我们在上一篇文章中讨论了三极管的三大工作区,并且提出了三极管的两大功能——放大功能和开关功能。放大功能已经在上一篇文章加以讨论,当时gemfield承诺要拿出三极管的三大经典电路来加以讨论以对三极管有一个更加形象化的具体理解。但是,因为三极管的开关特性是一个不可忽视的重要的环节,因此,这章先予以这方面的介绍。
三极管的开关功能就是说它可以像一个开关一样工作。开关?就是那个一摁或者一扳就通电或者断电的简单的按钮?没错,可是三极管为何要替代按钮开关?注意,这是一个信息时代,pcb板上的三极管是显而易见的,它可以通过电信号方便快捷的控制一条线路的通断;你不会想着用人力去控制一个信号的能否通过吧。那些在intel x86架构的通用处理器里面躺着数目多达几亿的开关要用人力去控制吗?难道中国所有的人腾开放下手中的工作就是控制几个cpu?更何况在那么高的集成度上面人连三极管也看不清。
可是三极管怎么样就像个开关了?这个三条腿的怪物怎么就能够自由的控制信号的通断俨如一个真正的开关?这个时候别忘了三极管的三个工作区,除去中间的放大区外,就是截止区和饱和区了。你看,假若一条叫做ronger的线路经过三极管的集电极、发射极,那么通过在基极施加信号,当工作在截止区时,ronger不就断开了;而工作在饱和区时不久是导通的了吗?
但是问题也就随之而产生了,这就是:当在截止区时,集电极和发射极之间并不是一点电流都没有,虽然很小,但也有个反向漏电流Iceo,这就意味着三极管ce并没有完全的断开,也就是ronger快要断了但还差那么一点;而在饱和区时,集电极发射极之间的压降—三极管饱和压降很小,但也有那么一点电压,约为几百个毫伏,这也就意味着ronger没有完全通,我们知道纯导线可不产生压降的哦。总之,经过以上两个方面的质疑,要说三极管真是个开关,确实是过奖了。但幸好以上的这些副作用在实际电路中大多时候并不产生影响。
一个理想的开关,它闭合导通时阻抗为零,而断开时为无穷大。这就在告诫三极管,要像我开关一样的话,你就必须要尽可能的减小反向漏电流Iceo,尽可能的降低饱和压降Uces。这里还要说的一点就是,要有尽可能快的转换速度。这个速度是指什么?就是指三极管从开到关或者从关到开或者不停的关开关开之间的过度的快慢。为什么要强调这个速度呢?因为三极管毕竟不像我们墙上的电灯开关一样,你闲的没事在那而噼啪噼啪的按个不停。但是三极管就不一样了,像PWM调制电路,或者利用开关管进行逆变的电路,在这里,三极管每秒要开关上几千次甚至更高,假设一个三极管从开到关的状态就需要花费一秒的时间,它如何能做到每秒钟断开几千次?幸亏刚才只是随便说了一个数据,那么真正的三极管这个时间是多少呢?肯定不是零,经验来讲,约为几万分之一秒。这里有个概念,先记住Icm这个量,它表示集电极在开关过程中的最大电流:当有输入信号Vin时,Ic上升到10%Icm所花费的时间叫做延迟时间,从10%到90%Icm的时间叫上升时间,两者之和叫开启时间;当关的信号Vin输入时,Ic下降到90%Icm的时间叫储存时间,从90%下降到10%的时间叫下降时间,两者之和叫关断时间。其中,尤以储存时间最能捣乱三极管的开关频率能力。
那么三极管为什么会产生这么多的种种具有烦人名称的延迟时间呢?因为PN结势垒电容充放电、电荷的存储和消失、载流子的复合等,是影响三极管开关速度的内因,这个在三极管出厂的一刻就确定了。另一方面,三极管使用的周围电路环境也是影响三极管开关速度的外部原因。
最后再来对这个开关的功耗问题耳提面命一番。之所以是跟着上一段,就是因为三极管的开关功耗还跟开关速度有关系。首先来看一下三极管的开关功耗是怎么产生的,毕竟这关系着能源安全(大的方面)和电路板的安全(小的方面)。先说开的时候,也就是三极管饱和的时候,虽然它正常的在输送电流,和常态的导线无异,但是三极管的饱和压降很小(约为几百个毫伏),因此P=U*I,这个功率也不是很大,我们把三极管这个时段的功率称为通态损耗;对应的,就是断态损耗,不用解释也能明白,就是三极管截止时的功率,这个时候Uce虽有一定的压降,相当于供电的直流电源的压降,但是反向漏电流Iceo很小(约为纳安数量级),相应的功率也就很小了;虽然以上两者的功耗比较小,但不幸的是,在开和关之间还有个过渡过程,想想也晓得,在这个过渡过程中,电压和电流相向而行,你大我小到你小我大,之间有个微妙的截断,让两者之积很大。于是功耗就相应的大了,称之为开关损耗(也称渡越损耗)。如果电路开关的频率越高,就会让三极管越多的在过渡这一高功耗时间段中痛不欲生,可见,缩短这个过渡过程的时间也是一个紧要命题。
经过以上三段的啰嗦,我们知道了我们现在的一个使命是尽可能的缩短三极管的开关时间。但是前文也说了,三极管的这个特性在下生产线的时候就确定了,怎么办?前文还说了这么一句话:“另一方面,三极管使用的周围电路环境也是影响三极管开关速度的外部原因。”,看来我们需要创造一些电路来改良这个特性了。
这些电路包括基极驱动电路、抗饱和电路以谋求更高的三极管开关速度。另外,为了保护三极管工作中的安全,还要介绍一下它的安全保护电路。这些电路的介绍,留在明晚吧。
















