如何使三极管工作于开关状态

如何使三极管工作于开关状态如何使三极管工作于开关状态 晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态 晶体三极管输出特性三个 工作区 即截止区 放大区 饱和区 如图 4 2 1 b 所示 如果要使晶体三极 管工作于开关的接通状态 就应该使之工作于饱和区 要使晶体三极管工作于开关的断开状态 就应该使之工作于截止区 发射极电 流 iE 0 这时晶体三极管处于截止状态 相当于开关断开 集电结加有反向电 压 集电极电流 iC ICBO 而基极电流 iB ICBO 说明三极管截止时 iB 并不 是为 0 而等于 ICBO 基极开路时 外加电源电压 VCC 使集电结反向偏置 发 射结正向偏置晶体三极管基极电流 iB 0 时 晶体管并未进入截止状态 这时 iE iC ICEO 还是较大的 晶体管进入截止状态 晶体管基极与发射极之间加 反向电压 这时只存在集电极反向饱和电流 ICBO iB ICBO iE 0 为临界 截止状态 进一步加大基极电压的绝对值 当大于 VBO 时 发射结处于反向偏 置而截止 流过发射结的电流为反向饱和电流 IEBO 这时晶体管进入截止状态 iB ICBO IEBO iC ICBO 发射结外加正向电压不断升高 集电极电流 不断增加 同时基极电流也增加 随着基极电流 iB 的增加基极电位 vB 升高 而随着集电极电流 iC 的增加 集电极电位 vC 却下降 当基极电流 iB 增大到一 定值时 将出现 vBE vCE 的情况 这时集电结为零偏 晶体管出现临界饱和 如果进一步增大 iB iB 增大 使得集电结由零偏变为正向偏置 集电结位垒 降低 集电区电子也将注入基区 从而使集电极电流 iC 随基极电流 iB 的增大 而增大的速度减小 这时在基区存储大量多余电子 空穴对 当 iB 继续增大时 iC 基本维持不变 即 iB 失去对 iC 的控制作用 或者说这时晶体管的放大能力 大大减弱了 这时称晶体管工作于饱和状态 一般地说 在饱和状态时饱和压 降 VBE sat 近似等于 0 7V VCE sat 近似等于 0 3V 由图 4 2 1 a 可看出 集电极电流 iC 的增加受外电路的限制 由电路可得出 iC 的最大值为 ICM VCC RC 晶体管进入饱和状态 基极电流增大 集电极电流变化很小 即 iC ICS VCC VBE sat RC 晶体管处于临界饱和时的基极电流为 IBS ICS VCC VBE sat RC 基极电阻增大 驱动电流不足 特别是晶体管从放大区进入饱和区时时间太长 开 关晶体管发热烧坏 因此此电阻的计算为 Rb Hfe Vb 0 7 Icm 在简易自动控制电路中 将介绍一些模拟实验电路 利用一些物理现象产生的 力 热 声 光 电信号 实现自动控制 以达到某种控制效果 磁控和热控电路 在磁力自动控制电路中 传感元件是干簧管 当磁铁靠近时 常开触点闭合而 接通传感电路 完成位置传感作用 能不能用干簧管开关直接控制电动机 的转与停呢 玩具电动机是常用的动力装置 它能够把电能转换为机械能 可 用于小电风扇转动 小离心水泵抽水等执行功能 通常玩具直流电动机工作电 压低 虽然在 1 5 3V 就可以启动 但起动电流较大 1 2 安培 如果用触 点负荷仅为几十毫安的干簧管进行开关控制 将大大缩短其使用寿命 因此 在自动控制电路中 常使用电子开关来控制电动机的工作状态 三极管电子开关电路 见图 1 由开关三极管 VT 玩具电动机 M 控制开关 S 基极限流电阻器 R 和 电源 GB 组成 VT 采用 NPN 型小功率硅管 8050 其集电极最大允许电流 ICM 可 达 1 5A 以满足电动机起动电流的要求 M 选用工作电压为 3V 的小型直流电动 机 对应电源 GB 亦为 3V VT 基极限流电阻器 R 如何确定呢 根据三极管的电流分配作用 在基极输入一 个较弱的电流 IB 就可以控制集电极电流 IC 有较强的变化 假设 VT 电流放大 系数 hfe 250 电动机起动时的集电极电流 IC 1 5A 经过计算 为使三极管 饱和导通所需的基极电流 IB 1500mA 250 2 12mA 在图 1 电路中 电 动机空载时运转电流约为 500mA 此时电源 用两节 5 号电池供电 电压降至 2 4V VT 基极 发射极之间电压 VBE 0 9V 根据欧姆定律 VT 基极限流电阻 器的电阻值 R 2 4 0 9 V 12mA 0 13k 考虑到 VT 在 IC 较大时 hfe 要减小 电阻值 R 还要小一些 