的开关用法)
像下面这种点亮LED的电路十分简单。然而对于初学者来说可能仍有许多细节不甚清楚。许多电路需要根据经验设计而初学者没有经验。例如各种三极管b-e之间导通压降一律取0.7V真的没问题吗限流电阻R1、R2要大到底是多大c-e之间的电压降是多少LED工作在什么样的环境下b-e间到底要不要加其它阻容元件本文致力于清楚说明这些问题将先介绍双极结型三极管以下简称为BJT或三极管、“管子”的工作原理尤其关注它的输入、输出特性随后一步步选取实际元件搭起这个电路并指出一些细节问题。由于笔者能力有限本文略长还请耐心。推荐csdn网页端阅读。一、BJT的电流分配1.1 结构下面是一些BJT的外观。功率越大能通过的电流越大为了增大散热面积尺寸会越大。图片展示的三极管功率从几百毫瓦到数百瓦不等。最右边的金属壳封装在过去流行如今中间的塑料模压封装表现更好更常见。MOSFET场效应管 和三极管长得很像也都可以作为开关管使用但它们的工作原理完全不同。具体区别可询问 AI这里不展开。在低频、小功率的运用场景中MOS 管的优势得不到发挥三极管往往更受青睐因为它更便宜、皮实。双极结型三极管分为NPN和PNP型均包含三个区发射区、基区、集电区并引出三个电极发射极e(emitter)、基极b(base)、集电极c(collector)。两个区之间形成一个P-N结如图1.1所示。从制造上来看有这些特点发射区高掺杂即发射区载流子(电子或空穴)浓度很高。基区很薄(微米级)低掺杂。集电区与基区接触面积大正常掺杂。纯硅在室温下导电性能不强。掺杂是指往4价硅晶体中掺入5价或3价的元素这些“卧底”混入其中与硅形成共价键结合时会多一个电子或缺一个电子多出一个空穴。掺杂5价元素的是N半导体含有更多的自由电子掺3价的是P半导体有许多位置急需被电子填补。“高掺杂”指掺杂元素的含量高。电流分配是三极管的重要特征三极管的电流是载流子在三个区之间移动形成的。图1.1最右侧的图片是外加电源使b-e发射结正偏b-c集电结反偏的情况这种工作状态很重要需要熟悉。此时集电极电位最高基极次之发射极最低而且两个电源的负极和发射极连在一起作为参考平面地。b-e之间有电流流过因为它们之间的P-N结正偏而跨过集电结的电流是由电子扩散形成的。图1.1 NPN三极管的几种示意图1.2 初步认识各极电流大小本节内容说明BJT有哪些电流需要注意对这些电流的大小有初步概念。发射极电流电流大。基极电流相比发射极和集电极电流而言基极电流较小。集电极电流与发射极电流接近。如图1.2(a)展示了合科泰S8050NPN三极管的输出特性曲线关注电流数量级大小即可。基极电流均是几十到数百微安级别远小于Ic的毫安级。在规格书中能找到的最大值是50mA见图1.3中倒数第二、三行最后一栏中的测试条件。安森美KSC5027的规格书中则明确Ib最大1.5A但工作在放大区时是毫安级别远小于Ic的安级。因此工程上经常认为集电极电流 发射极电流即其中有基极电流的误差。贴出售卖链接页面下方可以找到技术规格书合科泰S8050https://item.szlcsc.com/192555.html?fromZones安森美KSC5027https://item.szlcsc.com/965011.html?fromZones图1.2 (a)S8050不同基极电流下的输出特性(b)KSC5027不同基极电流下的输出特性还有几个不那么重要的电流参数它们表示就算P-N结在反偏时也不可能完全绝缘会有电流流过。给c-b两极c极高电位加上电压、发射极开路时流过的电流此时集电结反偏。类似地将基极开路外部电源加在c-ec极高电位也会产生电流称作此时集电结反偏将集电极开路则是此时发射结反偏。这三个漂移电流易受温度影响但它们也不会大到哪儿去。还是上面的S8050下图1.3可看出这些电流比基极电流还要小几个数量级常常忽略只有在严格控制待机功耗时才会关注。