晶體管電路設(shè)計實驗板知識

首先來看一個負(fù)載控制的實例，電路中以“{RL}”來替代負(fù)載。通過單片機的I/O來方便的控制負(fù)載通斷電，圖1所示的電路簡單明了，使用一個NPN晶體管，高電壓平通，低電平斷。但再仔細(xì)想想，好像沒有表面上的那么簡單，至少需要考慮到以下幾個因素：

流入晶體管基極電流的大小，取決于負(fù)載電流和hFE（ DC Current Gain）；

晶體管的電大允許通過電流，取決于IC（ Collector Current - Continuous）；

晶體管集電極的電大耐壓值，取決于VCEO（Collector-Emitter Voltage）；

晶體管能承受的最大功耗，取決于PD（Total Device Dissipation）。

圖1一個NPN控制負(fù)載

僅針對上面提到的四個因素，其中任何一個不合適，都會導(dǎo)致電路不能正常的運行，甚至燒毀晶體管。因此很多時候是我們把復(fù)雜的事情簡單化，或是疏忽，或者沒有足夠的能力看清它，而只有當(dāng)它“東窗事發(fā)”的時候才會引起我們足夠的重視。

上面的實現(xiàn)方式是用一個NPN來實現(xiàn)的，如果現(xiàn)在要求換成是用一個PNP呢？還能這么“簡單”的實現(xiàn)嗎？答案是否定的，因為很多時候負(fù)載的供電電壓要明顯高于單片機的供電電壓，即使是在負(fù)載5V供電，單片機3.3V供電的時候，只用一個PNP也會出現(xiàn)不能關(guān)斷負(fù)載的問題（Why?）。那這時候常見的解決辦法是再加入一個NPN晶體管，如圖2所示。圖1和圖2也就夠成了常見的低壓側(cè)、高壓側(cè)的開關(guān)控制電路。有了前面的這些基礎(chǔ)，下面再加入一個新的電路需求，用晶體管實現(xiàn)過流保護電路。感興趣的同學(xué)可以先不要往下看，自己在腦海中想一想，看看有沒有火花迸出來。

圖2一個PNP、NPN控制負(fù)載

圖3《電子學(xué)》2.5.2溫度控制器

三年前看《電子學(xué)》的時候，里面有一個溫度控制器涉及到“過流”保護（當(dāng)時認(rèn)為是過流保護），如圖3所示，書中給出的解釋比較簡單，但似乎也有道理。那時還把這部分電路進(jìn)行了仿真，但沒有得到想要的結(jié)果，最后不了了之?，F(xiàn)在再把這個輸出部分的電路單獨拿出來分析一下，看看到底是不是如書中解釋的那樣。由于圖中的電路是用于進(jìn)行線性放大控制，而這里只需要開關(guān)通斷控制，因此也對電路進(jìn)行了一些調(diào)整，如圖4所示。

為了方便仿真，控制端直接接到了負(fù)載電源24V的電壓上，也就是一上電壓負(fù)載就應(yīng)該導(dǎo)通。圖中使用的晶體管只是LTspice仿真模型庫當(dāng)中現(xiàn)成的模型，沒有什么特殊的型號要求，并用一個PNP晶體管替代了圖3中的兩個PNP管構(gòu)成的Darlington管。“.tran 1ms”是用來執(zhí)行上電以后1ms時間內(nèi)的瞬態(tài)分析，“.step param RL list 10 100”是用來仿真當(dāng)負(fù)載電阻分別10和100歐姆時的電路工作情況。

下面來簡單的分析一下這個電路的工作過程，由于Q3的加入，當(dāng)R4的電壓壓降超過0.6V的時候，Q3會導(dǎo)通，Q3的集電極會被拉高，也就是《電子學(xué)》當(dāng)中的“消除基極激勵”效果。這個消除基極激勵，是指完全消除Q2的基極激勵？Q3導(dǎo)通，其集電極電壓接近24V，使得Q2截止？還是只能消除Q2的集電極電流達(dá)到使Q3導(dǎo)通的電流以后，繼續(xù)進(jìn)一步增大的基極激勵？有些拗口，但值得仔細(xì)想想。

圖4簡單的“過流”保護電路

公布答案，仿真結(jié)果如圖5所示，藍(lán)色的負(fù)載電流的仿真結(jié)果對應(yīng)負(fù)載為100歐姆的情況，電流大概為230ma，R4上的壓降為0.46V，Q3沒有導(dǎo)通。綠色的負(fù)載電流的仿真結(jié)果對應(yīng)負(fù)載為10歐姆的情況，電流大概為310ma，R4上的壓降為0.62V，此時Q3已經(jīng)導(dǎo)通，并起到了一定的“過流”保護作用。此時即使負(fù)載電阻進(jìn)一步減小，流過負(fù)載的電流也不會明顯增大，基本維持在310ma左右，其實是晶體管的基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓維持在0.6V左右。Q3的導(dǎo)通真的消除了Q2的基極激勵了嗎？好像并沒有，對不對?

這個“過流”保護電路的關(guān)鍵就是晶體管的基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓，為了簡單分析通常取0.6V進(jìn)行計算。正是這個0.6V對晶體管電路的分析和設(shè)計起到了很重要的作用，因此要牢記在心并達(dá)到靈活應(yīng)用。

再來看一下如果沒有Q3，當(dāng)電路中的負(fù)載為1歐姆近似于短路的時候，電路中流過的電流肯定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于310ma。雖然Q3的加入起到了“過流”保護的作用，但實際使用圖4所示電路的時候是沒有任何實際意義的。因為當(dāng)負(fù)載因短路或其它原因引起過小時，Q2的發(fā)射極和集電極之間的電壓會很大，如圖5仿真結(jié)果曲線“V(vq2e)-V(vq2c)”所示，此時Q2上的功耗會很容易超過其允許隨承受的最大功耗，并導(dǎo)致其燒毀。因此圖4不是真正意義上的過流保護電路，即在超過一定的電流以后自動關(guān)斷電路或者進(jìn)入打嗝模式，而將其稱之為限流保護電路則更為合適。

那能不能在圖4的基礎(chǔ)上，靠加入NPN或者PNP來實現(xiàn)真正意義上的過流保護電路呢？這個問題留給感興趣的同學(xué)思考，這里不再深入展開。

至此，隨著前面三個簡單電路的分析，引出了在使用晶體管的過程中基本需要注意的幾個主要因素：

hFE（ DC Current Gain）；

IC（ Collector Current - Continuous）；

VCEO（Collector-Emitter Voltage）；

PD（Total Device Dissipation）；

VBE(Base-Emitter Voltage)。

在分析或者設(shè)計需要用到晶體管電路的時候，多問問自己晶體管的集電極電流有多大，基極電流需要多大，它的最大功耗是多少，基極-發(fā)射極的電壓是多大，晶體管什么是導(dǎo)通的，什么時候是截止的，隨著前級輸入信號的變化晶體管是趨向于飽和還是截止，然后又給后級電路帶來哪些影響，也許會收到事半功倍的效果。

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