张飞硬件第二章笔记（一）_三极管寄生电容

一 项目背景

项目用在彩扩机中
1）要求对两个槽杠循环注入热水，相隔时间为5分钟（前5分钟往槽杠A注水，然后停止向A注水，开始向B注水）

2）同时对彩扩机中加热系统要有散热功能,当加热系统温度过高时，散热系统工作并且红LED灯点亮作为警告，当温度降到正常范围，散热系统不工作并且绿LED灯点亮表示彩扩机工作正常。

二 项目条件

1. 有刷直流马达12V负载功率0.6W（I=P/U=50mA，要求电源至少能够提供50mA电流）
2. 电源：15V DC
3. 温度开关（两通。当开关表面温度达到70度时，开关闭合。温度下降到45度时开关断开。）
4. 定时开关

三 项目实现

（一）总体思路

      注水系统：马达正转，热水给A；马达反转，热水给B。
      散热系统：温度不高时，散热马达不转，温度大于70度时，散热马达开始转动。

（二）涉及知识点

1. 电感常识；

      1）.电感的电流是渐变的，是由于自感现象造成的。
      2）.电感的自感原理，自感会阻碍电流的变化.
      3）.自感方向与电流变化方向相反。
      4）.电感以电流的形式存储能量并且本身不耗能。
      5）.自感的大小等于dI/dt,电路刚导通时自感电容势最大。

2. 三态门

      三态门是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态。高阻态相当于隔断状态(输入阻抗无穷大，相当于开路)。高电平和低电平的输入阻抗无穷小，电流流向阻抗低的方向，因此当遭遇雷击时，若器件接低电平或者高电平，那么电流流向地或电源正极而不是器件，若器件处于高阻态，则电流流向器件，造成器件的损坏。此外由于高阻态的电压不确定，容易受外界条件影响，造成误导通的情况。因此我们在电路设计中要避免高阻态的产生，采用低电平和高电平。

3. 三极管的寄生电容

      由于三极管制作工艺的影响，三极管必然会带有寄生电容。导致三极管导通和关断都需要时间，因此我们在电路中要尽可能降低寄生电容的容量。只有Cbe充到0.7V时，三极管才导通。当开关断开，Cbe电压降低，三极管工作在放大区，在三极管的B端接一个电阻，可以提供一个电荷释放的通路，可以起到增大电容放电速度。

4. 二极管的钳位功能；

      二极管不通时，二极管两端的电压由电路其他部分所决定，当二极管导通时，二极管两端的电压为0.7V。

5. N型三极管和P型三极管在电源电路中的开关应用；

1).N型三极管组成的开关电路

      项目要求温度小于70度时电路断开，温度大于70度时电路闭合，当温度降到45度时再次断开。这一点我们可以通过一个温度开关来达到目的，按理说我们可以将开关直接与马达串联在一起完成这一设计，可是温度传感器允许通过的电流一般不高，因此它不能作为功率器件使用（直接串在电路中），只能作为一个信号使用。三极管，MOS管属于电子式的开关，可以作为功率器件使用，因此在本设计中采用温度传感器作为开关信号，三极管作为开关器件的电路设计。

      温度开关电流不能大于5mA，三极管的导通电流ib为1mA,开关电路中的电流需要大于1mA，小于5mA,因此需要一个限流电阻来限制电流的大小,阻值设为10k即可满足此需求。

      三极管完全关闭需要一段时间，这段时间三极管工作在放大区，容易受到干扰。例如高压静电的干扰。高压静电可达到1万伏，考虑到意外环境的冲击，要在电路中设置下拉/上拉电阻。如果接上拉电阻接在三极管的B级会导致N型三极管一直导通，失去开关作用。如果将下拉电阻加在三极管的B级和E级之间，当开关闭合时，三极管流过电流ib，三极管导通，当开关断开时，BE端电压为0，三极管关断。因此我们采用下拉电阻来避免外界条件因素干扰。