图1.3 S8050室温下的一些参数测试这些电流称作反向饱和电流。像图1.1右图那样当b-e正偏b-c反偏时基极电流 流向发射极的电流 - 来自集电极的Icbo。因为太小常常忽略。漂移电流是指载流子在电场的作用下运动形成的电流扩散电流则是指载流子作热运动扩散时形成的电流。1.3 BJT的“放大”本节说明BJT工作的过程。为什么三极管能放大电流能量还守恒吗问题需要从微观层面解释“放大”的描述很有迷惑性让人联想到拿放大镜看东西要观察的东西被放大了。而实际上输入的Ib没有变大它只起了带动作用。假设给NPN型管的b-e间加正偏电压c-e用导线连接形成回路。在b-e正偏电压下发射区电子闻风而动被电场推着漂移进基区发射区掺杂度越高b-e正偏电压越高这个漂移电流(Ie)越大。如果基区很厚而且有很多空穴那大部分电子都可以按部就班地与这些空穴复合、从基极流出去(Ib)基极电流会很大。然而基区情况相反大部分电子进入基区时发现没有“停车位”迟迟落不住脚还不断有新的电子涌入这些挤在一起的电子很快扩散到集电区——基区越薄集电区与基区接触的面积越大这个扩散电流(Ic)就越大当然扩散也与浓度、温度有关但这里不是主要原因。但是由于此时b-c间也是正偏电场会阻碍电子继续向集电极运动。如果将c-e间的导线换成能使b-c反偏的电源就像图1.1那样电子将由受电场阻碍的热扩散转为受电场推动的漂移运动Ic将迅速增大。对于同一个三极管来说它的内部结构在制造出来时就已经确定了当加在c-e上的电压固定后三极管就是受b-e电压控制的电流源Ube为输入Ic为输出。所以三极管的经典用法是发射结正偏集电结反偏负载串联在b-e所在回路获得大电流并能被控制。在下一章分析输入特性时会解释为什么实际设计时输入不是去调整Ube而是盯住Ib从而衍生出“放大”的说法。为帮助理解贴一个b站视频的链接里面有相关动画过程终于有人讲了凭什么三极管能放大?_华秋商城_哔哩哔哩https://www.bilibili.com/video/BV1fB4y147Gn/?spm_id_from333.337.search-card.all.click实验测试表明当三极管工作在放大区时Ic和Ib能按照一定比例变化共射极接法时用共射直流电流放大系数——β描述这个比例理论推导可以移步杨素行《模拟电子技术基础简明教程第三版》下简称《模电》13页。笔者认为大致了解即可不用过于抠细节因为实际器件不是算出来的。计算只能起到总结规律的作用我们需要在实验测量和应用中掌握它。上面的分析表明β与发射区掺杂度、b-c结面积密切相关。β在技术规格书中记作其中的E指common emitter共发射极全称“共发射极低频小信号输出交流短路电流放大系数”见图1.3的DC current gain直流电流增益或称直流放大倍数一栏。需注意hFE并不是一个恒定不变的参数它会随着温度、Ic、信号频率的变化而变化在电路设计时要小心。二、BJT的特性曲线BJT的输入、输出特性曲线可以较全面地描述各极间电压与电流的关系是它的“个人简历”。2.1 输入特性本节通过BJT的输入特性描述文章开头LED电路工作时b-e间的情况。三极管的输入特性指当c-e电压不变时Ib和b-e间电压的关系可理解为b-e间的伏安特性。各家给出的输入特性曲线大同小异。如下图2.1是某NPN硅管的输入特性。详细了解特性曲线可移步《模电》14页书本从微观角度简单说明了1)为什么Uce 0时的曲线就是二极管的特性曲线。2)为什么随着Uce的增大曲线会右移。3)为什么曲线的这种右移会变得越来越“艰难”以至于在Uce大于某一值时几乎完全重叠在一起。图中可以看到图2.1 某硅管的输入特性1、当Ube在0.6-0.7V范围时尤其Uce0时即使Ib大范围变化Ube也稳如老狗地呆在这个区间中。2、当Ube大于某个值图中约为0.5V时基极电流迅速增大。然而基区很薄基极电流Ib的大小必须控制在允许值以内否则将导致管子损坏。