如何使三极管工作于开关状态

1、如何使三极管工作于开关状态晶体三极管的实际开关特性决定于管子的工作状态。晶体三极管输出特性三个工 作区，即截止区、放大区、饱和区，如图421(b)所示。如果要使晶体三极管工 作于开关的接通状态，就应该使之工作于饱和区；要使晶体三极管工作于开关的断开状态，就应该使之工作于截止区，发射极电流iE=O，这时晶体三极管处于截止状态，相当于开关断开。集电结加有反向电压，集电极电流iC=ICBO,而基极电流iB=-ICB0。说明三极管截止时，iB并不是为0, 而等于-ICBO。基极开路时，外加 电源电压VCC使集电结反向偏置，发射结正向 偏置晶体三极管基极电流iB=0时，晶体管并未进入截止状态，这时iE=

2、iC =ICEO 还是较大的。晶体管进入截止状态，晶体管基极与发射极之间加反向电压，这时只存在集电极反向饱和电流ICBO, iB =-ICBO, iE=0，为临界截止状态。进一步 加大基极电压的绝对值，当大于VBO寸，发射结处于反向偏置而截止，流过发射 结的电流为反向饱和电流IEBO,这时晶体管进入截止状态iB = -(ICBO+ IEBO)， iC= ICBO发射结外加正向电压不断升高，集电极电流不断增加。同时基极电流 也增加，随着基极电流iB的增加基极电位vB升高，而随着集电极电流iC的增 加，集电极电位vC却下降。当基极电流iB增大到一定值时，将出现vBE =vCE 的情况。这时集电结为

3、零偏，晶体管出现临界饱和。如果进一步增大iB，iB增大，使得集电结由零偏变为正向偏置，集电结位垒降低，集电区电子也将注入基区，从而使集电极电流iC随基极电流iB的增大而增 大的速度减小。这时在基区存储大量多余电子-空穴对，当iB继续增大时，iC 基本维持不变，即iB失去对iC的控制作用，或者说这时晶体管的放大能力大大 减弱了。这时称晶体管工作于饱和状态。一般地说，在饱和状态时饱和压降VBE(sat)近似等于0.7V，VCE(sat)近似等于0.3V。由图4.2.1(a)可看出，集电 极电流iC的增加受外电路的限制。由电路可得出iC的最大值为ICM=VCC/RC 晶体管进入饱和状态，基极电流增大

4、，集电极电流变化很小，即卩iC=ICS=(VCC-VBE(sat)/RC晶体管处于临界饱和时的基极电流为IBS=ICS/ B =(VCC-VBE(sat)/ B RC基极电阻增大，驱动电流不足，特别是晶体管从放大区进入饱和区时时间太长，开关晶体管发热烧坏,因此此电阻的计算为:Rb=Hfe*(Vb-0.7)/lcm在简易自动控制电路中， 将介绍一些模拟实验电路， 利用一些物理现象产生的力、 热、声、光、电信号，实现自动控制，以达到某种控制效果。磁控和热控电路 在磁力自动控制电路中， 传感元件是干簧管， 当磁铁靠近时， 常开触点闭合而接 通传感电路， 完成位置传感作用。 能不能用干簧管开关直接控制

5、 电动机 的转 与停呢？玩具电动机是常用的动力装置， 它能够把电能转换为机械能， 可用于小 电风扇转动、 小离心水泵抽水等执行功能。 通常玩具直流电动机工作电压低， 虽 然在1.53V就可以启动，但起动电流较大(12安培)，如果用触点负荷仅 为几十毫安的干簧管进行开关控制， 将大大缩短其使用寿命。 因此，在自动控制 电路中，常使用电子开关来控制电动机的工作状态。三极管电子 开关电路 见图1。由开关三极管VT,玩具电动机M控制开关S,基极限流电阻器R和电 源GB组成。VT采用NPh型小功率硅管8050,其集电极最大允许电流ICM可达 1.5A，以满足电动机起动电流的要求。M选用工作电压为3V的小

6、型直流电动机， 对应电源GB亦为3V。VT基极限流电阻器R如何确定呢？根据三极管的电流分配作用，在基极输入一 个较弱的电流IB，就可以控制集电极电流IC有较强的变化。假设VT电流放大 系数hfe250,电动机起动时的集电极电流IC = 1.5A，经过计算，为使三极管 饱和导通所需的基极电流IB >( 1500m"250)X 2= 12mA在图1电路中，电 动机空载时运转电流约为500mA此时电源(用两节5号电池供电)电压降至2.4V， VT基极-发射极之间电压VBE-0.9V。根据欧姆定律，VT基极限流电阻器的电阻 值 R=( 2.4 0.9 ) V/ 12mA 0.13k Q

