求教如何计算三极管作为开关的电路参数

只看该作者 · 2019-1-13 22:20

本帖最后由 brucewoo 于 2019-1-13 22:22 编辑

大家好。

对模拟电路不熟悉，请教一下：1，三极管为S8050，目标是用作开关，导通负载，负载是电阻型的，阻值约为32欧姆。
2，控制信号是STM32输出的3.3V PWM。
3，要让三极管饱和,看8050手册上写Vbe(SAT)=0.92~1.2V，但网上搜索了一下，很多帖子是按照Vbe=0.7V来计算的。请问是我的理解偏差了吗？
4，目前暂定R1=1K。要让三极管饱和，同时尽可能减少PWM引脚的功耗，R1应该怎样选择和计算？

谢谢大家！

8050.pdf (128.92 KB)

只看该作者 · 2019-1-14 10:59

假设开关信号频率不高，三极管允许进入深度饱和状态。

集电极电流估计：
Ic = (5V - 0.5V) / 32 Ω = 140.625 mA

根据数据手册，电流放大倍数至少在 40 以上。
以 hfe = 40 估算，有 Ib = Ic / hfe = 140.625 mA / 40 = 3.515625 mA
即基极电流在 3.515625 mA 以上三极管就能进入饱和状态。
注：一般单片机输出 3.5 mA 以上的电流应该没问题。

根据数据手册，最大 BE 结饱和压降 VBE(SAT) = 1.2V 。
基极电阻为 R1 = (3.3V - 1.2V) / 3.515625 mA = 597 Ω
取 R1 = 560 Ω

如果开关频率、功耗……等有要求，则可能需要提高 R1 的阻值。
比如通过实验确定饱和临界点的 Ib、Ic 的统计分布数据，
设置 Ib 到 99% 置信下限 / (1.5～2.0) ，应该就能获得满意的设计效果。

只看该作者 · 2019-1-14 11:12

Jack315 发表于 2019-1-14 10:59
假设开关信号频率不高，三极管允许进入深度饱和状态。

集电极电流估计：

很详细，谢谢！

在另外一个论坛里有网友给了我另外一份数据手册，比我在1楼放的更详细。
如果我根据新的这份数据表来推导，请指点一下我这个推导步骤对不对：
1，电源5V，负载32欧姆，所以 Ic=5/32=156 mA
2，取hFE=100, Ibe=Ic/hFE=1.56 mA
3，按照你提供的手册，Ic=156 mA 对应大概的Vbe压降是0.8 V
4，(3.3-0.8)/1.56mA=1.6 K ohm
所以我选择1K的电阻应该是合理的，或者可以串多两个220欧的凑成1.5K左右也能达到饱和条件，而且能减少b脚的耗电？请问这样推导的思路正确吗？

S8050.pdf (322.36 KB)

只看该作者 · 2019-1-14 13:00

brucewoo 发表于 2019-1-14 11:12
很详细，谢谢！

在另外一个论坛里有网友给了我另外一份数据手册，比我在1楼放的更详细。

思路是一样的，在估计参数的时候，差异比较大……

如果保守一点，可以取 R1 小点，但功耗大、开关脉冲边沿不陡。
另外，实际的三极管个体之间、批次之间也会有（比较大的）差异。
要想设计得比较理想，需要上面说的通过实验来确定进入饱和状态的临界 Ib、Ic 的分布。
没有这样的数据，宜采取保守的设计（较小的 R1 值），
以牺牲功耗和开关速度来确保电路功能正确。

只看该作者 · 2019-1-14 14:18

Jack315 发表于 2019-1-14 13:00
思路是一样的，在估计参数的时候，差异比较大……

如果保守一点，可以取 R1 小点，但功耗大、开关脉冲边 ...

好的，谢谢指教。

只看该作者 · 2019-1-14 15:01

【实验方法确定饱和临界点】

原理图：

仿真波形：

读数：

通过改变 R1 的值，并测量 Vce 的值，得到下列数据：

可以看到饱和临界点对应 R1 = 5K 附近。
对饱和区和放大区分别建立关系曲线，得到下列结果：

联合饱和区和放大区的方程，可以求出其交点，
即饱和临界点对应的 R1 值：

只看该作者 · 2019-1-14 15:11

本帖最后由 Jack315 于 2019-1-14 22:02 编辑

对不同批次的多个同型号的三极管，用同样的方法可以得到饱和临界的所对应的 R1 值的一个分布。

假设这个分布的均值为 4K， 99% 置信下限为 3.5K，则电阻的 99% 置信上限值可取：
R1 <= 3.5 - (4.0 - 3.5) = 3K

假设使用的是 10% 精度的电阻，即 10% × 标称值 = 3 × 标准偏差，
则宜取 6 × 标准偏差作为间隔，得到电阻标称值 × (1 + 10% × 2) <= 3K
即 R1 <= 2.5K，取 R1 = 2.2K (10%)

只看该作者 · 2019-1-14 15:18

如果要求更高，希望设计做到万无一失，
请参考下列帖子的设计方法：
六西格玛设计（DFSS）案例 —— 三角波发生器

因为影响性能的除了电阻 R1 外，其它参数也同样有变异，
如电源电压、单片机输出电压，负载以及三极管参数等。

只看该作者 · 2019-1-14 19:57

Jack315 发表于 2019-1-14 15:18
如果要求更高，希望设计做到万无一失，
请参考下列帖子的设计方法：
六西格玛设计（DFSS）案例 —— 三角波 ...

