下面是一些使用三極管的經(jīng)驗(yàn)，以及常見的誤區(qū)，注意到它們，在電路設(shè)計(jì)的過程中可以減少一些不必要的麻煩。遺憾的是目前為止還經(jīng)常看到人們?cè)诓幻鞑话椎挠弥鼈儯瑓s沒有被發(fā)現(xiàn)和引起必要的重視。
下面看幾個(gè)三極管做開關(guān)的常用電路畫法。都是以蜂鳴器作為被驅(qū)動(dòng)器件舉例。
圖1的左邊NPN管，蜂鳴器接在三極管的集電極，驅(qū)動(dòng)信號(hào)是常見的3.3V或5VTTL，高電平導(dǎo)通，電阻按照經(jīng)驗(yàn)法可以取4.7K。如左電路開通時(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，但如果是右邊電路用的是PNP管，蜂鳴器同樣接在三極管的集電極，不同的是驅(qū)動(dòng)信號(hào)是5VTTL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)就會(huì)發(fā)出最大的聲音。
圖2的這兩個(gè)電路相比圖1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。看左電路，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為負(fù)載上的壓降。可以看到，同樣取基極電阻為4.7K，流過的基極電流會(huì)比圖1左邊電路的要小，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，選擇太小損耗又增加。所以，在非不得已的情況下，強(qiáng)烈不建議選用圖2的這兩種電路。可是很多人就是不分圖1左和圖2右。
再來(lái)看圖3這兩個(gè)電路，如果驅(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，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。先分析左邊電路，這是典型射極輸出器。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。右邊電路也是個(gè)很失敗的電路，首先這個(gè)電路開通是沒有問題的，也就是當(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)用過這個(gè)電路，沒有問題啊，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)，流過基極的電流為零，三極管可以有效關(guān)斷，這個(gè)時(shí)候右邊電路依然有效。
綜合以上幾種電路的情況分析，得到圖4這兩種個(gè)人認(rèn)為是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)電路，與圖1不同的是，圖4在基極與發(fā)射極之間多加了一個(gè)10K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)未加入的時(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，多加這個(gè)電阻是很有必要的，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4的電路，盡量不采用圖2的電路，避免使用圖3的工作狀況。
即便如此還是需要注意一些問題，我們?cè)賮?lái)思考一下，如果圖4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是3VTTL電平，左圖的Ib=(3.3V-0.7V)/4.7K=0.55mA，需要考慮是否該把4.7k電阻減小一些，此時(shí)(Ic大電流hFE會(huì)減小)按照B(貝塔)=50來(lái)計(jì)算，Ic=0.55*50=27.5mA,就要看負(fù)載是否需要這個(gè)電流了，再考慮該怎么調(diào)整基極電阻。而右圖將可能會(huì)發(fā)生一個(gè)很嚴(yán)重的問題，由于MCU系統(tǒng)為3.3V，外部的VCC_5V將通過e極以及那兩個(gè)電阻對(duì)芯片造成電流“倒灌”，這畢竟是個(gè)隱患，我們來(lái)看看GPIO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就明白為什么這有風(fēng)險(xiǎn)了。
請(qǐng)注意輸入輸出管腳!
請(qǐng)注意上圖紅色部分的保護(hù)二極管，它是如何“竄入”MCU系統(tǒng)的電源系統(tǒng)的，即使壓差小不會(huì)在成保護(hù)二極管正向擊穿，也會(huì)把5V電源系統(tǒng)的干擾引入MCU的電源系統(tǒng)，如果右邊的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電流變化大，那這種干擾引入后對(duì)MCU系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很致命的，很可能導(dǎo)致莫名的重啟死機(jī)。
在兩個(gè)電源電壓差比較小的情況下可能走運(yùn)，電路沒出故障，而一旦養(yǎng)成這種習(xí)慣，次數(shù)多了或者以后項(xiàng)目電源電壓不同，就可能發(fā)生問題，這時(shí)候不知道去哪里找原因那就太遺憾了。這種情況該怎么解決呢?主要是要做好隔離，比如光耦隔離，我所采用的是如下的方法：
以犧牲電路復(fù)雜性來(lái)?yè)Q取可靠穩(wěn)定性，同時(shí)也變成了高電平驅(qū)動(dòng)。或者是如下：
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