数字开关:晶体管饱和和强制 Beta

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     晶体管通常用作数字电路中的受控开关。例如,晶体管可以用作缓冲器,允许微控制器激活继电器或LED。对于这些数字应用,我们希望晶体管饱和,以便集电极到发射极出现短路;就像闭合的开关一样,电流可以自由地从发射极流向集电极。

在这篇文章中,我们将探讨晶体管 beta 的非线性响应引起的饱和和复杂性,特别是在较高的集电极电流下。这是使用一个简单的答案来完成的,其中基极电流设置为集电极电流的 10%。然后,我们深入研究数据表规范,以更好地了解趋势并做出支持使用强制 Beta 的定性声明。

简单的答案

一个简单的答案是使用强制贝塔条件设计电路。我们选择电路元件,使基极电流为集电极电流的 10%。为了说明这一点,假设我们有一个电阻为 180 Ω 的 24 VDC 继电器。

对于强制 beta 条件,我们设计的基极电流为集电极电流的 10%。如果我们假设晶体管由 3.3 VDC 微控制器驱动,则基极电阻计算如下:

此时,我们选择具有较宽安全裕度的 NPN 晶体管,并构建如图原理图所示的电路。鉴于具有 130 mA 负载的 24 VDC 电源,MPSA06晶体管非常适合。它具有 500 mA 电流限制在C和80 VDC。

数字开关:晶体管饱和和强制 Beta_第1张图片

更复杂的答案

MPSA06 数据表为此设计提供支持。请注意此数据表图表显示在C和作为集电极电流的函数。对于所选基极电路(绿色圆圈),基极到发射极的电压约为 0.2 VDC。按照惯例,该图的数据是在 10% 强制 beta 条件下计算的。

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在完成之前,我们需要再次查看数据表以确定正确的在乙和。我确信您已经被告知,基极到发射极的电压可能约为 0.6 或 0.7 VDC。然而,情况并非总是如此,特别是对于在其电流范围的高端工作的饱和晶体管。

该图显示了饱和(乙= 10) 晶体管作为集电极电流的函数。我们可以清楚地看到电压随着集电极电流的增加而上升。根据这些数据,我们可以预期在乙和对于我们选择的设计(绿色圆圈),电压约为 0.9 VDC。重新计算基极电阻:

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从数据表中还有另一种方法可以回答这个问题。这个“曲棍球棒”图形显示了饱和曲线,其中在乙和是基极电流的函数。对于我们选择的设计,预期的集电极到发射极电压再次显示为大约 0.2 VDC。

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这是一个重要的图表,有助于解释饱和度的概念。请考虑 10 mA 曲线。当 B = 100(10 mA 集电极电流除以 0.1 mA 基极电流)时,数据中存在一个拐点(拐点)。稍微向左移动,晶体管进入线性范围。向右移动表明没有明显的变化;一旦晶体管饱和,增加基极电流只会进一步驱动晶体管饱和。

人们倾向于尽可能减少基极电流,以使晶体管在拐点运行。这将节省电能,否则这些电能将作为基极到发射极结的热量而被浪费。然而,这不是一个好的工作点,因为晶体管的变化和温度效应可能会使晶体管滑入线性范围。这可能会导致晶体管过热或降低负载上的压降。

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