当基极电流很小时从基极看进去的输入电阻很大。比如当Vce 0Vbe 0.6V时Ib约为50μA此时可以看成一个约为0.6V / 50μA 12kΩ的电阻。3、b-e间是一个P-N结。不同管子的输入特性不同但大体规律相同。回到文章最开头的单片机点亮LED电路假设三极管的输入特性是图2.1中Vce 0.3V的那条曲线。如果不加限流电阻R2那Ube 3.3V曲线会飙上天去大电流损坏单片机和三极管。如果加一个小电阻R2 10Ω曲线往上飙时逐渐增大的电流会在R2上产生压降这个压降不可能超过3.3V使基极电位变成负数。这样电流就被限制住了退一万步说回路中的电流不会超过0.33A。当然电流肯定达不到这么大Ube会分压。也许能隐约感觉到电阻还不够大Ube分的电压肯定要比0.7V大不少最后结果还是坏掉。所以合适的限流电阻R2很有必要。如果把R2加在了发射极b-e限流的效果是相同的但c-e间电流也会受到限制而负载就接在其中。假设想要Ib 100μA由2.1的特性曲线目测Ube实际上在0.66V左右限流电阻要达到千欧级别。如果按0.7V来算差了0.04V。要知道单片机I/O口的电压也不是准确的3.3V相比起来这个误差并不大。b-e间电压在0.7V左右并不是发射结导通的某种性质而是我们期望的设计结果——不偏离这个电压太远肯定不会错。但基极电流可能有较大偏移比如曲线上看按0.7V计算时基极电流比预设计的100uA偏大到了180μA左右。所以在设计使管子饱和的基极电流时会留出偏移的裕量。如果估计Ib 100μA时管子饱和设计时将其翻倍按Ib 200μA来选择限流电阻R2。这种手法在下面的实例中还会看到。图2.3 2N2222饱和导通时的b-e电压为0.7V左右[1]张治国.双极型晶体管输入特性曲线解释补略[J].大学物理,1996,15(09):42-43.本文介绍了基极电流组成b-e正偏时c-e用导线直连Uce 0和加电源使集电结反偏Uce ≥ 1V时基极电流的变化以及在此基础上说明为什么输入特性会随Uce增大右移。2.2 输出特性本节介绍BJT的三个工作区及特点说明文章开头的LED电路里的三极管为什么要工作在饱和区、如何饱和。三极管的输出特性是指当基极电流不变时Ic和Uce之间的关系可以理解为固定b-e电流时c-e两端的伏安特性。前面的图1.2就是两个实际元件的输出特性曲线。初看输出特性时可能有些别扭由于认为Ib是输入、Ic是输出我们需要抓住这俩的关系而不是坐标轴上的Uce和Ic。图2.4 某BJT的输出特性为方便用图2.4分析。有五条曲线对应不同的基极电流三个区域——饱和区、放大区、截止区。三极管正常工作时总能在其中一个区域找到它的位置。首先看看截止区它说明三极管得有Ib才能得到想要的的Ic否则只有穿透电流Iceo。再看看范围宽广的放大区。假设现在一个三极管已经有了IbUce也蛮大的工作在放大区。在放大区Ic的大小几乎不随Uce变化只与Ib有关——这呼应了1.3节的结论某些时候Ic和Ib确实存在比例关系。可看出图2.4中管子的hFE为50左右Ib为20μA时Ic约1mA40μA时Ic约2mA······在饱和区这种比例关系不再存在。饱和区简直是另一个世界不管三极管工作在放大区时Ib是多少当Uce下降到一定程度时Ic统统骤降——毕竟这本质上是c-e的伏安特性电压没有了电流自然会消失。如图2.5电路从Ib是否变化的角度分析Ic变化情况看看三极管是如何从放大走向饱和的。图2.5Ib不变R增大假设三极管最开始工作在放大区。电阻R遵从欧姆定律上面的电压降落逐渐增大集电极电位不断降低。根据输出特性最开始Ic几乎没有变化与Ib保持着比例关系。当集电极c的电位下降到一定程度时c-e间建立的电场终于无力维持先前工作在放大区时载流子的运动Ic随R的增大剧烈下降来到饱和区。此时如果R作相反的变化三极管会从饱和区又回到放大区。