为什么这个 PNP 晶体管不会触发?

电器工程 晶体管 电路设计 bjt 偏向
2022-01-08 23:34:03

下面的电路应该从 MCU_LS12 上的 MCU 获取 3.3V 信号并输出​​ 12V 高边信号。

输出始终为 12V。在将基极范围缩小到输出晶体管时,没有“足够”地被拉到地 - 只有 12V 然后到 11.5V。

我错过了什么?LS12 上的输入信号是来自 MCU 的 3.3V,发送 50% 的方波进行测试。为什么 Q6 没有将 Q8 的底座接地?我能改变什么?是分频器吗?

在此处输入图像描述

4个回答

即使 Q6 可以完全打开,这不是在这个电路中发生的情况,它也会有一个 \$V_{BE}\$ 下降 \$\大约 0.7V\$,因此在它的发射器上你会发现 \$3.3V -0.7V=2.6V\$ 大约。因此,即使 \$V_{CE}\$ 几乎为零(正如我所说,在您的电路中是不可能的),Q8 基极也不会被拉到地。

从发射器中去掉 R22 并将其与 Q6 基极串联,以设置合适的偏置以使 Q6 导通。使用此修改后的原理图,Q6 充当开关,可以将 Q8 基极拉到非常接近地的​​位置(但不完全是:您将在 Q8 的 CE 端子上获得较小的饱和电压 \$V_{CE(sat)}\$,更少可能超过 200mV)。

附带说明,R22 在发射极上,Q6 充当恒流源,输出电流为其 \$ I_C \approx I_E = \frac{V_B \;-\;0.7V}{R22} = \frac{ 3.3V \;-\;0.7V}{220\Omega}\约 12mA \$。

问题在于,只要该电路具有接近 12V 电压轨的电压裕量,它就可以用作电流源。在您的电路中,它迫使那些 12mA 进入 R25 (2.2kΩ) 与 Q8 的 BE 结并联(假设您正确连接 Q8,即您在电路中交换 C 和 E)。

该电流几乎完全在 Q8 的正向偏置 BE 结中分裂和流动。为什么?因为如果该结关闭,整个 12mA 电流将流入 R25,这将需要 26V 压降,这对于 12V 电源轨是不可能的。因此,BE 结必须打开,因此它将显示约 0.7V 的压降,这将在 R25 中施加非常小的电流(\$\frac{0.7V}{2.2k\Omega}\约 0.31mA < < 12mA\$)。

其基极中的 12mA 电流足以使输出晶体管饱和并使其充当开启开关(这是您所需要的)。但是,您不会像您期望的那样将其基极拉到地,因为“驱动器”晶体管 Q6 不像开关那样工作,而是作为(可切换的)电流源。

让我们使用 EESE 编辑器画出原理图(就像你应该做的那样):

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

我猜你接线错了\$Q_8\$。正如安迪指出的那样,如果将其反转,普通的 PNP 仍然可以充当 PNP 晶体管。但通常情况更糟 \$\beta\$ (由于 BJT 中掺杂和物理构建的方式。)

然而,安迪可能错过了什么[假设我可以认真对待你,你使用的是 MJD127G(数据表)],那么这就是达林顿!!你不会扭转这些并期望太多。您需要正确安排这些!

既然你提到你已经使用了 \$R_{LOAD}=200\:\Omega\$,我将继续这样做。这意味着仅仅 \$I_{C_8}=60\:\textrm{mA}\$。这是数据表中的一个重要图表:

在此处输入图像描述

在这个电流下 \$V_{CE_{SAT}}\大约 800\:\textrm{mV}\$。所以你不能认真地期望在\$R_{LOAD}\$ 上比\$11\:\textrm{V}\$ 更好。曾经。你需要对此进行计划。如果您的集电极电流显着增加,则更少。

请注意,他们使用 \$\beta=250\$ 来表示饱和度!相当有意义。但这是达灵顿。所以这是可以预料的。如果你的负载电流真的只有\$60\:\textrm{mA}\$,那么你的基极电流只需要\$250\:\mu\textrm{A}\$。

现在,很明显,您还在使用达林顿作为 \$Q_6\$!什么??那好吧。那个东西在 \$I_C=10\:\textrm{mA}\$ 处有一个最小值\$\beta=5000\$!你神志清醒吗?\$Q_6\$ 在此射极跟随器配置中所需的基极电流为 \$50\:\textrm{nA}\$(假设在 \$\beta\$ 保持的这些低电流下(可能不是。)无论如何,在 \$Q_6\$ 上你没有任何基准电流可言。

那么 \$R_{22}\$ 的值是多少?它是 \$R_{22}=\frac{3.3\:\textrm{V}-1\:\textrm{V}}{250\:\mu\textrm{A}}=9200\:\Omega\$。但是,考虑到 \$50\:\mu\textrm{A}\$ 对于 \$R_{25}\$,我会在那里使用 \$7.2\:\textrm{k}\Omega\$。\$R_{25}\$ 的值最多应该来自 \$50\:\mu\textrm{A}\$,所以我会在其中粘贴一些 \$22\:\textrm{k}\Omega\$ . (我很想把它做得更大。但到底是什么。坚持这个。)所以,再次,\$R_{22}=\frac{3.3\:\textrm{V}-1\:\textrm {V}}{250\:\mu\textrm{A}+50\:\mu\textrm{A}}\约 7.2\:\textrm{k}\:\Omega\$。

