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電晶體是什麼? 數位電晶體的原理

 

選擇方法

選擇方法

①為讓TR飽和的IC/IB比例為
IC/IB=20/1
②輸入電阻:R1為±30%  E-B間電阻:R2為
R2/R1=±20%
③VBE 為 0.55V~0.75V

數位電晶體以以下關係式成立 。

■數位電晶體的直流電流增幅率的關係式

數位電晶體的直流電流增幅率

GI:數位電晶體的直流電流增幅率
GI=Io/Iin
hFE=Ic/IB
Io= Ic , Iin= IB +IR2, IB=IC/hFE , IR2=VBE/R2
電壓的關係式為  Vin=VR1+VBE

■集極電流的關係式為

集極電流的關係式為

∴ Ic= hFE×((Vin-VBE)/R1 )- (VBE/R2 )) ・・・①

※這裡的hfe是VCE=5V、Ic=1mA時的值不是飽和狀態。
當做開關使用的話,則需要成為飽和狀態,Ic/IB=20/1的電流比例成了必要條件。

∴ Ic= 20×((Vin-VBE)/R1 )- (VBE/R2 ))・・・②

公式①的hFE設定為20/1。

接著,考慮偏差後的算式中
算式②中代入R1為最大+30%、R2為最小-20%,以VBE為最大0.75V之最壞情況計算出。為使數位電晶體的Ic比使用組合上的最大輸出電流lomax還大,須以下式選擇數位電晶體的電阻R1、R2。

∴ Iomax≦20((Vin-0.75)/(1.3XR1)-0.75/(1.04XR2))

數位電晶體的型號說明

數位電晶體的型號說明

關於Io與Ic之差異

Ic : 可通過組成電晶體的電流之最大理論值
Io : 數位電晶體本身可使用的電流最大值

關於Io與Ic之差異

說明

DTA/C系列的情形
舉例來說DTA/C系列,則構成數位電晶體的電晶體可流通100mA。
將其定義為Ic=100mA。把此電晶體加上電阻R1,R2後就成為數位電晶體。
於是,要將Ic=100mA流入此數位電晶體時,因有流過相對應的基極電流值,因此高輸入電壓需定義Vin。
如各位所知,因最大額定功率「無法同時供應給2個以上的項目」,只標示Ic雖無問題,請配合實際使用狀況參考Io。
但因絕對最大額定功率由電阻R1的最大功率Vin(max)決定,造成若Ic=100mA一流過就超過額定功率,因此定義了不會超過Vin(max)的電流值Io。
如各位所知,因最大額定功率「無法同時供應給2個以上的項目」,只標示Ic雖無問題,請配合實際使用狀況參考Io。
綜合上述,設計電路時,Io就是絕對最大額定值。

關於GI與hFE之差異

hFE:組成電晶體的直流電流放大率
GI:數位電晶體的直流電流放大率

關於G<sub>I</sub>與h<sub>FE</sub>之差異

說明

GI和hFE皆為射極接地直流電流放大率。
數位電晶體為一般的電晶體接上2個電阻所組成。
這裡說的直流電流率指的是輸出電流/輸入電流,因此不會因輸入電極R1造成的放大率降低。故輸入電阻R1的放大率用hFE標示,等同於構成電晶體的hFE值。
但在E-B間接上電阻R2後,輸入電流就分流為電晶體電流和E-B間的電阻R2電流。
因此,放大率較單一電阻時為低,此值另稱為GI來區別

VI(on)與VI(off)之差異

許多人分不清楚VI(on) 與 VI(off)的差別。
VI(on) :數位電晶體為了保持ON狀態,所需的最低電壓電壓,因此我們定義為VI(on) 定義為「min」。

錯誤的想法

錯誤的想法

1 : 讓輸入電壓由0開始依序增加。
2 : 當電晶體到達1.8V時就會變為ON。
3 : 因為規格書規定電壓值必須小於3V (min),因此判斷電晶體不良。

正確的想法

正確的想法

A : 首先必須施加充分的輸入電壓Vin (例如10V),才能夠讓數位電晶體變為ON。
B : 緩緩地降低電壓,一旦到達規格書所規定的3V時即停止施加電壓。
如果電晶體仍保持ON狀態的話,此一產品即被視為良品。
C : 若持續降低基極電壓時,電晶體將因無法保持ON狀態而進入OFF狀態。
由於變化點出現在3V以下,因此判斷該產品為良品。

關於數位電晶體的溫度特性

VBE、hFE、R1、R2將依環境溫度不同而產生變化。
hFE的溫度變化率約為0.5%/℃
VB的溫度係數約為-2mV/℃(在-1.8 to -2.4mV/℃之間的範圍)

