三極管做開關(guān)擴(kuò)流的常用電路及使用誤區(qū)

　　簡(jiǎn)介： 三極管比較便宜，用起來(lái)方便，常用在數(shù)字電路開關(guān)控制。一般來(lái)說(shuō)低成本場(chǎng)合，普通應(yīng)用的先考慮用三極管。三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號(hào)放大成輻值較大的電信號(hào)，也用作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。

　　在數(shù)字電路設(shè)計(jì)的中，往往需要把數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)開關(guān)擴(kuò)流器件來(lái)驅(qū)動(dòng)一些蜂鳴器、LED、繼電器等需要較大電流的器件，用得最多的開關(guān)擴(kuò)流器件要數(shù)三極管。然而在使用的過(guò)程中，如果電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，三極管無(wú)法工作在正常的開關(guān)狀態(tài)，就達(dá)不到預(yù)期的目的，有時(shí)就是因?yàn)檫@些小小的錯(cuò)誤而導(dǎo)致重新打板，導(dǎo)致浪費(fèi)。本人在這個(gè)方面就吃過(guò)虧，所以把自己使用三極管的一些經(jīng)驗(yàn)以及一些常見的誤區(qū)給大家分享一下，在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以減少一些不必要的麻煩。

　　下面來(lái)看幾個(gè)三極管做開關(guān)的常用電路畫法。幾個(gè)例子都是蜂鳴器作為被驅(qū)動(dòng)器件。

　　圖一的a 電路用的是NPN管，注意蜂鳴器接在三極管的集電極，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以是常見的3.3V或者5VTTL，高電平開通，電阻按照經(jīng)驗(yàn)法可以取4.7K。例如a電路，開通時(shí)假設(shè)為高電平5V，基極電流Ib=(5V-0.7V)/4.7K=0.9mA，可以使三極管完全飽和。b 電路用的是PNP管，同樣把蜂鳴器接在三極管的集電極，不同的是驅(qū)動(dòng)信號(hào)是5V的TTL電平。以上這兩個(gè)都可以正常工作，只要PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作在合適的頻率，蜂鳴器(有源)都會(huì)發(fā)出最大的聲音。

　　圖二的這兩個(gè)電路相比圖一來(lái)說(shuō)，最大的區(qū)別在于被驅(qū)動(dòng)器件接在三極管的發(fā)射極。同樣看c電路，開通時(shí)假設(shè)為高電平5V，基極電流Ib=(5V-0.7V-UL)/4.7K，其中UL為被驅(qū)動(dòng)器件上的壓降?？梢钥吹?，同樣取基極電阻為4.7K，流過(guò)的基極電流會(huì)比圖一a電路的要小，小多少要看UL是多少。如果UL比較大，那么相應(yīng)的Ib就小，很有可能導(dǎo)致三極管無(wú)法工作在飽和狀態(tài)，使得被驅(qū)動(dòng)器件無(wú)法動(dòng)作。有人會(huì)說(shuō)把基極電阻減小就可以了呀，可是被驅(qū)動(dòng)器件的壓降是很難獲知的，有些被驅(qū)動(dòng)器件的壓降是變動(dòng)的，這樣一來(lái)基極電阻就較難選擇合適的值，阻值選擇太大就會(huì)驅(qū)動(dòng)失敗，選擇太小，損耗又變大。所以，在非不得已的情況下，不建議選用圖二的這兩種電路。

　　我們?cè)賮?lái)看圖三這兩個(gè)電路。驅(qū)動(dòng)信號(hào)為3.3VTTL電平，而被驅(qū)動(dòng)器件開通電壓需要5V。在3.3V的MCU電路中，不小心的話很容易就設(shè)計(jì)出這兩種電路，而這兩種電路都是錯(cuò)誤的。先分析e電路，這是典型的“發(fā)射極正偏，集電極反偏”的放大電路，或者叫射極輸出器。當(dāng)PWM信號(hào)為3.3V時(shí)，三極管發(fā)射極電壓為3.3V-0.7V = 2.6V，無(wú)法達(dá)到期望的5V。圖三f電路也是一個(gè)很失敗的電路，首先這個(gè)電路開通是沒有問(wèn)題的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，被驅(qū)動(dòng)器件可以正常動(dòng)作。然而這個(gè)電路是無(wú)法關(guān)斷的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM為3.3V高電平的時(shí)候，Ube = 5V - 3.3V = 1.7V仍然可以使三極管開通，于是無(wú)法關(guān)斷。在這里，有人會(huì)說(shuō)用過(guò)這個(gè)電路，沒有問(wèn)題啊，而且MCU的電壓也是3.3V。我說(shuō)你用的肯定是OD(開漏)驅(qū)動(dòng)方式，而且是真正的OD或者是5V容忍的OD，比如STM32的很多IO口都可以設(shè)置為5V容忍的OD驅(qū)動(dòng)方式(但是有些是不行的)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為OD門驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，輸出高電平，信號(hào)就變成了高阻態(tài)，流過(guò)基極的電流為零，三極管可以有效關(guān)斷，這個(gè)時(shí)候f電路依然有效。

　　綜合以上幾種電路的情況分析，得到圖四這兩種個(gè)人認(rèn)為是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電路，與圖一不同的是，圖四在基極與發(fā)射極之間多加了一個(gè)100K的電阻，這個(gè)電阻也是有一定作用的，可以讓三極管有一個(gè)已知的默認(rèn)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)去除的時(shí)候，三極管還處于關(guān)斷狀態(tài)。在安全和穩(wěn)定的方面考慮，多加的這個(gè)電阻還是很有必要的，或者說(shuō)可以讓三極管工作在更好的開關(guān)狀態(tài)。

　　三極管作為開關(guān)器件，雖然驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，要使電路工作更加穩(wěn)定可靠，還是不能掉以輕心。為了不容易出錯(cuò)，個(gè)人建議是優(yōu)先采用圖四的電路，盡量不采用圖二的電路，避免使用圖三的工作狀況。