如何使三極管工作于開關狀態(tài)
如何使三極管工作于開關狀態(tài)?
晶體三極管的實際開關特性決定于管子的工作狀態(tài)。晶體三極管輸出特性三個工作區(qū)，即截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū),如圖4.2.1(b)所示。如果要使晶體三極管工作于開關的接通狀態(tài)，就應該使之工作于飽和區(qū)；
要使晶體三極管工作于開關的斷開狀態(tài)，就應該使之工作于截止區(qū)，發(fā)射極電流iE=0，這時晶體三極管處于截止狀態(tài)，相當于開關斷開。集電結加有反向電壓，集電極電流iC=ICBO，而基極電流iB=-ICBO。說明三極管截止時，iB并不是為0，而等于-ICBO。基極開路時，外加電源電壓VCC使集電結反向偏置，發(fā)射結正向偏置晶體三極管基極電流iB=0時，晶體管并未進入截止狀態(tài)，這時iE=iC =ICEO還是較大的。晶體管進入截止狀態(tài)，晶體管基極與發(fā)射極之間加反向電壓，這時只存在集電極反向飽和電流ICBO，iB =-ICBO，iE=0，為臨界截止狀態(tài)。進一步加大基極電壓的絕對值，當大于VBO時，發(fā)射結處于反向偏置而截止，流過發(fā)射結的電流為反向飽和電流IEBO，這時晶體管進入截止狀態(tài)iB = -(ICBO+ IEBO)，iC= ICBO。發(fā)射結外加正向電壓不斷升高，集電極電流不斷增加。同時基極電流也增加，隨著基極電流iB 的增加基極電位vB升高，而隨著集電極電流iC的增加，集電極電位vC卻下降。當基極電流iB增大到一定值時，將出現(xiàn)vBE =vCE的情況。這時集電結為零偏，晶體管出現(xiàn)臨界飽和。
如果進一步增大iB ，iB增大，使得集電結由零偏變?yōu)檎蚱�，集電結位壘降低，集電區(qū)電子也將注入基區(qū)，從而使集電極電流iC隨基極電流iB的增大而增大的速度減小。這時在基區(qū)存儲大量多余電子-空穴對，當iB繼續(xù)增大時，iC基本維持不變，即iB失去對iC的控制作用，或者說這時晶體管的放大能力大大減弱了。這時稱晶體管工作于飽和狀態(tài)。一般地說，在飽和狀態(tài)時飽和壓降VBE(sat)近似等于0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由圖4.2.1(a)可看出，集電極電流iC的增加受外電路的限制。由電路可得出iC的最大值為ICM= VCC/ RC。晶體管進入飽和狀態(tài)，基極電流增大，集電極電流變化很小，即
iC=ICS=(VCC-VBE(sat))/RC晶體管處于臨界飽和時的基極電流為
IBS=ICS/β=(VCC-VBE(sat))/βRC
基極電阻增大,驅動電流不足,特別是晶體管從放大區(qū)進入飽和區(qū)時時間太長,開關晶體管發(fā)熱燒壞,因此此電阻的計算為:Rb《
=Hfe*(Vb-0.7)/Icm
在簡易自動控制電路中，將介紹一些模擬實驗電路，利用一些物理現(xiàn)象產(chǎn)生的力、熱、聲、光、電信號，實現(xiàn)自動控制，以達到某種控制效果。
磁控和熱控電路
在磁力自動控制電路中，傳感元件是干簧管，當磁鐵靠近時，常開觸點閉合而接通傳感電路，完成位置傳感作用。 能不能用干簧管開關直接控制電動機的轉與停呢？玩具電動機是常用的動力裝置，它能夠把電能轉換為機械能，可用于小電風扇轉動、小離心水泵抽水等執(zhí)行功能。通常玩具直流電動機工作電壓低，雖然在1.5～3V就可以啟動，但起動電流較大（1～2安培），如果用觸點負荷僅為幾十毫安的干簧管進行開關控制，將大大縮短其使用壽命。因此，在自動控制電路中，常使用電子開關來控制電動機的工作狀態(tài)。
三極管電子開關電路
見圖1 。由開關三極管VT，玩具電動機M，控制開關S，基極限流電阻器R和電源GB組成。VT采用NPN型小功率硅管8050，其集電極最大允許電流ICM可達
1.5A，以滿足電動機起動電流的要求。M選用工作電壓為3V的小型直流電動機，對應電源GB亦為3V 。
VT基極限流電阻器R如何確定呢？根據(jù)三極管的電流分配作用，在基極輸入一個較弱的電流IB，就可以控制集電極電流IC有較強的變化。假設VT電流放大系數(shù)hfe≈250，電動機起動時的集電極電流IC＝1.5A，經(jīng)過計算，為使三極管飽和導通所需的基極電流IB≥（1500mA／250）×2＝12mA。在圖1電路中，電動機空載時運轉電流約為500mA，此時電源（用兩節(jié)5號電池供電）電壓降至2.4V，VT基極-發(fā)射極之間電壓VBE≈0.9V。根據(jù)歐姆定律，VT基極限流電阻器的電阻值R＝（2.4－0.9）V／12mA≈0.13kΩ�？紤]到VT在IC較大時，hfe要減小，電阻值R還要小一些，實取100Ω。為使電動機更可靠地啟動，R甚至可減少到51Ω。在調(diào)試電路時，接通控制開關S，電動機應能自行啟動，測量VT集電極—發(fā)射極之間電壓VCE≤0.35V，說明三極管已飽和導通，三極管開關電路工作正常，否則會使VT過熱而損壞。