示意图

模拟这个电路

如果您增加负载,只需按照计算进行即可。


你为什么用达林顿?啊。现在您提到您的负载可能会超过 \$3\:\textrm{A}\$。所以这是有道理的。

让我们为这种负载重做一些事情:

示意图

模拟这个电路

达灵顿将降低更多电压,现在将消耗相当多的功率。事实上,它会消散得比你敢申请的还要多!!看看热阻和最高工作温度!假设您没有在板上做一些非常特别的事情来更好地消散,那么您在该设备上的消散不能超过大约 \$1.5\:\textrm{W}\$。

因此,虽然所有的数字都“半好”,但你有几个问题。

  1. 达灵顿的耗散简直是太高了好几倍。
  2. 您将从高压侧电源轨损失大约 \$1.5\:\textrm{V}\$,到达负载。如果您可以忍受大约 \$10.5\:\textrm{V}\$,那么这可能不是这样的问题。但它就在那里,假设达灵顿不只是先烧毁自己。

除此之外,似乎还可以。

你需要处理耗散问题。这是 MOSFET 开始看起来不错的情况之一。

我假设 PNP 晶体管 (Q8) 故意与发射极和集电极交换连接,以便在饱和时实现略低的 Vce。这种技术不时使用,但确实存在反向发射极-基极电压击穿的潜在问题,所以如果这是有意的,请进行数学计算。如果没有,请继续阅读。

输出始终为 12V。

如果没有负载并使用高阻抗计,并且通过 Q8 的泄漏电流很小,输出将倾向于轻轻拉至 12 伏,这可能就是您所看到的。

在将基极范围缩小到输出晶体管时,没有“足够”地被拉到地 - 只有 12V 然后到 11.5V。

12 伏和基极之间的结是一个正向传导二极管,对于中等基极电流,它可能仅下降 0.4 伏和 0.7 伏之间。这不是问题。基极电流由 Q6 基极上的 3.3 伏设置 - 它会在 Q6 的发射极“放置”约 2.7 伏并迫使约 12 mA 的电流流过 R22 - 该电流将主要通过 Q8 的基极(约 10 mA)以将其打开。

我错过了什么?

除了输出负载和可能错误地连接集电极和发射极之外,没什么。

注释 1)当使用 BJT 晶体管作为开关(不是放大器)时,将发射极直接连接到电源,发射极和电源之间没有电路元件。对于 NPN 晶体管,将发射极直接连接到负电源轨(例如,GROUND),对于 PNP 晶体管,将发射器直接连接到正电源轨(例如,12V_IGN_ON,我假设它是您的电源)。将集电极连接到正在打开|关闭的负载。【同理,对于 MOSFET 开关,将 MOSFET 的 SOURCE 引脚直接连接到电源:N-MOS 的 SOURCE 到 NEGATIVE 电源;P-MOS 的 SOURCE 为正电源。将漏极连接到负载。]

注释 2) 达林顿对中的输出晶体管不会饱和(完全导通);它会接近饱和,但永远不会达到饱和。考虑到这一点,您使用的达林顿晶体管将比在饱和状态下运行的“标准”BJT 晶体管耗散(浪费)更多功率并变得更热;因此,当使用达林顿对时,可用于传输到负载的功率将减少,就像这里所做的那样。TL;DR:切勿将达林顿对晶体管用于必须在截止 (OFF) 和饱和 (ON) 之间切换的开关电路。

评论 3) IMO,在设计 BJT 开关电路时最容易使用电流计算。假设输出负载消耗的最大电流为 100 mA。假设您将达林顿晶体管 Q8 替换为饱和 beta 为 10 的小信号 PNP BJT(例如 2N3906)(参见数据表)。对于我们使用的第一个近似计算,

Q8_IC_sat = Q8_Beta_sat * Q8_IB_sat

所以,

=> IB_sat = IC_sat / Beta_sat
= (-100 mA) / (10)
=> IB_sat = -10 mA

因此流出 Q8 基极的电流必须至少为 10 mA。该基极电流通过串联在 Q6 的集电极和 Q8 的基极之间的适当值的限流电阻R_X “编程”。(nb 去掉电阻 R22 和 R25。)

R_X = ((12V_IGN_ON) - (Q8_VBE(SAT) @ Q8_IC=100mA) - (Q6_VCE(SAT) @ Q6_IC=10mA)) / 10mA

将 Q6 替换为 NPN BJT——例如,小信号 2N2222A。现在的目标是在微控制器的数字输出引脚被编程以产生逻辑高电平输出时使 Q6 饱和。再一次,查看 2N2222A 的数据表,我们看到饱和 beta 为 10。因此,从微控制器的数字输出引脚流出并流入 Q6 基极的所需电流为

Q6_IB_sat = Q6_IC_sat / Q6_Beta_sat
= (10 mA) / (10)
=> IB_sat(Q6) = 1 mA

这个 1 mA 电流可以通过串联在微控制器的数字输出引脚和 Q6 的基极之间的适当值的限流电阻 R_Y 进行编程:

R_Y = ( (microcontroller VOH) - (Q6_VBE(Sat) @ Q6_IC(sat)=10mA) ) / 1 mA

其中“VOH”是微控制器数字输出引脚上逻辑高电平输出信号的最小电压(请参阅微控制器的数据表以查找 VOH)。

VOH <= uC digital output pin logic HIGH voltage < 3.3V