一个实用的三极管开关电路分析

本文详细分析了三极管开关电路中加速电容C2的作用,通过比较电路在有无C2时的工作情况,解释了加速电容如何通过改变电容充放电过程,加速三极管的开关速度,从而降低功耗并延长三极管寿命。同时,文章还介绍了R5/C1正反馈的作用,以及加速开关的目的。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

三极管开关电路作为功率管的控制应用广泛。这里对一个实用开关电路中的各元器件作用作具体分析。
  三极管开关控制电路:

  
  上图是一个小功率三极管控制大功率三极管(达林顿管)开关电路。
  控制信号通过控制小功率三极管的开关来控制大功率管Q1的开关。
  原理分析
  三极管开关电路的基本原理就是控制三极管工作在截止区和饱和区工作。电路设计原则等不作赘述,一般的三极管电路参考书籍有介绍。在这里也只讨论图中这些阻容元器件的作用,不讨论其取值计算(因为取值计算需要选定三极管,而且颇为简单)。
  图中R1作用是Q2的基极限流;R3作用是泄放掉关断状态时基极电荷,让Q2在低电平时保持截止状态;R4作用是Q2的集电极限流以及Q1的基极限流;电容C2是加速电容,加速Q2的开关速度,降低Q2管耗,从而延长Q2寿命;R5和C1是作为输出反馈给Q2的基极,作用同样为加速Q2的开关速度,延长Q2的寿命以及电路整体的性能,此为正反馈。
  下面主要解释下C2的作用,其余的元器件作用,相信有一定三极管电路基础的都能理解。
  让我们来看看C2是如何“加速”的——
  先来看看电路在没有C2的情况下是如何工作的:控制端由低电平拉升到高电平的过程中,集电极电流增长使得三极管从截止区—》放大区—》饱和区变化,从而使三极管从关断状态(截止)变为开通状态(饱和),注意,开通过程中,集电极电流增长全部靠Vcc提供;反过来,控制端从高电平变为低电平过程中,通过R3对基极电荷的泄放,加速控制三极管从饱和区—》放大区—》截止区变化,并最终变为关断状态。
  再来看看加上C2后的电路工作情况。来看由Vcc、R4、C2、R3、GND构成的回路:当电路没有控制激励的情况下(Control端低电平),Vcc给电容C2充电,C2和R4连接端的电位为Vcc;当控制激励从低电平向高电平转换的过程中,由于基极端电位上升,导致C2向三极管集电极放电,这样,集电极电流增长中,一小部分靠C2提供,其余靠Vcc提供,加速了三极管从截止到饱和变化的过程,此时C2两端的电压反转,大小约为0.7(VBE)-0.3(VCEsat)V;反过来,控制端从高电平变为低电平过程中,由于基极电压的下降以及集电极电压的上升,集电极对C2充电,从而导致三极管集电极与发射级间的电流更快速的下降,配合R3的作用,更快速的使三极管进入截止状态。所以,C2在这里确实起到了加速开关的作用。
  但问题又出来了,这个电路实际应用到我产品上所需要的频率仅仅是几百赫兹,对于毫秒级的应用,出来的开关波形根本不会有延时,按道理无需另加加速电容,这是怎么回事?这里要感谢IR公司的白师兄给我的释疑:这里加速电容的作用并不是改善频率特性而加的,而是为了改善三极管的功耗;众所周知,三极管在截止区和饱和区功耗最小,而在放大区功耗最大,原因是截止区VCE大、ICE极小,饱和区ICE大、VCE很小(等于饱和导通电压VCEsat),而放大区是大电压大电流;加速开通和关断时间就是为了让开关三极管快速穿越大功耗区(线性放大区)而进入到小功耗区(截止区和饱和区),从而降低功耗来降低三极管的温度,延长三极管的寿命。而本电路恰恰应用在开关电路持续开关工作的情况,也印证了师兄的解释。
  类似地,R5/C1正反馈的作用同样也是加速Q2的开关,来降低管耗,延长寿命。
(本文转自电子工程世界:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2011/1011/article_7461.html)

### 三极管开关电路工作原理 三极管作为电子器件的核心元件之一,在许多实际应用中被广泛用于实现开关功能。当三极管用作开关时,它主要运行于两个状态:饱和区和截止区[^1]。 #### 饱和区 在饱和区内,三极管的集电极与发射极之间的电压非常低(通常小于0.2V),此时可以认为三极管处于完全导通的状态。这种状态下,基极电流 \(I_B\) 足够大以至于使集电极电流 \(I_C\) 达到最大值,即满足关系式: \[ I_C = \beta \cdot I_B \] 其中,\(\beta\) 是三极管的直流增益系数。为了确保三极管进入饱和状态,输入信号需提供足够的基极驱动电流使得上述条件成立。 #### 截止区 相反地,在截止区域内,几乎没有基极电流流入三极管 (\(I_B ≈ 0\)) ,因此也没有相应的集电极电流流动 (\(I_C ≈ 0\)) 。这意味着三极管在此模式下表现为开路或者高阻抗连接。 通过控制施加至基极端子上的电压水平,可以使三极管在这两种操作区域之间切换从而完成逻辑门等功能模块的设计需求。 ### 设计方法概述 设计一个基于NPN型晶体管的基本开关电路涉及到几个关键参数的选择: 1. **选择合适的型号**: 根据负载的要求挑选具有适当额定功率、频率响应特性的具体类型的三极管。 2. **计算电阻值**: - 基极限流电阻\(R_B\): 这是为了保护微控制器或其他数字源免受过高电流损害而设置的一个重要组件。它的大小取决于所选三极管所需的最小开启电流以及供电电源电压等因素。 ```python RB = (Vin - Vbe) / Ib_min ``` 其中,Vin代表输入端口提供的触发脉冲幅度;Vbe表示典型正向偏置BE结压降约为0.7伏特;Ib_min则指能够可靠启动该特定型号所需的基础临界阈值电流强度. 3. **考虑散热措施**: 如果预期会有较大持续功耗,则可能还需要附加热沉装置来帮助散发热量并维持稳定性能表现. ```c++ // 示例代码展示如何配置GPIO引脚以激活外部连接有相应尺寸电阻网络支持下的单片机内部通用目的输出(Push-Pull Mode). void setup() { pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // 设置LED_PIN为输出模式. } void loop() { digitalWrite(LED_PIN,HIGH);delay(500); digitalWrite(LED_PIN,LOW );delay(500); } ``` 以上片段演示了一个简单的Arduino草图程序例子,用来周期性地点亮熄灭由前述硬件布局构成的实际物理灯泡实例。
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值