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 I_b Ib
- 4. 计算 R b R_b Rb
- 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 b e > U o n U_{be} > U_{on} Ube>Uon
- U b e > U c e U_{be} > U_{ce} Ube>Uce
公式中：
- U o n U_{on} Uon 表示开启电压
U
c
e
U_{ce}
Uce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：
R
2
=
5
V
−
2
V
20
m
A
=
150
Ω
R2 = \frac{5V-2V}{20mA} = 150 \Omega
R2=20mA5V−2V=150Ω
3. I b I_b Ib
为了让
U
c
e
U_{ce}
Uce尽可能小，三极管处于深度饱和状态，一般取
I
b
I_{b}
Ib为
I
c
I_{c}
Ic的 十分之一，即：
I
b
=
1
10
∗
I
c
=
2
m
A
I_b = \frac{1}{10} * I_c = 2 mA
Ib=101∗Ic=2mA
4. 计算 R b R_b Rb
三极管的导通电压约为0.7V，计算R1的阻值：
R
b
=
3.3
V
−
0.7
V
2
m
A
=
1.3
K
Ω
R_b = \frac{3.3V-0.7V}{2mA} = 1.3K\Omega
Rb=2mA3.3V−0.7V=1.3KΩ
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
U_be
Ube 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
I_b
Ib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。
