基本三极管开关之改进电路

1、第二节 基本三极管开关之改进电路有时候, 我们所设定的低电压准位未必就能使三极管开关截止, 尤其当输入准位接近 0.6伏特的时候更是如此。 想要克服这种临界状况, 就必须采取修正步骤 , 以保证三极管必能截 止。 图 6 就是针对这种状况所设计的两种常见之改良电路。图 6 确保三极管开关动作,正确的两种改良电路图 6(a 的电路,在基射极间串接上一只二极管, 因此使得可令基极电流导通的输入电压值 提升了 0.6伏特, 如此即使 Vin 值由于信号源的误动作而接近 0.6伏特时,亦不致使三极管导 通,因此开关仍可处于截止状态。图 6(b的电路加上了一只 辅助 -截止 (hold-off电阻 R2

2、,适 当的 R1, R2及 Vin 值设计,可于临界输入电压时确保开关截止。由图 6(b可知在基射极接 面未导通前 (IB0, R1和 R2形成一个串联分压电路,因此 R1必跨过固定 (随 Vin 而变 的分 电压,所以基极电压必低于 Vin 值,因此即使 Vin 接近于临界值 (Vin=0.6伏特 ,基极电压 仍将受连接于负电源的辅助 -截止电阻所 拉下 ,使低于 0.6伏特。由于 R1, R2及 VBB 值的刻 意设计, 只要 Vin 在高值的范围内, 基极仍将有足够的电压值可使三极管导通, 不致受到辅 助 -截止电阻的影响。加速电容器 (speed-up capacitors在要求快速切

3、换动作的应用中,必须加快三极管开关的切换速度 。图 7为一种常见的方式, 此方法只须在 RB 电阻上并联一只加速电容器, 如此当 Vin 由零电压往上升并开始送电流至 基极时, 电容器由于无法瞬间充电, 故形同短路 , 然而此时却有瞬间的大电流由电容器流向 基极,因此也就加快了开关导通的速度。稍后,待充电完毕后,电容就形同开路,而不影响 三极管的正常工作。 图 7 加了加速电容器的电路一旦输入电压由高准位降回零电压准位时, 电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反 向偏压,而使三极管开关迅速切断,这是由于电容器的左端原已充电为正电压,如图 6-9所 示, 因此在输入电压下降的瞬间, 电容器两

4、端的电压无法瞬间改变仍将维持于定值, 故输入 电压的下降立即使基极电压随之而下降, 因此令基射极接面成为反向偏压, 而迅速令三极管 截止。 适当的选取加速电容值可使三极管开关的切换时间减低至几十分之微秒以下, 大多数 的加速电容值约为数百个微微法拉 (pF。有时候三极管开关的负载并非直接加在集电极与电源之间,而是接成图 8的方式,这种接法 和小信号交流放大器的电路非常接近, 只是少了一只输出耦合电容器而已 。 这种接法和正常 接法的动作恰好相反,当三极管截止时,负载获能,而当三极管导通时,负载反被切断,这 两种电路的形式都是常见的,因此必须具有清晰的分辨能力。 图 8 将负载接于三极管开关电路

5、的改进接法图腾式开关 (Totem-pole switches假使图 8的三极管开关加上了电容性负载 (假定其与 RLD 并联 ,那么在三极管截止后,由 于负载电压必须经由 RC 电阻对电容慢慢充电而建立, 因此电容量或电阻值愈大, 时间常数 (RC 便愈大,而使得负载电压之上升速率愈慢,在某些应用中,这种现象是不容许的,因 此必须采用图 9的改良电路。 图 9图腾式三极管开关图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所构成的, 它也因此而得名 。 欲 使 负载获能 ,必须使 Q1三极管 导通 ,同时使 Q2三极管 截断 ,如此负载便可经由 Q1而连接 至 VCC 上,欲使 负载去能 ,

6、必须使 Q1三极管 截断 ,同时使 Q2三极管 导通 ,如此负载将经 由 Q2接地。 由于 Q1的集电极除了极小的接点电阻外, 几乎没有任何电阻存在 (如图 9所示 , 因此负载几乎是直接连接到正电源上的,也因此当 Q1导通时,就再也没有电容的慢速充电 现象存在了。 所以可说 Q1“ 将负载拉起 ” ,而称之为 “ 挽起 (pull up 三极管 ” , Q2则称为 “ 拉下 (pull down 三极管 ” 。 图 9左半部的输入控制电路,负责 Q1和 Q2三极管的导通与截断控制, 但是必须确保 Q1和 Q2使不致同时导通, 否则将使 VCC 和地之间经由 Q1和 Q2而形同短路, 果真如此

7、, 则短路的大电流至少将使一只三极管烧毁。 因此图腾式三极管开关绝对不可如图 6-4般地采用并联方式来使用, 否则只要图腾上方的三极管 Q1群中有任一只导通, 而下方的 Q2群中又恰好有一只导通,电源便经由导通之 Q1和 Q2短路,而造成严重的后果。第三节 三极管开关之应用晶体管开关最常见的应用之一, 是用以驱动指示灯, 利用指示灯可以指示电路某特定点 的动作状况, 亦可以指示马达的控制器是否被激励, 此外亦可以指示某一限制开关是否导通 或是某一数字电路是否处于高电位状态。举例而言,图 10(a即是利用晶体管开关来指示一只 数字正反器 (flip-flop的输出状态 。假使 正反器的输出为高准

8、位 (一般为 5伏特 ,晶体管开关便被导通,而令指示灯发亮,因此操作 员只要一看指示灯,便可以知道正反器目前的工作状况,而不须要利用电表去检测。有时信号源 (如正反器 输出电路之电流容量太小,不足以驱动晶体管开关,此时为避免信号 源不胜负荷而产生误动作,便须采用图 10(b 所示的改良电路,当输出为高准位时,先驱动 射极随耦晶体管 Q1做电流放大后, (a 基本电路图 (b 改良电路图 10 指示灯驱动器再使 Q2导通而驱动指示灯, 由于射极随耦级的输入阻抗相当高,因此正反器之须要提供少 量的输入电流,便可以得到满意的工作。数字显示器图 10(a之电路经常被使用于数字显示器上。利用三极管开关做

9、为不同电压准位之界面电路在工业设备中,往往必须利用固态逻辑电路来担任控制的工作,有关数字逻辑电路的原理, 将在下一章详细加以介绍, 在此为说明界面电路起见, 先将工 业设备的控制电路分为三大部 份 (1输入部份, (2逻辑部份, (3输出部份。为达到可靠的运作,工业设备的输入与输出部份通常工作于较高的电压准位,一般为 220伏 特。 而逻辑部份却是操作于低电压准位的, 为了使系统正常工作, 便必须使这两种不同的电 压准位之间能够沟通,这种不同电压间的匹配工作就称做界面 (interface问题。担任界面匹 配工作的电路,则称为 界面电路 。三极管开关就经常被用来担任此类工作。图 11利用三极管开关做为由高压输入控制低压逻辑的界面电路之实例, 当输入部份的微动开 关闭合时, 降压变压器便被导通, 而使全波整流滤波电路送出低压的直流控制信号, 此信号 使三极管导通,此时集电极电压降为 0(饱和 伏特,此 0伏特信号可被送入逻辑电路中,以表 示微动开关处于闭合状态。反之, 若微动开关开启, 变压器便不通电, 而使三极管截止, 此时集电极电压便上升至 VCC 值, 此一 VCC 信号, 可被送入逻辑电路中,