      下拉电阻的取值，按照电路图，三极管的BE级的电压等于下拉电阻的分压，如果下拉电阻分得的电压过小，那么三极管就不会导通。干路电流I=（12-0.7）/10k=1.13mA，下拉电阻的最小阻值为0.7V/1.13mA=620Ω。但与此同时我们还要考虑功耗问题，增大电阻可以避免无用损耗。并且增加下拉电阻还能提高三极管的关断速度，依据经验，下拉电阻取2k。

      温度开关属于机械式的开关，机械式开关在开关闭合或断开的瞬间都会产生较高的dV/dt（尖峰电压），会对器件造成损伤，还会造成三极管扰动，使电机转动。因此在开关处需要进行滤波。当电压出现尖峰的时候，我们只能使用电容进行滤波，因为电容上面的电压是一个渐变的过程，尖峰电压流过电容后，电压会变得平滑。（若一个方波的高电平宽度为10ms，此方波流经电容，那么方波上高电平的宽度变为10ms-电容的充电时间。）如果单纯使用电容进行滤波，电容的充电时间过短且充电时间不易控制，因此我们使用RC滤波电路进行滤波。一般干扰存在的时间小于5微秒，电容充电时间（滤波深度）t=R*C。若选取1k电阻，则电容为5us/1k=5nF。但5nF不是标称电容，因此我们选取4.7nF的电容。

N型三极管作为开关时E级只能接地的理由：

      如图所示，若将N型三极管的E级接负载，开关闭合，BE之间的电压约为0.7V，三极管导通，E级的电压为12V，因为有电阻的分压，B级的电压小于12V，BE之间的电压小于0.7V，三极管关闭。由此可以推断NPN型三极管做开关管使用时，E级只能接地,C级接负载。
N型三极管组成的开关电路的改进部分：
      之前我们设计的N型三极管组成的开关电路已经达到了项目的基本要求，但是当开关电路断开时，电容的放电会使得N型三极管继续导通，直到电容电压不足0.7V为止，因此我们对此做出一定改变。对于电容放电来说，在开关断开时，要依靠电容自身的能量形成一个对地的通路，进行快速放电，因此我们采用P型三极管对电容进行放电，将三极管的E级连接在电阻上，即接高电平。并且加上一个下拉电阻来保护三极管。下拉电阻不能取得太小，否则会导致无用功率的增大，这里我们取10k。

      当开关断开时，电容提供一个电压，通过1k电阻，流过三极管的BE端，流过10k电阻，形成电流IB，使P型三极管导通，对电容进行放电，电容电压越高，放电越快，电压越低，放电越慢。当电容电压小于某一值时，使开关电路的N型三极管完全关断。
      当开关闭合时，三极管导通，CE之间约等于导线，12V电压流向地，会造成很大的功率损耗。因此当开关闭合时，我们需要将B,E级的电压相等，使p型三极管关闭

      上图所示电路虽然满足了开关闭合时，P型三极管关闭的要求。但是当开关断开时，导线把三极管的B级和E级短路了，p型三级管断开，N型三极管关闭所需时间仍然很长。

      为了避免BE短路，我们可以在BE之间加一个电阻。若开关位置不变，则开关导通时P型三极管的E级电压大于B级电压，会使得三极管闭合，因此我们需要把开关向下挪动。开关导通时，P型三极管B级的电压为12V，因为电阻分压，P型三极管E级电压小于12V，P型三极管不工作。当开关关断时，电容的电压通过1K电阻，流过三极管的B级，产生电流ib，P型三极管导通。但是还有一部分电流流过电阻R12。ib的值不大，并且增大了电路的延时时间，对于电容放电来说，ic越大，放电越快。因此我们希望，电路导通时，P型三极管的B级电压大于E级电压。同时开关断开时，电流不经过别的支路。

      我们采用二极管对电路进行改良，开关闭合时，因为二极管的嵌位作用，P型三极管的B级电压大于E级电压，三极管反偏截止。且二极管导通后内阻很小，所以几乎不会对开关的延时时间造成影响。开关断开后，因为二极管截止，所以电流全部都通过三极管的B级，ic会变得更大，电容放电更快。
      此外在1k电阻上并联一个二极管，开关闭合时，电流不能通过二极管D5，只能通过1k电阻，不会对滤波电路造成影响。若开关断开，二极管D5导通，因为二极管的电阻很小，所以电流几乎都流经二极管而不流过1k电阻，放电的速度进一步加快。

