三极管驱动电路及电平转换分析-三极管作用有哪些

三极管概述

三(san)极(ji)管(guan)，全(quan)称应为(wei)半导体(ti)(ti)三(san)极(ji)管(guan)，也(ye)(ye)称双极(ji)型晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)、晶(jing)体(ti)(ti)三(san)极(ji)管(guan)，是(shi)一种控制电(dian)流的半导体(ti)(ti)器件。其作用是(shi)把微弱(ruo)信号放(fang)大成幅度值较大的电(dian)信号，也(ye)(ye)用作无触点开关。

三极(ji)管(guan)(guan)是(shi)半(ban)导(dao)(dao)体基本元(yuan)器(qi)件(jian)(jian)之(zhi)一，具(ju)有电流(liu)放大作用，是(shi)电子电路的核心元(yuan)件(jian)(jian)。三极(ji)管(guan)(guan)是(shi)在一块(kuai)半(ban)导(dao)(dao)体基片上(shang)制作两(liang)个相距很近(jin)的PN结，两(liang)个PN结把(ba)整块(kuai)半(ban)导(dao)(dao)体分(fen)(fen)成(cheng)三部分(fen)(fen)，中(zhong)间部分(fen)(fen)是(shi)基区，两(liang)侧部分(fen)(fen)是(shi)发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两(liang)种。

三极管的电平转换-3.3V-5V电平转换电路

如上图，左(zuo)端(duan)接3.3VCMOS电(dian)平，可以是STM32、FPGA等的IO口，右(you)端(duan)输出为5V电(dian)平，实现(xian)3.3V到5V电(dian)平的转换。

现在来分析下各个(ge)电阻的(de)作用(抓住的(de)核心思(si)路是三极管的(de)Vbe导通(tong)时为(wei)恒定值(zhi)0.7V左右(you))：

假设(she)没有(you)R87，则当US_CH0的高电(dian)平(ping)直接加在三(san)极管(guan)的BE上，>0.7V的电(dian)压要到(dao)哪里去呢？

假(jia)设没有R91，当US_CH0电平(ping)(ping)状态不确定时，默认(ren)是要(yao)Trig输出(chu)高电平(ping)(ping)还是低电平(ping)(ping)呢(ni)?因此R91起到固定电平(ping)(ping)的(de)作(zuo)用。同(tong)时，如果无R91，则只要(yao)输入>0.7V就(jiu)导通(tong)三极管，门槛(jian)(jian)电压太低了，R91有提升(sheng)门槛(jian)(jian)电压的(de)作(zuo)用(可参见第(di)二小节关于蜂鸣器(qi)的(de)分析(xi))。

但是，加了R91又要注意了：R91如果太小，基极(ji)电压近(jin)似。

只有Vb>0.7V时才能使US_CH0为高(gao)电(dian)平时导通，上图的Vb=1.36V

假设没(mei)有R83，当(dang)输入US_CH0为高(gao)(gao)电(dian)平(ping)(ping)(三极管导通时(shi))，D5V0(5V高(gao)(gao)电(dian)平(ping)(ping))直接加在(zai)三极管的(de)(de)CE级，而三极管的(de)(de)CE，三极管很容易就损坏了。

再进一步分析其工作机理：

当输入(ru)为高电(dian)平，三极管(guan)(guan)导通，输出钳(qian)制在三极管(guan)(guan)的Vce，对电(dian)路测试结果仅0.1V

当输(shu)入为低电(dian)(dian)平(ping)，三极管不导(dao)通，输(shu)出相当于(yu)对下一级电(dian)(dian)路(lu)的输(shu)入使用10K电(dian)(dian)阻进行上拉，实(shi)际测试结果为5.0V(空载)。

请注(zhu)意(yi)：

对(dui)于(yu)大电流的(de)负(fu)载(zai)，上面电路的(de)特性将表现(xian)的(de)不那么好，因此这里一直强调——该电路仅适用(yong)于(yu)10几mA到(dao)几十mA的(de)负(fu)载(zai)的(de)电平转换。

蜂鸣器驱动电路

上面是(shi)从周立功的(de)iMX283开(kai)发板(ban)上载下的(de)电路(lu)，既可以是(shi)有源也可以是(shi)无源蜂鸣器。来分析下：

计(ji)算下各(ge)处的(de)电流(S9013的(de)β=120，设蜂(feng)鸣器电流15mA)：

输(shu)入为高电平的门槛(jian)电压(ya)计算为：

R1起到了提(ti)供啊门槛电压的(de)作用(yong)。

有源蜂(feng)(feng)鸣(ming)器(qi)和(he)无源蜂(feng)(feng)鸣(ming)器(qi)的(de)驱动电(dian)路区别主要(yao)在于(yu)无源蜂(feng)(feng)鸣(ming)器(qi)本质上是(shi)一个感(gan)性(xing)元(yuan)件(jian)，其电(dian)流(liu)不能(neng)瞬变，因(yin)此必须有一个续(xu)流(liu)二极(ji)(ji)管(guan)D1提供续(xu)流(liu)。否(fou)则，在蜂(feng)(feng)鸣(ming)器(qi)两端会有反向感(gan)应电(dian)动势，产生几(ji)十伏的(de)尖峰(feng)电(dian)压(ya)，可能(neng)损坏驱动三极(ji)(ji)管(guan)，并干扰整(zheng)个电(dian)路系统的(de)其它部(bu)分。而如果电(dian)路中工(gong)作(zuo)电(dian)压(ya)较(jiao)大，要(yao)使用(yong)耐压(ya)值较(jiao)大的(de)二极(ji)(ji)管(guan)，而如果电(dian)路工(gong)作(zuo)频(pin)率高(gao)，则要(yao)选用(yong)高(gao)速的(de)二极(ji)(ji)管(guan)。

