8050，其集電極最大允許電流ICM可達(dá)
1.5A，以滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的要求。M選用工作電壓為3V的小型直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)電源GB亦為3V 。
VT基極限流電阻器R如何確定呢？根據(jù)三極管的電流分配作用，在基極輸入一個(gè)較弱的電流IB，就可以控制集電極電流IC有較強(qiáng)的變化。假設(shè)VT電流放大系數(shù)hfe≈250，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的集電極電流IC＝1.5A，經(jīng)過(guò)計(jì)算，為使三極管飽和導(dǎo)通所需的基極電流IB≥（1500mA／250）×2＝12mA。在圖1電路中，電動(dòng)機(jī)空載時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)電流約為500mA，此時(shí)電源（用兩節(jié)5號(hào)電池供電）電壓降至2.4V，VT基極-發(fā)射極之間電壓VBE≈0.9V。根據(jù)歐姆定律，VT基極限流電阻器的電阻值R＝（2.4－0.9）V／12mA≈0.13kΩ�？紤]到VT在IC較大時(shí)，hfe要減小，電阻值R還要小一些，實(shí)取100Ω。為使電動(dòng)機(jī)更可靠地啟動(dòng)，R甚至可減少到51Ω。在調(diào)試電路時(shí)，接通控制開(kāi)關(guān)S，電動(dòng)機(jī)應(yīng)能自行啟動(dòng)，測(cè)量VT集電極—發(fā)射極之間電壓VCE≤0.35V，說(shuō)明三極管已飽和導(dǎo)通，三極管開(kāi)關(guān)電路工作正常，否則會(huì)使VT過(guò)熱而損壞。
自動(dòng)滅火的熱量自動(dòng)控制電路 見(jiàn)圖2。該電路是將圖1中的控制開(kāi)關(guān)S換成雙金屬?gòu)?fù)片開(kāi)關(guān)ST，就成為熱控電路了。當(dāng)蠟燭火焰燒烤到雙金屬?gòu)?fù)片時(shí)，復(fù)片趨于伸直狀態(tài)，使得開(kāi)關(guān)ST接通，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)小風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，對(duì)準(zhǔn)蠟燭吹風(fēng)，自動(dòng)將火焰熄滅；當(dāng)雙金屬片冷卻后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，小電風(fēng)扇自動(dòng)停轉(zhuǎn)，完成了自動(dòng)滅火的程序。 自動(dòng)停車(chē)的磁力自動(dòng)控制電路 見(jiàn)圖3。開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)S，玩具車(chē)啟動(dòng)，行駛到接進(jìn)磁鐵時(shí)，安裝在VT基極與發(fā)射極之間的干簧管SQ閉合，將基極偏置電流短路，VT截止，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保護(hù)了電動(dòng)機(jī)及避免大電流放電。
光電控制電路
在光電自動(dòng)控制電路中，可以選用光敏電阻器做為光電傳感元件。能否將光敏電阻器直接接入圖1控制開(kāi)關(guān)S的位置呢？通常光敏電阻器，例如MG45有光照射時(shí)的亮阻2～10kΩ，遠(yuǎn)大于偏置電阻器R的電阻值，顯然不能產(chǎn)生維持VT飽和導(dǎo)通所需強(qiáng)度的基極電流。因此，需要先用一支三極管進(jìn)行電流放大，再驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)三極管工作。
光電自動(dòng)控制電路 見(jiàn)圖4。VT1和VT2接成類似復(fù)合管電路形式，VT1的發(fā)射極電流也是VT2的基極電流，R2既是VT1的負(fù)載電阻器又是VT2的基極限流電阻器。因此，當(dāng)VT1基極輸入微弱的電流（0.1mA），可以控制末級(jí)VT2較強(qiáng)電流——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流（500mA）的變化。VT1選用小功率NPN型硅管9013，hfe≈200。同前計(jì)算方法，維持兩管同時(shí)飽和導(dǎo)通時(shí)VT1基極偏置電阻器R1約為3.3kΩ，減去光敏電阻器RG亮阻2kΩ，限流電阻器R1實(shí)取1kΩ。光敏傳感器也可以采用光敏二極管，使用時(shí)要注意極性，光敏二極管的負(fù)極接供電電源正極。光敏二極管對(duì)控制光線有方向性選擇，且靈敏度較高，也不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)光照射后的疲勞現(xiàn)象。
