初级模拟电路：3-10 BJT实现开关电路

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1. 基本用法

      用BJT晶体管实现开关功能是经常会用到的实用电路。和逻辑门电路类似，当BJT用于开关电路时，也只工作于饱和区和截止区。

      开关功能的实现电路如下图所示，负载可以是发光二极管、电动机等等。

图3-10.01 

      开关电路的工作原理如下：

      • 当v_i输入0V时，晶体管截止，负载R_L上没有电流通过；

      • 当v_i输入高电平时（一般可等于V_CC，也可以定义其他电平值），晶体管导通且进入饱和状态，负载R_L上有电流通过，并且负载上的电压约等于V_CC-V_CEsat。

      开关电路的R_B值的设计思路也和前面逻辑门相似，也是根据负载R_L的实际情况，计算出能使晶体管进入饱和区的R_B，然后再代入验算结果，详见下例所示：

案例3-10-1：在下面的开关电路中，V_CC=12V，电动机负载的有效电阻为R_L=5Ω，晶体管的β=100，要求v_i的开启电压为5V，试求：（1）能使电路工作的R_B；（2）负载上的电流I_L和负载功耗P_L；（3）晶体管本身的耗损功率。

图3-10.a1 

解：（1）当晶体管临界饱和时：

      此时临界饱和电流I_Csat为：

      然后计算临界饱和时的I_Bsat值（当处于临界饱和时，β仍视为100）：

      使此I_Bsat成立的R_Bsat为：

      为使BJT进入更深度的饱和，我们选取R_B为比R_Bsat更小的值，假定选取为100Ω。

验证：当R_B为100Ω时，I_B为：

      此时电流放大倍数为：

      可知，在此R_B值下，当v_i输入5V使BJT导通时晶体管确实处于饱和区，原假设正确。

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（2）当晶体管饱和时，负载电流I_L为：

      负载上的功耗P_L为：

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（3）晶体管上的耗损功率P_D为：

      可以看到，晶体管上的耗损功率P_D和负载功率P_L比起来还是很小的。

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（4）补充说明：

      本案例中，负载为电动机，一般对于这种含有电感的负载（电动机、继电器线圈等），用晶体管直接去关断比较危险，因为当电感中的电流突变时，电感会产生非常大的感生电动势，严重时可能会超过晶体管的击穿电压而使晶体管损坏。

      所以一般的处理方法是在含有电感的负载旁边并联一个反向二极管，从而使得当晶体管关断时，电感中的剩余电流能够有回路泄掉，而不至于突变产生高压，如下图所示：

图3-10.a2 

2. 开关特性

      由于有内部PN结和少数载流子的存在，所以和二极管一样，BJT晶体管在导通和关断时也不是瞬间完成的，而是有一定的延迟时间，如下图所示：

图3-10.02 

      • td：延迟时间（delay time），当基极输入变为高电平后，I_C从0上升到目标值的10%所需的时间。

      • tr：上升时间（rise time），I_C从10%上升到90%所需的时间。

      • ton：开启时间（on time），ton=ts+tr，当I_C从0上升到90%时，我们就可以认为晶体管已基本开启。

      • ts：存储时间（storage time），当基极开路或输入低电平后，I_C从100%下降到90%所需的时间。

      • tf：下降时间（fall time），I_C从90%下降到10%所需的时间。

      • toff：关断时间（off time），toff=ts+tf，当I_C从100%下降到10%时，我们就可以认为晶体管已基本关断。

      这些参数在晶体管数据规格书中都会给出，仍以3-8小节的2N4123为例，在规格书的Figure 2中，可读出这些参数值：

图3-10.03 

      当I_C=20mA时，在图中可大致读出：

      td = 13ns， tr=13ns， ts = 110ns， tf = 11ns

      • 开启时间为：ton = td + tr = 13ns + 13ns = 26ns

      • 关断时间为：toff = ts + tf = 100ns + 11ns = 111ns

      在要求不太高的功率开关场合，以上的延迟时间基本也够用了。另外有一类晶体管称为开关型晶体管（switching transistor），其开启和关断时间要比上面的值再小一个数量级，都只有十几个纳秒（如BSV52等），具体可参看相关数据规格手册。

     

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（ end of 3-10）

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