三极管开关电路设计

2024-01-08 22:00:22

　　江南体育电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

　　三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化。

　　且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。

　　如果将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。

　　如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

　　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，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不 完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示，即为三极管电子开关的基本电路图。

　　输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作，当三极管呈开启状态时，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。详细的说，当Vin为低电压时，由于基极没有电流，因此集 电极亦无电流，致使连接于集电极端的负载亦没有电流，而相当于开关的开启，此时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，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通，而相当于开关的闭合，此时三极管乃胜作于饱和区 (saturation)。

　　该电路与我们在之前教程中学习的共发射极电路相似。这次的不同之处在于，要使晶体管作为开关工作，需要将晶体管完全关闭（截止）或完全接通（饱和）。

　　理想的晶体管开关在完全关断时，集电极和发射极之间的电路电阻为无穷大，因此流过的电流为零；而在完全接通时，集电极和发射极之间的电阻为零，因此流过的电流最大。

　　实际上，当晶体管处于关断状态时，会有很小的漏电流流过晶体管，而当完全接通时，器件的电阻值很低，会在其两端产生很小的饱和电压（VCE）。尽管晶体管不是一个完美的开关，但在截止和饱和区域，晶体管耗散的功率都是最小的。

　　为了使基极电流流动，必须将基极输入端子的电压提高到硅器件所需的0.7伏以上，使其正极大于发射极。通过改变基极-发射极电压VBE，基极电流也会发生变化，进而控制流过晶体管的集电极电流，如前所述。

　　当集电极电流达到最大值时，晶体管即处于饱和状态。基极电阻的值决定了晶体管完全导通所需的输入电压和相应的基极电流。

　　我们也可以使用PNP晶体管作为开关，这次的区别在于负载连接到地（0V），PNP晶体管将电源切换到负载。如图所示，要将作为开关工作的PNP晶体管接通，基极要连接到地或零伏（LOW）。

　　基极电阻、集电极电流和电压的计算公式与之前的NPN晶体管开关完全相同。这次的不同之处在于，我们是用PNP晶体管开关电源（输入电流），而不是用NPN晶体管开关接地（输出电流）。