使用BJT晶體管實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路設(shè)計(jì)

Word使用BJT晶體管實(shí)現(xiàn)開關(guān)電路設(shè)計(jì)1.基本用法

用BJT（晶體管）實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能是經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)用電路。和邏輯門電路類似，當(dāng)BJT用于（開關(guān)電路）時(shí)，也只工作于飽和區(qū)和截止區(qū)。

開關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)電路如下圖所示，負(fù)載可以是發(fā)光（二極管）、電動(dòng)機(jī)等等。

圖3-10.01

開關(guān)電路的（工作原理）如下：

?當(dāng)vi輸入0V時(shí)，晶體管截止，負(fù)載RL上沒有（電流）通過；

?當(dāng)vi輸入高電平時(shí)（一般可等于VCC，也可以定義其他電平值），晶體管導(dǎo)通且進(jìn)入飽和狀態(tài)，負(fù)載RL上有電流通過，并且負(fù)載上的電壓約等于VCC-VCEsat。

開關(guān)電路的RB值的設(shè)計(jì)思路也和前面邏輯門相似，也是根據(jù)負(fù)載RL的實(shí)際情況，計(jì)算出能使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)的RB，然后再代入驗(yàn)算結(jié)果，詳見下例所示：

案例3-10-1：在下面的開關(guān)電路中，VCC=12V，電動(dòng)機(jī)負(fù)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）能使電路工作的RB；（2）負(fù)載上的電流IL和負(fù)載功耗PL；（3）晶體管本身的耗損功率。

圖3-10.a1

解：（1）當(dāng)晶體管臨界飽和時(shí)：

此時(shí)臨界飽和電流ICsat為：

然后計(jì)算臨界飽和時(shí)的IBsat值（當(dāng)處于臨界飽和時(shí)，β仍視為100）：

使此IBsat成立的RBsat為：

為使BJT進(jìn)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(yàn)證：當(dāng)RB為100Ω時(shí)，IB為：

此時(shí)電流放大倍數(shù)為：

可知，在此RB值下，當(dāng)vi輸入5V使BJT導(dǎo)通時(shí)晶體管確實(shí)處于飽和區(qū)，原假設(shè)正確。

（2）當(dāng)晶體管飽和時(shí)，負(fù)載電流IL為：

負(fù)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(fù)載功率PL比起來還是很小的。

（4）補(bǔ)充說明：

本案例中，負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，一般對(duì)于這種含有電感的負(fù)載（電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等），用晶體管直接去關(guān)斷比較危險(xiǎn)，因?yàn)楫?dāng)電感中的電流突變時(shí)，電感會(huì)產(chǎn)生非常大的感生電動(dòng)勢，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)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(fù)載旁邊并聯(lián)一個(gè)反向二極管，從而使得當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電感中的剩余電流能夠有回路泄掉，而不至于突變產(chǎn)生（高壓），如下圖所示：

圖3-10.a2

2.開關(guān)特性

由于有內(nèi)部PN結(jié)和少數(shù)載流子的存在，所以和二極管一樣，BJT晶體管在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)也不是瞬間完成的，而是有一定的延遲時(shí)間，如下圖所示：

圖3-10.02

?td：延遲時(shí)間（delay（ti）me），當(dāng)基極輸入變?yōu)楦唠娖胶?，IC從0上升到目標(biāo)值的10%所需的時(shí)間。

?tr：上升時(shí)間（risetime），IC從10%上升到90%所需的時(shí)間。

?ton：開啟時(shí)間（ontime），ton=ts+tr，當(dāng)IC從0上升到90%時(shí)，我們就可以認(rèn)為晶體管已基本開啟。

?ts：存儲(chǔ)時(shí)間（storagetime），當(dāng)基極開路或輸入低電平后，IC從100%下降到90%所需的時(shí)間。

?tf：下降時(shí)間（falltime），IC從90%下降到10%所需的時(shí)間。

?toff：關(guān)斷時(shí)間（offtime），toff=ts+tf，當(dāng)IC從100%下降到10%時(shí)，我們就可以認(rèn)為晶體管已基本關(guān)斷。

這些參數(shù)在晶體管數(shù)據(jù)規(guī)格書中都會(huì)給出，仍以3-8小節(jié)的2N4123為例，在規(guī)格書的Figure2中，可讀出這些參數(shù)值：

圖3-10.03

當(dāng)IC=20mA時(shí)，在圖中可大致讀出：

td=13ns，tr=13ns，ts=110ns，tf=11ns

?開啟時(shí)間為：ton=td+tr=13ns+13ns=26ns

?關(guān)斷時(shí)間為：toff=ts+tf=100ns+11ns=111ns

在要求不太高的功率開關(guān)場合，以上的延遲時(shí)間基本也夠用了。另外有一類晶體管稱為開關(guān)型晶體管（switc