BJT開關工作原理及作用

2021-02-18 暢學電子

BJT的開關工作原理:

對三極體放大作用的理解,切記一點:能量不會無緣無故的產生,所以,三極體一定不會產生能量。它只是把電源的能量轉換成信號的能量罷了。但三極體厲害的地方在於:它可以通過小電流控制大電流。

假設三極體是個大壩,這個大壩奇怪的地方是,有兩個閥門,一個大閥門,一個小閥門。小閥門可以用人力打開,大閥門很重,人力是打不開的,只能通過小閥門的水力打開。

所以,平常的工作流程便是,每當放水的時候,人們就打開小閥門,很小的水流涓涓流出,這涓涓細流衝擊大閥門的開關,大閥門隨之打開,洶湧的江水滔滔流下。

如果不停地改變小閥門開啟的大小,那麼大閥門也相應地不停改變,假若能嚴格地按比例改變,那麼,完美的控制就完成了。

在這裡,Ube就是小水流,Uce就是大水流,人就是輸入信號。當然,如果把水流比為電流的話,會更確切,因為三極體畢竟是一個電流控制元件。

如果水流處於可調節的狀態,這種情況就是三極體中的線性放大區。

如果那個小的閥門開啟的還不夠,不能打開大閥門,這種情況就是三極體中的截止區。

如果小的閥門開啟的太大了,以至於大閥門裡放出的水流已經到了它極限的流量,這種情況就是三極體中的飽和區。但是你關小小閥門的話,可以讓三極體工作狀態從飽和區返回到線性區。

如果有水流存在一個水庫中,水位太高(相應與Uce太大),導致不開閥門江水就自己衝開了,這就是二極體的反向擊穿。PN結的擊穿又有熱擊穿和電擊穿。當反向電流和反向電壓的乘積超過PN結容許的耗散功率,直至PN結過熱而燒毀,這種現象就是熱擊穿。電擊穿的過程是可逆的,當加在PN結兩端的反向電壓降低後,管子仍可以恢復原來的狀態。電擊穿又分為雪崩擊穿和齊納擊穿兩類,一般兩種擊穿同時存在。電壓低於5-6V的穩壓管,齊納擊穿為主,電壓高於5-6V的穩壓管,雪崩擊穿為主。電壓在5-6V之間的穩壓管,兩種擊穿程度相近,溫度係數最好,這就是為什麼許多電路使用5-6V穩壓管的原因。

在模擬電路中,一般閥門是半開的,通過控制其開啟大小來決定輸出水流的大小。沒有信號的時候,水流也會流,所以,不工作的時候,也會有功耗。

而在數字電路中,閥門則處於開或是關兩個狀態。當不工作的時候,閥門是完全關閉的,沒有功耗。比如用單片機外界三極體驅動數碼管時,確實會對單片機管腳輸出電流進行一定程度的放大,從而使電流足夠大到可以驅動數碼管。但此時三極體並不工作在其特性曲線的放大區,而是工作在開關狀態(飽和區)。當單片機管腳沒有輸出時,三極體工作在截止區,輸出電流約等於0。

在製造三極體時,要把發射區的N型半導體電子濃度做的很大,基區P型半導體做的很薄,當基極的電壓大於發射極電壓(矽管要大0.7V,鍺管要大0.3V)而小於集電極電壓時,這時發射區的電子進入基區,進行複合,形成Ie;但由於發射區的電子濃度很大,基區又很薄,電子就會穿過反向偏置的集電結到集電區的N型半導體裡,形成Ic;基區的空穴被複合後,基極的電壓又會進行補給,形成Ib。

理論記憶法:

當BJT的發射結和集電結均為反向偏置(VBE

當發射結和集電結均為正向偏置(VBE>0,VBC>0)時,調節RB,使IB=VCC / RC,則BJT工作在上圖中的C點,集電極電流iC已接近於最大值VCC / RC,由於iC受到RC的限制,它已不可能像放大區那樣隨著iB的增加而成比例地增加了,此時集電極電流達到飽和,對應的基極電流稱為基極臨界飽和電流IBS( ),而集電極電流稱為集電極飽和電流ICS(VCC / RC)。此後,如果再增加基極電流,則飽和程度加深,但集電極電流基本上保持在ICS不再增加,集電極電壓VCE=VCC-ICSRC=VCES=2.0-0.3V。這個電壓稱為BJT的飽和壓降,它也基本上不隨iB增加而改變。由於VCES很小,集電極迴路中的c、e極之間近似於短路,相當於開關閉合一樣。BJT的這種工作狀態稱為飽和。由於BJT飽和後管壓降均為0.3V,而發射結偏壓為0.7V,因此飽和後集電結為正向偏置,即BJT飽和時集電結和發射結均處於正向偏置,這是判斷BJT工作在飽和狀態的重要依據。下圖示出了NPN型BJT飽和時各電極電壓的典型數據。

由此可見BJT相當於一個由基極電流所控制的無觸點開關。三極體處於放大狀態還是開關狀態要看給三極體基極加的電流Ib(偏流),隨這個電流變化,三極體工作狀態由截止-線性區-飽和狀態變化而變。BJT截止時相當於開關「斷開」,而飽和時相當於開關「閉合」。NPN型BJT截止、放大、飽和三種工作狀態的特點列於下表中。

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