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三极管在开关电源模块路中的细致应用分析

标签:三极,三极管,开关,开关电源,电源,模块,中的,细致 时间:2019年12月14日 阅读2
【导读】三极管除了可以当做交流旌旗灯号放大器之外,也可以做为开关之用。严酷说起来,三极管与一样平常的机械接点式开关在动作上并不完全雷同,但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示,即为三极管电源模块子开关的基本电源模块路图。由图可知,负载电源模块阻被直接跨接于三极管的集电源模块极与电源模块源之间,而位居三极管主电源模块流的回路上。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析   输入电源模块压Vin则控制三极管开关的开启(open) 与闭合(closed) 动作,当三极管呈开启状况时,负载电源模块流便被阻断,反之,当三极管呈闭合状况时,电源模块流便可以流通。细致的说,当Vin为低电源模块压时,因为基极没有电源模块流,因此集电源模块极亦无电源模块流,致使连接于集电源模块极端的负载亦没有电源模块流,而相称于开关的开启,此时三极管乃胜作于截止(cut off)区。   同理,当Vin为高电源模块压时,因为有基极电源模块流流动,因此使集电源模块极流过更大的放大电源模块流,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)。   1 三极管开关电源模块路的分析设计   因为对硅三极管而言,其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特,因此欲使三极管截止,Vin必须低于0.6伏特,以使三极管的基极电源模块流为零。通常在设计时,为了可以更确定三极管必处于截止状况起见,每每使Vin值低于 0.3伏特。(838电源模块子资源)当然输入电源模块压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状况。欲将电源模块流传送到负载上,则三极管的集电源模块极与射极必须短路,就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使 Vin达到够高的准位,以驱动三极管使其进入饱和工作区工作,三极管呈饱和状况时,集电源模块极电源模块流相称大,几乎使得整个电源模块源电源模块压Vcc均跨在负载电源模块阻上,如此则VcE便接近于0,而使三极管的集电源模块极和射极几乎呈短路。在理想状态下,根据奥姆定律三极管呈饱和时,其集电源模块极电源模块流应该为:   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析   因此,基极电源模块流最少应为:     三极管在开关电源模块路中的细致应用分析   上式表出了IC和IB之间的基本关系,式中的β值代表三极管的直流电源模块流增益,对某些三极管而言,其交流β值和直流β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1) 式所要求的最低基极电源模块流值。因为基极回路只是一个电源模块阻和基射极接面的串联电源模块路,故Vin可由下式来求解:   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析   一旦基极电源模块压超过或等于(式2) 式所求得的数值,三极管便导通,使悉数的供给电源模块压均跨在负载电源模块阻上,而完成了开关的闭合动作。   总而言之,三极管接成图1的电源模块路之后,它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关一样,而其启闭开关的体例,则可以直接行使输入电源模块压方便的控制,而不须采用机械式开关所常用的机械引动(mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或电源模块驿电源模块枢(relay armature)等控制体例。   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。   试诠释出在图2的开关电源模块路中,欲使开关闭合(三极管饱和) 所须的输入电源模块压为何﹖并诠释出此时之负载电源模块流与基极电源模块流值解﹕由2式可知,在饱和状况下,所有的供电源模块电源模块压完全跨降于负载电源模块阻上,因此由方程式(1) 可知:   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析   因此输入电源模块压可由下式求得﹕   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图2 用三极管做为灯泡开关
  欲行使三极管开关来控制大到1.5A的负载电源模块流之启闭动作,只须要行使甚小的控制电源模块压和电源模块流即可。此外,三极管虽然流过大电源模块流,却不须要装上散热片,由于当负载电源模块流流过时,三极管呈饱和状况,其VCE趋近于零,所以其电源模块流和电源模块压相乘的功率之特别很是小,根本不须要散热片。   2 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,大多数的小旌旗灯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交换三极管,其VCE(饱和) 值顶多也只能低到0.1伏特左右,而且负载电源模块流一高,VCE(饱和) 值还会有些许的上升征象,虽然对大多数的分析计算而言,VCE(饱和) 值可以不予考虑,但是在测试交换电源模块路时,必须晓畅VCE(饱和) 值并非真的是0。   虽然VCE(饱和)的电源模块压很小,自己眇乎小哉,但是若将几个三极管开关串接起来,其总和的压降效应就很可观了,不幸的是机械式的开关经常是采用串接的体例来工作的,如图3(a)所示,三极管开关无法模仿机械式开关的等效电源模块路(如图3(b)所示)来工作,这是三极管开关的一大瑕玷。