三极管用作开关管的实例计算(一)

描述

上述两期三极管参数的介绍是设计三极管相关电路的基础,需要耐心消化一下。三极管的用途不过两种:一是放大器,二是开关。放大器利用三极管工作在放大区的特性,而开关利用的则用三极管工作在饱和区和截止区的特性。

关键词:开关;

01三极管开关的断开和闭合

开关,无非有两种状态——断开和闭合,断开时,没有电流通过;闭合时,有电流通过。如图1-1所示就是三极管开关的这两种状态,图中三极管基极-发射极极间没有获得正向偏置而截止,此时,理论上三极管的集电极-发射极间相当于断开,没有电流通过,基极电流Ib为0,集电极电流Ic负载Rc不工作。

三极管

图1-1 三极管的断开状态(三极管截止)

图1-2中,三极管的基极-发射极在+Vbb作用下获得正向偏置,基极Ib足够大的话就可以令三极管工作于饱和区,集电极电流达到饱和值,此时,理论上三极管的集电极-发射极间相当于短路,于是电流经过负载Rc,负载Rc工作,现实中,饱和状态下的三极管集电极-发射极间存在一个非常小的电压。

三极管

图 1-2 三极管的闭合状态(三极管饱和)

02三极管开关中一些简单的计算

由于负载电阻、三极管参数等不同,为了能在不同条件下都顺利设计并使用三极管开关,需要进行一些简单的计算。

当三极管开关断开时(截止状态),很简单,那么就没有电流流过三极管,所以Vce和Vcc相等,即:

三极管

式(1.1)中下标Cutoff表示截止的意思,此时三极管集电极电压就是电源电压,集电极电路Ic=0。

当三极管开关闭合时(饱和),经过负载Rc的电流Ic达到饱和值Ic(sat),根据欧姆定律,经过负载Rc的电流等于其两端电压除以电阻,于是有:

三极管

其中,Ic(sat)的下标“sat”表示饱和的意思,Ic(sat)是电路中三极管集电极C极电流Ic所能达到的最大值,此时集电极电流Ic=Ic(sat),Vce=Vce(sat)

将截止状态和饱和状态在坐标中表示出来,就是三极管的负载线,如图1-3所示。

三极管

图1-3 三极管DC负载线

根据上述只要知道了Vcc、Vce(sat)、Rc数值就可以把Ic(sat)计算出来。

03三极管开关的实例计算

根据图1-4所示电路求解:

1、当三极管开关断开时(截止),如果Vin=0V,Vce=?;

2、如果想让三极管开关完全闭合(饱和),则基极电流Ib至少为多大?

3、如果Vin=5V,基极电阻Rb最大值为多少?

三极管

图1-4 三极管的开关参数

(1)当三极管开关断开时,根据上述式(1.1),可知:

三极管

(2)根据式(1.2),可得(其中一般Vce(sat)=0.2V)

三极管

在饱和区,三极管直流增益hfe要“打折”,假设hfe为50,可以求得基极最小电流为:

三极管

此时基极电流Ib已经令三极管达到饱和的状态,Ic=Ic(sat),如果继续提高Ib会让三极管进入深度饱和状态,集电极电流Ic不会再增加了。

(3)三极管饱和时,其基极-发射极间电压Vbe=0.7V,于是根据欧姆定律可得:

三极管

以上的结果说明,当Vcc=10V、Vin=5V、Rb=22kΩ时,三极管开关闭合,并能向负载Rc提供约9.8mA的电流;如果Vin=0,则三极管开关断开。

但是学习三极管就是为了将其应用,这些理论计算实在过于枯燥,下一期介绍怎么设置一个三极管开关!!

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