非常感谢这位兄弟的耐心指点！
您的一系列回答对我的帮助非常大，接下来我会好好学习你提到的帖子。
谢谢！

只看该作者 · 2019-1-15 10:34

Jack315 发表于 2019-1-14 13:00
思路是一样的，在估计参数的时候，差异比较大……

如果保守一点，可以取 R1 小点，但功耗大、开关脉冲边 ...

你好，这句有点不明白。“如果保守一点，可以取 R1 小点，但功耗大、开关脉冲边沿不陡”。R越小，R和输入电容组成的RC延时不是越小吗？则开关脉冲延不是越陡峭吗？请指导，谢谢！

只看该作者 · 2019-1-15 14:40

xiaxingxing 发表于 2019-1-15 10:34
你好，这句有点不明白。“如果保守一点，可以取 R1 小点，但功耗大、开关脉冲边沿不陡”。R越小，R和输入 ...

这是一个方面……

另一个方面是 R1 越小，饱和越深，退出饱和的时间越长。
最终结果看哪方面的因素起决定作用。

1万 · 2019-1-16 17:28

既然需要降低驱动功耗，改用 MOSFET 不是更好？

只看该作者 · 2019-1-16 21:33

xch 发表于 2019-1-16 17:28
既然需要降低驱动功耗，改用 MOSFET 不是更好？

你好，我没怎么用过MOS管，所以目前还是用8050, 8550这种常见的三极管来做实验。
请教一下，在这种场合(3.3V-5v，电流500mA-1A左右)，用什么型号的MOS管呢？
麻烦P沟和N沟的都推荐一下，最好有直插的，如果是贴片的，最好也是SOT223这类比较大的封装，焊在洞洞板上还比较容易。
谢谢。

只看该作者 · 2019-1-16 23:47

brucewoo 发表于 2019-1-16 21:33
你好，我没怎么用过MOS管，所以目前还是用8050, 8550这种常见的三极管来做实验。
请教一下，在这种场合(3. ...

作为开关应用场合，考虑 MOS 管的时候一般为低端 (Low Side) 开关，即 N 沟道的 MOS 管。

以安森美 (Onsemi) 产品为例，选择 MOS 管的链接如下：MOSFETs
www.onsemi.cn/PowerSolutions/parametrics/809/products
从这个网页上可以下载 MOS 管的 Excel 表格。

选择条件：
Vgs(th) = 3.3V / 2 = 1.65V 左右；
Id > 500mA；

可以在网页上选，也可以在下载的 Excel 文档里选。
LZ 看看有没有合适的。

只看该作者 · 2019-1-17 00:11

忽略三极管的压降，负载上的功耗为：
5V ^ 2 / 32 ohm = 781.25 mW
三极管饱和时的功耗为：
0.15V × 5V / 32 ohm = 0.9 mW （可以忽略不计）
基极电阻上的功率，按 100 倍电流放大倍数计算为：
5 k × (5 V / 32 ohm / 100) ^ 2 = 12 mW （可以忽略不计）

因此，除非是干电池供电的应用，用 MOS 降低功耗并无特别的好处。
而从成本 / 采购角度来看，选 MOS 管则不是一个好主意。

1万 · 2019-1-17 09:35

brucewoo 发表于 2019-1-16 21:33
你好，我没怎么用过MOS管，所以目前还是用8050, 8550这种常见的三极管来做实验。
请教一下，在这种场合(3. ...

AO3402 . 2N7002

你需要大封装的管子比较贵,如AOH3106.

只看该作者 · 2019-1-17 09:40

Jack315 发表于 2019-1-17 00:11
忽略三极管的压降，负载上的功耗为：
5V ^ 2 / 32 ohm = 781.25 mW
三极管饱和时的功耗为：

你好，我的确是在考虑使用电池的场合。现在正在策划一个东西，用3.7V锂电池供电。

1万 · 2019-1-17 09:41

brucewoo 发表于 2019-1-16 21:33
你好，我没怎么用过MOS管，所以目前还是用8050, 8550这种常见的三极管来做实验。
请教一下，在这种场合(3. ...

ao3401 p-mosfet

只看该作者 · 2019-1-17 09:52

brucewoo 发表于 2019-1-17 09:40
你好，我的确是在考虑使用电池的场合。现在正在策划一个东西，用3.7V锂电池供电。 ...

这种情况下，MOS 管的导通电阻反而可以选大一点的，
只要电路能正常工作即可。因为这部分电路电池的功耗为：
Vdd ^ 2 / (RL + Rmos)

只看该作者 · 2019-1-17 09:52

xch 发表于 2019-1-17 09:35
AO3402 . 2N7002

你需要大封装的管子比较贵,如AOH3106.

好的，谢谢你！
因为目前在手工焊一些原理电路来实验，所以管子太小搞得辛苦，所以想找大一点的，如果是TO92, TO220这类直插的就更轻松了。

求教如何计算三极管作为开关的电路参数

相关下载

相关帖子

技术奇才奖章

缘定三生