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    一种三极管开关电路设计

    出处:12864 发布于:2011-08-26 09:42:48 | 118038 次阅读

      引言

      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。由图可知,负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间,而位居三极管主电流的回路上。

    二极管,因此使得可令基极电流导通的输入电压值提升了0.6伏特,如此即使Vin值由于信号源的误动作而接近0.6伏特时,亦不致使三极管导通,因此开关仍可处于截止状态。

      图6(b)的电路加上了一只辅助-截止(hold-off)电阻R2,适当的R1,R2及Vin值设计,可于临界输入电压时确保开关截止。由图6(b)可知在基射极接面未导通前(IB0),R1和R2形成一个串联分压电路,因此R1必跨过固定(随Vin而变) 的分电压,所以基极电压必低于Vin值,因此即使Vin接近于临界值(Vin=0.6伏特) ,基极电压仍将受连接于负电源的辅助-截止电阻所拉下,使低于0.6伏特。由于R1,R2及VBB值的刻意设计,只要Vin在高值的范围内,基极仍将有足够的电压值可使三极管导通,不致受到辅助-截止电阻的影响。

      3.1.1 加速电容器

      在要求快速切换动作的应用中,必须加快三极管开关的切换速度。图7为一种常见的方式,此方法只须在RB电阻上并联一只加速电容器,如此当Vin由零电压往上升并开始送电流至基极时,电容器由于无法瞬间充电,故形同短路,然而此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极,因此也就加快了开关导通的速度。稍后,待充电完毕后,电容就形同开路,而不影响三极管的正常工作。

    加了加速电容器的电路

    图7 加了加速电容器的电路

      一旦输入电压由高准位降回零电压准位时,电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反向偏压,而使三极管开关迅速切断,这是由于电容器的左端原已充电为正电压,因此在输入电压下降的瞬间,电容器两端的电压无法瞬间改变仍将维持于定值,故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降,因此令基射极接面成为反向偏压,而迅速令三极管截止。适当的选取加速电容值可使三极管开关的切换时间减低至几十分之微秒以下,大多数的加速电容值约为数百个微微法拉(pF) 。

      有时候三极管开关的负载并非直接加在集电极与电源之间,而是接成图8的方式,这种接法和小信号交流放大器的电路非常接近,只是少了一只输出耦合电容器而已。这种接法和正常接法的动作恰好相反,当三极管截止时,负载获能,而当三极管导通时,负载反被切断,这两种电路的形式都是常见的,因此必须具有清晰的分辨能力。

    将负载接于三极管开关电路的改进接法

    图8 将负载接于三极管开关电路的改进接法

      3.1.2 图腾式开关

      假使图8的三极管开关加上了电容性负载(假定其与RLD并联) ,那么在三极管截止后,由于负载电压必须经由RC电阻对电容慢慢充电而建立,因此电容量或电阻值愈大,时间常数(RC) 便愈大,而使得负载电压之上升速率愈慢,在某些应用中,这种现象是不容许的,因此必须采用图9的改良电路。

    图腾式三极管开关

    图9 图腾式三极管开关

      图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所构成的,它也因此而得名。欲使负载获能,必须使Q1三极管导通,同时使Q2三极管截断,如此负载便可经由Q1而连接至VCC上,欲使负载去能,必须使Q1三极管截断,同时使Q2三极管导通,如此负载将经由Q2接地。由于Q1的集电极除了极小的接点电阻外,几乎没有任何电阻存在(如图9所示) ,因此负载几乎是直接连接到正电源上的,也因此当Q1导通时,就再也没有电容的慢速充电现象存在了。所以可说Q1“将负载拉起”,而称之为“挽起 (pull up) 三极管”,Q2则称为“拉下(pull down) 三极管”。图9左半部的输入控制电路,负责Q1和Q2三极管的导通与截断控制,但是必须确保Q1和Q2使不致同时导通,否则将使VCC和地之间经由Q1和 Q2而形同短路,果真如此,则短路的大电流至少将使一只三极管烧毁。因此图腾式三极管开关绝对不可如图6-4般地采用并联方式来使用,否则只要图腾上方的三极管Q1群中有任一只导通,而下方的Q2群中又恰好有一只导通,电源便经由导通之Q1和Q2短路,而造成严重的后果。

      3.2  三极管开关之应用

      3.2.1 驱动指示

      晶体管开关最常见的应用之一,是用以驱动指示灯,利用指示灯可以指示电路某特定点的动作状况,亦可以指示马达的控制器是否被激励,此外亦可以指示某一限制开关是否导通或是某一数字电路是否处于高电位状态。

      举例而言,图10(a)即是利用晶体管开关来指示一只数字正反器(flip-flop)的输出状态。假使正反器的输出为高准位(一般为5伏特) ,晶体管开关便被导通,而令指示灯发亮,因此操作员只要一看指示灯,便可以知道正反器目前的工作状况,而不须要利用电表去检测。

      有时信号源(如正反器)输出电路之电流容量太小,不足以驱动晶体管开关,此时为避免信号源不胜负荷而产生误动作,便须采用图10(b) 所示的改良电路,当输出为高准位时,先驱动射极随耦晶体管Q1做电流放大后,再使Q2导通而驱动指示灯,由于射极随耦级的输入阻抗相当高,因此正反器之须要提供少量的输入电流,便可以得到满意的工作。

      数字显示器图10(a)之电路经常被使用于数字显示器上。

    (a) 基本电路图         (b) 改良电路

    图10  (a) 基本电路图         (b) 改良电路

      3.2.2 不同电压准位的界面电路

      在工业设备中,往往必须利用固态逻辑电路来担任控制的工作,有关数字逻辑电路的原理,将在下一章详细加以介绍,在此为说明界面电路起见,先将工业设备的控制电路分为三大部份﹕(1)输入部份,(2)逻辑部份,(3)输出部份。

      为达到可靠的运作,工业设备的输入与输出部份通常工作于较高的电压准位,一般为220伏特。而逻辑部份却是操作于低电压准位的,为了使系统正常工作,便必须使这两种不同的电压准位之间能够沟通,这种不同电压间的匹配工作就称做界面(interface)问题。担任界面匹配工作的电路,则称为界面电路。三极管开关就经常被用来担任此类工作。

      图11利用三极管开关做为由高压输入控制低压逻辑的界面电路之实例,当输入部份的微动开关闭合时,降压变压器便被导通,而使全波整流滤波电路送出低压的直流控制信号,此信号使三极管导通,此时集电极电压降为0(饱和)伏特,此0伏特信号可被送入逻辑电路中,以表示微动开关处于闭合状态。

      反之,若微动开关开启,变压器便不通电,而使三极管截止,此时集电极电压便上升至VCC值,此一VCC信号,可被送入逻辑电路中,藉以表示微动开关处于开启状态。在图11之中,逻辑电路被当作三极管的负载,连接于集电极和地之间(如图11) ,因此三极管开关电路的R1,R2和RC值必须慎加选择,以保证三极管只工作于截止区与饱和区,而不致工作于主动(线性) 区内。

    三极管开关当作输入部份与逻辑部份之间的界面

    图11三极管开关当作输入部份与逻辑部份之间的界面

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