资深工程师谈晶体管使用心得用晶体管来实现功率负载的控制

ID:140343 · 发表于 2016-10-20 13:55

最初接到李老师的邀请要写一篇晶体管使用心得的时候，内心着实惶恐了一阵，毕竟才疏学浅，至今还徘徊在模拟电路的大门外。但又转过头一想，是晶体管的使用心得，而不是《晶体管电路设计》上册当中讲到的那些内容。例如基本的共射极电路、共集电极电路、共基极电路的电路分析，又或者引起晶体管频率特性变化的密勒效应，再比如基于晶体管的负反馈、差分放大电路的设计。这些内容如果认真的去看《晶体管电路设计》，同时结合李老师的电路板进行实际的电路搭建和测试分析，相信每一个位用心的同学都会有或多或少的收获。

还是回到这篇文章的主题，晶体管的使用心得。由于本人所从事行业的限制，基本没有机会像《晶体管电路设计》书中那样深入的使用晶体管来搭建电路，而更多的是使用晶体管来实现功率负载的控制，还有配合运放或者其它集成电路来实现一些常见的功能，如扩流、恒流、稳压等。本文也就正是基于这方面，和大家分享一下晶体管的使用心得，希望能对初学者有一定的帮助，老司机可以直接忽略在下的班门弄斧了。

首先来看一个负载控制的实例，电路中以“{RL}”来替代负载。通过单片机的I/O来方便的控制负载通断电，图1所示的电路简单明了，使用一个NPN晶体管，高电压平通，低电平断。但再仔细想想，好像没有表面上的那么简单，至少需要考虑到以下几个因素：

流入晶体管基极电流的大小，取决于负载电流和hFE（ DC Current Gain）；
晶体管的电大允许通过电流，取决于IC（ Collector Current - Continuous）；
晶体管集电极的电大耐压值，取决于VCEO（Collector-Emitter Voltage）；
晶体管能承受的最大功耗，取决于PD（Total Device Dissipation）。

图1一个NPN控制负载

仅针对上面提到的四个因素，其中任何一个不合适，都会导致电路不能正常的运行，甚至烧毁晶体管。因此很多时候是我们把复杂的事情简单化，或是疏忽，或者没有足够的能力看清它，而只有当它“东窗事发”的时候才会引起我们足够的重视。

上面的实现方式是用一个NPN来实现的，如果现在要求换成是用一个PNP呢？还能这么“简单”的实现吗？答案是否定的，因为很多时候负载的供电电压要明显高于单片机的供电电压，即使是在负载5V供电，单片机3.3V供电的时候，只用一个PNP也会出现不能关断负载的问题（Why?）。那这时候常见的解决办法是再加入一个NPN晶体管，如图2所示。图1和图2也就够成了常见的低压侧、高压侧的开关控制电路。有了前面的这些基础，下面再加入一个新的电路需求，用晶体管实现过流保护电路。感兴趣的同学可以先不要往下看，自己在脑海中想一想，看看有没有火花迸出来。

图2一个PNP、NPN控制负载

图3《电子学》2.5.2温度控制器

三年前看《电子学》的时候，里面有一个温度控制器涉及到“过流”保护（当时认为是过流保护），如图3所示，书中给出的解释比较简单，但似乎也有道理。那时还把这部分电路进行了仿真，但没有得到想要的结果，最后不了了之。现在再把这个输出部分的电路单独拿出来分析一下，看看到底是不是如书中解释的那样。由于图中的电路是用于进行线性放大控制，而这里只需要开关通断控制，因此也对电路进行了一些调整，如图4所示。

为了方便仿真，控制端直接接到了负载电源24V的电压上，也就是一上电压负载就应该导通。图中使用的晶体管只是LTspice仿真模型库当中现成的模型，没有什么特殊的型号要求，并用一个PNP晶体管替代了图3中的两个PNP管构成的Darlington管。“.tran 1ms”是用来执行上电以后1ms时间内的瞬态分析，“.step param RL list 10 100”是用来仿真当负载电阻分别10和100欧姆时的电路工作情况。

下面来简单的分析一下这个电路的工作过程，由于Q3的加入，当R4的电压压降超过0.6V的时候，Q3会导通，Q3的集电极会被拉高，也就是《电子学》当中的“消除基极激励”效果。这个消除基极激励，是指完全消除Q2的基极激励？Q3导通，其集电极电压接近24V，使得Q2截止？还是只能消除Q2的集电极电流达到使Q3导通的电流以后，继续进一步增大的基极激励？有些拗口，但值得仔细想想。

图4简单的“过流”保护电路

公布答案，仿真结果如图5所示，蓝色的负载电流的仿真结果对应负载为100欧姆的情况，电流大概为230ma，R4上的压降为0.46V，Q3没有导通。绿色的负载电流的仿真结果对应负载为10欧姆的情况，电流大概为310ma，R4上的压降为0.62V，此时Q3已经导通，并起到了一定的“过流”保护作用。此时即使负载电阻进一步减小，流过负载的电流也不会明显增大，基本维持在310ma左右，其实是晶体管的基极和发射极之间的导通电压维持在0.6V左右。Q3的导通真的消除了Q2的基极激励了吗？好像并没有，对不对?！

这个“过流”保护电路的关键就是晶体管的基极和发射极之间的导通电压，为了简单分析通常取0.6V进行计算。正是这个0.6V对晶体管电路的分析和设计起到了很重要的作用，因此要牢记在心并达到灵活应用。

再来看一下如果没有Q3，当电路中的负载为1欧姆近似于短路的时候，电路中流过的电流肯定要远远大于310ma。虽然Q3的加入起到了“过流”保护的作用，但实际使用图4所示电路的时候是没有任何实际意义的。因为当负载因短路或其它原因引起过小时，Q2的发射极和集电极之间的电压会很大，如图5仿真结果曲线“V(vq2e)-V(vq2c)”所示，此时Q2上的功耗会很容易超过其允许随承受的最大功耗，并导致其烧毁。因此图4不是真正意义上的过流保护电路，即在超过一定的电流以后自动关断电路或者进入打嗝模式，而将其称之为限流保护电路则更为合适。

图5简单的过流保护电路仿真结果

那能不能在图4的基础上，靠加入NPN或者PNP来实现真正意义上的过流保护电路呢？这个问题留给感兴趣的同学思考，这里不再深入展开。
至此，随着前面三个简单电路的分析，引出了在使用晶体管的过程中基本需要注意的几个主要因素：

hFE（ DC Current Gain）；
IC（ Collector Current - Continuous）；
VCEO（Collector-Emitter Voltage）；
PD（Total Device Dissipation）；
VBE(Base-Emitter Voltage)。

在分析或者设计需要用到晶体管电路的时候，多问问自己晶体管的集电极电流有多大，基极电流需要多大，它的最大功耗是多少，基极-发射极的电压是多大，晶体管什么是导通的，什么时候是截止的，随着前级输入信号的变化晶体管是趋向于饱和还是截止，然后又给后级电路带来哪些影响，也许会收到事半功倍的效果。

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