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三极管

7)三极管恒流电路设计

发布时间:2022-08-29 06:59:53 来源:火狐体育网址比赛 作者:火狐体育网址登陆

内容简介:  前两节介绍的电阻降压限流和电容降压限流可以一定程度降低LED电流对电压的敏感性,使LED发光相对较为稳定,但对于输入电压波动范围较大时,LED的电流受到的影响仍然很大,如何才能使LED的电流不受输入电压波动影响?最理想的情况是采用恒流控制电路,这样就可以使LED电流恒为设定值,本节介绍利用三极管的电流放大作用构成LED恒流驱动电路的工作原理和参数计算方法。  三极管共射放大电路如图2.19(左)所示,其输入输出的公共参考端为发射极,工作时三极管可以处于三种不同的状态,即截止、放大和饱和状态。图.19(右)所示为三极管共射放大电路的...

  前两节介绍的电阻降压限流和电容降压限流可以一定程度降低LED电流对电压的敏感性,使LED发光相对较为稳定,但对于输入电压波动范围较大时,LED的电流受到的影响仍然很大,如何才能使LED的电流不受输入电压波动影响?最理想的情况是采用恒流控制电路,这样就可以使LED电流恒为设定值,本节介绍利用三极管的电流放大作用构成LED恒流驱动电路的工作原理和参数计算方法。

  三极管共射放大电路如图2.19(左)所示,其输入输出的公共参考端为发射极,工作时三极管可以处于三种不同的状态,即截止、放大和饱和状态。图.19(右)所示为三极管共射放大电路的输出特性曲线,由图可知,当基极电流很小时,集电极电流也很小,此时集电极与发射极之间的电阻很大,可视为断开,集电极电流随三极管集-发之间的电压变化很微;当基极电流增加时,三极管开始导通,三极管开渐渐进入放大状态,这时基极电流很小,如图中的20uA,但由于三极管的电流放大倍数很高,如一般的小功率三极管的放大倍数可在100~300倍甚至更高,因此,集电极的电流被放大到mA级;此后随着基极电流的增加,集电极输出电流也成比例地增加,这个比例在一定的范围内将保持不变,因此这种放大是线性的放大;当基极电流增大到一定程度,基极电流与放大倍数的乘积将超过集电极的极限电流(饱和电流),三极管进入饱和状态,此时,基极电流再增加也不会引起集电极电流的增加。

  三极管的集电极和发射极之间等效于一个阻值可自动调节的可变电阻,截止时,电阻值趋于无穷大;线性放大时,电阻值随输入电流增加而减小;饱和时,电阻值趋向于零。相应的三种状态下集电极和发射极之间的电压降从高到低,饱和时压降接近于零,此时集电极的电流约等于电源电压除于集电极的负载电阻,即饱和电流。

  三极管的三种工作状态中,只有工作在线性放大区时,集电极电流才等于基极电流与放大倍数的乘积,此时,集电极电流只与基极电流有关,而与电源电压无关。当电源电压波动时,若能设法使基极电流保持不变,则集电极电流也不变(即实现恒流输出),此时集电极上的负载的压降不变,而三极管集电极与发射极间的电压降随电源电压自动调节。由此可见,利用三极管实现输出恒流控制的关键是设法保持基极电流不变。

  由于三极管基极-发射极之间由一个PN结构成,根据PN结的伏安特性,当电压稳定不变,其工作电流也保持不变,因此可以设法稳定基极的电压达到稳定基极电流的目的。如图2.20所示为利用稳压二极管稳定基极电压的电路原理。

  图2.20中,若使用硅三极管则其发射结工作开启电压约为0.7V,根据PN结的伏安特性可知,基极电流对电压变化十分敏感,这就要求稳压二极管具有很高精度的稳压特性才能使基极电流稳定,而且输出电流还受三极管的放大倍数影响,电流的大小不容易控制和调节。针对上述缺点,图2.21的电路进行改进,图中在发射极增加了一个电阻Re。

  由于基极电流远远小于集电极电流,因此集电极输出电流约等于发射极电流,即Re的电流,因此,Re的阻值可以根据期望输出的集电极电流来选取,例如,如果希望集电极输出电流恒为150mA,则有

  因此,可以通过Re的阻值来设置集电极输出的电流值,且该电流值基本恒定(取决于稳压二极管的性能),它不受三极管的放大倍数影响(放大倍数仅影响恒流调节的快慢)。

  设计一个汽车内的LED阅读灯,由汽车的12V蓄电池供电,允许电压在10~14内波动,要求LED稳定工作在9.6V/150mA条件下,画出电路图,计算元件参数,选择元件型号。

  (1)计算选择稳压二极管。稳压管主要选取稳压值、额定功率和工作点电流。稳压二极管伏安特性曲线V,反向击穿电压即稳压值,进入稳压区的初始电流约1mA,工作区电流范围取决于额定功率。

  本例中稳压管的击穿电压必须大于0.7V(三极管导通必须的发射结压降),为了减小功耗,稳压管的稳压值不宜选择过高,本例可选择3.3V,额定功率1/2W玻璃封装的稳压二极管,此时稳压管的允许的最大工作电流为

