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初級模擬電路:3-10 BJT實作開關電路

2020-09-13 20:16:23 作業系統

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1. 基本用法

      用BJT晶體管實作開關功能是經常會用到的實用電路,和邏輯門電路類似,當BJT用于開關電路時,也只作業于飽和區和截止區,

      開關功能的實作電路如下圖所示,負載可以是發光二極管、電動機等等,

圖3-10.01 

      開關電路的作業原理如下:

      • 當vi輸入0V時,晶體管截止,負載RL上沒有電流通過;

      • 當vi輸入高電平時(一般可等于VCC,也可以定義其他電平值),晶體管導通且進入飽和狀態,負載RL上有電流通過,并且負載上的電壓約等于VCC-VCEsat

      開關電路的RB值的設計思路也和前面邏輯門相似,也是根據負載RL的實際情況,計算出能使晶體管進入飽和區的RB,然后再代入驗算結果,詳見下例所示:

案例3-10-1:在下面的開關電路中,VCC=12V,電動機負載的有效電阻為RL=5Ω,晶體管的β=100,要求vi的開啟電壓為5V,試求:(1)能使電路作業的RB;(2)負載上的電流IL和負載功耗PL;(3)晶體管本身的耗損功率,

圖3-10.a1 

 

解:(1)當晶體管臨界飽和時:

      此時臨界飽和電流ICsat為:

      然后計算臨界飽和時的IBsat值(當處于臨界飽和時,β仍視為100):

      使此IBsat成立的RBsat為:

      為使BJT進入更深度的飽和,我們選取RB為比RBsat更小的值,假定選取為100Ω,

 

驗證:當RB為100Ω時,IB為:

      此時電流放大倍數為:

      可知,在此RB值下,當vi輸入5V使BJT導通時晶體管確實處于飽和區,原假設正確,

 


 

(2)當晶體管飽和時,負載電流IL為:

      負載上的功耗PL為:

 


 

(3)晶體管上的耗損功率PD為:

      可以看到,晶體管上的耗損功率PD和負載功率PL比起來還是很小的,

 


 

(4)補充說明:

      本案例中,負載為電動機,一般對于這種含有電感的負載(電動機、繼電器線圈等),用晶體管直接去關斷比較危險,因為當電感中的電流突變時,電感會產生非常大的感生電動勢,嚴重時可能會超過晶體管的擊穿電壓而使晶體管損壞,

      所以一般的處理方法是在含有電感的負載旁邊并聯一個反向二極管,從而使得當晶體管關斷時,電感中的剩余電流能夠有回路泄掉,而不至于突變產生高壓,如下圖所示:

圖3-10.a2 

 

 

2. 開關特性

      由于有內部PN結和少數載流子的存在,所以和二極管一樣,BJT晶體管在導通和關斷時也不是瞬間完成的,而是有一定的延遲時間,如下圖所示:

圖3-10.02 

      • td:延遲時間(delay time),當基極輸入變為高電平后,IC從0上升到目標值的10%所需的時間,

      • tr:上升時間(rise time),IC從10%上升到90%所需的時間,

      • ton:開啟時間(on time),ton=ts+tr,當IC從0上升到90%時,我們就可以認為晶體管已基本開啟,

      • ts:存盤時間(storage time),當基極開路或輸入低電平后,IC從100%下降到90%所需的時間,

      • tf:下降時間(fall time),IC從90%下降到10%所需的時間,

      • toff:關斷時間(off time),toff=ts+tf,當IC從100%下降到10%時,我們就可以認為晶體管已基本關斷,

      這些引數在晶體管資料規格書中都會給出,仍以3-8小節的2N4123為例,在規格書的Figure 2中,可讀出這些引數值:

圖3-10.03 

      當IC=20mA時,在圖中可大致讀出:

      td = 13ns, tr=13ns, ts = 110ns, tf = 11ns

      • 開啟時間為:ton = td + tr = 13ns + 13ns = 26ns

      • 關斷時間為:toff = ts + tf = 100ns + 11ns = 111ns

      在要求不太高的功率開關場合,以上的延遲時間基本也夠用了,另外有一類晶體管稱為開關型晶體管(switching transistor),其開啟和關斷時間要比上面的值再小一個數量級,都只有十幾個納秒(如BSV52等),具體可參看相關資料規格手冊,

     

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( end of 3-10)


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