家电小知识:三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

导读新时代发展越来越快相信很多小伙伴对家电知识这方面很朦胧吧,正好小编对家电方面颇有研究,现在就跟小伙伴们聊聊一篇关于三极管驱动开关电

新时代发展越来越快相信很多小伙伴对家电知识这方面很朦胧吧,正好小编对家电方面颇有研究,现在就跟小伙伴们聊聊一篇关于三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路,相信很多小伙伴们都会感兴趣,那么小编也收集到了有关三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路信息,希望小伙伴们看了有所帮助。

在数字电路设计当中,应用最多的当属三极管,它常常把数字信号经过开关扩流器件来驱动蜂鸣器、LED、继电器等需要交大电流的器件。

本文只要是关于三极管开关电路的相关介绍,并着重探讨了三极管开关电路的原理以及电路类型。

三极管

三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管、晶体三极管,是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号, 也用作无触点开关。晶体三极管,是半导体基本元器件之一,具有电流放大作用,是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结,两个PN结把整块半导体分成三部分,中间部分是基区,两侧部分是发射区和集电区,排列方式有PNP和NPN两种。

三极管驱动开关电路图10大类型

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

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三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

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三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

三极管开关电路图原理

晶体管开关电路(工作在饱和态)在现代应用中屡见不鲜,经典的74LS,74ALS等内部都使用了晶体管开关电路,只是驱动能力一般而已。

TTL晶体管开关电路按驱动能力分为小信号开关电路和功率开关电路;按晶体管连接方式分为发射极接地(PNP晶体管发射极接电源)和射级跟随开关电路。

发射极接地开关电路

1.1 NPN型和PNP型基本开关原理图:

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

上面的基本电路离实际设计电路还有些距离:由于晶体管基极电荷存储积累效应使晶体管从导通到断开有一个过渡过程(当晶体管断开时,由于R1的存在,减慢了基极电荷的释放,所以Ic不会马上变为零)。也就是说发射极接地型开关电路存在关断时间,不能直接应用于中高频开关。

1.2 实用的NPN型和PNP型开关原理图1(添加加速电容)

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

解释:当晶体管突然导通(IN信号突然发生跳变),C1瞬间短路,为三极管快速提供基极电流,这样加速了晶体管的导通。当晶体管突然关断(IN信号突然发生跳变),C1也瞬间导通,为卸放基极电荷提供一条低阻通道,这样加速了晶体管的关断。C通常取值几十到几百皮法。电路中R2是为了保证没有IN输入高电平时三极管保持关断状态;R4是为了保证没有IN输入低电平时三极管保持关断状态。R1和R3是基极电流限流用。

1.3 实用的NPN型开关原理图2(消特基二极管钳位)

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

解释:由于消特基二极管Vf为0.2至0.4V比Vbe小,所以当晶体管导通后大部分的基极电流是从二极管然后通过三极管到地的,这样流到三极管基极的电流就很小,积累起来的电荷也少,当晶体管关断(IN信号突然发生跳变)时需要卸放的电荷少,关断自然就快。

1.4 实际电路设计

在实际电路设计中需要考虑三极管Vceo,Vcbo等满足耐压,三极管满足集电极功耗;通过负载电流和hfe(取三极管最小hfe来计算)计算基极电阻(要为基极电流留0.5至1倍的余量)。注意消特基二极管反向耐压。

三极管开关电路设计

三极管除了可以当做交流信号放大器之外,也可以做为开关之用。严格说起来,三极管与一般的机械接点式开关在动作上并不完全相同,但是它却具有一些机械式开关所没有的特点。图1所示,即为三极管电子开关的基本电路图。

由下图可知,负载电阻被直接跨接于三极管的集电极与电源之间,而位居三极管主电流的回路上,

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

基本的三极管开关

输入电压Vin则控制三极管开关的开启(open)与闭合(closed)动作,当三极管呈开启状态时,负载电流便被阻断,反之,当三极管呈闭合状态时,电流便可以流通。详细的说,当Vin为低电压时,由于基极没有电流,因此集电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦没有电流,而相当于开关的开启,此时三极管乃胜作于截止(cutoff)区。

同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动,因此使集电极流过更大的放大电流,因此负载回路便被导通,而相当于开关的闭合,此时三极管乃胜作于饱和区(saturation)。838电子

