用三极管做开关,为什么负载总是在集电极上

电器工程 晶体管 开关 bjt 场效应管
2022-01-31 19:06:31

我在参考电路中发现,当 BJT 在饱和模式下用作开关时,负载始终位于集电极。对于 NPN,发射器连接到地,对于 PNP,发射器连接到电源,如下所示:

在此处输入图像描述

  1. 为什么负载总是在收集器上而不是相反?
  2. 由于晶体管仅用作开关,还可以使用 FET 代替 BJT 吗?
  3. 如果使用 BJT 复用多个 7 段显示器,则所有 7 段的电流都应通过一个晶体管。那么,在饱和模式下每7段单元使用分立晶体管时,不同晶体管的电流增益值不同会导致7段显示器的亮度不同吗?
4个回答

将负载置于集电极上的一个简单原因是它使基极电流与负载无关。这使得可靠地保持晶体管饱和变得更加容易。

如果负载在发射极上,则基极电流取决于负载。如果负载是 LED,则必须施加到晶体管基极以达到所需电流的电压会随着 LED 的正向电压而上升。

如果负载是电机并且连接到发射极,则基极电流取决于电机,并且会随着电机转动而在各处变化。

不必使用接地发射器,但可以考虑替代方案

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

用作开关(处于饱和状态)的晶体管通常具有约 0.2 伏的集电极-发射极电压。由于基极-发射极电压约为 0.7 伏,因此 Vs 必须至少比 Vcc 高 0.5 伏,再加上 R2 上为使基极电流达到所需水平所需的任何电压。并且该基极电流将很重要。不管“普通”增益如何,处于饱和状态的 NPN 晶体管将显示低得多的增益,典型的经验法则是增益为 10 以确保低 Vce。所以如图所示的电路不能在没有第二个更高的电源的情况下使用,这不是你所说的方便。

这反过来又回答了你的第三个问题。由于晶体管将(按照正常的线性标准)严重过载,晶体管之间的增益变化通常不会产生明显的影响。在所示电路中,电压增加 50% 将导致晶体管电压从 0.2 伏增加到 0.3 伏,这将使负载电压从 4.8 伏下降到 4.7 伏,对于显示器和 LED 等来说,这将是不明显的。

对于问题2,答案是肯定的。在许多方面,FET 和 MOSFET 更容易驱动,因为它们需要非常小的栅极电流(转换期间除外)。而且,事实上,CMOS 是微处理器和图形芯片的主导技术,每个芯片可能有数百万个晶体管。嗯,实际上,现在的高端 CPU 和图形 IC 运行在 1 到 20 亿个晶体管之间。由于当前的要求,试图用 BJT 做到这一点是不可能的。

在许多情况下,负载最好放在发射器中。例如:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

在这里,一组多路复用的 LED 由发射极跟随器驱动,用于高端驱动器。(使用 8 位 7 段 + DP 显示器,您将有 8 个高侧、8 个低侧和 8 个与后者串联的电阻)无需基极电阻,节省空间和零件。

或者在这里:

示意图

模拟这个电路

这里一个逻辑门直接驱动一个 4.5VDC 继电器线圈,不需要额外的组件。

您不会通过射极跟随器获得电压增益,但您确实获得了电流增益,无需反转,有时这正是所需要的。

发射极跟随器通常不允许晶体管饱和(可以通过以比集电极更高的电压驱动基极并添加基极电阻来实现,但如果基极由相同的电压驱动或低于集电极。

这意味着晶体管上至少有 0.6V 的压降,这并不总是那么糟糕,而且由于晶体管不会饱和,它的开关速度更快。共发射极开关电路可以将晶体管推入饱和状态,可能是 Vce 的 1/10,从而最大限度地减少发热。

  1. 不总是。有称为“发射极跟随器”的电路。它们不会放大电压,但会放大输入电流。

  2. 是的,出于开关目的,也使用 FET,n 沟道用于低侧开关,p 沟道用于高侧开关。

  3. 如果您使 BJT 进入饱和模式,则不同的电流增益无关紧要,只要您提供足够的基极电流以保持晶体管处于饱和状态以获得最低的制造商指定增益。

如果你驱动一个 7 段 LED 显示器,你不能通过控制晶体管来控制电流。您可以使用计算出的限流电阻和饱和开关的脉宽调制来控制电流/亮度。这种方法消除了晶体管的可变性。