1. 基本用法

用BJT晶體管實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能是經(jīng)常會(huì)用到的實(shí)用電路。和邏輯門電路類似，當(dāng)BJT用于開(kāi)關(guān)電路時(shí)，也只工作于飽和區(qū)和截止區(qū)。

開(kāi)關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)電路如下圖所示，負(fù)載可以是發(fā)光二極管、電動(dòng)機(jī)等等。

圖3-10.01?

開(kāi)關(guān)電路的工作原理如下：

? 當(dāng)vi輸入0V時(shí)，晶體管截止，負(fù)載RL上沒(méi)有電流通過(guò)；

? 當(dāng)vi輸入高電平時(shí)（一般可等于VCC，也可以定義其他電平值），晶體管導(dǎo)通且進(jìn)入飽和狀態(tài)，負(fù)載RL上有電流通過(guò)，并且負(fù)載上的電壓約等于VCC-VCEsat。

開(kāi)關(guān)電路的RB值的設(shè)計(jì)思路也和前面邏輯門相似，也是根據(jù)負(fù)載RL的實(shí)際情況，計(jì)算出能使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)的RB，然后再代入驗(yàn)算結(jié)果，詳見(jiàn)下例所示：

案例3-10-1：在下面的開(kāi)關(guān)電路中，VCC=12V，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的有效電阻為RL=5Ω，晶體管的β=100，要求vi的開(kāi)啟電壓為5V，試求：（1）能使電路工作的RB；（2）負(fù)載上的電流IL和負(fù)載功耗PL；（3）晶體管本身的耗損功率。

圖3-10.a1?

解：（1）當(dāng)晶體管臨界飽和時(shí)：

此時(shí)臨界飽和電流ICsat為：

然后計(jì)算臨界飽和時(shí)的IBsat值（當(dāng)處于臨界飽和時(shí)，β仍視為100）：

使此IBsat成立的RBsat為：

為使BJT進(jìn)入更深度的飽和，我們選取RB為比RBsat更小的值，假定選取為100Ω。

驗(yàn)證：當(dāng)RB為100Ω時(shí)，IB為：

此時(shí)電流放大倍數(shù)為：

可知，在此RB值下，當(dāng)vi輸入5V使BJT導(dǎo)通時(shí)晶體管確實(shí)處于飽和區(qū)，原假設(shè)正確。

（2）當(dāng)晶體管飽和時(shí)，負(fù)載電流IL為：

負(fù)載上的功耗PL為：

（3）晶體管上的耗損功率PD為：

可以看到，晶體管上的耗損功率PD和負(fù)載功率PL比起來(lái)還是很小的。

（4）補(bǔ)充說(shuō)明：

本案例中，負(fù)載為電動(dòng)機(jī)，一般對(duì)于這種含有電感的負(fù)載（電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等），用晶體管直接去關(guān)斷比較危險(xiǎn)，因?yàn)楫?dāng)電感中的電流突變時(shí)，電感會(huì)產(chǎn)生非常大的感生電動(dòng)勢(shì)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)超過(guò)晶體管的擊穿電壓而使晶體管損壞。

所以一般的處理方法是在含有電感的負(fù)載旁邊并聯(lián)一個(gè)反向二極管，從而使得當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電感中的剩余電流能夠有回路泄掉，而不至于突變產(chǎn)生高壓，如下圖所示：

圖3-10.a2?

2. 開(kāi)關(guān)特性

由于有內(nèi)部PN結(jié)和少數(shù)載流子的存在，所以和二極管一樣，BJT晶體管在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)也不是瞬間完成的，而是有一定的延遲時(shí)間，如下圖所示：

圖3-10.02?

? td：延遲時(shí)間（delay time），當(dāng)基極輸入變?yōu)楦唠娖胶?，IC從0上升到目標(biāo)值的10%所需的時(shí)間。

? tr：上升時(shí)間（rise time），IC從10%上升到90%所需的時(shí)間。

? ton：開(kāi)啟時(shí)間（on time），ton=ts+tr，當(dāng)IC從0上升到90%時(shí)，我們就可以認(rèn)為晶體管已基本開(kāi)啟。

? ts：存儲(chǔ)時(shí)間（storage time），當(dāng)基極開(kāi)路或輸入低電平后，IC從100%下降到90%所需的時(shí)間。

? tf：下降時(shí)間（fall time），IC從90%下降到10%所需的時(shí)間。

? toff：關(guān)斷時(shí)間（off time），toff=ts+tf，當(dāng)IC從100%下降到10%時(shí)，我們就可以認(rèn)為晶體管已基本關(guān)斷。

這些參數(shù)在晶體管數(shù)據(jù)規(guī)格書中都會(huì)給出，仍以3-8小節(jié)的2N4123為例，在規(guī)格書的Figure 2中，可讀出這些參數(shù)值：

圖3-10.03?

當(dāng)IC=20mA時(shí)，在圖中可大致讀出：

td = 13ns， tr=13ns， ts = 110ns， tf = 11ns

? 開(kāi)啟時(shí)間為：ton = td + tr = 13ns + 13ns = 26ns

? 關(guān)斷時(shí)間為：toff = ts + tf = 100ns + 11ns = 111ns

在要求不太高的功率開(kāi)關(guān)場(chǎng)合，以上的延遲時(shí)間基本也夠用了。另外有一類晶體管稱為開(kāi)關(guān)型晶體管（switching transistor），其開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間要比上面的值再小一個(gè)數(shù)量級(jí)，都只有十幾個(gè)納秒（如BSV52等），具體可參看相關(guān)數(shù)據(jù)規(guī)格手冊(cè)。