Ib增大R不变假设三极管最开始工作在放大区。Ic跟随Ib增大R的压降逐渐增大导致集电极电位降低结果一样最终来到饱和区。到达饱和区后Uce的下降对Ic的减益和Ib的增加对Ic的增益互相抵消Ic变为恒定值Ib失去对Ic的控制。此时如果Ib作相反的变化三极管会从饱和区又回到放大区。当三极管工作在饱和区时Ic变得恒定、足够且不随Ib变化当Ib减小到0三极管工作在截止区时Ic变为穿透电流几乎为0。这不就是开关吗Ib是闸刀b、e是接线端子。从输出特性可以看到当三极管以饱和状态工作时c-e间电压降很小甚至可以将它们看作用导线直连在一起故有饱和导通一说。另外不仅是因为放大区的Ic不稳定只看c-e的话根据功率定义P UI三极管工作在放大区时的功率比饱和区大得多即使在饱和区也是越饱和功率越低。因此当把三极管作为开关使用时应使其工作在饱和区而且充分饱和一来降低功耗二来不让它轻易回到放大区。根据上面的分析充分饱和有两种方法增大R或Ib。然而增大R会限制IcIc是提供给负载的电流或者R本身就是负载不能变动。所以一般会设法增大Ib。2.1结尾处翻倍Ib留出偏移裕量的做法即是如此——大的Ib更容易饱和能允许更多误差。图2.6 2N2222饱和导通时的c-e电压降在8mV左右文章开头的LED电路里或见下面的图3.3在三极管关断时c-e电压就是5V吗LED用小帽子形状的直插发光二级管时阳极的电压测得是稳稳的5V与集电极相连的阴极却比阳极低了约1.2V它的导通压降约1.8V——因为二极管是非线性元件这说明有些型号的二极管即使在通过微安级别很小的电流时也能产生不可忽略的压降。技术规格书上的这段曲线基本上看不出什么信息如图3.5右侧图片从0开始到约1.7V很长一段曲线电流似乎都是0——实际上并不是而是很小很小。三、BJT的使用3.1 要关注的数据在实际应用时需要关注管子的极限参数和一些特性曲线。3.1.1 极限参数图3.1 S8050的极限参数如图3.1是一款三极管的极限参数。从上到下依次展示了它c-b间能施加的最大反向电压、c-e间能施加的最大反向电压、e-b间能施加的最大反向电压、最大集电极电流Ic、最大允许耗散功率、结到空气的热阻系数、最大结温、存储温度。前面四个参数很好理解。最大允许耗散功率是指器件的工作功率不能过大即Uce与Ic的乘积不能超过这个值否则器件温度将过高严重影响性能甚至损坏。详细了解最大耗散功率请移步《模电》18页。见图3.2输出特性曲线规格书中的Vceo对应过压区界线Ic对应过流区界线Pc对应过损耗区界线。这三个边界与横轴围成的区域是安全工作区。图3.2如果器件应用在恶劣环境就要关注温度参数这里贴上哈哈哈士奇的博客《芯片热阻系数学习 芯片温度》作为参考芯片热阻系数学习 芯片温度https://blog.csdn.net/m0_37571330/article/details/904541003.1.2 特性曲线特性曲线直观易懂具体的模样可以在技术规格书里找到。这里介绍一些英文的含义。DC current gain直流电流增益 或称直流放大倍数表示Ic与Ib之间的比例关系。Collector-Emitter Saturation Voltagec-e极饱和状态下的压降。下标中的“(sat)”指saturation [ˌsætʃəˈreɪʃn] n.饱和饱和状态Base-Emitter Saturation Voltageb-e极在饱和状态下压降。Transition Frequency截止频率BJT从放大状态转变为截止状态的信号频率点。这个参数在设计管子工作在放大区时会用到。3.2 电路实例本小节先介绍如何通过计算得到R1和R2然后提出两个注意点——基极电位问题、过饱和和开关频率对占空比的影响。将看到由于这两个“注意点”的存在计算值并不完美需要根据经验稍加调整。3.2.1 NPN型BJT的开关用法三极管“要么饱和导通要么截止关断”的开关工作方式在数字电路中常见。