2023年三级管开关电源.doc
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1、三极管开关电路设计三极管除了可以当做交流信号放大器之外,也可以做为开关之用。严格说起来,三极管与一般机械接点式开关在动作上并不完全相似,不过它却具有某些机械式开关所没有特点。图1所示,即为三极管电子开关基本电路图。由下图可知,负载电阻被直接跨接于三极管集电极与电源之间,而位居三极管主电流回路上,图1 基本三极管开关输入电压Vin则控制三极管开关启动(open) 与闭合(closed) 动作,当三极管呈启动状态时,负载电流便被阻断,反之,当三极管呈闭合状态时,电流便可以流通。详细说,当Vin为低电压时,由于基极没有电流,因而集电极亦无电流,致使连接于集电极端负载亦没有电流,而相称于开关启动,此时
2、三极管乃胜作于截止(cut off)区。同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动,因而使集电极流过更大放大电流,因而负载回路便被导通,而相称于开关闭合,此时三极管乃胜作于饱和区(saturation)。838电子一、三极管开关电路分析设计 由于对硅三极管而言,其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特,因而欲使三极管截止,Vin必要低于0.6伏特,以使三极管基极电流为零。一般在设计时,为了可以更确定三极管必处在截止状态起见,往往使Vin值低于 0.3伏特。(838电子资源)当然输入电压愈靠近零伏特便愈能保证三极管开关必处在截止状态。欲将电流传送到负载上,则三极管集电极与射极必要短路,就像机械开
3、关闭合动作同样。欲如此就必要使Vin到达够高准位,以驱动三极管使其进入饱和工作区工作,三极管呈饱和状态时,集电极电流相称大,几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上,如此则VcE便靠近于0,而使三极管集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下,根据奥姆定律三极管呈饱和时,其集电极电流应当为因而,基极电流至少应为: (式1) 上式表出了IC和IB之间基本关系,式中值代表三极管直流电流增益,对某些三极管而言,其交流值和直流值之间,有着甚大差异。欲使开关闭合,则其Vin值必要够高,以送出超过或等于(式1) 式所规定最低基极电流值。由于基极回路只是一种电阻和基射极接面串联电路,故Vin可由下式来求解(式2
4、)一旦基极电压超过或等于(式2) 式所求得数值,三极管便导通,使所有供应电压均跨在负载电阻上,而完毕了开关闭合动作。综上所述,三极管接成图1电路之后,它作用就和一只与负载相串联机械式开关同样,而其启闭开关方式,则可以直接运用输入电压以便控制,而不须采用机械式开关所常用机械引动(mechanical actuator)螺管柱塞(solenoid plunger)或电驿电枢(relay armature)等控制方式。为了防止混淆起见,本文所简介三极管开关均采用NPN三极管,当然NPN三极管亦可以被当作开关来使用,只是比较不常用罢了。例题1试解释出在图2开关电路中,欲使开关闭合(三极管饱和) 所须输
5、入电压为何并解释出此时之负载电流与基极电流值解由2式可知,在饱和状态下,所有供电电压完全跨降于负载电阻上,因而由方程式(1) 可知因而输入电压可由下式求得 图2 用三极管做为灯泡开关由例题1-1得知,欲运用三极管开关来控制大到1.5A负载电流之启闭动作,只须要运用甚小控制电压和电流即可。此外,三极管虽然流过大电流,却不须要装上散热片,由于当负载电流流过时,三极管呈饱和状态,其VCE趋近于零,因此其电流和电压相乘功率之非常小,主线不须要散热片。二、三极管开关与机械式开关比较截至目前为止,咱们都假设当三极管开关导通时,其基极与射极之间是完全短路。事实并非如此,没有任何三极管可以完全短路而使VCE=
6、0,大多数小信号硅质三极管在饱和时,VCE(饱和) 值约为0.2伏特,纵使是专为开关应用而设计互换三极管,其VCE(饱和) 值顶多也只能低到0.1伏特左右,并且负载电流一高,VCE(饱和)值还会有些许上升现象,虽然对大多数分析计算而言,VCE(饱和) 值可以不予考虑,不过在测试互换电路时,必要明白VCE(饱和) 值并非真是0。虽然VCE(饱和)电压很小,自身微局限性道,不过若将几种三极管开关串接起来,其总和压降效应就很可观了,不幸是机械式开关常常是采用串接方式来工作,如图3(a)所示,三极管开关无法模仿机械式开关等效电路(如图3(b)所示)来工作,这是三极管开关一大缺陷。 图3 三极管开关与机
7、械式开关电路幸好三极管开关虽然不合用于串接方式,却可以完美合用于并接工作方式,如图4所示者即为一例。三极管开关和老式机械式开关相较,具有下列四大长处 图4三极管开关之并联联接(1)三极管开关不具有活动接点部份,因而不致有磨损之虑,可以使用无限多次,一般机械式开关,由于接点磨损,顶多只能使用数百万 次左右,并且其接点易受污损而影响工作,因而无法在脏乱环境下运作,三极管开关既无接点又是密封,因而无此顾虑。(2)三极管开关动作速度较一般开关为快,一般开关启闭时间是以毫秒 (ms)来计算,三极管开关则以微秒(s)计。(3)三极管开关没有跃动(bounce) 现象。一般机械式开关在导通瞬间会有迅速持续启
8、闭动作,然后才能逐渐到达稳定状态。(4)运用三极管开关来驱动电感性负载时,在开关启动瞬间,不致有火花产生。反之,当机械式开关启动时,由于瞬间切断了电感性负载样 上电流,因而电感之瞬间感应电压,将在接点上引起弧光,这种电弧非但会侵蚀接点表面,亦也许导致干扰或危害。三、三极管开关测试 三极管开关不像机械式开关可以光凭肉眼就判断出它目前启闭状态,因而必要运用电表来加以测试。在图5所示原则三极管开关电路中,当开关导通时,VEC读值应当为0,反之当开关切断时,VCE应对于VCC。三极管开关在切断状况下,由于负载上没有电流流过,因而也没有压降,因此所有供应电压均跨降在开关两端,因而其VCE值应等于VCC,
9、这和机械式开关是完全相似。假如开关自身应导通而未导通,那就得测试Vin大小了。欲保证三极管导通,其基极Vin电压值就必要够高,假如Vin值过低,则问题就出自信号源而非三极管自身了。假使在Vin准位够高,驱动三极管导通绝无问题时,而负载却仍未导通,那就要测试电源电压与否正常了。 在导通状态下,硅三极管VBE值约为0.6伏特,假使Vin值够高,而VBE值却高于和低于0.6伏特,例如VBE为1.5伏特或0.2伏特,这体现基射极接面也许已经损坏,必要将三极管换掉。当然这一准则也未必百分之百对旳,许多大电流额定功率三极管,其VBE值常常是超过1伏特,因而虽然VBE读值到达1.5伏特,也未必就能必然三极管
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