为什么晶体管不切换?

电器工程 晶体管 开关 bjt
2022-01-31 14:11:35

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我正在阅读教科书中的一个例子。而对于上面的这个电路作者声称当 R3 小于 100 欧姆时 Q3 将不会切换。我无法弄清楚为什么的“原因”。但我用 LTSpice 验证了作者是对的。他只是没有解释原因。

如果说当 Q2 开启时 R3 接近于零,为什么 Q3 也不会开启?

4个回答

要使 Q3 导通,其基极和发射极之间的电压降必须约为 0.6 V,这意味着必须在 R3 上降相同的电压,这意味着流过 R3 的电流必须至少为 I3 = 0.6V / R3 .

当流过 R3 的电流较小时,R3 上的电压降小于 Q3 的最小电压降,Q3 将保持关闭状态。

对于 R3 = 100 Ω,所需电流 I3 为 6 mA。然而,在这个电路中,通过 R3 和 Q3 的电流也受到 R2 的限制:6 mA 的电流会导致 R2 上的电压降为 19.8 V,而这在 15 V 电源下是不可能的。
当 Q2 饱和时,R2 上可能出现的最大压降约为 14 V,这导致最大可能电流约为 14V/3.3kΩ = 4.2 mA。

当 \$V_{EB}\$ 足够大时,PNP 晶体管开启。当您使 \$R_3\$ 太小时,晶体管的 EB 结上没有足够的电压使其导通。

直观地说,\$V_{EB}\$ 与 \$R_3\$ 两端的电压相同。由于 \$R_2\$ 和 \$R_3\$ 大致是一个分压器(\$Q_3\$ 中的基极电流非常小),因此电压为 $$ V_{EB} \approx \frac{R_3}{R_2 + R_3} \cdot \text{15 V} \approx \frac{R_3}{R_2} \cdot \text{15 V} $$ 如果 \$R_3 << R_2\$。显然,当分数 \$R_3 / R_2\$ 太小时,晶体管无法导通。

由于您对 Q3 相对于 R3 的导通行为感到困惑,请考虑仅由基本电阻分压器(R3 和 R2)和 Q3 的基极-发射极结组成的等效电路:

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随着时间的推移,我在这里将 R3 从 0 变为 1K。BE 二极管在大约 0.65V 时开启,这对应于 R3 的 150 欧姆。这很容易验证为 15V*150/(3300+150)=0.65V。

由于通过打开的二极管的电流随其两端的电压呈指数变化(肖克利方程),并且由于此处的电流受 R2 限制,因此一旦二极管打开,BE 电压将大致恒定。一旦结打开,Vbe 实际上与具有上限(由 R2 强加)的二极管电流呈对数变化......也就是说,变化不大。请注意,V(BE) 曲线(红色迹线)比 I(BE) 电流(品红色)的转弯更陡...因为它与二极管电流具有对数关系。

在二极管导通之前,BE 电压是 R3 的线性函数,因为它只是与 R2 的电阻分压器。此外,即使在二极管导通之前,I(R2) 也不会发生很大变化,因为导通点仅在 R3=R2 值的 4.5% 左右。但是在 I(R2) 的单独图上 [在下窗格中],您可以看到它在二极管的导通点之后“更加恒定”。因此,这验证了通常的假设,即一旦 BE 结实际打开,Vbe 是恒定的(因此这里的 I(R2) 也是如此)。在此之前,您可以看到 Vbe 没有任何限制;它仅取决于二极管关闭时 R3 的值。

考虑二极管两端的电压和流动的电流。以下是旧锗二极管 (1N34A) 和硅二极管 (1N914) 的曲线: -

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专注于硅二极管(1N914)。其两端电压为 0.6 伏,电流约为 0.6 毫安。现在将该电压降至 0.4 伏。电流降至 10 uA,加上 0.2 伏电压,电流约为 100 nA。

现在,BJT 中的基极-发射极结是一个正向偏置二极管。正向偏置来自您施加在其上的电压,这通常是通过偏置电阻来实现的。在您的电路中,R2 和电源电压定义了可以共同流入基极和 R3 的电流。

当 R2 提供相当数量的电流时,大部分电流流过基极发射结,因为您位于二极管曲线的那部分,并且二极管曲线的部分具有比 R3 小得多的动态电阻。随着基极-发射极电压降低,其动态电阻变高,R3 开始成为大部分来自 R2 的电流流向的“路径”。

动态电阻是施加电压的微小变化除以电流的变化。您可以查看上面的二极管图并选择一些要点:-

  • 在 0.60 伏时,电流可能为 600 uA
  • 在 0.62 伏时,电流约为 1000 uA

动态电阻为 20mV/200uA = 100 ohms

  • 在 0.40 伏时,电流约为 10 uA
  • 在 0.42 伏时,电流约为 11 uA

动态电阻为 20mV/1uA = 20 kohms。

因此,当 R3 降低时,基极发射结变得更加重要,并且结电流迅速下降。鉴于我们可以将晶体管动作近似为具有电流增益的器件,将 R3 降低到某个点以上意味着集电极电流迅速下降,实际上,晶体管被视为关闭。