一文详解晶体管开关电路

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电子爱好者都知道,晶体管开关电路在现在电路设计中十分常见,同时也是很多电路设计中必不可少的一段电路,经典的74LS、74ALS等集成电路内部采用晶体管开关电路,但只有普通的驱动能力。三极管开关电路分为两大类,一类是经典的TTL三极管开关电路,一类是MOS管开关电路。今天就跟大家一起学习一下 TTL晶体管开关电路,蜂鸣器控制电路——无源蜂鸣器等等。
 
一、晶体管开关电路
 
TTL 晶体管开关电路按驱动能力分为小信号开关电路和功率开关电路。按三极管连接方式分为发射极地(PNP三极管发射极接电源)和射跟随开关电路。
 
1 、发射极接地开关电路
 
晶体管开关电路
 
发射极接地开关电路上面的基本电路离实际设计电路有点远:由于三极管基极电荷的积累,存在从开到关的过渡(三极管关断时,由于存在基极电荷释放速度变慢) R1,因此 Ic 不会立即变为零)。也就是说发射极接地开关电路是有关断时间的,它不能直接应用于高频开关。
 
 
晶体管开关电路
 
发射极接地开关电路工作原理:当三极管突然导通(IN信号突然跳变)时,C1瞬间出现短路,迅速为三极管提供基极电流,从而加速三极管导通。当晶体管突然关闭时(IN 信号突然跳闸),C1 瞬间导通,为释放基极电荷提供低阻抗路径,从而加速晶体管关闭。C值通常是几十到几百皮法,电路中的R2是保证三极管在没有IN高电平输入时保持关断状态。R4是保证三极管在没有IN低电平输入时保持关断状态。R1和R3用于基极限流。
 
晶体管开关电路
 
发射极接地开关电路工作原理:由于TVS二极管的Vf比Vbe小0.2~0.4V,所以基极电流大部分从二极管流过,然后流向三极管,最后在三极管导通时流向地,所以流向基极的电流晶体管小,积累的电荷少。当三极管关断时(IN信号突然跳变),放电的电荷变少,关断动作自然变快。
 
晶体管开关电路
 
发射极接地开关电路在实际电路设计中,需要考虑三极管Vceo、Vcbo满足压强,三极管满足集电极功耗。使用负载电流和hfe(取晶体管hfe的最小值来计算)来计算基极电阻(基极电流留0.5到1倍的余量)。注意特殊二极管的反向耐压。2、射极跟随器开关电路射极跟随器又称射极跟随器,是典型的负反馈放大器。从晶体管的连接方式来看,它实际上是一个普通的集电极放大器。信号从基极输入,从发射极输出。接在三极管发射极上的电阻Re在电路中起着重要的作用。它就像一面镜子,反映输出和输入的以下特征。输入电压usr=ube+usc。通常Usc>Ube,忽略Ube,则usr≈usc。显然,这意味着发射极限跟随器的电压放大倍数约等于1,即输入电压幅值约等于输出电压幅值。当Usr增加时,ib和ie都增加,发射极电压ue(usc)也增加。相反,当 Usr 减小时,Usc 也减小。这表明输出电压与输入电压同相,正是因为不仅输出电压等于输入电压,而且同相。输出电压紧随输入电压而变化。我们称这种具有以下特点的电路为“辐射极限跟随器”。射极跟随器可以用很小的输入电流得到很大的输出电流(即=(1+β)ib)。因此,它具有电流放大和功率放大的作用。需要区分的是,普通的多级共发射极放大电路不放大电流,放大电压,与发射相反。
 
二、蜂鸣器控制电路——无源蜂鸣器
 
当 BUZZ 为高电压时,三极管T1(N型三极管)导通,蜂鸣器发声。R5的作用是用于限流。
 
晶体管开关电路
蜂鸣器控制电路
 
三、 IO 控制电源开关打开-使用三极管和MOS管
 
MOS:FET MOSFET管的一种,可制成增强型或耗尽型、P沟道或N沟道共型。但实际应用只有增强型N沟道MOS管和增强型P沟道MOS管,即NMOS和PMOS。对于这两种增强型MOS管,常用的是NMOS,特点是导通电阻低。通常应用于开关电源和电机驱动。导通条件:当 Vgs 大于某个值时,NMOS 导通。当 Vgs 小于某个值时,PMOS 导通。开关损耗:不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻,造成不可避免的损耗。而现在的MOS管导通电阻一般都是几十毫欧。MOS管AO3401:P沟道增强型场效应管
 
晶体管开关电路
 
MOS管AO3401导通条件:一般不超过-12V即可为AO3401。以下是不同压降下的阻抗:
 
