如何計(jì)算晶體管開(kāi)關(guān)電路-2

★★★ BJT-3---晶體管開(kāi)關(guān)電路計(jì)算實(shí)例 ★★★

引言：開(kāi)路集電極開(kāi)關(guān)和開(kāi)路發(fā)射極開(kāi)關(guān)也叫負(fù)載串聯(lián)型開(kāi)關(guān)，前者是負(fù)載串聯(lián)在集電極，后者是負(fù)載串聯(lián)在發(fā)射極。負(fù)載串聯(lián)型開(kāi)關(guān)使用更加廣泛，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS，驅(qū)動(dòng)LED燈，控制燈光的明暗等等。晶體管負(fù)載串聯(lián)型開(kāi)關(guān)與MOS負(fù)載串聯(lián)型開(kāi)關(guān)相比，其優(yōu)勢(shì)在于主回路的電流可以使用基極電流進(jìn)行接近線(xiàn)性的大小控制，更具有“主動(dòng)性”，而MOS負(fù)載串聯(lián)型開(kāi)關(guān)，只能是負(fù)載需求多大電流給多大電流。

€1.開(kāi)路集電極開(kāi)關(guān)

圖3-1是NPN和PNP開(kāi)路集電極開(kāi)關(guān)，從圖中可見(jiàn)，負(fù)載Rload均串接在集電極一側(cè)。

圖3-1：NPN和PNP開(kāi)路集電極開(kāi)關(guān)

NPN型負(fù)載直接跨接于三極管的集電極和電源之間，PNP型負(fù)載直接跨接于三極管的集電極和GND之間，二者都位于三極管主電流的回路上。

以NPN型為例，當(dāng)Ctrl in為低電平電壓時(shí)，由于基極沒(méi)有電流，因此集電極也沒(méi)有電流，負(fù)載也沒(méi)有電流，就相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，此時(shí)三極管工作在截止區(qū)。當(dāng)Ctrl in為高電平時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過(guò)更大的放大電流，負(fù)載回路導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)三極管工作在飽和區(qū)。

€2.設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)背景：

控制端為MCU的GPIO，高電平3.3V，VDD為3.3V，設(shè)計(jì)一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)電路，除了可以控制LED的亮滅。LED為ROHM的SMLZ24BN3TT86，相關(guān)參數(shù)如下：

圖3-2：LED的最大額定參數(shù)

圖3-3：LED的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)

從上述參數(shù)可知，LED正常工作時(shí)，導(dǎo)通電流IFMAX=30mA，脈沖峰值電流為100mA，那么控制LED關(guān)閉時(shí)電流為0mA，導(dǎo)通時(shí)電流為20mA，明暗就在0-20mA之間變化。

設(shè)計(jì)分析：

Q1導(dǎo)通時(shí)，VDD--->Rload--->GND路徑電流為30mA，所以在Q1導(dǎo)通時(shí)，Q1的Ic耐受電流最大額定值需要Ic＞30mA。VDD=3.3V加在集電極-發(fā)射極之和集電極-基極之間，in=3.3V加在基極-發(fā)射極之間。所以應(yīng)選擇集電極-發(fā)射極間和集電極-基極間電壓最大額定值Vceo，Vcbo大于VDD，Vbeo大于Vin的晶體管。即條件匯總為：

Vceo＞3.3V，Vcbo＞3.3V，Vbe＞3.3V，Ic＞30mA。

可以選擇通用的小信號(hào)晶體管，此處以L(fǎng)RC的型號(hào)L2SC5635WT1G為例：

圖3-4：L2SC5635WT1G最大額定參數(shù)

圖3-5：L2SC5635WT1G電氣性能參數(shù)

設(shè)計(jì)方式一：完全使用Rd來(lái)控制Ic的電流

Ic可以支持到50mA，我們以20mA為臨界點(diǎn)，hfe取50，Ic=20mA，hfe=50，控制基極電流Ib=20mA/50×1.5（2）=0.6mA-0.8mA，由于基極電位是0.6V，那么Rd上產(chǎn)生的壓降為3.3-0.6=2.7V，Ib取0.6mA（因?yàn)閔fe取的最小值，這里可以不用過(guò)驅(qū)動(dòng)），所以Rd=2.7V/0.6mA=4.5kΩ（忽略流過(guò)R2的電流，0.6V時(shí)be二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于R2，電流大部分流向Q1，流向R2的很?。?/p>

R2是輸入端開(kāi)路時(shí)確保晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)的電阻，如果R2過(guò)大，將容易受噪聲電流的干擾，過(guò)小則在晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)無(wú)用電流流過(guò)R2，R2可以取值10kΩ，如圖3-6左所示。

