資深工程師談電晶體使用心得(一):用電晶體來實現功率負載的控制

2021-02-15 電子發燒友網

最初接到李老師的邀請要寫一篇電晶體使用心得的時候，內心著實惶恐了一陣，畢竟才疏學淺，至今還徘徊在模擬電路的大門外。但又轉過頭一想，是電晶體的使用心得，而不是《電晶體電路設計》上冊當中講到的那些內容。例如基本的共射極電路、共集電極電路、共基極電路的電路分析，又或者引起電晶體頻率特性變化的密勒效應，再比如基於電晶體的負反饋、差分放大電路的設計。這些內容如果認真的去看《電晶體電路設計》，同時結合李老師的電路板進行實際的電路搭建和測試分析，相信每一個位用心的同學都會有或多或少的收穫。

還是回到這篇文章的主題，電晶體的使用心得。由於本人所從事行業的限制，基本沒有機會像《電晶體電路設計》書中那樣深入的使用電晶體來搭建電路，而更多的是使用電晶體來實現功率負載的控制，還有配合運放或者其它集成電路來實現一些常見的功能，如擴流、恆流、穩壓等。本文也就正是基於這方面，和大家分享一下電晶體的使用心得，希望能對初學者有一定的幫助，老司機可以直接忽略在下的班門弄斧了。

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

流入電晶體基極電流的大小，取決於負載電流和hFE（ DC Current Gain）；

電晶體的電大允許通過電流，取決於IC（ Collector Current - Continuous）；

電晶體集電極的電大耐壓值，取決於VCEO（Collector-Emitter Voltage）；

電晶體能承受的最大功耗，取決於PD（Total Device Dissipation）。


圖1一個NPN控制負載

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

上面的實現方式是用一個NPN來實現的，如果現在要求換成是用一個PNP呢？還能這麼「簡單」的實現嗎？答案是否定的，因為很多時候負載的供電電壓要明顯高於單片機的供電電壓，即使是在負載5V供電，單片機3.3V供電的時候，只用一個PNP也會出現不能關斷負載的問題（Why?）。那這時候常見的解決辦法是再加入一個NPN電晶體，如圖2所示。圖1和圖2也就夠成了常見的低壓側、高壓側的開關控制電路。有了前面的這些基礎，下面再加入一個新的電路需求，用電晶體實現過流保護電路。感興趣的同學可以先不要往下看，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控制負載


圖3《電子學》2.5.2溫度控制器

三年前看《電子學》的時候，裡面有一個溫度控制器涉及到「過流」保護（當時認為是過流保護），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行了仿真，但沒有得到想要的結果，最後不了了之。現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。由於圖中的電路是用於進行線性放大控制，而這裡只需要開關通斷控制，因此也對電路進行了一些調整，如圖4所示。

為了方便仿真，控制端直接接到了負載電源24V的電壓上，也就是一上電壓負載就應該導通。圖中使用的電晶體只是LTspice仿真模型庫當中現成的模型，沒有什麼特殊的型號要求，並用一個PNP電晶體替代了圖3中的兩個PNP管構成的Darlington管。「.tran 1ms」是用來執行上電以後1ms時間內的瞬態分析，「.step param RL list 10 100」是用來仿真當負載電阻分別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，由於Q3的加入，當R4的電壓壓降超過0.6V的時候，Q3會導通，Q3的集電極會被拉高，也就是《電子學》當中的「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的集電極電流達到使Q3導通的電流以後，繼續進一步增大的基極激勵？有些拗口，但值得仔細想想。


圖4簡單的「過流」保護電路

公布答案，仿真結果如圖5所示，藍色的負載電流的仿真結果對應負載為100歐姆的情況，電流大概為230ma，R4上的壓降為0.46V，Q3沒有導通。綠色的負載電流的仿真結果對應負載為10歐姆的情況，電流大概為310ma，R4上的壓降為0.62V，此時Q3已經導通，並起到了一定的「過流」保護作用。此時即使負載電阻進一步減小，流過負載的電流也不會明顯增大，基本維持在310ma左右，其實是電晶體的基極和發射極之間的導通電壓維持在0.6V左右。Q3的導通真的消除了Q2的基極激勵了嗎？好像並沒有，對不對?！

這個「過流」保護電路的關鍵就是電晶體的基極和發射極之間的導通電壓，為了簡單分析通常取0.6V進行計算。正是這個0.6V對電晶體電路的分析和設計起到了很重要的作用，因此要牢記在心並達到靈活應用。

再來看一下如果沒有Q3，當電路中的負載為1歐姆近似於短路的時候，電路中流過的電流肯定要遠遠大於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。因為當負載因短路或其它原因引起過小時，Q2的發射極和集電極之間的電壓會很大，如圖5仿真結果曲線「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，並導致其燒毀。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後自動關斷電路或者進入打嗝模式，而將其稱之為限流保護電路則更為合適。


圖5簡單的過流保護電路仿真結果

那能不能在圖4的基礎上，靠加入NPN或者PNP來實現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思考，這裡不再深入展開。

至此，隨著前面三個簡單電路的分析，引出了在使用電晶體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)。

在分析或者設計需要用到電晶體電路的時候，多問問自己電晶體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-發射極的電壓是多大，電晶體什麼是導通的，什麼時候是截止的，隨著前級輸入信號的變化電晶體是趨向於飽和還是截止，然後又給後級電路帶來哪些影響，也許會收到事半功倍的效果。

很多時候紙上得來終覺淺，而有些時候仿真也會和實際情況相差甚多，這時實實在在的電路總是能讓我們的困惑迎刃而解。在以前這能只能通過麵包板或者萬能板，再加上若干元器件來實現。而現在李老師的努力下，讓我們有了一種全新實踐動手搭建電路、測試電路的方式，即眼下如火如荼在聚豐眾籌進行的「電晶體電路的實驗藝術」的眾籌項目，此項目將《電晶體電路設計(上冊)》中的電路做成了電路實驗板。針對每一章節內容中的電路，都有相應的電路實驗板，焊接元器件，接上相應的信號源，用示波器測試電壓波形，書上內容活靈活現的展現在了眼前。透徹理解電晶體，這一切都變得簡單了很多。有沒有心動，那就快來聚豐眾籌報名參加吧！（離眾籌結束只剩最後一天）

我們一起來玩電晶體電路吧

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