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图3 三极管开关与机械式开关电源模块路   幸好三极管开关虽然不适用于串接体例,却可以完善的适用于并接的工作体例,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较,具有下列四大好处﹕   (1)三极管开关不具有运动接点部份,因此不致有磨损之虑,可以使用无穷多次,一样平常的机械式开关,因为接点磨损,顶多只能使用数百万 次左右,而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较一样平常的开关为快,一样平常开关的启闭时间是以毫秒 (ms)来计算的,三极管开关则以微秒(μs)计。   (3)三极管开关没有跃动(bounce) 征象。一样平常的机械式开关在导通的瞬间会有快速的延续启闭动作,然后才能渐渐达到稳固状况。   (4)行使三极管开关来驱动电源模块感性负载时,在开关开启的瞬间,不致有火花产生。反之北京人事考试网站,当机械式开关开启时,因为瞬间切断了电源模块感性负载样 上的电源模块流,因此电源模块感之瞬间感应电源模块压,将在接点上引起弧光,这种电源模块弧非但会侵蚀接点的外观,亦可能造成干扰或危害。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图4 三极管开关之并联联接   3 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闭状况,因此必须行使电源模块表来加以测试。在图5所示的标准三极管开关电源模块路中,当开关导通时,VEC的读值应该为0,反之当开关切断时,VCE应对于VCC。   三极管开关在切断的状态下,因为负载上没有电源模块流流过,因此也没有压降,所以悉数的供给电源模块压均跨降在开关的两端,因此其VCE值应等于VCC,这和机械式开关是完全雷同的。假如开关自己应导通而未导通,那就得测试Vin的大小了。欲保证三极管导通,其基极的Vin电源模块压值就必须够高,假如Vin值过低,则题目就出自傲号源而非三极管自己了。假使在Vin的准位够高,驱动三极管导通绝无题目时,而负载却仍未导通,那就要测试电源模块源电源模块压是否正常了。   在导通的状况下,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,这透露表现基射极接面可能已经损坏,必须将三极管换掉。当然这一准则也未必百分之百精确,很多大电源模块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的读值达到1.5伏特,也未必就能一定三极管的接面损坏,这时候最好先查阅三极管规格表后再下断言。   一旦VBE正常且有基极电源模块流流动时,便必须测试VCE值,假使VCE趋近于VCC,就透露表现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,而负载仍未导通,这可能是负载自己有开路征象发生,因此必须检换负载。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图5 三极管开关电源模块路,各重要测试电源模块的电源模块压图   当Vin降为低电源模块压准位,三极管理应截止而切断负载,假如负载依旧未被切断,那可能是三极管的集基极和集射极短路,必须加以置换。   3.1 基本三极管开关之改进电源模块路   偶然候,我们所设定的低电源模块压准位未必就能使三极管开关截止,尤其当输入准位接近0.6伏特的时候更是如此。想要战胜这种临界状态,就必须采取修正步骤活动策划公司网站制作价格,以保证三极管必能截止。图6就是针对这种状态所设计的两种常见之改良电源模块路。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图6 确保三极管开关动作,精确的两种改良电源模块路   图6(a) 的电源模块路,在基射极间串接上一只二极管,因此使得可令基极电源模块流导通的输入电源模块压值提拔了0.6伏特,如此即使Vin值因为旌旗灯号源的误动作而接近0.6伏特时,亦不致使三极管导通,因此开关仍可处于截止状况。   图6(b)的电源模块路加上了一只辅助-截止(hold-off)电源模块阻R2,适当的R1,R2及Vin值设计,可于临界输入电源模块压时确保开关截止。由图6(b)可知在基射极接面未导通前(IB0),R1和R2形成一个串联分压电源模块路,因此R1必跨过固定(随Vin而变) 的分电源模块压,所以基极电源模块压必低于Vin值,因此即使Vin接近于临界值(Vin=0.6伏特) ,基极电源模块压仍将受连接于负电源模块源的辅助-截止电源模块阻所拉下,使低于0.6伏特。因为R1,R2及VBB值的刻意设计,只要Vin在高值的范围内,基极仍将有充足的电源模块压值可使三极管导通,不致受到辅助-截止电源模块阻的影响。   3.1.1 加速电源模块容器   在要求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为一种常见的体例,此方法只须在RB电源模块阻上并联一只加速电源模块容器,如此当Vin由零电源模块压往上升并开始送电源模块流至基极时,电源模块容器因为无法瞬间充电源模块,故形同短路,然而此时却有瞬间的大电源模块流由电源模块容器流向基极,因此也就加快了开关导通的速度。稍后,待充电源模块完毕后,电源模块容就形同开路,而不影响三极管的正常工作。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图7 加了加速电源模块容器的电源模块路   一旦输入电源模块压由高准位降回零电源模块压准位时,电源模块容器会在极短的时间内即令基射极接面变成反向偏压,而使三极管开关敏捷切断,这是因为电源模块容器的左端原已充电源模块为正电源模块压,因此在输入电源模块压降落的瞬间嘉兴党员干部培训,电源模块容器两端的电源模块压无法瞬间改变仍将维持于定值,故输入电源模块压的降落立即使基极电源模块压随之而降落,因此令基射极接面成为反向偏压,而敏捷令三极管截止。