一個實(shí)用的三極管開關(guān)電路分析

三極管開關(guān)電路作為功率管的控制應(yīng)用廣泛。這里對一個實(shí)用開關(guān)電路中的各元器件作用作具體分析。

三極管開關(guān)控制電路：

上圖是一個小功率三極管控制大功率三極管(達(dá)林頓管)開關(guān)電路。

控制信號通過控制小功率三極管的開關(guān)來控制大功率管Q1的開關(guān)。

原理分析

三極管開關(guān)電路的基本原理就是控制三極管工作在截止區(qū)和飽和區(qū)工作。電路設(shè)計原則等不作贅述，一般的三極管電路參考書籍有介紹。在這里也只討論圖中這些阻容元器件的作用，不討論其取值計算(因?yàn)槿≈涤嬎阈枰x定三極管，而且頗為簡單)。

圖中R1作用是Q2的基極限流;R3作用是泄放掉關(guān)斷狀態(tài)時基極電荷，讓Q2在低電平時保持截止?fàn)顟B(tài);R4作用是Q2的集電極限流以及Q1的基極限流;電容C2是加速電容，加速Q(mào)2的開關(guān)速度，降低Q2管耗，從而延長Q2壽命;R5和C1是作為輸出反饋給Q2的基極，作用同樣為加速Q(mào)2的開關(guān)速度，延長Q2的壽命以及電路整體的性能，此為正反饋。

下面主要解釋下C2的作用，其余的元器件作用，相信有一定三極管電路基礎(chǔ)的都能理解。

讓我們來看看C2是如何“加速”的——

先來看看電路在沒有C2的情況下是如何工作的：控制端由低電平拉升到高電平的過程中，集電極電流增長使得三極管從截止區(qū)—》放大區(qū)—》飽和區(qū)變化，從而使三極管從關(guān)斷狀態(tài)(截止)變?yōu)殚_通狀態(tài)(飽和)，注意，開通過程中，集電極電流增長全部靠Vcc提供;反過來，控制端從高電平變?yōu)榈碗娖竭^程中，通過R3對基極電荷的泄放，加速控制三極管從飽和區(qū)—》放大區(qū)—》截止區(qū)變化，并最終變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。

再來看看加上C2后的電路工作情況。來看由Vcc、R4、C2、R3、GND構(gòu)成的回路：當(dāng)電路沒有控制激勵的情況下(Control端低電平)，Vcc給電容C2充電，C2和R4連接端的電位為Vcc;當(dāng)控制激勵從低電平向高電平轉(zhuǎn)換的過程中，由于基極端電位上升，導(dǎo)致C2向三極管集電極放電，這樣，集電極電流增長中，一小部分靠C2提供，其余靠Vcc提供，加速了三極管從截止到飽和變化的過程，此時C2兩端的電壓反轉(zhuǎn)，大小約為0.7(VBE)-0.3(VCEsat)V;反過來，控制端從高電平變?yōu)榈碗娖竭^程中，由于基極電壓的下降以及集電極電壓的上升，集電極對C2充電，從而導(dǎo)致三極管集電極與發(fā)射級間的電流更快速的下降，配合R3的作用，更快速的使三極管進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。所以，C2在這里確實(shí)起到了加速開關(guān)的作用。

但問題又出來了，這個電路實(shí)際應(yīng)用到我產(chǎn)品上所需要的頻率僅僅是幾百赫茲，對于毫秒級的應(yīng)用，出來的開關(guān)波形根本不會有延時，按道理無需另加加速電容，這是怎么回事?這里要感謝IR公司的白師兄給我的釋疑：這里加速電容的作用并不是改善頻率特性而加的，而是為了改善三極管的功耗;眾所周知，三極管在截止區(qū)和飽和區(qū)功耗最小，而在放大區(qū)功耗最大，原因是截止區(qū)VCE大、ICE極小，飽和區(qū)ICE大、VCE很小(等于飽和導(dǎo)通電壓VCEsat)，而放大區(qū)是大電壓大電流;加速開通和關(guān)斷時間就是為了讓開關(guān)三極管快速穿越大功耗區(qū)(線性放大區(qū))而進(jìn)入到小功耗區(qū)(截止區(qū)和飽和區(qū))，從而降低功耗來降低三極管的溫度，延長三極管的壽命。而本電路恰恰應(yīng)用在開關(guān)電路持續(xù)開關(guān)工作的情況，也印證了師兄的解釋。

類似地，R5/C1正反饋的作用同樣也是加速Q(mào)2的開關(guān)，來降低管耗，延長壽命。

擴(kuò)展閱讀：三極管做開關(guān)時需要注意的問題