1、三极管开关电路的分析设计

由于对硅三极管而言,其基射极接面之正向偏压值约为0.6伏特,因此欲使三极管截止,Vin必须低于0.6伏特,以使三极管的基极电流为零。通常在设计时,为了可以更确定三极管必处于截止状态起见,往往使Vin值低于0.3伏特。(838电子资源)当然输入电压愈接近零伏特便愈能保证三极管开关必处于截止状态。欲将电流传送到负载上,则三极管的集电极与射极必须短路,就像机械开关的闭合动作一样。欲如此就必须使Vin达到够高的准位,以驱动三极管使其进入饱和工作区工作,三极管呈饱和状态时,集电极电流相当大,几乎使得整个电源电压Vcc均跨在负载电阻上,如此则VcE便接近于0,而使三极管的集电极和射极几乎呈短路。在理想状况下,根据奥姆定律三极管呈饱和时,其集电极电流应该为﹕

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

因此,基极电流最少应为:

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

上式表出了IC和IB之间的基本关系,式中的β值代表三极管的直流电流增益,对某些三极管而言,其交流β值和直流β值之间,有着甚大的差异。欲使开关闭合,则其Vin值必须够高,以送出超过或等于(式1)式所要求的最低基极电流值。由于基极回路只是一个电阻和基射极接面的串联电路,故Vin可由下式来求解﹕

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

旦基极电压超过或等于(式2)式所求得的数值,三极管便导通,使全部的供应电压均跨在负载电阻上,而完成了开关的闭合动作。

总而言之,三极管接成图1的电路之后,它的作用就和一只与负载相串联的机械式开关一样,而其启闭开关的方式,则可以直接利用输入电压方便的控制,而不须采用机械式开关所常用的机械引动(mechanicalactuator)﹑螺管柱塞(solenoidplunger)或电驿电枢(relayarmature)等控制方式。

为了避免混淆起见,本文所介绍的三极管开关均采用NPN三极管,当然NPN三极管亦可以被当作开关来使用,只是比较不常见罢了。

三极管开关电路的使用误区

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

如图(a)所示,用NPN三极管,蜂鸣器连接到三极管的集电极,驱动信号是常见的3.3V或者5V   TTL电平,高电平导通,电阻按照经验值取4.7KΩ,三极管导通时假设高电平为5v,基极电流为:

Ib=(5-0.7)V ÷4.7KΩ = 0.9mA

它可以使 三极管完全饱和。

如图(b)所示,用NPN三极管,同样把蜂鸣器连接到三极管集电极,不同的是 是还用的驱动信号是5V的TTL电平。

以上两个电路都可以正常工作,只要PWM驱动信号工作在合适的频率下,蜂鸣器(有源)就会发出最大的声音。

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

图2和图1对比,最大的区别就是被驱动器件连接到了三极管的发射机。

如图(c)所示,三极管导通时假设高电平是5V,基极电流为

Ib=(5-0.7-UL)V ÷4.7KΩ 

其中,UL为被驱动器件上的压降。可以看出,同样取积极电阻为4.7KΩ ,流过基极的电流会比图1中的(a)电路电流要小,小多少需要看UL为多少:如果UL较大,那么相应的Ib也就会很小,很有可能导致三极管无法工作在饱和状态,使得驱动器件无法动作 。有人认为把基极电阻调小就好了,可是被驱动器件的压降是很难获知的,有些被驱动器件的压降是变动的,这样一来 ,基极电阻就很难选择合适:阻值选的太大,会导致驱动失败 ; 阻值选择太小,损耗又变大。所以,不在万不得已的情况下,不建议用图2的两种电路。

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

如图3,驱动信号为3.3V电平,而被驱动器件导通电压需要5V。在3.3V单片机电路中,若不小心,就容易设计出这两种电路。

如图(e)所示,这是典型的“发射极正偏,集电极反偏”的放大电路,或者叫做射极输出器。当PWM信号为3.3V时,三极管发射极电压为3.3V-0.7V=2.6V,无法达到期望的5V。

如图(f)所示,这是一个失败的电路。首先,这个电路无法断开,当驱动信号PWM为3.3V高电平是,Ube=5V-3.3V = 1.7V 仍然可以使三极管导通,于是电路无法断开。在这里,有人会说用过这个电路,他没有问题,而且单片机的电压也是3.3V。笔者个人认为这个人用的是OD(开漏)驱动方式,而且是真正的OD或者是5V可以容忍的OD,比如STM32的很多IO都可以设置为OD门驱动方式,输出高电平,信号就变成了高阻态,流过基极电流为0,三极管可以有效截止,这时候图(f)依然有效。

三极管驱动开关电路图10大类型 详解三极管开关电路

综上几种电路,得到上图两种最优电路。与图(1)不同,图(4)在基极和发射机之间增加了一个100KΩ的电阻,这个电阻有一定的作用,可以让三极管有一个已知的默认状态。当输入信号被除去的时候,三极管还处于截止状态。从安全性方面考虑,多加这个电阻还是很有必要的,或者说可以让三极管工作在更好的开关状态。

结语

关于三极管开关电路的相关介绍就到这了,如有不足之处欢迎指正。

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