2）P型三极管组成的开关电路

      P型三极管的E级接的是电源，Ib的流向是从E流向B，因此开关处就不能接电源了。若只针对这一问题进行修改，则会得到上图。

      B级直接接地，12V的电压经过BE级直接到地，电流ib会特别大，会导致三极管的损坏，因此必须对ib进行限流。ib要求大于1mA,因此我们将限流电阻的阻值设为10k。

      温度开关闭合的一瞬间，电容的阻抗远远小于CE之间的阻抗，因此电流先通过电容。当电容两端的电压达到阈值电压0.7V，那么BE之间就会导通。

      当开关关闭，三极管的极间电容就作为电源使用，和三极管BE之间的二极管形成回路，B级流过电流，而Ib的形成必然导致Ic的形成，造成三极管关断时间延迟。为了解决这一问题可以在级间电容旁并联一个电阻时，一部分电流从二极管走，一部分电流从电阻走，加速管子的关断时间。同时这个电阻也可以作为上拉电阻使用。上拉/下拉电阻始终加在BE之间。

      温度开关在闭合和断开时都会有很高的干扰波，会对三极管的开关与否造成影响，因此我们要加一个延时滤波电路。但是P型三极管的滤波电路与N型三极管的滤波电路不同。若按照上图搭建电路，当电源有电时，因为滤波电容的阻抗小，无论开关是否导通，都有一个电流Ib流向电容，给电容充电，直到电容的电压变为12V为止，而这个时候因为流过电流Ib，三极管是导通的，这不利于电路功能的实现，因此我们需要对电路进行更改。

      修改后的电路借用了N型三极管组成的开关电路的一部分结构，温度开关闭合的时候，电压经过4.7微秒的滤波，使N型三极管导通，当N型三极管完全导通时，N型三极管CE两端的电压为0.3V，这时P型三极管有电流Ibe流过，P型三极管导通，并且当开关关断时，N型三极管断开，P型三极管所在的电路相当于断路，就不会存在开关关断时，开关电路仍然导通的情况了。

P型三极管作为开关时E级只能接电源正极的理由：

      P型三极管的C级接地，若三极管完全导通，则E级的电压为0.3V，BE间的电压达不到0.7V，三极管处于放大区，E级电压变得很大，使负载两端的电压变小。

6电阻封装尺寸与功率关系；

0201 1/20W
0402 1/16W
0603 1/10W
0805 1/8W
1206 1/4W

（三）散热系统

1.温度开关电路

1）要求

1. 初次运行时，若温度小于70度，电路导通，当温度大于70度时电路关断；当温度降到45度时电路再次导通
2. 开关导通时红led亮，关断时绿led亮，红灯绿灯不能同时亮。

2）电路组成

a.稳压电路

      由于项目所给条件中，电源电压为15VDC，项目中所给马达的额定电压为12V，因此需要一个降压电路对电源电压进行降压，以供马达使用。为了减少项目成本，本设计采用分立元件搭建稳压电路，而不是采用集成芯片。

      图中三极管若想要导通，BE两端的电压为0.7V左右，因此稳压二极管的电压和输出端的电压之差要大于0.7V。市面上没有12.6V的稳压管，因此我们选用13V的稳压管。C和B级之间不能流通。当开关完全导通，E级电压为15V，大于B级电压，三极管关闭。E级电压急剧下降，下降到12V左右时，三极管又导通，以此实现12V的稳压电路。

      为了达到更好的滤波效果，我们往往在稳压电路的输出端加上一个电解电容和一个陶瓷电容以滤除低频和高频噪声。根据经验，在负载端电流小于100mA时，负载端的电解电容一般取220uf或330uf，这里我们取330uf。陶瓷电容往往取100nf。