设计这种电路的基本思路：确(que)定(ding)负载(蜂鸣器(qi)10mA~80mA)电流和(he)输(shu)入(ru)门槛(jian)电压(ya)。依据1中(zhong)的方法计算获(huo)得(de)R1与R2的值。

ULN2x03驱动电路

针对上面的驱动电路：

1.负(fu)载接的是红外(wai)二极管，其串(chuan)联电阻是限流电阻，控制红外(wai)发(fa)射强度

2.输(shu)入连接到STM32的(de)PWM功能普通IO口(kou)(设置推挽(wan)输(shu)出)，COM口(kou)接输(shu)出电压5V

针对上(shang)面的电路测(ce)试(shi)(Power=5.0V)：

1.输(shu)入3.3V，输(shu)出0.6V

2.输入0V，输出5.0V

3.输入不接，输出5.0V

所以，ULN2003/2803同(tong)样可以用(yong)于电平转换，那这是(shi)(shi)为什么呢?ULN2803/2003与三极管(guan)又有什么关系——其(qi)内部实现就是(shi)(shi)两个三极管(guan)。

其结构有3个特点：

1.输出(chu)集电极开漏，因此可以自(zi)己接(jie)上拉电阻，将信(xin)号(hao)上拉到相应的电平，ULN2803手册(ce)上说明能承受的最大电压为50V

2.数据手册(ce)上说明在Ic=250mA时的输(shu)入(ru)门槛电(dian)压(ya)为(wei)VI(on)=2.7V

3.COM端(duan)接有一个反向二极管：接到(dao)输出电(dian)源，用于驱动电(dian)机等负载电(dian)感器(qi)件时(shi)能在上下(xia)电(dian)时(shi)提供电(dian)流回路(lu)保(bao)护(hu)电(dian)路(lu);输出电(dian)压(ya)高于COM端(duan)电(dian)压(ya)，则电(dian)压(ya)会(hui)钳制在VCOM+0.4V左(zuo)右(这里的二极管压(ya)降较小)

ULN2003与(yu)ULN2803的区别仅在于(yu)ULN2003只(zhi)有8个通(tong)道，而ULN2803有9个通(tong)道。

相(xiang)对于前(qian)面(mian)的(de)(de)自己(ji)搭建的(de)(de)三(san)极管电(dian)(dian)(dian)路，其(qi)具(ju)有更(geng)好(hao)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)流驱(qu)(qu)动特性，因(yin)(yin)此，前(qian)面(mian)的(de)(de)自己(ji)搭建的(de)(de)三(san)极管电(dian)(dian)(dian)路适用(yong)于电(dian)(dian)(dian)平切换及小电(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)驱(qu)(qu)动，而(er)ULN2803及ULN2003适用(yong)于更(geng)大电(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)驱(qu)(qu)动(Datasheet上说(shuo)最大驱(qu)(qu)动电(dian)(dian)(dian)流能达到500mA左(zuo)右)。因(yin)(yin)此常(chang)用(yong)ULN2803及ULN2003(还有其(qi)它的(de)(de)如75452、MC1413、L293D)提(ti)高系(xi)统(tong)的(de)(de)带负载能力(li)(电(dian)(dian)(dian)机、大型LED、继(ji)电(dian)(dian)(dian)器(qi)等)。

三极管的作用

晶体三极管(guan)(guan)(guan)具有电(dian)(dian)流(liu)放大(da)(da)(da)作用，其实质是(shi)三极管(guan)(guan)(guan)能以基极电(dian)(dian)流(liu)微(wei)小的(de)(de)(de)(de)变化量来(lai)(lai)控制集(ji)电(dian)(dian)极电(dian)(dian)流(liu)较大(da)(da)(da)的(de)(de)(de)(de)变化量。这是(shi)三极管(guan)(guan)(guan)最基本的(de)(de)(de)(de)和最重要(yao)的(de)(de)(de)(de)特(te)性。我们将ΔIc/ΔIb的(de)(de)(de)(de)比值称为晶体三极管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)流(liu)放大(da)(da)(da)倍(bei)(bei)数，用符号“β”表示。电(dian)(dian)流(liu)放大(da)(da)(da)倍(bei)(bei)数对于某一(yi)只三极管(guan)(guan)(guan)来(lai)(lai)说是(shi)一(yi)个定值，但(dan)随着三极管(guan)(guan)(guan)工(gong)作时基极电(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)变化也会有一(yi)定的(de)(de)(de)(de)改(gai)变。

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