★★★ BJT-3---晶體管開關(guān)電路計算實例 ★★★

引言：開路集電極開關(guān)和開路發(fā)射極開關(guān)也叫負載串聯(lián)型開關(guān)，前者是負載串聯(lián)在集電極，后者是負載串聯(lián)在發(fā)射極。負載串聯(lián)型開關(guān)使用更加廣泛，可以用來驅(qū)動MOS，驅(qū)動LED燈，控制燈光的明暗等等。晶體管負載串聯(lián)型開關(guān)與MOS負載串聯(lián)型開關(guān)相比，其優(yōu)勢在于主回路的電流可以使用基極電流進行接近線性的大小控制，更具有“主動性”，而MOS負載串聯(lián)型開關(guān)，只能是負載需求多大電流給多大電流。

€1.開路集電極開關(guān)

圖3-1是NPN和PNP開路集電極開關(guān)，從圖中可見，負載Rload均串接在集電極一側(cè)。

圖3-1：NPN和PNP開路集電極開關(guān)

NPN型負載直接跨接于三極管的集電極和電源之間，PNP型負載直接跨接于三極管的集電極和GND之間，二者都位于三極管主電流的回路上。

以NPN型為例，當Ctrl in為低電平電壓時，由于基極沒有電流，因此集電極也沒有電流，負載也沒有電流，就相當于開關(guān)的開啟，此時三極管工作在截止區(qū)。當Ctrl in為高電平時，由于有基極電流流動，因此使集電極流過更大的放大電流，負載回路導(dǎo)通，相當于開關(guān)閉合，此時三極管工作在飽和區(qū)。

€2.設(shè)計實例

設(shè)計背景：

控制端為MCU的GPIO，高電平3.3V，VDD為3.3V，設(shè)計一個LED驅(qū)動電路，除了可以控制LED的亮滅。LED為ROHM的SMLZ24BN3TT86，相關(guān)參數(shù)如下：

圖3-2：LED的最大額定參數(shù)

圖3-3：LED的標準參數(shù)

從上述參數(shù)可知，LED正常工作時，導(dǎo)通電流IFMAX=30mA，脈沖峰值電流為100mA，那么控制LED關(guān)閉時電流為0mA，導(dǎo)通時電流為20mA，明暗就在0-20mA之間變化。

設(shè)計分析：

Q1導(dǎo)通時，VDD--->Rload--->GND路徑電流為30mA，所以在Q1導(dǎo)通時，Q1的Ic耐受電流最大額定值需要Ic＞30mA。VDD=3.3V加在集電極-發(fā)射極之和集電極-基極之間，in=3.3V加在基極-發(fā)射極之間。所以應(yīng)選擇集電極-發(fā)射極間和集電極-基極間電壓最大額定值Vceo，Vcbo大于VDD，Vbeo大于Vin的晶體管。即條件匯總為：

Vceo＞3.3V，Vcbo＞3.3V，Vbe＞3.3V，Ic＞30mA。

可以選擇通用的小信號晶體管，此處以LRC的型號L2SC5635WT1G為例：

圖3-4：L2SC5635WT1G最大額定參數(shù)

圖3-5：L2SC5635WT1G電氣性能參數(shù)

設(shè)計方式一：完全使用Rd來控制Ic的電流

Ic可以支持到50mA，我們以20mA為臨界點，hfe取50，Ic=20mA，hfe=50，控制基極電流Ib=20mA/50×1.5（2）=0.6mA-0.8mA，由于基極電位是0.6V，那么Rd上產(chǎn)生的壓降為3.3-0.6=2.7V，Ib取0.6mA（因為hfe取的最小值，這里可以不用過驅(qū)動），所以Rd=2.7V/0.6mA=4.5kΩ（忽略流過R2的電流，0.6V時be二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻遠小于R2，電流大部分流向Q1，流向R2的很?。?/p>

R2是輸入端開路時確保晶體管處于截止狀態(tài)的電阻，如果R2過大，將容易受噪聲電流的干擾，過小則在晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時無用電流流過R2，R2可以取值10kΩ，如圖3-6左所示。

