2023年三级管开关电源.docx

《2023年三级管开关电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023年三级管开关电源.docx（12页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、三极管开关电路设计三极管除了可以当做交流信号放大器之外，也可以做为开关之用。严格说起来，三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同，但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示,即为三极管电子开关的基本电路图J由下图可知.负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间,而位居三极管主电流的回路上，Vcc一图1基本的三极管开关输入电乐Vin则控制三极管开关的启动(OPen)与闭合(C1oSed)动作,当三极管呈启动状态时，负载电流便被阻断,反之.当三极管呈闭合状态时,电流便可以流通。具体的说,当Vin为低电压时.由干基极没有电流,因此集电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦没有电流.而

2、相称于开关的启动.此时三极管乃胜作于截止(CUtOff)区。同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，因此负载回路便被导通,而相称于开关的闭合.此时三极管乃胜作于饱和区(SatUratiOn)。838电子一、三极管开关电路的分析设计由于肘硅三极管而言，其基射极接面之正向偏质值约为0.6伏特,因此欲使三极管截止，Vin必须低干0.6伏特，以使三极管的基极电流为零。通常在设计时,为了可以更拟定三极管必处在截止状态起见.往往使Vin值低干0.3伏特。(838电子资源)当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处在截止状态。欲将电流传送到负载上，则三极管的集电极

3、与射极必须短路,就像机械开关的闭合动作同样。欲如此就必须使Vin达成够高的准位,以驱动三极管使其进入饱和工作区工作,三极管呈饱和状态时.集电极电流相称大,几乎使得整个电源电压VCC均跨在负载电阻上,如此则VCE便接近于0.而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在抱负状况下根据奥姆定律三极管呈饱和时,其集电极电流应当为：Ic（饱和）=VCCR1d人因此，基极电流最少应为:Ic（sat）VCCB（饱和）二二（式1）BR1DA上式表出了IC和旧之间的基本关系,式中的值代表三极管的直流电流增益,对某些三极管而言,其交流值和直流值之间,有着甚大的差异。欲使开关闭合则其Vin值必须够高,以送出超过或等于（式

4、1）式所规定的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路,故Vin可由下式来求解：Vin=IB（饱和）Rb+O.6VVccRbVin=0.6VpPk1D一旦基极电压超过或等于（式2）式所求得的数值.三极管便导通，使所有的供应电压均跨在负载电阻上.而完毕了开关的闭合动作。A总而言之,三极管接成图1的电路之后，它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关同样,而其信闭开关的方式,则可以直接运用输入电压方便的控制,而不须采用机械式开关所常用的机械引动（mechanica1actuator）.螺管柱塞（So1enoidPIUnger）或电驿电枢（re1ayarmature）等控制方式。

5、-为了避免混淆起见，本文所介绍的三极管开关均采用NPN三极管.当然NPN三极管亦可以被当作开关来使用,只是比较不常见罢了例题IA试解释出在图2的开关电路中.欲使开关闭合（三极管饱和）所须的输入电压为什么？并解释出此时之负载电流与基极电流值？八解：由2式可知,在饱和状态下,所有的供Vcc24VIQ饱和)=丁一=右6=1.5A电电压完全跨降于负载电阻上,因此N1D10w*VCC24V由方程式可知叵1加饱和产两=(150)(gTmA,公因此输入电压可由下式求得：Vin=1B()RB+0.6V=(10mA)(1K)+0.6V=10.6V图2用三极管做为灯泡开关由例题1-1得知，欲运用三极管开关来控制大

6、到15A的负载电流之启闭动作，只须要运用甚小的控制电压和电流即可。此外,三极管虽然流过大电流,却不须要装上散热片.由于当负载电流流过时,三极管呈饱和状态.其VCE趋近于零,所以其电流和电压相乘的功率之非常小,主线不须要散热片。二、三极管开关与机械式开关的比较截至目前为止.我们都假设当三极管开关导通时.其基极与射极之间是完全短路的。事实并非如此没有任何三极管可以完全短路而使VCE=0.大多数的小信号硅质三极管在饱和时.VCE（饱和）值约为0.2伏特,纵使是专为开关应用而设计的互换三极管.其VCE（饱和）值顶多也只能低到0.1伏特左右,并且负载电流一高，VCE（饱和）值还会有些许的上升现象.虽然对

