三极管当开关要注意的事项

发布时间：2021-02-23 14:41:11
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三极管当开关要注意的事项

下面是一些使用三极管的经验，以及常见的误区，注意到它们，在电路设计的过程中可以减少一些不必要的麻烦。遗憾的是目前为止还经常看到人们在不明不白的用着它们，却没有被发现和引起必要的重视。
三极管当开关

下面看几个三极管做开关的常用电路画法。都是以蜂鸣器作为被驱动器件举例。

图1的左边NPN管，蜂鸣器接在三极管的集电极，驱动信号是常见的3.3V或5VTTL，高电平导通，电阻按照经验法可以取4.7K。如左电路开通时假设为高电平5V，基极电流Ib=(5V-0.7V)/4.7K=0.9mA，可以使三极管完全饱和，但如果是右边电路用的是PNP管，蜂鸣器同样接在三极管的集电极，不同的是驱动信号是5VTTL电平。以上这两个都可以正常工作，只要PWM驱动信号工作在合适的频率，蜂鸣器(有源)就会发出最大的声音。
三极管当开关

图2的这两个电路相比图1来说，最大的区别在于被驱动器件接在三极管的发射极。看左电路，开通时假设为高电平5V，基极电流Ib=(5V-0.7V-UL)/4.7K，其中UL为负载上的压降。可以看到，同样取基极电阻为4.7K，流过的基极电流会比图1左边电路的要小，小多少要看UL是多少。如果UL比较大，那么相应的Ib就小，很有可能导致三极管无法工作在饱和状态，使得被驱动器件无法动作。有人会说把基极电阻减小就可以呀，可是被驱动器件的压降是很难获知的，有些被驱动器件的压降是变动的，这样基极电阻就较难选择合适的值，阻值选择太大就会驱动失败，选择太小损耗又增加。所以，在非不得已的情况下，强烈不建议选用图2的这两种电路。可是很多人就是不分图1左和图2右。
三极管当开关

再来看图3这两个电路，如果驱动信号为3.3VTTL电平，而被驱动器件开通电压需要5V。在3.3V的MCU电路中，很容易就设计出这两种电路，而这两种电路都是错误的。先分析左边电路，这是典型射极输出器。当PWM信号为3.3V时，三极管发射极电压为3.3V-0.7V=2.6V，无法达到期望的5V。右边电路也是个很失败的电路，首先这个电路开通是没有问题的，也就是当驱动信号为低电平时，被驱动器件可以正常动作。然而这个电路是无法关断的，当驱动信号PWM为3.3V高电平的时候，Ube=5V-3.3V=1.7V仍然可以使三极管开通，于是无法关断。在这里，有人会说用过这个电路，没有问题啊，而且MCU的电压也是3.3V。我说你用的肯定是OD(开漏)驱动方式，而且是真正的OD或者是5V容忍的OD，比如STM32的很多IO口都可以设置为5V容忍的OD驱动方式(但是有些是不行的)。当驱动信号为OD门驱动方式时，输出高电平，信号就变成了高阻态，流过基极的电流为零，三极管可以有效关断，这个时候右边电路依然有效。
三极管当开关

综合以上几种电路的情况分析，得到图4这两种个人认为是最优的驱动电路，与图1不同的是，图4在基极与发射极之间多加了一个10K的电阻，这个电阻也是有一定作用的，可以让三极管有一个已知的默认状态。当输入信号未加入的时候，三极管还处于关断状态。在安全和稳定的方面考虑，多加这个电阻是很有必要的，或者说可以让三极管工作在更好的开关状态。

三极管作为开关器件，虽然驱动电路很简单，要使电路工作更加稳定可靠，还是不能掉以轻心。为了不容易出错，个人建议是优先采用图4的电路，尽量不采用图2的电路，避免使用图3的工作状况。

即便如此还是需要注意一些问题，我们再来思考一下，如果图4的驱动信号都是3VTTL电平，左图的Ib=(3.3V-0.7V)/4.7K=0.55mA，需要考虑是否该把4.7k电阻减小一些，此时(Ic大电流hFE会减小)按照B(贝塔)=50来计算，Ic=0.55*50=27.5mA,就要看负载是否需要这个电流了，再考虑该怎么调整基极电阻。而右图将可能会发生一个很严重的问题，由于MCU系统为3.3V，外部的VCC_5V将通过e极以及那两个电阻对芯片造成电流“倒灌”，这毕竟是个隐患，我们来看看GPIO的内部结构就明白为什么这有风险了。
三极管当开关