晶體管開關(guān)電路計(jì)算實(shí)例
引言:開路集電極開關(guān)和開路發(fā)射極開關(guān)也叫負(fù)載串聯(lián)型開關(guān),前者是負(fù)載串聯(lián)在集電極,后者是負(fù)載串聯(lián)在發(fā)射極。 負(fù)載串聯(lián)型開關(guān)使用更加廣泛,可以用來驅(qū)動(dòng)MOS,驅(qū)動(dòng)LED燈,控制燈光的明暗等等。 晶體管負(fù)載串聯(lián)型開關(guān)與MOS負(fù)載串聯(lián)型開關(guān)相比,其優(yōu)勢在于主回路的電流可以使用基極電流進(jìn)行接近線性的大小控制,更具有“主動(dòng)性”,而MOS負(fù)載串聯(lián)型開關(guān),只能是負(fù)載需求多大電流給多大電流。
1.開路集電極開關(guān)
圖3-1是NPN和PNP開路集電極開關(guān),從圖中可見,負(fù)載Rload均串接在集電極一側(cè)。
圖3-1:NPN和PNP開路集電極開關(guān)
NPN型負(fù)載直接跨接于三極管的集電極和電源之間,PNP型負(fù)載直接跨接于三極管的集電極和GND之間,二者都位于三極管主電流的回路上。
以NPN型為例,當(dāng)Ctrl in為低電平電壓時(shí),由于基極沒有電流,因此集電極也沒有電流,負(fù)載也沒有電流,就相當(dāng)于開關(guān)的開啟,此時(shí)三極管工作在截止區(qū)。 當(dāng)Ctrl in為高電平時(shí),由于有基極電流流動(dòng),因此使集電極流過更大的放大電流,負(fù)載回路導(dǎo)通,相當(dāng)于開關(guān)閉合,此時(shí)三極管工作在飽和區(qū)。
2.設(shè)計(jì)實(shí)例
設(shè)計(jì)背景:
控制端為MCU的GPIO,高電平3.3V,VDD為3.3V,設(shè)計(jì)一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路,除了可以控制LED的亮滅。 LED為ROHM的SMLZ24BN3TT86,相關(guān)參數(shù)如下:
圖3-2:LED的最大額定參數(shù)
圖3-3:LED的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)
從上述參數(shù)可知,LED正常工作時(shí),導(dǎo)通電流IFMAX=30mA,脈沖峰值電流為100mA,那么控制LED關(guān)閉時(shí)電流為0mA,導(dǎo)通時(shí)電流為20mA,明暗就在0-20mA之間變化。
設(shè)計(jì)分析:
Q1導(dǎo)通時(shí),VDD--->Rload--->GND路徑電流為30mA,所以在Q1導(dǎo)通時(shí),Q1的Ic耐受電流最大額定值需要Ic>30mA。 VDD=3.3V加在集電極-發(fā)射極之和集電極-基極之間,in=3.3V加在基極-發(fā)射極之間。 所以應(yīng)選擇集電極-發(fā)射極間和集電極-基極間電壓最大額定值Vceo,Vcbo大于VDD,Vbeo大于Vin的晶體管。 即條件匯總為:
Vceo>3.3V,Vcbo>3.3V,Vbe>3.3V,Ic>30mA。
可以選擇通用的小信號(hào)晶體管,此處以LRC的型號(hào)L2SC5635WT1G為例:
圖3-4:L2SC5635WT1G最大額定參數(shù)
圖3-5:L2SC5635WT1G電氣性能參數(shù)
設(shè)計(jì)方式一:完全使用Rd來控制Ic的電流
Ic可以支持到50mA,我們以20mA為臨界點(diǎn),hfe取50,Ic=20mA,hfe=50,控制基極電流Ib=20mA/50×1.5(2)=0.6mA-0.8mA,由于基極電位是0.6V,那么Rd上產(chǎn)生的壓降為3.3-0.6=2.7V,Ib取0.6mA(因?yàn)閔fe取的最小值,這里可以不用過驅(qū)動(dòng)),所以Rd=2.7V/0.6mA= 4.5kΩ(忽略流過R2的電流,0.6V時(shí)be二極管導(dǎo)通,導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于R2,電流大部分流向Q1,流向R2的很小)
R2是輸入端開路時(shí)確保晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的電阻,如果R2過大,將容易受噪聲電流的干擾,過小則在晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)無用電流流過R2,R2可以取值10kΩ,如圖3-6左所示。