实取 100 为使电动机更可靠地启动 R 甚至 可减少到 51 在调试电路时 接通控制开关 S 电动机应能自行启动 测量 VT 集电极 发射极之间电压 VCE 0 35V 说明三极管已饱和导通 三极管开关 电路工作正常 否则会使 VT 过热而损坏 自动灭火的热量自动控制电路 见图 2 该电路是将图 1 中的控制开关 S 换成 双金属复片开关 ST 就成为热控电路了 当蜡烛火焰烧烤到双金属复片时 复 片趋于伸直状态 使得开关 ST 接通 电动机启动 带动小风扇叶片旋转 对准 蜡烛吹风 自动将火焰熄灭 当双金属片冷却后 开关断开 小电风扇自动停 转 完成了自动灭火的程序 自动停车的磁力自动控制电路 见图 3 开 启电源开关 S 玩具车启动 行驶到接进磁铁时 安装在 VT 基极与发射极之间 的干簧管 SQ 闭合 将基极偏置电流短路 VT 截止 电动机停止转动 保护了 电动机及避免大电流放电 光电控制电路 在光电自动控制电路中 可以选用光敏电阻器做为光电传感元件 能否将光敏 电阻器直接接入图 1 控制开关 S 的位置呢 通常光敏电阻器 例如 MG45 有光照 射时的亮阻 2 10k 远大于偏置电阻器 R 的电阻值 显然不能产生维持 VT 饱和导通所需强度的基极电流 因此 需要先用一支三极管进行电流放大 再 驱动开关三极管工作 光电自动控制电路 见图 4 VT1 和 VT2 接成类似复合管电路形式 VT1 的发射 极电流也是 VT2 的基极电流 R2 既是 VT1 的负载电阻器又是 VT2 的基极限流电 阻器 因此 当 VT1 基极输入微弱的电流 0 1mA 可以控制末级 VT2 较强电 流 驱动电动机运转电流 500mA 的变化 VT1 选用小功率 NPN 型硅管 9013 hfe 200 同前计算方法 维持两管同时饱和导通时 VT1 基极偏置电阻 器 R1 约为 3 3k 减去光敏电阻器 RG 亮阻 2k 限流电阻器 R1 实取 1k 光敏传感器也可以采用光敏二极管 使用时要注意极性 光敏二极管的负极接 供电电源正极 光敏二极管对控制光线有方向性选择 且灵敏度较高 也不会 产生强光照射后的疲劳现象 水位控制电路 最简单的水位传感元件是采用两个电极 当水面淹没电极时 利用不纯净水的 导电性使电极之间导通 但导通电阻值较大 约 50k 不能代替光敏电阻器 直接驱动如图 4 所示的光控电路 需要灵敏更高的控制电路 水位自动控制电路 如图 5 所示 它是在图 4 电路的基础上 增加了一级前置 放大管 VT1 在其基极输入很微弱的电流 10 A 就可以使 VT1 3 皆饱和导 通 控制开关 S 可以用大头针做成两个电极 当其被水淹没而导电时 小电动 机会自行运转 C1 为旁路电容器 防止感应交流电对控制电路的干扰 VT1 选 用低噪音 高增益的小功率 NPN 硅管 9014 根据上述电路水位控制的功能 能 否设计成一个感知下雨自动关窗 自动收晾晒衣服绳索的自动控制器 下 偏置水自动控制电路 见图 6 图中 将两个电极改接在 VT1 下偏置 R1 仍为 上偏置电阻器 当杯内水面低于两个电极时 相当于下偏置开路 R1 产生的偏 置电流使电动机起动 当水位上升到淹没电极时 两个电极之间被水导通 将 R1 产生的偏置电流旁路一部分 使 VT1 3 截止 电动机停转 与图 5 控制效 果恰好相反 三极管的开关电路分析 12V SW 在这里做个小电路的分析 大家都可能用到 这里把模型分解一下 并介绍一 下计算方法和各个元件的作用 Q1 主开关 主要作用是提供 12VSW 电流 特点饱和时 Vec 必须很小 热阻不 能太大 Q2 副开关 主要作用是旁路 Q1 在 MCU 置高电平时导通 ce 拉低使 Q1 工作 R1 保证 MCU 无输出的时候电路不工作 R2 限制电流 给 Q2 一个工作电流 C1 去除干扰 防止 Q1 意外导通 下面是这个电路图的等效模型 然后我们定义一下输出负载 假设有 N 个按键开关电路检测电路 Active Low 经过以上分析我们可以列出所有公式 这个时候我们可以看出 要想让这个电路处于良好的状态 两个开关管必须都 处于饱和状态 一般要使得开关管饱和 Ic Ib 必须小于 30 因此我们必须求取 方法倍数 其中 Q1 中的 Vbatt 和 Ib 和 Ic 同时是正向关系 必须求取各个参数 的偏导求最大的放大系数 这样就可以求得此时三极管的状态 另外一个需要 验证的就是温度情况 公式如下 这个主要是验证散发功率的情况 计算过程到此差不多了 在实际设计中 每 个参数都是比较重要的 特别是在省电模式下 可能