7、大多数的分析计算而言，VCE（饱和）值可以不予考虑,但是在测试互换电路时,必须明白VCE（饱和）值并非真的是0。虽然VCE（饱和）的电压很小，自身微局限性道,但是若将几个三极管开关串接起来，其总和的小降效应就很可观了，不幸的是机械式的开关经常是采用串接的方式来工作的.如图3（a）所示，三极管开关无法模拟机械式开关的等效电路（如图3（b）所示）来工作，这是三极管开关的一大缺陷。（B）三极管串联开关图3三极管开关与机械式开关电路幸好三极管开关虽然不合用于串接方式,却可以完美的合用于并接的工作方式，如图4所示者即为一例。三极管开关和传统的机械式开关相标,具有下列四大优点：AVcc负载图4三极管开关之

8、并联联接(1)三极管开关不具有活动接点部份,因此不致有磨损之虑,可以使用无限多次，一般的机械式开关,由于接点磨损,顶多只能使用数百万次左右,并且其接点易受污损而影响工作,因此无法在脏乱的环境下运作，三极管开关既无接点又是密封的,因此无此顾虑。(2)三极管开关的动作速度标一般的开关为快，一般开关的启闭时间是以亳秒(ms)来计算的，三极管开关则以微秒(s)计。(3)三极管开关没有跃动(bounce)现象。一般的机械式开关在导通的瞬间会有快速的连续后闭动作,然后才干逐渐达成稳定状态。(4)运用三极管开关来驱动电感性负载时，在开关启动的瞬间，不致有火花产生。反之,当机械式开关启动时,由于瞬间切断了电感

9、性负载样上的电流,因此电感之瞬间感应电压，将在接点上引起弧光,这种电弧非但会侵蚀接点的表面,亦也许导致干扰或危害。-三、三极管开关的测试三极管开关不像机械式开关可以光凭肉眼就判断出它目前的启用状态，因此必须运用电表来加以测试。在图5所示的标准三极管开关电路中，当开关导通时，VEC的读值应“1为0,反之当开关切断时.VCE应对于VCCi三极管开关在切断的状况下,由于负载上没有电流流过,因此也没有压降.所以所有的供应电压均跨降在开关的两端,因此其VCE值应等于VCG这和机械式开关是完全相同的。假如开关自身应导通而未导通,那就得测试Vin的大小了。欲保证三极管行通，其基极的Vin电压值就必须够高，假

10、如Vin值过低，则问题就出自信号源而非三极管自身了。假使在Vin的准位够高，驱动三极管导通绝无问题时.而负载却仍未导通，那就要测试电源电压是否正常了。在导通的状态下,硅三极管的VBE值约为0.6伏特，假使Vin值够高,而VBE值却高于和低于0.6伏特.例如VBE为1.5伏特或0.2伏特,这表达基射极接面也许巳经损坏，必须将三极管换掉。当然这一准则也未必百分之百对的,许多大电流额定的功率三极管，其VBE值经常是超过1伏特的.因此即使VBE的读值达成1.5伏特,也未必就能肯定三极管的接面损坏.这时候最佳先查阅三极管规格表后再下断言。A一旦VBE正常且有基极电流流动时，便必须测试VCE值.假使VCE

11、趋近于VCC.就表达三极管的集基接面损坏,必须换掉三极管。假使VCE趋近于零伏特.而负我仍未导通,这也许是负载自身有开路现象发生.因此必须检换负载。Vcc3R1dVinTwjceVbe=图5三极管开关电路.各重要测试电的电压图当Vin降为低电压准位.三极管理应截止而切断负载，假如负载依旧未被切断,那也许是三极管的集基极和集射极短路.必须加以置换。第二节基本三极管开关之改善电路有时候.我们所设定的低电压准位未必就能使三极管开关截止,特别当输入准位接近0.6伏特的时候更是如此。想要克服这种临界状况,就必须采用修正环节，以保证三极管必能截止。图6就是针时这种状况所设计的两种常见之改良电路。图6保证三