從上述計(jì)算可以看到,因?yàn)閔fe具有很大的不確定性(50-250),上述計(jì)算按hfe=50,計(jì)算得到Ib=0.4mA,若實(shí)際hfe=200,那么Ic=80mA,既超出晶體管的額定值ic=50mA,也超出LED的30mA。如按hfe=250計(jì)算,Ib=0.08mA,當(dāng)實(shí)際hfe=100時(shí),Ic=8mA,此時(shí)LED要么不亮,要么亮度比較微弱,所以完全使用Rd來控制Ic的電流,很不精準(zhǔn),尤其是驅(qū)動(dòng)這種小電流LED,但是適合設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)大并且寬電流LED,還可以控制燈的亮度。所以小電流LED多采用設(shè)計(jì)方式二,讓晶體管完全工作在飽和區(qū),并加入限流電阻。
設(shè)計(jì)方式二:負(fù)載路徑上增加限流電阻R控制Ic
當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),從參數(shù)可知,IF=20mA,VF=3.3V=VDD,那么此種情況就不能在負(fù)載路徑上增加限流電阻,否則分壓導(dǎo)致VF不夠。假如此時(shí)VDD=5.0V,那么限流電阻R3=((VDD-VF)/IF)=(5.0-3.3)/0.02=85Ω。此時(shí)只需要Rd來控制Q1處于飽和區(qū)即可(限流電阻R已經(jīng)限制了回路電流的上限值)
放大區(qū)與飽和區(qū)的臨界:首先判斷三極管的工作狀態(tài),作為開關(guān)使用工作在飽和區(qū)(傳送門BJT-1:三極管的三區(qū)含義),以NPN管為例計(jì)算選值,Ib=(Vctrl-Vbe)/Rd,Vce=VDD-Ic×R=VDD-Ib×hfe×R,(當(dāng)Vce<0.6V(門限電壓),B-C集電結(jié)進(jìn)入正偏,進(jìn)入飽和狀態(tài))令Vce=0(實(shí)際是0.6V,這里取Vce=0V,其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入了飽和狀態(tài)),由此可算出臨界值(飽和值)。
從公式可以看出,臨界狀態(tài)由兩個(gè)參數(shù)確定,當(dāng)R3值確定時(shí),可以反推臨界基極驅(qū)動(dòng)電流;當(dāng)基極電流Ib確定時(shí),可以反推臨界R3。
因?yàn)長ED壓降已經(jīng)占去3.3V,對于VDD=5.0V,R3=85Ω,hf=50,Ib×50×85Ω=1.7V,臨界Ib=0.4mA,計(jì)算飽和Rd=(3.3V-0.6)/0.4mA=6.75kΩ。 取Rd≤6.75kΩ(越小越深度飽和)即可,如***圖3-6右***所示。
圖3-6:兩種方式設(shè)計(jì)參數(shù)(小電流LED不推薦左圖)
小結(jié):設(shè)計(jì)方式一,完全使用Rd來控制Ic的電流是讓晶體管工作在放大區(qū); 設(shè)計(jì)方式二,負(fù)載路徑上增加限流電阻R控制Ic是讓晶體管工作在飽和區(qū)。 注意上面的實(shí)例是使用了LED作為負(fù)載,LED負(fù)載本身會(huì)占去一部分電壓VF。
延伸:其實(shí)也可以使用上一章節(jié)講到的發(fā)射極接地型或者射極跟隨器型開關(guān)(傳送門BJT-2:如何計(jì)算晶體管開關(guān)電路-1)來驅(qū)動(dòng)LED,設(shè)計(jì)也更加簡單,大家可以思考一下。
3. 損耗
晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的功率損耗為P損=Vce(sat)×Ic。 (Vcesat:集電極飽和電壓),Ic比較大時(shí),需要考慮發(fā)熱問題。
4.開路發(fā)射極開關(guān)
圖3-7:NPN和PNP開路發(fā)射極開關(guān)
圖3-7是NPN和PNP開路發(fā)射極開關(guān),從圖中可見,負(fù)載Rload均串接在發(fā)射極一側(cè)。 NPN型負(fù)載直接跨接于三極管的發(fā)射極和GND之間,PNP型負(fù)載直接跨接于三極管的發(fā)射極和VDD之間,二者都位于三極管主電流的回路上。
以NPN型為例,當(dāng)Ctrl in為低電平電壓時(shí),由于基極沒有電流,因此發(fā)射極也沒有電流,負(fù)載也沒有電流,就相當(dāng)于開關(guān)的開啟,此時(shí)三極管工作在截止區(qū)。 當(dāng)Ctrl in為高電平時(shí),由于有基極電流流動(dòng),因此使發(fā)射極流過更大的放大電流,負(fù)載回路導(dǎo)通,相當(dāng)于開關(guān)閉合,此時(shí)三極管工作在飽和區(qū)。
關(guān)于開路發(fā)射極開關(guān)的計(jì)算示例,和開路集電極類似,這里不再舉例。
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