模电学习3. MCU接三极管开关电路简单分析

Posted 2023-02-16 编程圈子

模电学习3. MCU接三极管开关电路简单分析

• 一、说明
• 二、使用NPN型三极管工作状态分析
• • 1. 饱和状态基本要求
  • 2. 计算限流电阻R2
  • 3. $I_b$
  • 4. 计算 $R_b$
  • 5. 下拉电阻
• 三、使用PNP型三极管工作状态分析
• • 1. 示例原理图
  • 2. IO输出低电平
  • 3. IO输出高电平

一、说明

本文演示了一个使用MCU驱动小功率器件时，采用三极管来驱动器件，这时限流电阻应该如何选取。

如上图所示：

• 使用单片机IO口控制一个小功率器件，这里使用了一个灯烛。
• 假设负载的导通压降为2V，额定工作电流20mA；
• 本文假设mcu输出的低电平为0V，高电平为3.3V；
• 三极管的导通电压假设为0.7V；
• VCC电压假设为5V。

二、使用NPN型三极管工作状态分析

1. 饱和状态基本要求

采用的三极管是一个NPN型三极管，其作为开关使用时，工作在饱和状态，要求：

• $U_{be}>U_{on}$
• $U_{be}>U_{ce}$

公式中：

• $U_{on}$ 表示开启电压

$U_{ce}$可以近似看为0，

• mcu输出低电平 , 这时三极管处于截止状态，负载电流为0。
• mcu输出高电平，这时三极管饱和导通。

2. 计算限流电阻R2

负载的工作电压2V，可以计算出R2上的分压为3V，由此计算R2阻值：
$$R2=\frac{5V-2V}{20mA}=150\Omega$$

3. $I_b$

为了让$U_{ce}$尽可能小，三极管处于深度饱和状态，一般取$I_b$为$I_c$的 十分之一，即：
$$I_b=\frac{1}{10}\ast I_c=2mA$$

4. 计算 $R_b$

三极管的导通电压约为0.7V，计算R1的阻值：
$$R_b=\frac{3.3V-0.7V}{2mA}=1.3K\Omega$$

这时的电路是这样的：

5. 下拉电阻

上面的电路中，在单片机上电时，如果IO处于输入状态，则其电压可能处于不确定的状态。实际电路中，会在三极管的基极加一个下拉电阻，以让IO口在上电时有一个确定的电平 。下拉电阻的取值一般是10K。

如上图所示，由于 $U_{b}e$ 仍为0.7V，R3上的电压也是0.7V，R3会分担0.7mA的电流，相对于$I_b$的2mA电流，影响并不大。

三、使用PNP型三极管工作状态分析

1. 示例原理图

这里三极管接的VCC假设与IO上拉采用相同电压值。

2. IO输出低电平

这时三极管处于饱和导通状态。

3. IO输出高电平

正常情况下，这时三极管处理截止状态。
需要注意的是，如果mcu的高电平是3.3V，而外面上拉电压是5V，这时PNP仍有可能处于饱和导通状态。而且5V电压有可能通过IO反灌到MCU，可能会造成MCU烧毁。
所以一般这种电路采用NPN型三极管的比较多一些。