水位控制電路
最簡(jiǎn)單的水位傳感元件是采用兩個(gè)電極，當(dāng)水面淹沒(méi)電極時(shí)，利用不純凈水的導(dǎo)電性使電極之間導(dǎo)通，但導(dǎo)通電阻值較大，約50kΩ，不能代替光敏電阻器直接驅(qū)動(dòng)如圖4所示的光控電路，需要靈敏更高的.控制電路。
水位自動(dòng)控制電路 如圖5所示。它是在圖4電路的基礎(chǔ)上，增加了一級(jí)前置放大管VT1，在其基極輸入很微弱的電流（10μA）就可以使VT1～3皆飽和導(dǎo)通�？刂崎_(kāi)關(guān)S可以用大頭針做成兩個(gè)電極，當(dāng)其被水淹沒(méi)而導(dǎo)電時(shí)，小電動(dòng)機(jī)會(huì)自行運(yùn)轉(zhuǎn)。C1為旁路電容器，防止感應(yīng)交流電對(duì)控制電路的干擾。VT1選用低噪音、高增益的小功率NPN硅管9014。根據(jù)上述電路水位控制的功能，能否設(shè)計(jì)成一個(gè)感知下雨自動(dòng)關(guān)窗、自動(dòng)收晾曬衣服繩索的自動(dòng)控制器。 下偏置水自動(dòng)控制電路 見(jiàn)圖6 。圖中，將兩個(gè)電極改接在VT1下偏置，R1仍為上偏置電阻器。當(dāng)杯內(nèi)水面低于兩個(gè)電極時(shí)，相當(dāng)于下偏置開(kāi)路，R1產(chǎn)生的偏置電流使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。當(dāng)水位上升到淹沒(méi)電極時(shí)，兩個(gè)電極之間被水導(dǎo)通，將R1產(chǎn)生的偏置電流旁路一部分，使VT1～3截止，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，與圖5控制效果恰好相反。 三極管的開(kāi)關(guān)電路分析（12V—SW）
如何使三極管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài) 在這里做個(gè)小電路的分析，大家都可能用到，這里把模型分解一下，并介紹一下計(jì)算方法和各個(gè)元件的作用。
Q1：主開(kāi)關(guān)，主要作用是提供12VSW電流，特點(diǎn)飽和時(shí)Vec必須很小，熱阻不能太大。
Q2：副開(kāi)關(guān)，主要作用是旁路Q1，在MCU置高電平時(shí)導(dǎo)通，ce拉低使Q1工作。R1：保證MCU無(wú)輸出的時(shí)候電路不工作。R2：限制電流，給Q2一個(gè)工作電流。C1：去除干擾，防止Q1意外導(dǎo)通。下面是這個(gè)電路圖的等效模型：
然后我們定義一下輸出負(fù)載，假設(shè)有N個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)電路檢測(cè)電路（Active Low）
經(jīng)過(guò)以上分析我們可以列出所有公式：
這個(gè)時(shí)候我們可以看出，要想讓這個(gè)電路處于良好的狀態(tài)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管必須都處于飽和狀態(tài)，一般要使得開(kāi)關(guān)管飽和，Ic/Ib必須小于30.因此我們必須求取方法倍數(shù)，其中Q1中的Vbatt和Ib和Ic同時(shí)是正向關(guān)系，必須求取各個(gè)參數(shù)的偏導(dǎo)求最大的放大系數(shù)。這樣就可以求得此時(shí)三極管的狀態(tài)。另外一個(gè)需要驗(yàn)證的就是溫度情況，公式如下：
這個(gè)主要是驗(yàn)證散發(fā)功率的情況。計(jì)算過(guò)程到此差不多了，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，每個(gè)參數(shù)都是比較重要的，特別是在省電模式下，可能會(huì)打開(kāi)電源后掃描接口電路，因此整個(gè)電路的響應(yīng)時(shí)間非常重要。以后會(huì)討論一下瞬態(tài)響應(yīng)的做法（Laplas變換的應(yīng)用。）在這里大致可以描述一下，因?yàn)槊總�(gè)電路都有濾波電容，在打開(kāi)電源的瞬間，所有的電容都需要充電，因此此時(shí)的Ic是非常大的，所以電路一時(shí)達(dá)不到飽和狀態(tài)。這個(gè)參數(shù)主要是調(diào)整R2，R2增大，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，電路偏置功率小。R2減小，響應(yīng)時(shí)間段，電路偏置功率大。做個(gè)tradeoff即可。
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