從上述計算可以看到，因為hfe具有很大的不確定性（50-250），上述計算按hfe=50，計算得到Ib=0.4mA，若實際hfe=200，那么Ic=80mA，既超出晶體管的額定值ic=50mA，也超出LED的30mA。如按hfe=250計算，Ib=0.08mA，當實際hfe=100時，Ic=8mA，此時LED要么不亮，要么亮度比較微弱，所以完全使用Rd來控制Ic的電流，很不精準，尤其是驅(qū)動這種小電流LED，但是適合設(shè)計驅(qū)動大并且寬電流LED，還可以控制燈的亮度。所以小電流LED多采用設(shè)計方式二，讓晶體管完全工作在飽和區(qū)，并加入限流電阻。

設(shè)計方式二：負載路徑上增加限流電阻R控制Ic

當Q1導(dǎo)通時，從參數(shù)可知，IF=20mA，VF=3.3V=VDD，那么此種情況就不能在負載路徑上增加限流電阻，否則分壓導(dǎo)致VF不夠。假如此時VDD=5.0V，那么限流電阻R3=((VDD-VF)/IF)=(5.0-3.3)/0.02=85Ω。此時只需要Rd來控制Q1處于飽和區(qū)即可（限流電阻R已經(jīng)限制了回路電流的上限值）

放大區(qū)與飽和區(qū)的臨界：首先判斷三極管的工作狀態(tài)，作為開關(guān)使用工作在飽和區(qū)，以NPN管為例計算選值，Ib=（Vctrl-Vbe）/Rd，Vce=VDD-Ic×R=VDD-Ib×hfe×R，（當Vce＜0.6V（門限電壓），B-C集電結(jié)進入正偏，進入飽和狀態(tài)）令Vce=0（實際是0.6V，這里取Vce=0V，其實已經(jīng)進入了飽和狀態(tài)），由此可算出臨界值（飽和值）。

從公式可以看出，臨界狀態(tài)由兩個參數(shù)確定，當R3值確定時，可以反推臨界基極驅(qū)動電流；當基極電流Ib確定時，可以反推臨界R3。

因為LED壓降已經(jīng)占去3.3V，對于VDD=5.0V，R3=85Ω，hf=50，Ib×50×85Ω=1.7V，臨界Ib=0.4mA，計算飽和Rd=（3.3V-0.6）/0.4mA=6.75kΩ。取Rd≤6.75kΩ（越小越深度飽和）即可，如***圖3-6右***所示。

圖3-6：兩種方式設(shè)計參數(shù)（小電流LED不推薦左圖）

小結(jié)：設(shè)計方式一，完全使用Rd來控制Ic的電流是讓晶體管工作在放大區(qū)；設(shè)計方式二，負載路徑上增加限流電阻R控制Ic是讓晶體管工作在飽和區(qū)。注意上面的實例是使用了LED作為負載，LED負載本身會占去一部分電壓VF。

延伸：其實也可以使用上一章節(jié)講到的發(fā)射極接地型或者射極跟隨器型開關(guān)來驅(qū)動LED，設(shè)計也更加簡單，大家可以思考一下。

€3. 損耗*

晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時的功率損耗為P損=Vce(sat)×Ic。（Vcesat：集電極飽和電壓），Ic比較大時，需要考慮發(fā)熱問題。

€4.開路發(fā)射極開關(guān)

圖3-7：NPN和PNP開路發(fā)射極開關(guān)

圖3-7是NPN和PNP開路發(fā)射極開關(guān)，從圖中可見，負載Rload均串接在發(fā)射極一側(cè)。NPN型負載直接跨接于三極管的發(fā)射極和GND之間，PNP型負載直接跨接于三極管的發(fā)射極和VDD之間，二者都位于三極管主電流的回路上。

以NPN型為例，當Ctrl in為低電平電壓時，由于基極沒有電流，因此發(fā)射極也沒有電流，負載也沒有電流，就相當于開關(guān)的開啟，此時三極管工作在截止區(qū)。當Ctrl in為高電平時，由于有基極電流流動，因此使發(fā)射極流過更大的放大電流，負載回路導(dǎo)通，相當于開關(guān)閉合，此時三極管工作在飽和區(qū)。

關(guān)于開路發(fā)射極開關(guān)的計算示例，和開路集電極類似，這里不再舉例。