三極管開(kāi)關(guān)電路原理及計(jì)算選型

1.電路原理

三極管開(kāi)關(guān)電路常用于驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥、水泵、LED等電氣件。本文以繼電器驅(qū)動(dòng)電路為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路原理如圖1所示。

圖1

開(kāi)關(guān)作用的三極管工作于飽和區(qū)與截止區(qū)。設(shè)計(jì)要確保開(kāi)通時(shí)的三極管具有足夠大的基極輸入電流或具有足夠大的放大倍數(shù)，使得集電極電流Ic<β*Ib，三極管即可工作于飽和區(qū)。如果三極管工作在線性放大區(qū)的話(huà)，將會(huì)極大地增加三極管的耗散功率，進(jìn)而使三極管發(fā)熱量增大而發(fā)燙，甚至損壞。

繼電器一般用于控制大電流的負(fù)載，比如加熱管、電機(jī)等。圖1電路的工作原理如下：主控輸出高電平給NPN三極管Q1的基極時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通過(guò)電流，繼而產(chǎn)生磁場(chǎng)吸合內(nèi)部的彈片，輸出回路導(dǎo)通；主控輸出低電平時(shí)，三極管截止，繼電器線圈斷開(kāi)沒(méi)有電流，輸出回路斷開(kāi)。

下面介紹各元器件在電路中的作用。

由于繼電器、電機(jī)等負(fù)載為感性負(fù)載，在截?cái)嚯娏鲿r(shí)由于電感的自感效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)（楞次定律），這個(gè)電壓一般會(huì)超過(guò)三極管的集電極-基極電壓、集電極-發(fā)射極電壓的最大額定值VCBO、VCEO，從而使三極管被擊穿損壞。

因此實(shí)際應(yīng)用中會(huì)給負(fù)載并聯(lián)一個(gè)二極管D1，注意方向不能反，否則會(huì)導(dǎo)致電源短路。當(dāng)三極管截止負(fù)載產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)時(shí)，三極管集電極電位大于（12+0.7）V時(shí)，二極管就會(huì)導(dǎo)通，將集電極電壓鉗位在12.7V（0.7V為二極管的導(dǎo)通壓降），從而防止三極管被擊穿。因此，這個(gè)二極管被稱(chēng)為續(xù)流二極管。

電阻R2的作用是為三極管提供足以工作在飽和區(qū)的基極電流，同時(shí)進(jìn)行限流。電阻R3的作用是確保三極管基極輸入端開(kāi)路時(shí)，基極電位等于發(fā)射極電位，三極管能夠可靠截止。

2.計(jì)算選型

繼電器：根據(jù)實(shí)際控制的負(fù)載功率進(jìn)行選擇，本設(shè)計(jì)中選用5A規(guī)格，部分參數(shù)如圖2所示，從中可知繼電器接通觸點(diǎn)的動(dòng)作電壓≥9V，斷開(kāi)觸點(diǎn)的釋放電壓≤0.6V，線圈電阻320R，因此設(shè)計(jì)的三極管開(kāi)關(guān)電路，必須保證開(kāi)通和截止時(shí)的繼電器電壓滿(mǎn)足此要求。

圖2

三極管：根據(jù)繼電器的規(guī)格書(shū)可知，負(fù)載電源為12V，負(fù)載電流I=12/320=37.5mA。因此三極管的VCBO、VCEO至少應(yīng)大于12V，集電極電流IC應(yīng)大于37.5mA，最終選擇M8050，規(guī)格參數(shù)如圖3和圖4所示。

圖3

圖4

二極管：反向電壓應(yīng)該大于負(fù)載電源電壓，正向電流大于負(fù)載電流，選擇1N4148，VR=75V，IF=200mA，IFRM=450mA，如圖5所示。

圖5

電阻R2和R3：為了使三極管工作在飽和區(qū)，基極電流應(yīng)該大一些，保險(xiǎn)起見(jiàn)，至少應(yīng)大于使用hFE的最低值計(jì)算得到基極電流的1.5倍。此例中，負(fù)載電流IC=37.5mA，由圖4可知三極管hFE最小值為45，可得基極電流IB=37.5/45=0.83mA，最終取為2倍大小2mA。由于三極管發(fā)射極接地，其電位為0，基極電位比發(fā)射極高0.6V，因此，當(dāng)輸入信號(hào)為3.3V時(shí)，電阻R2兩端的壓降為（3.3-0.6）=2.7V，R2=2.7/2=1.35KR，取為1KR。該計(jì)算過(guò)程省略了流過(guò)電阻R3的電流，因此R3取值要大一點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將R3取為10K，流過(guò)的電流為0.6/10K=0.06mA，相比基極電流確實(shí)可以忽略不計(jì)。但R3也不能太大，否則較小的電流通過(guò)R3時(shí)，容易引起三極管誤觸發(fā)。

RC Snubber吸收電路：繼電器比較特殊的一點(diǎn)是，其觸點(diǎn)控制的負(fù)載如果也是感性負(fù)載的話(huà)，那么在觸點(diǎn)斷開(kāi)的瞬間，同樣會(huì)由于電感的自感效應(yīng)而產(chǎn)生非常大的反向電動(dòng)勢(shì)，從而在繼電器觸點(diǎn)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，降低繼電器的壽命，而且會(huì)影響EMC性能。因此，需要在繼電器觸點(diǎn)兩端并聯(lián)RC吸收電路，降低該干擾影響。電阻R1選取0.5W~1W，100R左右的金屬氧化膜電阻，C1選擇0.1uF的交流安規(guī)X電容。如果繼電器觸點(diǎn)控制的負(fù)載不是感性負(fù)載，RC吸收電路可以取消。