三極管開關(guān)電路設(shè)計，電路結(jié)構(gòu)錯誤或參數(shù)不會設(shè)置

設(shè)備WX 2022-05-25 發(fā)布于剛果民主共和國

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開關(guān)電路在單片機(jī)電路設(shè)計中經(jīng)常用到，一般有兩個作用，一是電平的轉(zhuǎn)換，二是增加單片機(jī)IO口的驅(qū)動能力。雖然這個電路很簡單，也很常用，但是我發(fā)現(xiàn)還是有些人電路結(jié)構(gòu)錯誤或者參數(shù)不會設(shè)置。

電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示，三極管開關(guān)電路基本結(jié)構(gòu)由基極電阻，集電極電阻（負(fù)載）組成。

圖1 三極管開關(guān)電路基本結(jié)構(gòu)

有些人設(shè)計的開關(guān)電路就沒有基極電阻，有可能不是他不知道這種電路結(jié)構(gòu)，而是他不會調(diào)參數(shù)，不管怎么改變Rb，始終電路都沒有進(jìn)入飽和區(qū)，最后將Rb短接后發(fā)現(xiàn)電路正常了，導(dǎo)致他認(rèn)為這樣電路是可以用的。

事實上，沒有基極電阻，如果說是單片機(jī)的IO口接的控制引腳，那么單片機(jī)工程師控制單片機(jī)IO口輸出高電平的時候，IO口上的電壓只有0.7V左右。那是由于單片機(jī)IO口的電流只有10mA左右，不能給三極管提供足夠大大的電流，以至于拉低電壓至三極管b、e之間的導(dǎo)通電壓0.7V左右。當(dāng)給三極管基極能夠提供足夠電流，而控制電壓大于三極管b、e之間電壓極限電壓的時候就會燒壞三極管，如果沒有大于它的極限電壓，但是電流很大，時間久了就會導(dǎo)致三極管熱損壞。所以只有設(shè)置合適的基極電阻才能保證電路的可靠性。

該電路存在一個問題，就是控制端沒有接任何東西就會出現(xiàn)高阻狀態(tài)，三極管的工作狀態(tài)是不確定的。為了安全起見，沒有對三極管進(jìn)行控制的時候，應(yīng)該讓三極管工作在截止區(qū)，要想NPN型三極管截止，Ib就要很小，可以選擇在三極管基極接一個下拉電阻，如圖2所示。取值是要遠(yuǎn)大于（10倍以上）Rb的，這樣才能下拉電阻不影響對三極管的控制。小編我個人的取值習(xí)慣是100K。

圖2 帶下拉電阻的開關(guān)電路

如果我們想驅(qū)動無源蜂鳴器，那么就要在控制端輸入一個方波信號進(jìn)行控制，這時候就需要三極管進(jìn)行快速切換，想加快三極管切換速度就要如圖3所示，在Rb上并聯(lián)一個加速電容。

圖3 帶加速電容的三極管開關(guān)電路

其原理是，電容兩端的電壓不能發(fā)生突變，那么控制端給一個高電平的瞬間，電容可以視為短路，此時的電流最大，因此加快了三極管的導(dǎo)通速度，這個暫態(tài)過程很快就結(jié)束了，電容充電完成后進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)，電容就形如開路，而不影響電路的正常工作。由于電容在控制端高電平期間充了左正右負(fù)的電壓，當(dāng)控制端變成低電平（0V）瞬間電容兩端的電壓不能突變，所以在電容的右端出現(xiàn)了負(fù)電壓，加快了三極管的關(guān)斷。大多數(shù)情況下，加速電容取值約為幾百個pF。為什么加了加速電容就能實現(xiàn)加快關(guān)斷與導(dǎo)通，那是因為三極管是存在結(jié)電容的，導(dǎo)通與關(guān)斷時間是決定于結(jié)電容的充放電時間的，這個現(xiàn)象就叫米勒效應(yīng)，加了加速電容后，就加快了結(jié)電容充放電時間，使得三極管很快跨越了米勒平臺，所以能加快三極管的關(guān)斷與導(dǎo)通。

參數(shù)計算

三極管的開關(guān)狀態(tài)就是三極管的飽和與截止，三極管的截止容易實現(xiàn)，只要將IB降為O就可以實現(xiàn)三極管的截止。而三極管的飽和沒有截止那么實現(xiàn)，開關(guān)電路的計算就是在計算三極管進(jìn)入飽和的參數(shù)。要想進(jìn)行計算，那么就要了解三極管的飽和特性。

1. 如何判斷飽和？

一是三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)正偏，基極電流變化，集電極電流幾乎不變。

飽和條件：

1.集電極和電源之間電電阻越大越容易飽和；2.基極電流比較大以使得集電極的電阻上分得的電壓越大，集電極電壓就被拉低，而出現(xiàn)Ub大于Uc的情況。

影響飽和的因素：

1.集電極電阻的大?。ㄘ?fù)載）；2.放大倍數(shù)的大?。?.基極電流的大小。

飽和的現(xiàn)象：

1.基極電壓大于集電極電壓；2.Uce為0.5V左右，越小飽和越深。

臨界飽和條件：

Ib=（Vcc/RL）/β

知道這些概念后，我們就知道怎么去計算參數(shù)了。首先我們在設(shè)計前期我們應(yīng)該知道負(fù)載一些參數(shù)，如電壓電流。負(fù)載需要的電流就是設(shè)計的關(guān)鍵，通過負(fù)載電流求得Ib，此時的Ib是三極管臨界飽和的值，一般我們要取數(shù)倍才能保證三極管進(jìn)入深度飽和。然后根據(jù)控制端的電壓減去Ube（0.7V）除以Ib就可以得到Rb。

電路設(shè)計

1.電路結(jié)構(gòu)確定

我不需要控制背光亮度，只需要控制背光亮與不亮，所以選擇帶下拉電阻的開關(guān)電路。如圖4所示。

圖4 背光驅(qū)動電路

2.電源電壓確定

圖5 一款液晶的背光參數(shù)

通過圖5 就可以知道要想背光正常量的話，電源電壓要大于3.0V，那么電源電壓就取3.3V。

3.RC阻值確定

RC的作用是分壓，限流，保證背光不被燒。背光是3.0V，電流是15mA，電源是3.3V，那么RC=（3.3V-3.0V）/15mA=20Ω。

4. RB的確定

根據(jù)前面敘述的，臨界飽和的基極電流為IB=IC/β，這里β取100，那么IB=15mA/100=150uA，為了保證三極管進(jìn)入深度飽和，還要取數(shù)倍IB，這里取10倍，那么飽和IB=150uA*100=1.5mA，單片機(jī)IO完全能夠提供1.5mA電流。單片機(jī)高電平是3.3V，那么RB=（3.3V-Ube）/1.5mA=(3.3V-0.7V)/1.5mA=1.733KΩ，因為電阻系列沒有這種電阻，所以我們?nèi)?K，因為IB我們?nèi)×藬?shù)倍，所以RB比理論值大一點也是可以行的。

5. R1確定

R1下拉電阻，我在前面已經(jīng)敘述過了，這里我們?nèi)?00K。

6.三極管確定

該電路的電源電壓不高，電流也不大，所以對三極管要求也不是很大，所以選擇9013,8050三極管都可以。下面我們看看這兩款三極管的參數(shù)。