7、。考虑到 VT在 IC 较大时，hfe 要减小， 电阻值R还要小一些，实取100Q。为使电动机更可靠地启动，R甚至可减少到 51 Q。在调试电路时，接通控制开关 S,电动机应能自行启动，测量 VT集电极 发射极之间电压VCEC0.35V，说明三极管已饱和导通，三极管开关电路工作 正常，否则会使VT过热而损坏。自动灭火的热量自动控制电路 见图2。该电路是将图1中的控制开关S换成双 金属复片开关ST,就成为热控电路了。当蜡烛火焰烧烤到双金属复片时，复片 趋于伸直状态，使得开关ST接通，电动机启动，带动小风扇叶片旋转，对准蜡 烛吹风，自动将火焰熄灭；当双金属片冷却后，开关断开，小电风扇自动停转， 完

8、成了自动灭火的程序。自动停车的磁力自动控制电路见图 3。开启电源开关S,玩具车启动，行驶到接进磁铁时，安装在 VT基极与发射极之间的干簧 管SQ闭合，将基极偏置电流短路，VT截止，电动机停止转动，保护了电动机及 避免大电流放电。光电控制电路在光电自动控制电路中，可以选用光敏电阻器做为光电传感元件。 能否将光敏电 阻器直接接入图1控制开关S的位置呢？通常光敏电阻器，例如 MG45有光照射 时的亮阻210kQ，远大于偏置电阻器R的电阻值，显然不能产生维持 VT饱和 导通所需强度的基极电流。因此，需要先用一支三极管进行电流放大， 再驱动开 关三极管工作。光电自动控制电路 见图4。VT1和VT2接成类

9、似复合管电路形式，VT1的发射 极电流也是VT2的基极电流，R2既是VT1的负载电阻器又是VT2的基极限流电 阻器。因此，当VT1基极输入微弱的电流（0.1mA）,可以控制末级VT2较强电 流一一驱动电动机运转电流（500mA的变化。VT1选用小功率NPh型硅管9013, hfe200。同前计算方法，维持两管同时饱和导通时VT1基极偏置电阻器R1约为3.3k Q,减去光敏电阻器RG亮阻2k Q ,限流电阻器R1实取1kQ。光敏传感 器也可以采用光敏 二极管，使用时要注意极性，光敏二极管的负极接供电电源正 极。光敏二极管对控制光线有方向性选择，且灵敏度较高，也不会产生强光照射后的疲劳现象。水位控

10、制电路最简单的水位传感元件是采用两个电极， 当水面淹没电极时，利用不纯净水的导 电性使电极之间导通，但导通电阻值较大，约 50k Q，不能代替光敏电阻器直接 驱动如图4所示的光控电路，需要灵敏更高的控制电路。水位自动控制电路 如图5所示。它是在图4电路的基础上，增加了一级前置放 大管VT1,在其基极输入很微弱的 电流（10 A）就可以使VT13皆饱和导通。 控制开关S可以用大头针做成两个电极，当其被水淹没而导电时，小电动机会自 行运转。C1为旁路电容器，防止感应交流电对控制电路的干扰。VT1选用低噪音、 高增益的小功率NPN硅管9014。根据上述电路水位控制的功能，能否设计成一 个感知下雨自动

11、关窗、自动收晾晒衣服绳索的自动控制器。下偏置水自动控制电路 见图6 。图中，将两个电极改接在VT1下偏置，R1仍为上偏置电阻器。 当杯内水面低于两个电极时，相当于下偏置开路，R1产生的偏置电流使电动机起动。当水位上升到淹没电极时，两个电极之间被水导通，将R1产生的偏置电流旁路一部分，使VT13截止，电动机停转，与图5控制效果恰好相反。三极管的开关电路分析（12 V- svyMCU Output在这里做个小电路的分析，大家都可能用到，这里把模型分解一下，并介绍一下 计算方法和各个元件的作用。Q1:主开关，主要作用是提供12VSW电流，特点饱和时Vec必须很小，热阻不能 太大。Q2副开关，主要作用

12、是旁路 Q1,在MCI置高电平时导通，ce拉低使Q1工作。 R1:保证MCI无输出的时候电路不工作。R2限制电流，给Q2个工作电流。C1:去除干扰，防止Q1意外导通。下面是这个电路图的等效模型：+然后我们定义一下输出负载，假设有N个按键开关电路检测电路(Active Low )MCURvdlInput OCd经过以上分析我们可以列出所有公式: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,吗护(xlRQ十"lero" otheiwwe(U5V3 I mU.SW5V U ec_Q6 -UbeQx- "UceQx-"rtuA" mar1"lleak" R】Qx *R2X)r 这个时候我们可以看出，要想让这个电路处于良好的状态，两个开关管必须都处 于饱和状态，一般要使得开关管饱和，lc/lb必须小于30.因此我们必须求取方 法倍数，其中Q1中的Vbatt和lb和lc同时是正向关系，必须求取各个参数的 偏导求最大的放大系数。这样就可以求得此时 三极管的状态。另外一个需要验证 的就是温度情况，公式如下：135K-Taif 0V £ Btitw £ 16V ROISOUTg otherwiseRO丁站叩7了厨叫3脚丁0*RD打山込 QT g h "Pass Diode Pntai< Pderattd11 if nuni 3 出工1 £ PdfQj*FaJ Diode Pihu > PdetaUd" otherwnse这个主要是验证散发功率的情况。 计算过程到此差不多了，在实际设计中，每个