适当的选取加速电源模块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,大多数的加速电源模块容值约为数百个微微法拉(pF) 。   偶然候三极管开关的负载并非直接加在集电源模块极与电源模块源之间,而是接成图8的体例,这种接法和小旌旗灯号交流放大器的电源模块路特别很是接近,只是少了一只输出耦合电源模块容器而已。这种接法和正常接法的动作正好相反,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,这两种电源模块路的情势都是常见的,因此必须具有清晰的分辨能力。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图8 将负载接于三极管开关电源模块路的改进接法   3.1.2 图腾式开关   假使图8的三极管开关加上了电源模块容性负载(假定其与RLD并联) ,那么在三极管截止后,因为负载电源模块压必须经由RC电源模块阻对电源模块容慢慢充电源模块而建立,因此电源模块容量或电源模块阻值愈大,时间常数(RC) 便愈大,而使得负载电源模块压之上升速率愈慢,在某些应用中,这种征象是不允许的,因此必须采用图9的改良电源模块路。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图9 图腾式三极管开关   图腾式电源模块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Q1三极管导通,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。因为Q1的集电源模块极除了极小的接点电源模块阻外,几乎没有任何电源模块阻存在(如图9所示) ,因此负载几乎是直接连接到正电源模块源上的,也因此当Q1导通时,就再也没有电源模块容的慢速充电源模块征象存在了。所以可说Q1“将负载拉起”,而称之为“挽起 (pull up) 三极管”,Q2则称为“拉下(pull down) 三极管”。图9左半部的输入控制电源模块路,负责Q1和Q2三极管的导通与截断控制,但是必须确保Q1和Q2使不致同时导通,否则将使VCC和地之间经由Q1和 Q2而形同短路,果真如此,则短路的大电源模块流至少将使一只三极管销毁。因此图腾式三极管开关绝对不可如图6-4般地采用并联体例来使用,否则只要图腾上方的三极管Q1群中有任一只导通,而下方的Q2群中又正好有一只导通,电源模块源便经由导通之Q1和Q2短路,而造成紧张的后果。   3.2 三极管开关之应用   3.2.1 驱动指示   晶体管开关最常见的应用之一,是用以驱动指示灯,行使指示灯可以指示电源模块路某特定点的动作状态,亦可以指示马达的控制器是否被激励,此外亦可以指示某一限定开关是否导通或是某一数字电源模块路是否处于高电源模块位状况。   举例而言,图10(a)即是行使晶体管开关来指示一只数字正反器(flip-flop)的输出状况。假使正反器的输出为高准位(一样平常为5伏特) ,晶体管开关便被导通,而令指示灯发亮,因此操作员只要一看指示灯,便可以知道正反器目前的工作状态,而不须要行使电源模块表去检测。   偶然旌旗灯号源(如正反器)输出电源模块路之电源模块流容量太小,不足以驱动晶体管开关,此时为避免旌旗灯号源不胜败荷而产生误动作,便须采用图10(b) 所示的改良电源模块路,当输出为高准位时,先驱动射极随耦晶体管Q1做电源模块流放大后,再使Q2导通而驱动指示灯,因为射极随耦级的输入阻抗相称高,因此正反器之须要提供少量的输入电源模块流,便可以得到写意的工作。   数字表现器图10(a)之电源模块路经常被使用于数字表现器上。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图10 (a) 基本电源模块路图 (b) 改良电源模块路   3.2.2 不同电源模块压准位的界面电源模块路   在工业设备中,每每必须行使固态逻辑电源模块路来担任控制的工作,有关数字逻辑电源模块路的原理,将在下一章细致加以介绍,在此为说明界面电源模块路起见,先将工业设备的控制电源模块路分为三大部份﹕(1)输入部份,(2)逻辑部份,(3)输出部份。   为达到可靠的运作,工业设备的输入与输出部份通常工作于较高的电源模块压准位,一样平常为220伏特。而逻辑部份却是操作于低电源模块压准位的,为了使体系正常工作,便必须使这两种不同的电源模块压准位之间能够沟通,这种不同电源模块压间的匹配工作就称做界面(interface)题目。担任界面匹配工作的电源模块路,则称为界面电源模块路。三极管开关就经常被用来担任此类工作。   图11行使三极管开关做为由高压输入控制低压逻辑的界面电源模块路之实例,当输入部份的微动开关闭应时,降压变压器便被导通,而使全波整流滤波电源模块路送出低压的直流控制旌旗灯号,此旌旗灯号使三极管导通,此时集电源模块极电源模块压降为0(饱和)伏特,此0伏特旌旗灯号可被送入逻辑电源模块路中,以透露表现微动开关处于闭合状况。   反之,若微动开关开启,变压器便不通电源模块,而使三极管截止,此时集电源模块极电源模块压便上升至VCC值,此一VCC旌旗灯号,可被送入逻辑电源模块路中,藉以透露表现微动开关处于开启状况。在图11之中,逻辑电源模块路被当作三极管的负载,连接于集电源模块极和地之间(如图11) ,因此三极管开关电源模块路的R1,R2和RC值必须慎加选择,以保证三极管只工作于截止区与饱和区,而不致工作于自动(线性) 区内。   三极管在开关电源模块路中的细致应用分析 图11三极管开关当作输入部份与逻辑部份之间的界面    

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