单片机的GPIO外部驱动电路

只看该作者 · 2024-11-24 11:22

一般而言，我们在开发各种单片机外围电路的时候，总会遇到两个问题：

单片机供电电压普遍3.3V，虽然STM32的管脚可以容忍5V电压，但如果是超过5V的电压，单片机就无能为力了。
就以典型的STM32F10x为例，I/O引脚电路max为±25MA，以下为ST官方说明：

就这点电流，驱动一个LED都有点困难，想要驱动别的，比如数码管啊，或者是继电器一类的就更吃力了。

小电流驱动大电流的方法小功率LED驱动

一般而言，单片机使用LED都会将LED的阴极连接至单片机的引脚，然后，阳极连接VCC。
但是这样，也有一个问题，VCC的电流一般都比较大，在几百MA，而一个小小的二极管的电流消耗也不多，顶多几十MA，所以。。。
我们需要在二极管的阳极与VCC之间加一个限流电阻，以防止大电流导致的二极管烧毁。

限流电阻阻值

我们知道LED是一个非线性元件，但是在这个电路中，我们可以简化的看成一个接近2V的二极管。不同颜色的LED稳压值不同，但都在2V左右。通常我们按2V值进行计算；工作电流一般在0到25mA这个区间，最大工作电流具体还要看其温度特性，如果它工作环境比较恶劣，可能最大电流就只有8mA左右。这个电流作为最大电压时的工作电流。通常我们设计时取2mA到3mA左右即可。因为电流再大，其亮度变化不明显。这样我们就有了计算公式：

当工作在直流5V系统时，其电阻结果是1k~1.5k左右,我们取1k。

限流电阻功率以及封装

有了上面计算的电阻值和电流值，我们就能计算最大消耗功率。由于消耗在电阻上的功耗是热量，交流可按有效值进行计算。

对于5V系统，电阻消耗：3V*3V/1k=9mW，稳定性及容差考虑取2倍功耗电阻，即>18mW;

大功率继电器驱动

首先，不得不说一下继电器的结构，简而言之，继电器的控制端就是一个电磁线圈，通电后，线圈变成了一个电磁铁，把触电的铁片吸附，来使受控端导通。

所以，我们需要做的就是控制这个电磁铁的通电与否。

== 那么，我们把LED的驱动电路用在继电器的驱动电路上可以吗？ ==

当然不行。第一点，单片机IO的驱动能力有限,对于单片机来说,继电器和电磁阀这种负载已经属于非常“大功率”的负载了,已经超出大多数单片机的IO驱动能力。第二点，继电器的控制端是一个电磁线圈，可以简化看成一个电感，这类感性负载在关断时会产生自感电压,也容易烧坏单片机。

所以，我们需要一个间接的方式来驱动他。

然而关于间接驱动，我们想要做到的只有两个要求，第一，将IO口的电流进行放大，并驱动电磁线圈，第二，将线圈产生的自感电压进行屏蔽或者过滤。

电流放大

明白了要求，那就很好找到解决方案，学过模电的同学都知道一个电路：三极管放大电路

一个普通的共射极放大电路
当然，直接的共射极放大电路远远不能对继电器进行驱动，我们得让他变化一下，来符合我们的使用要求。
第一点，C1和C2这两个电容肯定不能在电路存在，因为电容的特性就是隔直通交，假如存在，我们将很难讲IO的电平信号传入三极管内部，三极管的控制信号很难传入到继电器内部。
第二点，为了提高电路的放大倍数，进而去掉发射极电阻R1，但是，IO电平肯定不能让其处于浮空的不确定状态，于是，我们需要保留R2，使基极电平处于接地状态。
第三点，为了限制基极的电流，我们需要在基极添加限流电阻（如果没有这个电阻，输入电压一超过0.6~0.7V，二极管处于导通状态，基极将会有很大的电流通过）
第四点，为了减小功耗，我们还得把Re的电阻去掉。
综上所述，我们得到了以下电路：

这样的电路，就是一个很好的大电流驱动器。

当Input没有输入电平信号，或者输入低电平信号时，三极管基极没有电流通过，此时处于截至状态，VCC的电流到达集电极截止，整个电路处于断路状态。
当Input输入高电平时（大于最低导通电压，根据三极管的型号而定），三极管的基极有了电流，三极管导通，VCC电流从集电极流入后，从发射极流出接地，整个电路通路。

当然，做了这些以后，我们驱动一般的负载，比如说蜂鸣器啊，大功率的LED什么的可以，如果要驱动继电器，还差点东西。

屏蔽自感电压

一般而言，屏蔽自感电压只需要一个小小的二极管就可以来做到反向续流，抑制浪涌。

最终原理图就是这样。
R1限流电阻一般2-5K，R2的下拉电阻阻值在10K，二极管可以选择1N4148，三极管一般选取VCBO≈VCEO≥24V，放大倍数β一般选择在120～240之间，推荐8050，继电器淘宝搜一下5V继电器一抓一大把。