  (2)计算和选择Re。根据稳压管的稳压值可知Re的压降为3.3-0.7=2.6V,电流约等于LED的电流,即150mA,因此阻值和功耗分别为

  可见该阻值并非标准阻值,可以采用2个电阻并联的方式,方法如下:首先计算Re的2倍,即17.3×2=34.6,选一个略大于34.6的标称阻值,例如36,再选一个略小于34.6的标称阻值,例如33,计算两个电阻并联的值为

  这样就可以获得与17.3相近的阻值。根据功耗,选取每个电阻的额定功率为1/4W即可,如图2.24所示。

  (3)计算选择Rb。Rb为三极管提供基极电流,同时也为稳压二极管提供工作电流,计算其阻值需要知道其压降和工作电流的大小。根据图2.25所示电路,Rb的压降等于Uin-3.3,但是由于Uin允许10~14V变化,究竟用最大电压计算还是用最小电压计算是个问题。

  若采用最大输入电压计算,显然Rb压降最大,功耗最大,因此可用以选择电阻的额定功率;采用最小输入电压计算,Rb压降最小,提供的电流也最小,此时要保证满足三极管基极电流和稳压二极管的最小工作电流需要,因此,应该用最小电压来计算阻值,满足

  其中,基极电流的最小需求量为集电极输出的LED电流除以三极管的放大倍数,在这里我们首先取定一个预期放大倍数,例如100倍,用来计算基极电流的最小值,后面在选择三极管时只要满足放大倍数不小于100倍即可。这样我们就可以确定基极电流最小值为

  根据稳压二极管数据手册(或伏安特性曲线)可知稳压二极管的最小工作电流约1mA,则

  功耗不大,可以根据空间和便于焊接的原则选择即可,例如可选1/10W的0603封装的贴片电阻。

  (4)选择三极管。三极管的选取主要考虑集-发额定电压、功耗、集电极电流,以及放大倍数等参数。本例中若三极管处于截止时,集-发电压最大14V;工作时集电极电流150mA,最大耗散功率为

  常用的小功率NPN三极管,如2N3904、9013等均可采用,选用时要采用额定功率较大的TO92封装,实际上这两种三极管的额定功率略小于0.66W,可以采用两只三极管并联使用(三只引脚对应并联),同时要注意不同后缀的三极管的放大倍数不一样,要选择大于100倍的型号。

  至此,该电路中各元件的参数和型号均已确定。最后我们来讨论一下该电路的恒流控制过程。

  假设当输入电压处于某值(例如12V)时,电路处于稳定状态,此时集电极电流Ic=150mA,发射极电压Ve=3.3-0.7=2.6V,当输入电压上升时,基极电流上升,集电极电流上升,发射极电压上升,由于稳压二极管使三极管基极电压保持不变,发射结电压下降,则基极电流下降,集电极电流随之下降,实现电流的回调,反之,调节过程相反,最终回到稳定状态,即保持Ve=3.3-0.7=2.6V。这个过程可以用图2.26表示。

  当输入电压变化时,将打破由稳压管、三极管结射结和射极电阻所建立的回路的稳定状态,而基极电流的变化将引起射极输出电压产生变化,促使发射结回到稳定的0.7V,射极电压又回到2.6V,集电极电流回到150mA的稳定状态。Ve=3.3-0.7=2.6V相当于建立了一个固定的基准电压,只要这个基准足够稳定,电路中任何原因引起Re的电压变化,最终都会经过自动调整,使其符合该基准。其工作原理可以抽象为图2.27所示的电路结构。

  稳压二极管和三极管的发射结提供2.6V的基准电压,三极管起放大和调整作用,射极电阻为电流采样。满足这样结构的电路均可构成线注意事项

  利用晶体三极管作LED恒流控制电路,实际上是利用三极管的基极-发射极间电压作为参考电压,三极管作为误差放大器或比较器来实现的,由于三极管基极-发射极也是一个半导体PN结,其伏安特性也是非线性的,且伏安特性受温度变化影响,因此恒流效果并不是很好;另一方面,由于三极管串联在回路中,若电源与LED的工作电压差较大,则该电压差全部加至三极管上,三极管的损耗很大,电源效率很低,且存在高温危险,因此也不适合于在电压高且波动较大的交流电网中直接使用。

  三极管工作时可能处于截止、线性放大与饱和三种状态之一,只有工作在线性放大状态下,三极管才具有恒流的功能。如何判断三极管处于哪一种状态?从参数上看,三极管的基极电流小于导通所需电流时,三极管处于截止状态;基极电流大于导通所需电流时,开始进入放大状态,此时,集电极电流正比于基极电流,若电源电压因某种原因产生变化,只要设法保持基极电流不变,则集电极电流也不变,即实现恒流;恒流状态下三极管的集电极-发射极间的电压是可以变化的;若基极电流很大,以至于基极电流与放大倍数的乘积大于集电极电流,则三极管进入饱和状态,此时集电极电流始终处于最大值,不再受基极电流控制,而集电极-发射极间的压降很小(接近于零),三极管相当于一个开关。因此在参数设计时,要注意三极管的工作点,不能使其进入饱和状态。

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