開關三極管(Switch transistor)的(de)外形與普通(tōng)三極管外形相同,它工作于截止區(qū)和(hé)飽和(hé)區(qū),相當于電路的(de)切斷和(hé)導通(tōng)。由于它具有完成斷路和(hé)接通(tōng)的(de)作用(yòng),被廣泛應用(yòng)于各種開關電路中,如常用(yòng)的(de)開關電源電路、驅動電路、高(gāo)頻(pín)振蕩電路、模數轉換電路、脈沖電路及輸出電路等。
負載電阻被直接跨接于三極管的(de)集電極與電源之間,而位居三極管主電流的(de)回路上,輸入電壓Vin則控制三極管開關的(de)開啓(open) 與閉合(closed) 動作,當三極管呈開啓狀态時(shí),負載電流便被阻斷,反之,當三極管呈閉合狀态時(shí),電流便可(kě)以流通(tōng)。
詳細的(de)說,當Vin爲低電壓時(shí),由于基極沒有電流,因此集電極亦無電流,緻使連接于集電極端的(de)負載亦沒有電流,而相當于開關的(de)開啓(關閉狀态),此時(shí)三極管乃工作于截止(cut off)區(qū)。
同理(lǐ),當Vin爲高(gāo)電壓時(shí),由于有基極電流流動,因此使集電極流過更大(dà)的(de)放大(dà)電流,因此負載回路便被導通(tōng),而相當于開關的(de)閉合(連接狀态),此時(shí)三極管乃工作于飽和(hé)區(qū)(saturaTIon)。
開關三極管工作原理(lǐ)
截止狀态
當加在三極管發射結的(de)電壓小于PN結的(de)導通(tōng)電壓,基極電流爲零,集電極電流和(hé)發射極電流都爲零,三極管這(zhè)時(shí)失去了(le)電流放大(dà)作用(yòng),集電極和(hé)發射極之間相當于開關的(de)斷開狀态,即爲三極管的(de)截止狀态。開關三極管處于截止狀态的(de)特征是發射結,集電結均處于反向偏置。
導通(tōng)狀态
當加在三極管發射結的(de)電壓大(dà)于PN結的(de)導通(tōng)電壓,并且當基極的(de)電流增大(dà)到一定程度時(shí),集電極電流不再随著(zhe)基極電流的(de)增大(dà)而增大(dà),而是處于某一定值附近不再怎麽變化(huà),此時(shí)三極管失去電流放大(dà)作用(yòng),集電極和(hé)發射極之間的(de)電壓很小,集電極和(hé)發射極之間相當于開關的(de)導通(tōng)狀态,即爲三極管的(de)導通(tōng)狀态。開關三極管處于飽和(hé)導通(tōng)狀态的(de)特征是發射結,集電結均處于正向偏置。而處于放大(dà)狀态的(de)三極管的(de)特征是發射結處于正向偏置,集電結處于反向偏置。這(zhè)也(yě)是可(kě)以使用(yòng)電壓表測試發射結,集電結的(de)電壓值判定三極管工作狀況的(de)原理(lǐ)。開關三極管正是基于三極管的(de)開關特性來(lái)工作的(de)。
工作模式
三極管的(de)種類很多(duō),并且不同型号各有不同的(de)用(yòng)途。三極管大(dà)都是塑料封裝或金屬封裝,常見三極管的(de)外觀,有一個(gè)箭頭的(de)電極是發射極,箭頭朝外的(de)是NPN型三極管,而箭頭朝内的(de)是PNP型。實際上箭頭所指的(de)方向是表示電流的(de)方向。
雙極面結型晶體管兩個(gè)類型:NPN和(hé)PNP
NPN類型包含兩個(gè)n型區(qū)域和(hé)一個(gè)分(fēn)隔它們的(de)p型區(qū)域;PNP類型則包含兩個(gè)p型區(qū)域和(hé)一個(gè)分(fēn)隔它們的(de)n型區(qū)域。
三極管的(de)開關作用(yòng)
