三极管的简易小电路设计

只看该作者 · 2022-10-8 16:34

本帖最后由 JackTang1994 于 2023-3-22 11:31 编辑

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设计要求
开关电路——通过按钮控制LED亮灭

原理设计
PNP三极管特性曲线图

开关电路——通过按钮控制LED亮灭将三极管做为开关使用，即让三极管工作在开关状态下。根据三极管导通与截止条件
通过设置VB,VE,VC的电位来让三极管工作导通或者截住的状态下.
截止条件：发射结电压小于开启电压且集电结反向偏置。此时IB很小即IB≈0mA，U_BE ≤ U_ON且U_CE > U_BE
其中UON开启电压就是PN结电压约为硅管0.7V，锗管约0.3V。
U_BE <= U_ON条件设置：让V_B = V_E即可满足，U_BE=0V <= U_ON
U_CE < U_BE即V_C < V_B条件设置：当U_BE=0V <= U_ON时,只要让V_C= 0V，V_B=电源电压VCC即可满足。

饱和条件：发射结和集电结都正向偏置，即U_BE> U_ON且U_CE < U_BE
U_BE > U_ON条件设置：让V_B= 0V，VE = 电源电压VCC,即可满足条件
U_CE < U_BE条件设置：当U_BE > U_ON时VB电压 = VE - 0.7V,只要保证V_C=0V即可满足要求

综合分析: 要实现：按钮按下时,三极管导通.松开按钮时,三极管截止。根据上述分析，我们想到可以直接在B、C之间或者B、E之间并接一个开关，但是如果在B、E之间并接一个开关时，无法做到按下开关三极管导通。所以只能在B、C之间并接一个开关。改成如下所示电路图，但是从这个电路图中我们可以很明显的看到，当开关闭合时会造成短路。所以为了避免短路，我们在VCC和R6之间接入一个电阻，这样既避免了短路同时又实现了要求的功能。

进一步完善的电路如下：

PNP三极写中LED放在发射极E还是集电极C哪里?
假设放在发射极E,当三极管完全导通后,由于电阻R2的存在其上面会有分压U_R2 = I_CEO * R2此时三极管发射极上的电压V_E = VCC - U[sub]R2[/sub不一定能保证饱和条件:U_BE> U_ON所以是为了保证在三极管导通时，V_B电位电压值不会随着电流增大而变大从而使用U_BC电压减小，使三极管进入放大状态。同理对于NPN管三极管的上端接LED。这就是所谓的上端驱动与下端驱动（MOS管也有类似说法）

最终的电路原理图

器件选择
PNP型三极管：SS8550D，电阻：普通色环直插电阻，LED灯：普通3mm直插红色LED，按钮：普通4引脚弹片式按钮

资料查找
网上搜索查找SS8550D数据手册、LED灯数据手册。最好找相关厂家，这样直接下载pdf文件而不会有各种各样的广告。

手册阅读
LED工作电流和电压确认

三极管不损坏时的最大工作要求

三极管U_CE饱和电压，放大倍数确认

参数计算
上拉电阻选择10K，为什么？
因为上拉电阻相当于给输入一个稳定的电平，当有干扰时相当于在R和GND之间接入了一个大电阻，这样上拉电阻就和这个大电阻串联形成分压。如果上拉电阻太大，则当有干扰输入时，由于分压作用导致基(B)极无法保持足够高的电平而出现其他电压值，这可能使三极管进入放大状态。但上拉电阻也不能太小，否则功耗就会过大且如果输入阻抗大一点时，由于上拉电阻太小（强上拉）存在无法将有效输入接入到基(B)极，从而无法设置好三极管工作状态。综合所得上拉电阻不能太小也不能太大，一般设置为10K~30K

LED限流电阻R2计算
通过三极管导通状态来计算，因为三极管导通了，从手册中可以查看到V_CE(sat)为0.28V。LED灯额定工作电流电压分别为20mA，2V则基尔霍夫定律可列方程：

代入数值得到R=136欧，取150欧（因为电阻没有136欧的阻值）：

基极限流电阻R3计算
为了使三极管工作在完全饱和状态，必须选择合适的阻值。那么怎么计算这个值呢？
假设三极管工作在放大器，此时计算的基极限流电阻R3为最大的值，因为如果电阻阻值更大则三极管
I_C = I_F = 20mA，则I_B

R3 = (VCC - 0.7) / I_B = 64.5K，为了使三极管进入深度饱和，所以选取R3应该比64.5K更小，但不能太大否则电流太大发热对芯片也有损耗I_B这里取几mA即可。所以电阻取1K
我们也可以再次验证下，当R3 = 1K时三极管此时的工作状态。
此时I_B = (VCC - 0.7) / R3 = (5 - 0.7) / 1 = 4.3mA，I_C = I_B * β = 4.3 * 300 = 1290mA
将I_C = 1290mA代入求得电阻R2上分压U_R2= 150 * 1.29 = 193.5V，显然这是不可能的，因为电源电压总共才5V。所以此时三极管并不是工作在放大状态而应该处于深度饱和状态。
重新计算R2上的电流值I_R2 = (5 - 0.28 - 2) / 150 ≈ 18mA

最终结果
至此所有参数都已经计算完成：R1 = 10K，R2 = 150欧，R3 = 1K

未完待续
后续介绍如何用一个三极管设计光控电路，实现当LED灯亮度会根据光照强度实时变化。