①封装选型

      稳压管电流一般为2mA（稳压管流过2mA电流时电压才能稳定），设计电源时要考虑负载，三极管2N3904通过的最大电流：200mA。单个电机流过的电流不超过100mA。设三极管放大倍数为100，可以得到流过三极管的ib为2mA.，因此我们可以设流过电阻R1的电流为4mA。于是我们可以求得R1的阻值为500欧姆。电阻两端压差为2V，流过电阻的电流为4mA，功率为0.08W，0805封装功率为1/8W，选0805封装。

      稳压管电流一般为2mA，稳压管两端的电压为13V，可以得到稳压管的功耗为26mW。MELF封装的稳压管功耗为0.5W，选择任意一款MELF封装，稳压值在13V左右的稳压管即可。

      三极管两端的压降为3V，根据数据手册流过三极管2N3904的最大电流为200mA，可得三极管的最大功耗为0.6W，而T0-92封装的2N3904的功耗为0.625W，所以选择TO-92封装的2N3904作为三极管即可。

b.开关电路

      对于电路设计来说，实现的功能相同，所用的器件越少越好，因此本设计还是采用N型三极管作为开关电路。

①器件选型

N型三级管的功耗为0.3V50mA=15mW，MMBT封装的2N3904的功率为350mW，因此选用MMBT封装的2N3904即可。
P型三极管的瞬间最大功耗为0.3V100mA=30mW，MMBT封装的2N3906的功率为350mW，因此选用MMBT封装的2N3906即可。
二极管流过的最大电流为100mA,二极管两端的压降为0.7V，因此二极管的功耗为70mW，MELF封装的1N4148的功耗为500mW，因此选用MELF封装的1N4148即可。
电容电阻均为0805封装。

c.负载电路

      按照项目要求，我们现在已经完成了对开关部分的设计，接下来需要完成对开关电路所接负载部分的设计。

①马达部分

      首先是马达部分的设计，本设计采用的马达是直流无刷马达，马达的转向由马达是由一圈圈铜线绕制而成的，因此可以将马达视作电感，由于电感的特性，当开关断开时，马达会产生一个感应电动势，阻碍电压的减小，在断开的瞬间该电压可以达到非常高，感应电动势和电源电压在进行累加，甚至有可能击开关电路的三极管，因此我们需要在马达两端加上一个续流二极管，加入续流二极管后，二极管正极的压降为12.7V，保护外围电路不被击穿。

②马达部分器件选型

续流二极管的功耗为0.7V*50mA=35mW。MELF封装的二极管1N4148的反向耐压是100V，功率是0.5W，能够通过的电流是150mA，符合设计要求。因此选择1N4148作为续流二极管。

③led部分

      在项目要求中， 开关导通时红led亮，关断时绿led亮，红灯绿灯不能同时亮。

      当开关电路断开时，要求绿led亮起（绿色LED的导通电压为3.3V，导通电流为5mA），此时需要一个限流电阻来保证电流不大于5mA,R=（12-3.3）/5mA=1.74k。1.74k不是标称电阻，我们选择1.8k电阻。

      当开关电路闭合时，当马达转动时，红色led也亮起。因此我们将红色的LED灯与马达并联在一起。

      实现红灯绿灯不能同时亮的功能有两个方法，一是当电路导通时，使绿led所在支路的电流减小，二是当电路导通时，使绿led所在支路的电压降低。这里我们利用二极管的钳位特性，当三极管导通时，二极管的负极接地，二极管两端的电压为0.7V，三极管CE两端的电压为0.3V，绿led正极的电压为1V（绿色LED的导通电压为3.3V，导通电流为5mA），绿led不能点亮。保险起见，在绿色二极管下方再串联一个二极管，使灯两端的电压为0.3V，确保灯不会导通。当三极管关断时，二极管所在支路相当于断路，绿led正常点亮。

④led部分器件选型

流过led灯的电流在3mA~10mA都可以，但考虑到稳压部分的带负载能力，不希望流过led的电流很大。并且流过led的电流很小的话，也可以降低功耗。
我们使led流过的电流为5mA，（12-3.3）V/5mA=1.74k，1.74k不是一个标称电阻，我们选择2k电阻作为替代。流过电阻的电流为8.7V/2k=4.35mA，电阻的功率为37.845mW,电阻选择0805封装即可