晶体管开关电路
 
mos管不同压降下的阻抗下面是工程应用中的开关控制电路。1、 通过 IO管脚控制电源--两只3401 MOS管下面是两只3401 MOS管,没有加开关控制。刚上电后,VDD 等于输入电压。此时,你可以通过两种方式供电。如果J5没有输入电压,由VBUS供电,通过F1输出5V电压。下面的电路可以用一个开关代替R10,Q201一直导通,内部二极管压降0.5V左右。注意:两个三极管的方向不同,Q200左边是S,右边是D。Q201左边是D,右边是S。当J5有电压时,Q200导通,Q201也满足导通条件,电压为0.1V。
 
晶体管开关电路
 
IO 控制电源开关打开注意:VBUS 右侧断开。
 
晶体管开关电路
电压参考
 
2、稳压管和MOS管稳压电路
 
工作原理:VCC可以来自左侧VDD5V_Control,也可以来自PC PS2口供电的Vpc_IN。VCC采用电压高的。
 
晶体管开关电路
 
稳压管和MOS管稳压电路原电路:
 
晶体管开关电路
 
稳压管和MOS管稳压电路左侧Vpc_IN由PS2供电,右侧由VCC供电。PS2通电时,左边是5V,右边是4.5V左右,可以满足机器的电压要求,当PS2口关闭时,机器可以正常工作。为了减小PS2的压降,可以决定采用如下电路:
 
晶体管开关电路
 
稳压管和MOS管稳压电路当PS2口上电时,三管Q412导通,Q411导通,VCC接近Vpc_IN。此时机器采用PS2口电压(5V左右)。当 PS2 未连接时,电流无法从机器流向 PS2 端口。使用以上参数测试记录:1最后两行显示:MOS二极管内部二极管压降约为0.6V,齐纳漏电流可使晶体管导通。PN结在0.6V左右即可导通。结论:输入电压在3.3V,三极管导通,说明R436阻值太大,需要减小。齐纳漏电流随着输入电压的增加而增加,但当两端电压达到3.9V时,电流应超过1mA。为了保证输入电压在5V左右能稳定下来,必须加大电流,减小电阻,当输入电压低于4.7V时,必须关断三极管。
 
晶体管开关电路
 
参数记录表格最后两行显示:满足PS2输入电压在[4.6-5V]达到稳压的效果。再将大键盘与机器相连,当机器断电时,键盘可以正常工作。电动工具工作时也能正常工作。检测到的问题:质量测试表明终端不能关机。发现终端断电后,Vpc_In处仍有电压。VCC (4.84V) 通过 Q411,在 Vpc_In 产生 4.8V 的电压。而D405的压降为0.3V左右。当Vpc_IN突然断电时,电源VCC在断电的瞬间,三极管导通,所有的VCC都会灌入端子,三极管一直导通。PS2供电电压的范围不容易确定。即当端电压较大时,电路为正向导通。同时,Vpc_IN电压必须小于一定值,以防止晶体管Q412导通。例如:IRF530特点: 一般VGS取12-15V,正负20V间浮动。
 
晶体管开关电路
 
稳压管和MOS管稳压电路但上面是错误的,因为Vgs 太小。对于单片机PWM驱动高压MOS(饱和导通状态下VGS接近10V),需要考虑以下问题:
 
电平转换:高电平单片机输出不超过5V,一般12-15V,所以驱动电路必须具备电平转换能力。
 
相位转换:上面说的MOS是作为逆变器,所以根据负载的相位和单片机输出进行相位转换。如要求MOS输出MOS导通,则要求驱动电路同相。
 
开关频率:不同的驱动电路有不同的频率响应,对于高达1.5M的开关频率,用简单的三极管简单的自骑电路很难满足要求,基本需要选择专用的驱动IC。还有,一般的光耦是不能工作在开关态以上几十K的频率的,如果要隔离,6N137好一些,有专门带光隔离和驱动光耦的,1.5M还是达不到。
 
驱动电流:MOS虽然静态时不消耗驱动功率,但输入是容性的。为了尽快导通开关,降低开关损耗,需要以最快的速度给Cgs充电,所以驱动电路有一个很重要的参数Peak drive current,如200MA,600MA,1A, 2A、4A、6A。
 
驱动电路的工作电压:一般最大VGS不能超过20V,所以驱动电路的工作电压也不要超过18V,上面的电路需要加15V的电压,当然可以从 40V 降压。
 
DV/DT问题:电磁干扰会增加,因为MOS在高DV/DT下容易损坏。为了解决这些问题,有时需要增加驱动电路输出的上升/下降时间。一种简单的方法是在驱动器输出和 G 极之间添加一个小电阻。
 
