三極管驅(qū)動電路與電平轉(zhuǎn)換分析-三極管作用有哪些

三極管概述

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，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號，也用作無觸點(diǎn)開關(guān)。

三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，兩個PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。

三極管的電平轉(zhuǎn)換-3.3V-5V電平轉(zhuǎn)換電路

如上圖，左端接3.3VCMOS電平，可以是STM32、FPGA等的IO口，右端輸出為5V電平，實(shí)現(xiàn)3.3V到5V電平的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)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(dǎo)通時為恒定值0.7V左右)：

假設(shè)沒有R87，則當(dāng)US_CH0的高電平直接加在三極管的BE上，>0.7V的電壓要到哪里去呢？

假設(shè)沒有R91，當(dāng)US_CH0電平狀態(tài)不確定時，默認(rèn)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，則只要輸入>0.7V就導(dǎo)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(jié)關(guān)于蜂鳴器的分析)。

但是，加了R91又要注意了：R91如果太小，基極電壓近似。

只有Vb>0.7V時才能使US_CH0為高電平時導(dǎo)通，上圖的Vb=1.36V

假設(shè)沒有R83，當(dāng)輸入U(xiǎn)S_CH0為高電平(三極管導(dǎo)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(jìn)一步分析其工作機(jī)理：

當(dāng)輸入為高電平，三極管導(dǎo)通，輸出鉗制在三極管的Vce，對電路測試結(jié)果僅0.1V

當(dāng)輸入為低電平，三極管不導(dǎo)通，輸出相當(dāng)于對下一級電路的輸入使用10K電阻進(jìn)行上拉，實(shí)際測試結(jié)果為5.0V(空載)。

請注意：

對于大電流的負(fù)載，上面電路的特性將表現(xiàn)的不那么好，因此這里一直強(qiáng)調(diào)——該電路僅適用于10幾mA到幾十mA的負(fù)載的電平轉(zhuǎn)換。

蜂鳴器驅(qū)動電路

上面是從周立功的iMX283開發(fā)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(jì)算下各處的電流(S9013的β=120，設(shè)蜂鳴器電流15mA)：

輸入為高電平的門檻電壓計(jì)算為：

R1起到了提供啊門檻電壓的作用。

有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅(qū)動電路區(qū)別主要在于無源蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個續(xù)流二極管D1提供續(xù)流。否則，在蜂鳴器兩端會有反向感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅(qū)動三極管，并干擾整個電路系統(tǒng)的其它部分。而如果電路中工作電壓較大，要使用耐壓值較大的二極管，而如果電路工作頻率高，則要選用高速的二極管。

設(shè)計(jì)這種電路的基本思路：確定負(fù)載(蜂鳴器10mA~80mA)電流和輸入門檻電壓。依據(jù)1中的方法計(jì)算獲得R1與R2的值。

ULN2x03驅(qū)動電路

針對上面的驅(qū)動電路：

1.負(fù)載接的是紅外二極管，其串聯(lián)電阻是限流電阻，控制紅外發(fā)射強(qiáng)度

2.輸入連接到STM32的PWM功能普通IO口(設(shè)置推挽輸出)，COM口接輸出電壓5V

針對上面的電路測試(Power=5.0V)：

1.輸入3.3V，輸出0.6V

2.輸入0V，輸出5.0V

3.輸入不接，輸出5.0V

所以，ULN2003/2803同樣可以用于電平轉(zhuǎn)換，那這是為什么呢?ULN2803/2003與三極管又有什么關(guān)系——其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就是兩個三極管。

其結(jié)構(gòu)有3個特點(diǎn)：

1.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(yīng)的電平，ULN2803手冊上說明能承受的最大電壓為50V

2.數(shù)據(jù)手冊上說明在Ic=250mA時的輸入門檻電壓為VI(on)=2.7V

3.COM端接有一個反向二極管：接到輸出電源，用于驅(qū)動電機(jī)等負(fù)載電感器件時能在上下電時提供電流回路保護(hù)電路;輸出電壓高于COM端電壓，則電壓會鉗制在VCOM+0.4V左右(這里的二極管壓降較小)

ULN2003與ULN2803的區(qū)別僅在于ULN2003只有8個通道，而ULN2803有9個通道。

相對于前面的自己搭建的三極管電路，其具有更好的電流驅(qū)動特性，因此，前面的自己搭建的三極管電路適用于電平切換及小電流的驅(qū)動，而ULN2803及ULN2003適用于更大電流的驅(qū)動(Datasheet上說最大驅(qū)動電流能達(dá)到500mA左右)。因此常用ULN2803及ULN2003(還有其它的如75452、MC1413、L293D)提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力(電機(jī)、大型LED、繼電器等)。

三極管的作用

晶體三極管具有電流放大作用，其實(shí)質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號“β”表示。電流放大倍數(shù)對于某一只三極管來說是一個定值，但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。

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