三極體的電平轉換及驅動電路分析

2021-01-08 OFweek維科網

  3.3V-5V電平轉換電路

  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體的Vbe導通時為恆定值0.7V左右):

  假設沒有R87,則當US_CH0的高電平直接加在三極體的BE上,>0.7V的電壓要到哪裡去呢?

  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,則只要輸入>0.7V就導通三極體,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

  只有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(三極體導通時),D5V0(5V高電平)直接加在三極體的CE級,而三極體的CE,三極體很容易就損壞了。

  再進一步分析其工作機理:

  當輸入為高電平,三極體導通,輸出鉗制在三極體的Vce,對電路測試結果僅0.1V

  當輸入為低電平,三極體不導通,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,上面電路的特性將表現的不那麼好,因此這裡一直強調——該電路僅適用於10幾mA到幾十mA的負載的電平轉換。

  蜂鳴器驅動電路

  上面是從周立功的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起到了提供啊門檻電壓的作用。

  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體D1提供續流。否則,在蜂鳴器兩端會有反向感應電動勢,產生幾十伏的尖峰電壓,可能損壞驅動三極體,並幹擾整個電路系統的其它部分。而如果電路中工作電壓較大,要使用耐壓值較大的二極體,而如果電路工作頻率高,則要選用高速的二極體

  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。

  ULN2x03驅動電路

  針對上面的驅動電路:

  1.負載接的是紅外二極體,其串聯電阻是限流電阻,控制紅外發射強度

  2.輸入連接到STM32的PWM功能普通IO口(設置推輓輸出),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同樣可以用於電平轉換,那這是為什麼呢?ULN2803/2003與三極體又有什麼關係——其內部實現就是兩個三極體。

  其結構有3個特點:

  1.輸出集電極開漏,因此可以自己接上拉電阻,將信號上拉到相應的電平,ULN2803手冊上說明能承受的最大電壓為50V

  2.數據手冊上說明在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體: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迴路保護電路;輸出電壓高於COM端電壓,則電壓會鉗制在VCOM+0.4V左右(這裡的二極體壓降較小)

  ULN2003與ULN2803的區別僅在於ULN2003隻有8個通道,而ULN2803有9個通道。

  相對於前面的自己搭建的三極體電路,其具有更好的電流驅動特性,因此,前面的自己搭建的三極體電路適用於電平切換及小電流的驅動,而ULN2803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)提高系統的帶負載能力(電機、大型LED、繼電器等)。

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