簡單三極管開關:電路如圖5,電阻RC是LED限流用(yòng)電阻,以防止電壓過高(gāo)燒壞LED(發光(guāng)二極管),将輸入信号 VIN 從0 調到最大(dà) (等分(fēn)爲約20 個(gè)間隔),觀察并記錄對(duì)的(de) VOUT 以及LED 的(de)亮度。當三極管開關爲斷路時(shí),VOUT =VCC =12 V,LED 不亮。當三極管開關通(tōng)路時(shí),VOUT = 0.2V ,LED 會亮。改良三極管開關:因爲三極管由截止區(qū)過度到飽和(hé)區(qū)需經過線性區(qū),開關的(de)效果不會有明(míng)确的(de)界線。爲使三極管開關的(de)效果明(míng)确,可(kě)串接兩三極管,電路如圖六。同樣将輸入信号 VIN 從0 調到最大(dà) (等分(fēn)爲約20 個(gè)間隔),觀察并記錄對(duì)應的(de)VOUT 以及LED 的(de)亮度。
三極管開關與機械式開關的(de)比較
截至目前爲止,我們都假設當三極管開關導通(tōng)時(shí),其基極與射極之間是完全短路的(de)。事實并非如此,沒有任何三極管可(kě)以完全短路而使VCE=0,大(dà)多(duō)數的(de)小信号矽質三極管在飽和(hé)時(shí),VCE(飽和(hé))值約爲0.2伏特,縱使是專爲開關應用(yòng)而設計的(de)交換三極管,其VCE(飽和(hé))值頂多(duō)也(yě)隻能低到0.1伏特左右,而且負載電流一高(gāo),VCE(飽和(hé))值還(hái)會有些許的(de)上升現象,雖然對(duì)大(dà)多(duō)數的(de)分(fēn)析計算(suàn)而言,VCE(飽和(hé))值可(kě)以不予考慮,但是在測試交換電路時(shí),必須明(míng)白VCE(飽和(hé))值并非真的(de)是0。
雖然VCE(飽和(hé))的(de)電壓很小,本身微不足道,但是若将幾個(gè)三極管開關串接起來(lái),其總和(hé)的(de)壓降效應就很可(kě)觀了(le),不幸的(de)是機械式的(de)開關經常是采用(yòng)串接的(de)方式來(lái)工作的(de),如圖3(a)所示,三極管開關無法模拟機械式開關的(de)等效電路(如圖3(b)所示)來(lái)工作,這(zhè)是三極管開關的(de)一大(dà)缺點。
幸好三極管開關雖然不适用(yòng)于串接方式,卻可(kě)以完美(měi)的(de)适用(yòng)于并接的(de)工作方式,如圖4所示者即爲一例。
三極管開關和(hé)傳統的(de)機械式開關相較,具有下(xià)列四大(dà)優點﹕
(1)三極管開關不具有活動接點部份,因此不緻有磨損之慮,可(kě)以使用(yòng)無限多(duō)次,
一般的(de)機械式開關,由于接點磨損,頂多(duō)隻能使用(yòng)數百萬次左右,而且其接點易受污損而影(yǐng)響工作,因此無法在髒亂的(de)環境下(xià)運作,三極管開關既無接點又是密封的(de),因此無此顧慮。
(2)三極管開關的(de)動作速度較一般的(de)開關爲快(kuài),一般開關的(de)啓閉時(shí)間是以毫秒(ms)來(lái)計算(suàn)的(de),三極管開關則以微秒(μs)計。
(3)三極管開關沒有躍動(bounce)現象。一般的(de)機械式開關在導通(tōng)的(de)瞬間會有快(kuài)速的(de)連續啓閉動作,然後才能逐漸達到穩定狀态。
(4)利用(yòng)三極管開關來(lái)驅動電感性負載時(shí),在開關開啓的(de)瞬間,不緻有火花産生。反之,當機械式開關開啓時(shí),由于瞬間切斷了(le)電感性負載樣上的(de)電流,因此電感之瞬間感應電壓,将在接點上引起弧光(guāng),這(zhè)種電弧非但會侵蝕接點的(de)表面,亦可(kě)能造成幹擾或危害。