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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。双极性三极管开关特性-双极性三极管开关特性晶体三极管工作于截止区时,内阻很大,相当于开关断开状态;工作于饱和区时,内阻很低,相当于开关接通状态。三极管开关电路如图2.2.2(a)示。输入控制信号为矩形电压脉冲,电源电压,输出信号为,三极管开关电路输入输出波形如图2.2.2(b)。下实例中为12V的开关控制信号,为单片机可接收的TTL信号,为了与输入控制信号一致,加入反相器74LS14。-TransistorsATransistorisasolid-statedevicedesignedtocontrol
2、DCcurrent.TransistorsaremostcommonlyfoundinlowDCpoweredsensorsastheoutputswitch.Therearetwotypesoftransistors-NPNandPNP.ThefigurebelowshowsaNPN(CurrentSink)OpenCollectorTransistorFigure1:SensorNPNOutputOutputStyleDependingonmodel,incrementalencodersareavailablewithseveraldifferentelectricaloutputsty
3、les.Choiceofsignaldependsonreceivinginstrumentandcabledistance.Linedriveroutputswithcomplimentaryoutputscanbeusedwithlongercablesasnoisespikescanbecancelled.NPNUsesanNPNtypetransistorandaninternalresistorpullinguptothepowersupplyrail.Theoutputisanactivevoltage.NPNOpenCollectorUsesanNPNtypetransistor
4、butwithoutaninternalpullupresistortothesupplyrail.Theoutputispassivesoaseparatepowersupplycanbeused.PNPUsesaPNPtypetransistorandaninternalresistorpullingdowntozerovolts.PNPOpenCollectorUsesaPNPtypetransistorbutwithoutaninternalpulldownresistortozerovolts.PushPullAproblemwithNPNandPNPtypeoutputsisthe
5、highoutputimpedance.Thiscanbesolvedbyacomplementaryoutputallowingbetterswitchingtozeroandpositivesupplyrails.LineDriverThisoutputstylehastwocomplimentaryoutputsperchannelallowingbettertransmissioninnoisyenvironmentsandlongcablelengths.Thereceivercanprocessthesignal,eliminatingnoisespikes.PTCprotecti
6、onApositivetemperaturecoefficientresistorcanbeaddedtotheoutputofaNPNorPNPencoder,protectingitfromoutputshortcircuits.Sinking/SourcingSinkingsensorsallowcurrenttoflowintothesensortothevoltagecommon,whilesourcingsensorsallowcurrenttoflowoutofthesensorfromapositivesource.Forbothofthesemethodstheemphasi
7、sisoncurrentflow,notvoltage.Byusingcurrentflow,insteadofvoltage,manyoftheelectricalnoiseproblemsarereduced.Whendiscussingsourcingandsinkingwearereferringtotheoutputofthesensorthatisactinglikeaswitch.Infacttheoutputofthesensorisnormallyatransistor,thatwillactlikeaswitch(withsomevoltageloss).APNPtrans
8、istorisusedforthesourcingoutput,andanNPNtransistorisusedforthesinkinginput.WhendiscussingthesesensorsthetermsourcingisofteninterchangedwithPNP,andsinkingwithNPN.AsimplifiedexampleofasinkingoutputsensorisshowninSeeASimplifiedNPN/SinkingSensor.Thesensorwillhavesomepartthatdealswithdetection,thisisonth
9、eleft.Thesensorneedsavoltagesupplytooperate,soavoltagesupplyisneededforthesensor.Ifthesensorhasdetectedsomephenomenonthenitwilltriggertheactiveline.TheactivelineisdirectlyconnectedtoanNPNtransistor.(Note:foranNPNtransistorthearrowalwayspointsawayfromthecenter.)Ifthevoltagetothetransistorontheactivel
10、ineis0V,thenthetransistorwillnotallowcurrenttoflowintothesensor.Ifthevoltageontheactivelinebecomeslarger(say12V)thenthetransistorwillswitchonandallowcurrenttoflowintothesensortothecommon.ASimplifiedNPN/SinkingSensorSourcingsensorsarethecomplementtosinkingsensors.ThesourcingsensorsuseaPNPtransistor,a
11、sshowninSeeASimplifiedSourcing/PNPSensor.(Note:PNPtransistorsarealwaysdrawnwiththearrowpointingtothecenter.)WhenthesensorisinactivetheactivelinestaysattheV+value,andthetransistorstaysswitchedoff.Whenthesensorbecomesactivetheactivelinewillbemade0V,andthetransistorwillallowcurrenttoflowoutofthesensor.