12、极管开关动作,对的的两种改良电路图6(a)的电路，在基射极间串接上一只二极管，因此使得可令基极电流导通的输入电压值提高了0.6伏特.如此即使Vin值由于信号源的误动作而接近0.6伏特时,亦不致使三极管导通,因此开关仍可处在截止状态。图6(b)的电路加上了一只辅助-截止(ho1d-off)电阻R2,适当的R1,R2及Vin值设计.可于临界输入电压时保证开关截止。由图6(b)可知在基射极接面未导通ff1(IBO),R1和R2形成一个串联分压电路，因此R1必跨过固定(随Vin而变)的分电压,所以基极电压必低于VinfTi,因此即使Vin接近于临界值(Vin=0.6伏特)，基极电压仍将受连接于负电源的

13、辅助截止电阻所拉下，使低干0.6伏特。由干R1,R2及VBB值的刻意设计,只要Vin在高值的范围内.基极仍将有足够的电压值可使三极管导通，不致受到辅助一截止电阻的影响。加速电容器(SPeedpPCaPaCitOrSh在规定快速切换动作的应用中，必须加快三极管开关的切换速度。图7为一种常见的方式,此方法只须在RB电阻上并联一只加速电容器.如此当Vin由零电东往上升并开始送电流至基极时，电容器由于无法瞬间充电，故形同短路.然而此时却有瞬间的大电流由电容器流向基极,因此也就加快了开关导通的速度。稍后.待充电完毕后,电容就形同开路.而不影响三极管的正常工作。图7加了加速电容器的电路A一旦输入电压由高准

14、位降回零电压准位时，电容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反向偏压，而使三极管开关迅速切断，这是由于电容器的左端原已充电为正电压,如图6-9所示,因此在输入电压下降的瞅间,电容器两端的电压无法瞬间改变仍将维持干定值.故输入电压的下降立即使基极电压随之而下降.因此令基射极接面成为反向偏东,而迅速令三极管截止。适当的选取加速电容值可使三极管开关的切换时间减低至几十分之微秒以下,大多数的加速电容值约为数百个微微法拉(PF)。有时候三极管开关的负载并非直接加在集电极与电源之间，而是接成图8的方式,这种接法和小信号交流放大器的电路非常接近，只是少了一只输出耦合电容器而已。这种接法和正常接法的动作恰好相

15、反,当三极管截止时负载获能,而当三极管导通时，负载反被切断，这两种电路的形式都是常见的,因此必须具有清楚的分辨能力。图8将负载接于三极管开关电路的改善接法图腾式开关(TOtem-PO1eswitches)假使图8的三极管开关加上了电容性负载(假定其与R1D并联)，那么在三极管截止后,由于倒载电压必须经由RC电阻为电容慢慢充电而建立，因此电容量或电阻值愈大时间常数(RC)便愈大,而使得负载电压之上升速率愈慢,在某些应用中,这种现象是不允许的,因此必须采用图9的改良电路。=A图9图胸式三极管开关图腾式电路是将一只三极管直接迭接于另一三极管之上所构成的,它也因此而得名。欲使负载获能，必须使Q1=极管导通同时使Q2三极管截断.如此负载便可经由Q1而连接至VCC上.欲使负载去能.必须使Q1三极管截断，同时使Q2三极管导通,如此负载将经由Q2接地。由于Q1的集电极除了极小的接点电阻外，几乎没有任何电阻存在(如图9所示)，因此负载几乎是直接连接到正电源上的.也因此当Q1导通时,就再也没有电容的慢速充电现象存在了。所以可说Q1“将负载拉起“,而称之为“挽起(PUI1up)三极管Q2则称为拉下(PU11down)三极管”。图9左半部的输入控制电路.负责QI和Q2三极管的导通与截断控制，但是必须保证Q1和Q2使不致同时导通，否则