四、信号电平转换
1、改进电路的基本晶体管开关有时,我们设置的低电平可能无法使晶体管关断,尤其是当输入电平接近 0.6 V 时。为了克服这个临界条件,必须采取纠正措施以确保晶体管必须关闭。下图给出了针对这两种情况设计的改进电路。
 
晶体管开关电路
 
保证三极管开关动作,正确的二次修改电路上图左边的电路:在基极和发射极之间串联了一个二极管,使使基极电流导通的输入电压值升高 0.6 V,这样即使 Vin 的值接近由于信号源故障值0.6V,晶体管不会导通,因此开关仍可处于关断状态。上图右边的电路:包含一个次级释抑电阻 R2,该电阻设计有适当的 R1、R2 和 Vin 值,以确保开关在临界输入电压下关断。如上图所示,R1和R2在基极发射结未导通(IB0)之前构成串联分压电路,因此R1必须通过一个固定(随Vin变化)的电压。并且基极电压必须低于Vin值。即使 Vin 接近阈值(Vin = 0.6 伏),基极电压仍会被连接到负电源的辅助关断电阻拉低至 0.6 伏以下。由于 R1、R2 和 VBB 值的精心设计,只要 Vin 处于高范围内,基极仍将有足够的电压开启晶体管,而不受辅助关断电阻的影响。2、加速电容1)在加速电容上并联了一个RB电阻在需要快速开关动作的应用中,必须提高三极管开关的开关速度。下图是一种常见的方法,这种方法只是在加速电容上并联了一个RB电阻,所以当Vin从零电压上升并开始向基极送电流时,电容不能瞬时充电,所以同样短路 但是,此时有瞬时大电流从电容流向基极,从而加快了开关管的导通。后来一直到充电完成,电容就跟开路一样,不影响三极管的正常工作。
 
晶体管开关电路
 
带加速电容的电路一旦输入电压从高电平下降到零电压电平,电容在极短的时间内将基极发射结变为反向偏压,由于电容左端的作用,导致三极管开关迅速关断充电到正电压,所以在输入电压下降的瞬间,电容两端的电压不会瞬间改变,会保持在一个固定值,所以输入电压立即下降使基极电压下降,使基极发射结变为反向偏压,迅速关断三极管。正确选择加速电容可将三极管开关的开关时间缩短到几个微秒以下,而大多数加速电容都在数百个PF的顺序上。2)与小信号放大电路很接近,只是少了一个输出耦合电容。有时三极管开关的负载不是直接加在集电极和电源之间,而是下图所示的接法。这种接法与小信号放大电路很接近,只是少了一个输出耦合电容。这种连接与正常连接正好相反。当晶体管关闭时,负载被启用。当晶体管导通时,负载被切断。这两种电路的形式很常见,我们必须要有明确的解析能力。
 
晶体管开关电路
 
将负载连接到晶体管电路的改进电路晶体管开关最常见的应用之一是驱动指示灯,它可以指示电路特定点的工作状况,电机的控制器是否通电,或者某个限位开关是否通过或数字电路是否通电。处于高状态。3)使用晶体管开关的数字触发器的输出状态下图显示了使用晶体管开关的数字触发器的输出状态。如果触发器输出为高电平(一般为5伏),晶体管开关导通,留下指示灯,所以操作者只要看一下灯,就可以知道触发器当前的工作情况,而不需要用仪表检测。
 
晶体管开关电路
 
使用晶体管开关的数字触发器有时信号源(如触发器)输出电流容量太小,不足以驱动晶体管开关,此时为避免信号源过载而误动作,必须采用下图所示的改进电路,当输出为高电平时,先驱动发射极用三极管Q1做电流放大,然后Q2导通驱动灯,因为发射极与输入级的输入阻抗相当高,所以触发器应提供少量的输入电流,即可得到满意的工作。
 
晶体管开关电路
 
使用晶体管开关的数字触发器改进后的电路分析:如果FREOF高5V,输出FREOUT应该是1.3K Hz左右的方波,波形如下: C39左边和C41右边是1.3K左右的方波,一高一低。
 
晶体管开关电路
 
关于 RC 充放电实验:下图中,当输入 1Hz 方波信号时,波形 C3 左边的截取如下。充满电大约需要 4ms。理论计算:充放电同理。首先计算充放电常数 TC=RC,单位为欧姆和 F。下面的电路 TC=1K*1uf=1ms 3TC 通常可以达到 0.95E,而 4.75V,所以 3ms 可以达到4.75V,与波形一致。
 
晶体管开关电路
 
RC 充放电实验下图是一个简单的控制电路:当KSEL为高电平时,KCLK1和KCLK0通过,KDAT1和KDAT0通过。
 
晶体管开关电路
简单的控制电路
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