12、ASimplifiedSourcing/PNPSensorMostNPN/PNPsensorsarecapableofhandlingcurrentsuptoafewamps,andtheycanbeusedtoswitchloadsdirectly.(Note:alwayscheckthedocumentationforratedvoltagesandcurrents.)AnexampleusingsourcingandsinkingsensorstocontrollightsisshowninSeeDirectControlUsingNPN/PNPSensors.(Note:Thisexa
13、mplecouldbeforamotiondetectorthatturnsonlightsindarkhallways.)DirectControlUsingNPN/PNPSensorsInthesinkingsysteminSeeDirectControlUsingNPN/PNPSensorsthelighthasV+appliedtooneside.TheothersideisconnectedtotheNPNoutputofthesensor.Whenthesensorturnsonthecurrentwillbeabletoflowthroughthelight,intotheout
14、puttoV-common.(Note:Yes,thecurrentwillbeallowedtoflowintotheoutputforanNPNsensor.)Inthesourcingarrangementthelightwillturnonwhentheoutputbecomesactive,allowingcurrenttoflowfromtheV+,thoughtthesensor,thelightandtoV-(thecommon).Atthispointitisworthstatingtheobvious-TheoutputofasensorwillbeaninputforaP
15、LC.And,aswesawwiththeNPNsensor,thisdoesnotnecessarilyindicatewherecurrentisflowing.TherearetwoviableapproachesforconnectingsensorstoPLCs.ThefirstistoalwaysusePNPsensorsandnormalvoltageinputcards.Thesecondoptionistopurchaseinputcardsspecificallydesignedforsourcingorsinkingsensors.AnexampleofaPLCcardf
16、orsinkingsensorsisshowninSeeAPLCInputCardforSinkingSensors.APLCInputCardforSinkingSensors“采用集电极开路的输出方式,有什么好处?”A:集电极开路输出大概有以下几个好处:1.可以实现线与功能,即两个或多个输出端可并联在一起,然后接一上拉电阻至高电平。这样,只要有一个输出是低,那么结果就是低,即实现了与的功能。2.跟上面的有点类似,那就是多个门输出端接在一起时,不会导致损坏。3.可以用来控制较高的电平。典型应用可以看看ULN2003。4.跟3类似,当输出断开时,为高阻态,这样就可以做输入口使用了。典型应用请看
17、8951单片机的IO口结构,置1时即为输入口。对于集电极(OC)或者漏极开路(OD)输出的,如果要输出高电平,必须接上拉电阻,因为OC或OD门,置1时输出相当于悬空。其中第4点有些不太明白,问:“当输出断开时,为高阻态,这样就可以做输入口使用了”,那当OC门输入端输入什么信号时,输出呈高阻态?还有“如果要输出高电平,必须接上拉电阻,因为OC或OD门,置1时输出相当于悬空。”输出高电平,必须接上拉电阻,是不是为了提高带负载能力,(相當”灌電流”?)还有其他的好处吗?输出低电平的時候也要加上拉嗎?為什么?(相當”拉電流”?)那拉電流又是不是从电源和负载抽取電流到地,这在实际应用中有什么好处?我们先
