晶体管开关电路设计讲解

描述

晶体管开关电路在现在电路设计中十分常见。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。

这里会介绍有关开关电路的知识,包括 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

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

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

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

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

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

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

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

IO 控制电源开关打开

注意:VBUS 右侧断开。

晶体管

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

稳压管和MOS管稳压电路

原电路:

晶体管

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

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

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

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

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

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。

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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

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

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

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。

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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。

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简单的控制电路

审核编辑 :李倩

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