它工作在饱和区还是截止区输入的基极电流是关键。图3.3 单片机点亮LED电路如图3.3是一个单片机驱动BJT点亮LED灯电路。由于单片机IO口驱动能力十分有限一般不用它直接驱动LED。图3.4是STM32F103C8T6单片机IO口电流的Absolute maximum ratings绝对最大额定参数即极限参数相关参数不应超过这个值。可看到单个IO口的输出电流不能超过25mA且全部的IO口加起来不能超过150mA。ESP32系列芯片单口输出最大40mA全部IO输出最大1.1A要强一些。图3.5展示了某款贴片LED的工作特性这款LED如果直接用单片机驱动电流会超出允许值器件很可能损坏。贴片LED的工作电流一般在1mA-20mA用I/O直接驱动实在奢侈相比之下用BJT驱动时仅消耗微安大小的基极电流。图3.4 STM32F103x8系列单片机的IO口电流参数图3.5 XINGLIGHT XL-1608SURC-06贴片发光LED参数(0603封装)现假设Q1使用图1.2(a)中的S8050LED1使用上图3.5中的贴片发光二极管不考虑环境温度让灯发出1流明的光线那么它的工作电流是20mA电压降2.3V。需要设置R1、R2。由1.2(a)中S8050的输出特性能看到当三极管饱和导通、Ic 20mA时Ib 100μA即可保证工作在饱和区。无论Ib多大c-e间的压降都非常小而且基极电流越大压降越小。从输出特性曲线目测不到0.1V从Vce(sat) - Ic曲线来参考为20mV(见图3.6左)。因此计算R1时c-e间压降忽略不计。当然如果管子的功率更大c-e间的压降也可能会更大比如1.2(b)中的安森美KSC5027在Ib 60mA、Ic 0.8A时处于刚刚饱和的状态c-e间压降达0.5v左右。图3.6 S8050饱和压降Vce(sat)和Vbe(sat)的参考曲线R1 (Vcc - LED在20mA电流下的压降 - Vce(sat)) / 电流 (5- 2.3 - 0)V / 0.02A 135Ω商店里只能找到130Ω的电阻选取之。从1.2(a)中可以看到Ib 100μA就可以让BJT饱和为了使其充分饱和、留出裕量使用翻倍Ib的经验方法控制R2使Ib 200μA。更大一些也可以不过会稍稍增加单片机I/O口的负担。Vbe的饱和导通电压可以根据经验取值0.6-0.8V也可以参考规格书中的曲线(见图3.6右)目测接近0.7V。并不是所有阻值的电阻都能买到。5%和1%不同精度的电阻能买到的阻值范围也不同。R2 (I/O口高电平 - Vbe(sat)) / Ib (3.3 -0.7)V / 200μA 13kΩ也有简便但不那么精确的经验公式Ib Ic / hFE。由于hFE是一个根据条件变化的值查阅参数后只能根据经验选取。如此例中的S8050器件规格书中给出的hFE是120到400而且有附加条件(Vce 1VIc 50mA)。随便取一个中间比较平均的数值比如中位数260。根据公式Ib需大于77μA再取Vbe 0.7V计算R2最大为33.8kΩ。实际上根据特性曲线此时的Ib太小并不能使三极管饱和。如果采用翻倍法哪怕非常极端地取了最大的hFE值这里是400最后得到Ib为100μA根据曲线器件也是可以工作在饱和区的。可见使计算出的Ib翻倍的手法很有必要甚至有时觉得翻一倍还不够稳妥。它可以解决0.7V误差、解决hFE误差、使三极管更加饱和。3.2.2 PNP型BJT的开关用法PNP型BJT与NPN型工作原理相同只是构造不同导致电流流向不同仅此而已。如图3.7所示对比图1.3.4中NPN型管的电流PNP型管的电流是由发射级流入高掺杂的发射区经过P-N结流入基区再从基级流出形成基极电流这个基极电流撬动更大的电流从发射级流入、集电极流出。