關於數位電晶體的溫度特性

R1的溫度變化率如下圖所示。

R1的溫度變化率如下圖所示。

關於輸出電壓-輸出電流特性進入低電流區域時之詳細說明(使用數位電晶體時)

數位電晶體的輸出電壓-輸出電流特性由以下的檢測方式檢測。
因此,Io(低電流區)在構成電晶體的基極電流難以通過。
造成低電流區的輸出電壓(Vo)[VCE(sat)]上升

輸出電壓

檢測方法在 DTC114EKA時以Io/Ii=20/1來測定。
由於Ii = IB + IR2 (IR2 = VBE/10k = 0.65V/10k = 65μA)
IB=Ii-IR2=Ii-65uA
由Ii=IB+IR2(IR2=VBE/10k=0.65V/10k=65μA)
IB=Ii-IR2=Ii-65μA也就是65μA以下時,IB的電流難以通過,造成Vo[VCE(sat)]上昇。
因此,Vo在低電流時無法檢測。

表

關於數位電晶體的切換動作

①電晶體的動作

①電晶體的動作

欲啟動NPN電晶體時,必須依照圖1所示施加電壓。
此種電路的作法就是在基極(B)-射極(E)之間施加順向電壓,然後再注入基極電流。
如此一來,即可將電洞注入基極(B)區域。當電洞被注入基極(B)區域後,射極的自由電子-就會被吸引至基極(B),不過基極(B)區域極薄,必須利用施加集極電壓的方式,讓自由電子得以通過基極(B)區域並進入集極。
如此一來,即可讓電流由集極(C)進入→射極(E)。

②切換動作

②切換動作

電晶體的動作可分為放大作用及開關作用。
放大作用就是利用基極電流IB,經過hFE倍的放大,產生集極Ic電流。
進入動作區時,只要利用輸入訊號連續控制集極電流的方式,即可得到輸出電流。
開關作用必須在電晶體ON而且進入飽和狀態(集極-射極間的電壓會降低,即飽和電壓)下進行。

所謂「飽和區域」就是被注入過多的電洞時的狀態,當電晶體由飽和狀態進入截止區(切斷輸入脈衝), 過多的電洞就會離開基極區域進入基極端子,集極電流會持續到基極區域內的電洞消失前。
電洞消失所需的時間即稱為「tstg (off時間)」。
根據上述原理,如果能加快基極區域內洞消失的速度,即可縮短off時間。
使用數位電晶體時,當數位電晶體變為OFF,基極區域內的洞消失的時間與R1、T2有關。
因此,當R1 =固定值時,只要R2愈小,就愈能夠縮短off時間。

關於數位電晶體的用語

VI(on)Min.:輸入電壓(INPUT ON VOLTAGE)

在OUT端子、GND端子間增加順方向電壓(Vo),流過規定的輸出電流(Io)時必要的最小輸入電壓。也就是數位電晶體在ON領域的最小輸入電壓值。
因此,若從ON狀態變成OFF狀態時,必須要降得比此最小輸入電壓值還要低,良品的值應較低。

VI(off)Max.:輸入電壓(INPUT OFF VOLTAGE)

輸入電壓(INPUT OFF VOLTAGE) 在OUT端子、GND端子間加入規定的電源電壓(Vcc)、輸出電流(Io)的狀態下,IN端子、GND端子間所得到的最大輸入電壓,也就是數位電晶體可保持在OFF狀態的領域的最大輸入電壓值。因此,若從OFF狀態變成ON狀態時,必須要提升得比此最大輸入電壓值還要高,良品的值應較高。

VO(on):輸出電壓(OUTPUT VOLTAGE)

以不超過絕對最大額定的任意輸入條件為基本的輸出端子電壓。在GND接地增幅電路中充分通過輸入電流時,輸出電壓會減少,IN、OUT接合也呈現順偏壓的狀態。規定的Vo、lo中,II以整數(通常10~20)分之1測量。

II(Max.):輸入電流(INPUT CURRENT)

IN端子、GND端子間加入順方向電壓(VI),為IN端子中連續流過電流的最大輸入容許值。

GI:GND接地直流電流放大率(DC CURRENT GAIN)

規定的Vo、Io中的Io/II比。

R1:輸入電阻(INPUT RESISTANCE)

IN端子、電晶體之間內建的電阻。R1的容許範圍為±30%。另外,會根據溫度出現變化。

R2/R1:電阻比例(RESISTANCE RATIO)

針對內建的輸入電阻,電晶體的射極-基極間電阻的比例。

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