晶体管开关电路计算实例(二)

晶体管开关电路计算实例

引言：开路集电极开关和开路发射极开关也叫负载串联型开关，前者是负载串联在集电极，后者是负载串联在发射极。 负载串联型开关使用更加广泛，可以用来驱动MOS，驱动LED灯，控制灯光的明暗等等。 晶体管负载串联型开关与MOS负载串联型开关相比，其优势在于主回路的电流可以使用基极电流进行接近线性的大小控制，更具有“主动性”，而MOS负载串联型开关，只能是负载需求多大电流给多大电流。

1.开路集电极开关

图3-1是NPN和PNP开路集电极开关，从图中可见，负载Rload均串接在集电极一侧。

图3-1：NPN和PNP开路集电极开关

NPN型负载直接跨接于三极管的集电极和电源之间，PNP型负载直接跨接于三极管的集电极和GND之间，二者都位于三极管主电流的回路上。

以NPN型为例，当Ctrl in为低电平电压时，由于基极没有电流，因此集电极也没有电流，负载也没有电流，就相当于开关的开启，此时三极管工作在截止区。 当Ctrl in为高电平时，由于有基极电流流动，因此使集电极流过更大的放大电流，负载回路导通，相当于开关闭合，此时三极管工作在饱和区。

2.设计实例

设计背景：

控制端为MCU的GPIO，高电平3.3V，VDD为3.3V，设计一个LED驱动电路，除了可以控制LED的亮灭。 LED为ROHM的SMLZ24BN3TT86，相关参数如下：

图3-2：LED的最大额定参数

图3-3：LED的标准参数

从上述参数可知，LED正常工作时，导通电流IFMAX=30mA，脉冲峰值电流为100mA，那么控制LED关闭时电流为0mA，导通时电流为20mA，明暗就在0-20mA之间变化。

设计分析：

Q1导通时，VDD--->Rload--->GND路径电流为30mA，所以在Q1导通时，Q1的Ic耐受电流最大额定值需要Ic＞30mA。 VDD=3.3V加在集电极-发射极之和集电极-基极之间，in=3.3V加在基极-发射极之间。 所以应选择集电极-发射极间和集电极-基极间电压最大额定值Vceo，Vcbo大于VDD，Vbeo大于Vin的晶体管。 即条件汇总为：

Vceo>3.3V，Vcbo>3.3V，Vbe>3.3V，Ic>30mA。

可以选择通用的小信号晶体管，此处以LRC的型号L2SC5635WT1G为例：

图3-4：L2SC5635WT1G最大额定参数

图3-5：L2SC5635WT1G电气性能参数

设计方式一：完全使用Rd来控制Ic的电流

Ic可以支持到50mA，我们以20mA为临界点，hfe取50，Ic=20mA，hfe=50，控制基极电流Ib=20mA/50×1.5（2）=0.6mA-0.8mA，由于基极电位是0.6V，那么Rd上产生的压降为3.3-0.6=2.7V，Ib取0.6mA（因为hfe取的最小值，这里可以不用过驱动），所以Rd=2.7V/0.6mA= 4.5kΩ（忽略流过R2的电流，0.6V时be二极管导通，导通电阻远小于R2，电流大部分流向Q1，流向R2的很小）

R2是输入端开路时确保晶体管处于截止状态的电阻，如果R2过大，将容易受噪声电流的干扰，过小则在晶体管处于导通状态时无用电流流过R2，R2可以取值10kΩ，如图3-6左所示。

从上述计算可以看到，因为hfe具有很大的不确定性（50-250），上述计算按hfe=50，计算得到Ib=0.4mA，若实际hfe=200，那么Ic=80mA，既超出晶体管的额定值ic=50mA，也超出LED的30mA。如按hfe=250计算，Ib=0.08mA，当实际hfe=100时，Ic=8mA，此时LED要么不亮，要么亮度比较微弱，所以完全使用Rd来控制Ic的电流，很不精准，尤其是驱动这种小电流LED，但是适合设计驱动大并且宽电流LED，还可以控制灯的亮度。所以小电流LED多采用设计方式二，让晶体管完全工作在饱和区，并加入限流电阻。

设计方式二：负载路径上增加限流电阻R控制Ic

当Q1导通时，从参数可知，IF=20mA，VF=3.3V=VDD，那么此种情况就不能在负载路径上增加限流电阻，否则分压导致VF不够。假如此时VDD=5.0V，那么限流电阻R3=((VDD-VF)/IF)=(5.0-3.3)/0.02=85Ω。此时只需要Rd来控制Q1处于饱和区即可（限流电阻R已经限制了回路电流的上限值）

放大区与饱和区的临界：首先判断三极管的工作状态，作为开关使用工作在饱和区（传送门BJT-1：三极管的三区含义），以NPN管为例计算选值，Ib=（Vctrl-Vbe）/Rd，Vce=VDD-Ic×R=VDD-Ib×hfe×R，（当Vce＜0.6V（门限电压），B-C集电结进入正偏，进入饱和状态）令Vce=0（实际是0.6V，这里取Vce=0V，其实已经进入了饱和状态），由此可算出临界值（饱和值）。

从公式可以看出，临界状态由两个参数确定，当R3值确定时，可以反推临界基极驱动电流；当基极电流Ib确定时，可以反推临界R3。

因为LED压降已经占去3.3V，对于VDD=5.0V，R3=85Ω，hf=50，Ib×50×85Ω=1.7V，临界Ib=0.4mA，计算饱和Rd=（3.3V-0.6）/0.4mA=6.75kΩ。 取Rd≤6.75kΩ（越小越深度饱和）即可，如***图3-6右***所示。

图3-6：两种方式设计参数（小电流LED不推荐左图）

小结：设计方式一，完全使用Rd来控制Ic的电流是让晶体管工作在放大区； 设计方式二，负载路径上增加限流电阻R控制Ic是让晶体管工作在饱和区。 注意上面的实例是使用了LED作为负载，LED负载本身会占去一部分电压VF。

延伸：其实也可以使用上一章节讲到的发射极接地型或者射极跟随器型开关（传送门BJT-2：如何计算晶体管开关电路-1）来驱动LED，设计也更加简单，大家可以思考一下。

3. 损耗

晶体管处于导通状态时的功率损耗为P损=Vce(sat)×Ic。 （Vcesat：集电极饱和电压），Ic比较大时，需要考虑发热问题。

4.开路发射极开关

图3-7：NPN和PNP开路发射极开关

图3-7是NPN和PNP开路发射极开关，从图中可见，负载Rload均串接在发射极一侧。 NPN型负载直接跨接于三极管的发射极和GND之间，PNP型负载直接跨接于三极管的发射极和VDD之间，二者都位于三极管主电流的回路上。

以NPN型为例，当Ctrl in为低电平电压时，由于基极没有电流，因此发射极也没有电流，负载也没有电流，就相当于开关的开启，此时三极管工作在截止区。 当Ctrl in为高电平时，由于有基极电流流动，因此使发射极流过更大的放大电流，负载回路导通，相当于开关闭合，此时三极管工作在饱和区。

关于开路发射极开关的计算示例，和开路集电极类似，这里不再举例。