当然就像NPN型管一样两两极之间会有很小的穿透电流b-e之间可以看作一个二极管箭头的方向是它的导通方向Ie近似等于Ic。3.7 PNP三极管的结构NPN型管作开关用法时c、b极是高电势位e极是低电势位如同两条支流汇合。PNP型管则相反只有一个高电势位如同一条干流分流。作为开关使用时当要求基极为低电平时三极管饱和导通用PNP型管。见下面图3.8的电路。图3.8 PNP管的LED电路这两个电路都存在问题。左边的电路基极限流电阻是R1R2负载LED限流电阻是R1。当GPIO输出低电平时eb间压降足够三极管导通。然而一导通e点电位变为ec的导通压降2.2节中提到过这个压降很小。于是eb间压降不够管子关断。最后会达到一个不正常工作的平衡点。右边的电路在于三极管无法关断要把负载电源由5V换成3.3V才行。3.2.3 固定基极电位如图3.9在b-e间添加一个下拉电阻效果是显著的。如果不加这个电阻电路可以正常工作但会出现一些“小毛病”。比如有些单片机如上面的那款stm32上电或重新启动程序时基极会出来一个脉冲表现为LED闪一下或者当单片机开启而不执行程序时LED也在发出暗淡的光此时你用手去触摸一下连接到基极的引脚人体相当于一个大天线甚至可以看到灯亮。推荐动手实验才能感受到这个电阻的意义。它没法靠计算得到。仅需一个下拉电阻就可以抹除这些现象很是诱人。除非你故意要实现上面那些指示。当GPIO输出高电平时它与基极限流电阻的分压能保证基极电位足够而且消耗的功率很小当GPIO输出低电平时多余的能量能通过它泄放而不是在基极积聚直到be导通。图3.9 b-e间的下拉电阻笔者用手头的电阻在面包板上试了一下这个电阻用20kΩ时依然不错50kΩ时就有点差强人意了。试来试去10kΩ最让人满意。这意味着如果你要严格控制LED亮灭在3.2.1中计算出来的电阻值全都太大不适用而变为参考值它们会与限流电阻分压导致基极电位出问题。因此只能降低基极限流电阻使三极管更加过饱和。b-e间可以添加电容暂时吸收瞬态能量但电容只能防住误闪问题而且可能对开、关有影响比如I/O口输出PWM时。因此不建议添加欢迎大家提出意见。3.2.4 过饱和与开关频率对占空比的影响BJT更加过饱和不仅会稍稍提升I/O的负担增加一点功耗还会影响开关频率。典型的例子是PWM呼吸灯。下图3.10是单片机程序中将占空比调整为50%不断提升开关频率LED阳极电压的变化。其中三极管的型号是2N2222LED是直插型、像一顶小帽子的那种常见发光二极管导通压降约1.8V。供电3.3V和GPIO的高电平一致。图3.10 不同开关频率下的占空比波形变化可以看到开关关断的时间随开关频率的增加不断下降似乎随着开关频率的增加三极管越来越难关断。这是因为三级管关断需要时间——追根究底是因为基极少子分布的建立或撤消需要时间从而引起开关状态的延迟当三极管过饱和时这种延迟状态更明显。你可以认为截止区是跑道的起点饱和区是没有终点的前方。往饱和区走得越远回到截止区所需的时间就越长。推荐文献[2]钱 敏,李文石,黄秋萍.双极型开关晶体管延时模型和带负载能力研究.[J]苏州大学学报(自然科学版),2003,19(3):48-49“······TTL电路的输出级一般工作在超饱和状态其带负载能力受到饱和程度的限制。饱和深度越大允许的负载电流就越大所带灌电流负载能力越强。但饱和深度太大会使延迟时间加大。器件或集成电路设计时应当选取一合理的饱和深度。”显然MOSFET不存在这个问题因为它没有这种“基极电流”。因此BJT不适合高频开关如果要用PWM做呼吸灯参考上面的测试结果频率在10kHz内还是挺准确的。这个开关频率在大部分日常场景中已经足够用了。在过饱和设计时要留意这种需求。笔者作为初学者总结分享了这些杂碎的笔记为抛砖引玉与同志们共同交流进步也恳请前辈们不吝赐教。希望本文能对你有所帮助。
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