三极管开关电路外围电阻计算

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@小白创作中心

三极管开关电路外围电阻计算

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/Ser_endipity/article/details/139947792

在电子工程领域，三极管作为开关元件被广泛应用。本文将详细介绍如何设计一个三极管开关电路，实现24V信号到3.3V信号的转换，并通过STM32微控制器处理后再转换回24V信号输出。文章将重点介绍电路的整体架构、外围电阻的计算方法以及实际测量参数的对比分析。

概要

我们需要设计一个电路，将外部输入的24V信号转换为3.3V信号，交由STM32处理后再将3.3V信号转换为24V信号输出。我们选择利用三极管的开关特性来实现信号电平的转换，并通过两颗LED灯具象化显示信号是否成功输入和输出。

电路整体架构

这里选用MMBT3904贴片型三极管作为开关元件。

外围电阻计算方法

从MMBT3904的芯片手册中，我们可以找到其电气特性参数和静态特性图：

由图一红框中的信息可知，该三极管基极-发射极饱和压降最大值为VBE=0.95V（硅管正常情况是略小于0.7V），集电极-发射极饱和压降最大值为VCE=0.3V（实际测量会小于0.3V）。该三极管为硅管，因此计算时我们取VBE=0.7V，VCE=0.3V。

信号的输入输出分别用两颗LED灯来具象化显示，这里输入选用蓝色的LED（正向电压2.8V，正向电流5mA），输出选用橙色的LED（正向电压2V，正向电流5mA）。

计算过程

输入端三极管参数选取

如图，+1是24V的输入信号，如果采用这种连接方式，那么LED的电流将由输入端提供，但现目前不确定信号输入端是否能够提供5mA以上的电流，所以采用下面这种方式，可避免输入端的影响。

且这种设计方案能够实现输入信号、LED以及输出信号为同步逻辑，即输入+1为高电平，Q2导通，灯亮，Q4截止，输出IN1为高电平；输入为低电平，Q2截止，灯灭，Q4导通，输出IN1为低电平。（但实际测试中Q2截止，LED也会亮，只不过亮度会很弱）

该LED接在集电极，那么IC1应该为5mA，三极管作为开关电路使用，须使三极管工作在饱和区，因此VCE取0.3V，将IC，VCE两点标定在静态特性图上连接起来，取饱和区中Ib=200uA（此时增益系数为25），增益系数应该取较小值，以保证三极管处于饱和状态。两个三极管参数选取一样。又STM32的IO灌电流为20mA，而ib=200uA<<20mA，故不会对单片机造成伤害。

2.输入端外围电阻阻值计算

由上图，我们从右往左计算。

R9为集电极电阻，其阻值为(3.3V-VCE)/Ic=(3.3-0.3)/5mA=600Ω，取常用阻值618Ω；

R3为集电极电阻，当+1信号输入时，可忽略第二个三极管电路部分，因此其阻值为(5-VCE-VLED)/Ic=(5-0.3-2.8)/5mA=380Ω，选取常用阻值360Ω；

R11为下拉电阻，保证在没有24V信号输入时，三极管基极电流为0，三极管关断，这里直接选取100KΩ。此电阻两端电压等于VBE，因此流经该电阻电流IR11为0.7/100KΩ=7uA;

R7为基极电阻，其阻值为(24-VBE)/(Ib+IR11)=(24-0.7)/(200uA+7uA)=112.5KΩ，选取采用阻值110KΩ。

R8为基极电阻，而当Q2截止时，需要使Ib2=200uA,因此R8=(5-VLED-Ib2*R3)/Ib2=10.64KΩ，这里选取9.1KΩ。

至此，输入端外围电阻阻值计算完毕。

3.输出端三极管参数选取

设计同输入端一样，由于三极管我们接集电极一段，因此Ib仍为5mA，Ic仍选200uA，OUT1为STM32输出的3.3V信号。两个三极管参数选取相同，因此计算方法不变，与上面输入端一致。

最终，当观察到一路信号的蓝灯和橙灯同时亮起，即可证明该信号输入输出无异常。

4.实际测量参数对比