元器件必修課:用三極管打造驅動電路
發布時間:2015-02-01 責任編輯:echolady
【導讀】驅qu動dong電dian路lu可ke以yi說shuo是shi每mei一yi個ge電dian子zi工gong程cheng師shi的de必bi修xiu課ke。能neng夠gou應ying用yong不bu同tong的de電dian子zi元yuan器qi件jian打da造zao不bu同tong的de驅qu動dong電dian路lu更geng是shi重zhong中zhong之zhi重zhong。本ben文wen要yao介jie紹shao的de是shi用yong三san極ji管guan打da造zao的de3.3V-5V電平轉換電路,並分析了電路的結構特點。

圖1:3.3V-5V電平轉換電路
如上圖,左端接3.3V CMOS電平,可以是STM32、FPGA等的IO口,右端輸出為5V電平,實現3.3V到5V電平的轉換。現在來分析下各個電阻的作用(抓住的核心思路是三極管的Vbe導通時為恒定值0.7V左右):假設沒有R87,則當US_CH0的高電平直接加在三極管的BE上,>0.7V的電壓要到哪裏去呢?假設沒有R91,當US_CH0電平狀態不確定時,默認是要Trig輸出高電平還是低電平呢?因此R91起到固定電平的作用。同時,如果無R91,則隻要輸入>0.7V就導通三極管,門檻電壓太低了,R91有提升門檻電壓的作用(可參見第二小節關於蜂鳴器的分析)。但是,加了R91又要注意了:R91如果太小,基極電壓近似:

隻有Vb>0.7V時才能使US_CH0為高電平時導通,上圖的Vb=1.36V。假設沒有R83,當輸入US_CH0為高電平(三極管導通時),D5V0(5V高電平)直接加在三極管的CE級,而三極管的CE,三極管很容易就損壞了。
再進一步分析其工作機理:當輸入為高電平,三極管導通,輸出鉗製在三極管的Vce,對電路測試結果僅0.1V。當輸入為低電平,三極管不導通,輸出相當於對下一級電路的輸入使用10K電阻進行上拉,實際測試結果為5.0V(空載)。請注意,對於大電流的負載,上麵電路的特性將表現的不那麼好,因此這裏一直強調——該電路僅適用於10幾mA到幾十mA的負載的電平轉換。
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蜂鳴器驅動電路
上麵是從周立功的iMX283開發板上載下的電路,既可以是有源也可以是無源蜂鳴器。來分析下:計算下各處的電流(S9013的β=120,設蜂鳴器電流15mA):輸入為高電平的門檻電壓計算為:

R1起到了提供門檻電壓的作用。
有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅動電路區別主要在於無源蜂鳴器本質上是一個感性元件,其電流不能瞬變,因此必須有一個續流二極管D1提(ti)供(gong)續(xu)流(liu)。否(fou)則(ze),在(zai)蜂(feng)鳴(ming)器(qi)兩(liang)端(duan)會(hui)有(you)反(fan)向(xiang)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢(shi),產(chan)生(sheng)幾(ji)十(shi)伏(fu)的(de)尖(jian)峰(feng)電(dian)壓(ya),可(ke)能(neng)損(sun)壞(huai)驅(qu)動(dong)三(san)極(ji)管(guan),並(bing)幹(gan)擾(rao)整(zheng)個(ge)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)的(de)其(qi)它(ta)部(bu)分(fen)。而(er)如(ru)果(guo)電(dian)路(lu)中(zhong)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)較(jiao)大(da),要(yao)使(shi)用(yong)耐(nai)壓(ya)值(zhi)較(jiao)大(da)的(de)二(er)極(ji)管(guan),而(er)如(ru)果(guo)電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)高(gao),則(ze)要(yao)選(xuan)用(yong)高(gao)速(su)的(de)二(er)極(ji)管(guan)
設計這種電路的基本路子是:確定負載(蜂鳴器10mA~80mA)電流和輸入門檻電壓。依據1中的方法計算獲得R1與R2的值。針對下麵的驅動電路,負載接的是紅外二極管,其串聯電阻是限流電阻,控製紅外發射強度。輸入連接到STM32的PWM功能普通IO口(設置推挽輸出),COM口接輸出電壓5V。

圖2:ULN2x03驅動電路
針對上麵的電路測試(Power=5.0V):
輸入3.3V,輸出0.6V;
輸入0V,輸出5.0V;
輸入不接,輸出5.0V;
所以,ULN2003/2803同樣可以用於電平轉換,那這是為什麼呢?ULN2803/2003與三極管又有什麼關係——其內部實現就是兩個三極管。

圖3:ULN2803/2003
其結構有3個特點:
輸出集電極開漏,因此可以自己接上拉電阻,將信號上拉到相應的電平,ULN2803手冊上說明能承受的最大電壓為50V。數據手冊上說明在Ic=250mA時的輸入門檻電壓為VI(on)=2.7V。COM端接有一個反向二極管:接到輸出電源,用於驅動電機等負載電感器件時能在上下電時提供電流回路保護電路;輸出電壓高於COM端電壓,則電壓會鉗製在VCOM+0.4V左右(這裏的二極管壓降較小)。ULN2003與ULN2803的區別僅在於ULN2003隻有8個通道,而ULN2803有9個通道。
相xiang對dui於yu前qian麵mian的de自zi己ji搭da建jian的de三san極ji管guan電dian路lu其qi具ju有you更geng好hao的de電dian流liu驅qu動dong特te性xing,因yin此ci前qian麵mian的de自zi己ji搭da建jian的de三san極ji管guan電dian路lu適shi用yong於yu電dian平ping切qie換huan及ji小xiao電dian流liu的de驅qu動dong,而erULN2803及ULN2003適用於更大電流的驅動(Datasheet上說最大驅動電流能達到500mA左右)。因此常用ULN2803及ULN2003(還有其它的如75452、MC1413、L293D)提高係統的帶負載能力(電機、大型LED、繼電器等)。
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