從上述計(jì)算可以看到，因?yàn)閔fe具有很大的不確定性（50-250），上述計(jì)算按hfe=50，計(jì)算得到Ib=0.4mA，若實(shí)際hfe=200，那么Ic=80mA，既超出晶體管的額定值ic=50mA，也超出LED的30mA。如按hfe=250計(jì)算，Ib=0.08mA，當(dāng)實(shí)際hfe=100時(shí)，Ic=8mA，此時(shí)LED要么不亮，要么亮度比較微弱，所以完全使用Rd來(lái)控制Ic的電流，很不精準(zhǔn)，尤其是驅(qū)動(dòng)這種小電流LED，但是適合設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)大并且寬電流LED，還可以控制燈的亮度。所以小電流LED多采用設(shè)計(jì)方式二，讓晶體管完全工作在飽和區(qū)，并加入限流電阻。

設(shè)計(jì)方式二：負(fù)載路徑上增加限流電阻R控制Ic

當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，從參數(shù)可知，IF=20mA，VF=3.3V=VDD，那么此種情況就不能在負(fù)載路徑上增加限流電阻，否則分壓導(dǎo)致VF不夠。假如此時(shí)VDD=5.0V，那么限流電阻R3=((VDD-VF)/IF)=(5.0-3.3)/0.02=85Ω。此時(shí)只需要Rd來(lái)控制Q1處于飽和區(qū)即可（限流電阻R已經(jīng)限制了回路電流的上限值）

放大區(qū)與飽和區(qū)的臨界：首先判斷三極管的工作狀態(tài)，作為開(kāi)關(guān)使用工作在飽和區(qū)，以NPN管為例計(jì)算選值，Ib=（Vctrl-Vbe）/Rd，Vce=VDD-Ic×R=VDD-Ib×hfe×R，（當(dāng)Vce＜0.6V（門(mén)限電壓），B-C集電結(jié)進(jìn)入正偏，進(jìn)入飽和狀態(tài)）令Vce=0（實(shí)際是0.6V，這里取Vce=0V，其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入了飽和狀態(tài)），由此可算出臨界值（飽和值）。

從公式可以看出，臨界狀態(tài)由兩個(gè)參數(shù)確定，當(dāng)R3值確定時(shí)，可以反推臨界基極驅(qū)動(dòng)電流；當(dāng)基極電流Ib確定時(shí)，可以反推臨界R3。

因?yàn)長(zhǎng)ED壓降已經(jīng)占去3.3V，對(duì)于VDD=5.0V，R3=85Ω，hf=50，Ib×50×85Ω=1.7V，臨界Ib=0.4mA，計(jì)算飽和Rd=（3.3V-0.6）/0.4mA=6.75kΩ。取Rd≤6.75kΩ（越小越深度飽和）即可，如***圖3-6右***所示。

圖3-6：兩種方式設(shè)計(jì)參數(shù)（小電流LED不推薦左圖）

小結(jié)：設(shè)計(jì)方式一，完全使用Rd來(lái)控制Ic的電流是讓晶體管工作在放大區(qū)；設(shè)計(jì)方式二，負(fù)載路徑上增加限流電阻R控制Ic是讓晶體管工作在飽和區(qū)。注意上面的實(shí)例是使用了LED作為負(fù)載，LED負(fù)載本身會(huì)占去一部分電壓VF。

延伸：其實(shí)也可以使用上一章節(jié)講到的發(fā)射極接地型或者射極跟隨器型開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，設(shè)計(jì)也更加簡(jiǎn)單，大家可以思考一下。

€3. 損耗*

晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的功率損耗為P損=Vce(sat)×Ic。（Vcesat：集電極飽和電壓），Ic比較大時(shí)，需要考慮發(fā)熱問(wèn)題。

€4.開(kāi)路發(fā)射極開(kāi)關(guān)

圖3-7：NPN和PNP開(kāi)路發(fā)射極開(kāi)關(guān)

圖3-7是NPN和PNP開(kāi)路發(fā)射極開(kāi)關(guān)，從圖中可見(jiàn)，負(fù)載Rload均串接在發(fā)射極一側(cè)。NPN型負(fù)載直接跨接于三極管的發(fā)射極和GND之間，PNP型負(fù)載直接跨接于三極管的發(fā)射極和VDD之間，二者都位于三極管主電流的回路上。

以NPN型為例，當(dāng)Ctrl in為低電平電壓時(shí)，由于基極沒(méi)有電流，因此發(fā)射極也沒(méi)有電流，負(fù)載也沒(méi)有電流，就相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟，此時(shí)三極管工作在截止區(qū)。當(dāng)Ctrl in為高電平時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使發(fā)射極流過(guò)更大的放大電流，負(fù)載回路導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)三極管工作在飽和區(qū)。

關(guān)于開(kāi)路發(fā)射極開(kāi)關(guān)的計(jì)算示例，和開(kāi)路集電極類(lèi)似，這里不再舉例。