如何使三極管工作于開關(guān)狀態(tài)

1、如何使三極管工作于開關(guān)狀態(tài)晶體三極管的實際開關(guān)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421(b)所示。如果要使晶體三極管工 作于開關(guān)的接通狀態(tài)，就應(yīng)該使之工作于飽和區(qū)；要使晶體三極管工作于開關(guān)的斷開狀態(tài)，就應(yīng)該使之工作于截止區(qū)，發(fā)射極電流iE=O，這時晶體三極管處于截止狀態(tài)，相當于開關(guān)斷開。集電結(jié)加有反向電壓，集電極電流iC=ICBO,而基極電流iB=-ICB0。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(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)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=

2、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寸，發(fā)射結(jié)處于反向偏置而截止，流過發(fā)射 結(jié)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(jié)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(jié)為

3、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(jié)由零偏變?yōu)檎蚱?，集電結(jié)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

4、，集電極電流變化很小，即卩iC=ICS=(VCC-VBE(sat)/RC晶體管處于臨界飽和時的基極電流為IBS=ICS/ B =(VCC-VBE(sat)/ B RC基極電阻增大，驅(qū)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(guān)晶體管發(fā)熱燒壞,因此此電阻的計算為:Rb=Hfe*(Vb-0.7)/lcm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(guān)直接控制

5、 電動機 的轉(zhuǎn) 與停呢？玩具電動機是常用的動力裝置， 它能夠把電能轉(zhuǎn)換為機械能， 可用于小 電風扇轉(zhuǎn)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1.53V就可以啟動，但起動電流較大(12安培)，如果用觸點負荷僅 為幾十毫安的干簧管進行開關(guān)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(guān)來控制電動機的工作狀態(tài)。三極管電子 開關(guān)電路 見圖1。由開關(guān)三極管VT,玩具電動機M控制開關(guān)S,基極限流電阻器R和電 源GB組成。VT采用NPh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

6、型直流電動機， 對應(yīng)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(shè)VT電流放大 系數(shù)hfe250,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(dǎo)通所需的基極電流IB >( 1500m"250)X 2= 12mA在圖1電路中，電 動機空載時運轉(zhuǎn)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 0.13k Q

7、?？紤]到 VT在 IC 較大時，hfe 要減小， 電阻值R還要小一些，實取100Q。為使電動機更可靠地啟動，R甚至可減少到 51 Q。在調(diào)試電路時，接通控制開關(guān) S,電動機應(yīng)能自行啟動，測量 VT集電極 發(fā)射極之間電壓VCEC0.35V，說明三極管已飽和導(dǎo)通，三極管開關(guān)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(guān)S換成雙 金屬復(fù)片開關(guān)ST,就成為熱控電路了。當蠟燭火焰燒烤到雙金屬復(fù)片時，復(fù)片 趨于伸直狀態(tài)，使得開關(guān)ST接通，電動機啟動，帶動小風扇葉片旋轉(zhuǎn)，對準蠟 燭吹風，自動將火焰熄滅；當雙金屬片冷卻后，開關(guān)斷開，小電風扇自動停轉(zhuǎn)， 完

8、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(guān)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(zhuǎn)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(guān)S的位置呢？通常光敏電阻器，例如 MG45有光照射 時的亮阻210kQ，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(dǎo)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(qū)動開 關(guān)三極管工作。光電自動控制電路 見圖4。VT1和VT2接成類

9、似復(fù)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 流一一驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)電流（500mA的變化。VT1選用小功率NPh型硅管9013, hfe200。同前計算方法，維持兩管同時飽和導(dǎo)通時VT1基極偏置電阻器R1約為3.3k Q,減去光敏電阻器RG亮阻2k Q ,限流電阻器R1實取1kQ。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

10、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(dǎo) 電性使電極之間導(dǎo)通，但導(dǎo)通電阻值較大，約 50k Q，不能代替光敏電阻器直接 驅(qū)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(chǔ)上，增加了一級前置放 大管VT1,在其基極輸入很微弱的 電流（10 A）就可以使VT13皆飽和導(dǎo)通。 控制開關(guān)S可以用大頭針做成兩個電極，當其被水淹沒而導(dǎo)電時，小電動機會自 行運轉(zhuǎn)。C1為旁路電容器，防止感應(yīng)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(shè)計成一 個感知下雨自動

11、關(guān)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(dǎo)通，將R1產(chǎn)生的偏置電流旁路一部分，使VT13截止，電動機停轉(zhuǎn)，與圖5控制效果恰好相反。三極管的開關(guān)電路分析（12 V- svyMCU Output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(guān)，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(guān)，主要作用

12、是旁路 Q1,在MCI置高電平時導(dǎo)通，ce拉低使Q1工作。 R1:保證MCI無輸出的時候電路不工作。R2限制電流，給Q2個工作電流。C1:去除干擾，防止Q1意外導(dǎo)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(shè)有N個按鍵開關(guān)電路檢測電路(Active Low )MCURvdlInput OCd經(jīng)過以上分析我們可以列出所有公式:RRvdl + Rvd2)fl(Klx2x3Hx5Mx7.x8.x9) 步刃工Sfl(xl.x2.x3.x4>x5ts6,x7>X8kafiy) dxl>0fl(x! tx2tx3 rx4rx51«6rx7|dxl/J “3.2

13、 3 m R 屈 R 乂,嗎護(xlRQ十"lero" otheiwwe(U5V3 I mU.SW5V U ec_Q6 -UbeQx- "UceQx-"rtuA" mar1"lleak" R】Qx *R2X)r 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(guān)管必須都處 于飽和狀態(tài)，一般要使得開關(guān)管飽和，lc/lb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lb和lc同時是正向關(guān)系，必須求取各個參數(shù)的 偏導(dǎo)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：135K-Taif 0V £ Btitw £ 16V ROISOUTg otherwiseRO丁站叩7了廚叫3腳丁0*RD打山込 QT g h "Pass Diode Pntai< Pderattd11 if nuni 3 出工1 £ PdfQj*FaJ Diode Pihu > PdetaUd" otherwnse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(shè)計中，每個