自動滅火的熱量自動控制電路 見圖2。該電路是將圖1中的控制開關S換成雙金屬復片開關ST，就成為熱控電路了。當蠟燭火焰燒烤到雙金屬復片時，復片趨于伸直狀態(tài)，使得開關ST接通，電動機啟動，帶動小風扇葉片旋轉，對準蠟燭吹風，自動將火焰熄滅；當雙金屬片冷卻后，開關斷開，小電風扇自動停轉，完成了自動滅火的程序。 自動停車的磁力自動控制電路 見圖3。開啟電源開關S，玩具車啟動，行駛到接進磁鐵時，安裝在VT基極與發(fā)射極之間的干簧管SQ閉合，將基極偏置電流短路，VT截止，電動機停止轉動，保護了電動機及避免大電流放電。
光電控制電路
在光電自動控制電路中，可以選用光敏電阻器做為光電傳感元件。能否將光敏電阻器直接接入圖1控制開關S的位置呢？通常光敏電阻器，例如MG45有光照射時的亮阻2～10kΩ，遠大于偏置電阻器R的電阻值，顯然不能產(chǎn)生維持VT飽和導通所需強度的基極電流。因此，需要先用一支三極管進行電流放大，再驅動開關三極管工作。
光電自動控制電路 見圖4。VT1和VT2接成類似復合管電路形式，VT1的發(fā)射極電流也是VT2的基極電流，R2既是VT1的負載電阻器又是VT2的基極限流電阻器。因此，當VT1基極輸入微弱的電流（0.1mA），可以控制末級VT2較強電流——驅動電動機運轉電流（500mA）的變化。VT1選用小功率NPN型硅管9013，hfe≈200。同前計算方法，維持兩管同時飽和導通時VT1基極偏置電阻器R1約為3.3kΩ，減去光敏電阻器RG亮阻2kΩ，限流電阻器R1實取1kΩ。光敏傳感器也可以采用光敏二極管，使用時要注意極性，光敏二極管的負極接供電電源正極。光敏二極管對控制光線有方向性選擇，且靈敏度較高，也不會產(chǎn)生強光照射后的疲勞現(xiàn)象。
水位控制電路
最簡單的水位傳感元件是采用兩個電極，當水面淹沒電極時，利用不純凈水的導電性使電極之間導通，但導通電阻值較大，約50kΩ，不能代替光敏電阻器直接驅動如圖4所示的光控電路，需要靈敏更高的.控制電路。
水位自動控制電路 如圖5所示。它是在圖4電路的基礎上，增加了一級前置放大管VT1，在其基極輸入很微弱的電流（10μA）就可以使VT1～3皆飽和導通�？刂崎_關S可以用大頭針做成兩個電極，當其被水淹沒而導電時，小電動機會自行運轉。C1為旁路電容器，防止感應交流電對控制電路的干擾。VT1選用低噪音、高增益的小功率NPN硅管9014。根據(jù)上述電路水位控制的功能，能否設計成一個感知下雨自動關窗、自動收晾曬衣服繩索的自動控制器。 下偏置水自動控制電路 見圖6 。圖中，將兩個電極改接在VT1下偏置，R1仍為上偏置電阻器。當杯內(nèi)水面低于兩個電極時，相當于下偏置開路，R1產(chǎn)生的偏置電流使電動機起動。當水位上升到淹沒電極時，兩個電極之間被水導通，將R1產(chǎn)生的偏置電流旁路一部分，使VT1～3截止，電動機停轉，與圖5控制效果恰好相反。 三極管的開關電路分析（12V—SW）
如何使三極管工作于開關狀態(tài) 在這里做個小電路的分析，大家都可能用到，這里把模型分解一下，并介紹一下計算方法和各個元件的作用。
Q1：主開關，主要作用是提供12VSW電流，特點飽和時Vec必須很小，熱阻不能太大。
Q2：副開關，主要作用是旁路Q1，在MCU置高電平時導通，ce拉低使Q1工作。R1：保證MCU無輸出的時候電路不工作。R2：限制電流，給Q2一個工作電流。C1：去除干擾，防止Q1意外導通。下面是這個電路圖的等效模型：
然后我們定義一下輸出負載，假設有N個按鍵開關電路檢測電路（Active Low）
經(jīng)過以上分析我們可以列出所有公式：
這個時候我們可以看出，要想讓這個電路處于良好的狀態(tài)，兩個開關管必須都處于飽和狀態(tài)，一般要使得開關管飽和，Ic/Ib必須小于30.因此我們必須求取方法倍數(shù)，其中Q1中的Vbatt和Ib和Ic同時是正向關系，必須求取各個參數(shù)的偏導求最大的放大系數(shù)。這樣就可以求得此時三極管的狀態(tài)。另外一個需要驗證的就是溫度情況，公式如下：
這個主要是驗證散發(fā)功率的情況。計算過程到此差不多了，在實際設計中，每個參數(shù)都是比較重要的，特別是在省電模式下，可能會打開電源后掃描接口電路，因此整個電路的響應時間非常重要。以后會討論一下瞬態(tài)響應的做法（Laplas變換的應用。）在這里大致可以描述一下，因為每個電路都有濾波電容，在打開電源的瞬間，所有的電容都需要充電，因此此時的Ic是非常大的，所以電路一時達不到飽和狀態(tài)。這個參數(shù)主要是調(diào)整R2，R2增大，響應時間長，電路偏置功率小。R2減小，響應時間段，電路偏置功率大。做個tradeoff即可。
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