18、来说说集电极开路输出的结构。集电极开路输出的结构如图1所示,右边的那个三极管集电极什么都不接,所以叫做集电极开路(左边的三极管为反相之用,使输入为“0”时,输出也为“0”)。对于图1,当左端的输入为“0”时,前面的三极管截止(即集电极C跟发射极E之间相当于断开),所以5V电源通过1K电阻加到右边的三极管上,右边的三极管导通(即相当于一个开关闭合);当左端的输入为“1”时,前面的三极管导通,而后面的三极管截止(相当于开关断开)。我们将图1简化成图2的样子。图2中的开关受软件控制,“1”时断开,“0”时闭合。很明显可以看出,当开关闭合时,输出直接接地,所以输出电平为0。而当开关断开时,则输出端悬空
19、了,即高阻态。这时电平状态未知,如果后面一个电阻负载(即使很轻的负载)到地,那么输出端的电平就被这个负载拉到低电平了,所以这个电路是不能输出高电平的。再看图三。图三中那个1K的电阻即是上拉电阻。如果开关闭合,则有电流从1K电阻及开关上流过,但由于开关闭合时电阻为0(方便我们的讨论,实际情况中开关电阻不为0,另外对于三极管还存在饱和压降),所以在开关上的电压为0,即输出电平为0。如果开关断开,则由于开关电阻为无穷大(同上,不考虑实际中的漏电流),所以流过的电流为0,因此在1K电阻上的压降也为0,所以输出端的电压就是5V了,这样就能输出高电平了。但是这个输出的内阻是比较大的(即1K),如果接一个电
20、阻为R的负载,通过分压计算,就可以算得最后的输出电压为5*R/(R+1000)伏,即5/(1+1000/R)伏。所以,如果要达到一定的电压的话,R就不能太小。如果R真的太小,而导致输出电压不够的话,那我们只有通过减小那个1K的上拉电阻来增加驱动能力。但是,上拉电阻又不能取得太小,因为当开关闭合时,将产生电流,由于开关能流过的电流是有限的,因此限制了上拉电阻的取值,另外还需要考虑到,当输出低电平时,负载可能还会提供给一部分电流从开关流过,因此要综合这些电流考虑来选择合适的上拉电阻。如果我们将一个读数据用的输入端接在输出端,这样就是一个IO口了(51的IO口就是这样的结构,其中P0口内部不带上拉,
21、而其它三个口带内部上拉),当我们要使用输入功能时,只要将输出口设置为1即可,这样就相当于那个开关断开,而对于P0口来说,就是高阻态了。另一种输出结构是推挽输出。推挽输出的结构就是把上面的上拉电阻也换成一个开关,当要输出高电平时,上面的开关通,下面的开关断;而要输出低电平时,则刚好相反。比起OC或者OD来说,这样的推挽结构高、低电平驱动能力都很强。如果两个输出不同电平的输出口接在一起的话,就会产生很大的电流,有可能将输出口烧坏。而上面说的OC或OD输出则不会有这样的情况,因为上拉电阻提供的电流比较小。如果是推挽输出的要设置为高阻态时,则两个开关必须同时断开(或者在输出口上使用一个传输门),这样可
22、作为输入状态,AVR单片机的一些IO口就是这种结构。集电极输出的负载电阻(转)上拉电阻实际上是集电极输出的负载电阻。不管是在开关应用和模拟放大,此电阻的选择都不是拍脑袋的。工作在线性范围就不多说了,在这里是讨论的是晶体管是开关应用,所以只谈开关方式。找个TTL器件的资料单独看末级就可以了,内部都有负载电阻根据不同驱动能力和速度要求这个电阻值不同,低功耗的电阻值大,速度快的电阻值小。但芯片制造商很难满足应用的需要不可能同种功能芯片做许多种,因此干脆不做这个负载电阻,改由使用者自己自由选择外接,所以就出现OC、OD输出的芯片。由于数字应用时晶体管工作在饱和和截止区,对负载电阻要求不高,电阻值小到只要不小到损坏末级晶体管就可以,大到输出上升时间满足设计要求就可,随便选一个都可以正常工作。但是一个电路设计是否优秀这些细节也是要考虑的。集电极输出的开关电路不管是开还是关对地始终是通的,晶体管导通时电流从负载电阻经导通的晶体管到地,截止时电流从负载电阻经负载的输入电阻到地,如果负载电阻选择小点功耗就会大,这在电池供电和要求功耗小的系统设计中是要尽量避免的,如果电阻选择大又会带来信号上升沿的延时,因为负载的输入电容在上升沿是通过无源的上拉电阻充电,电阻越大上升时间越长,下降沿是通过有源晶体管放电,时间取决于器件本身。因此设计者在选择上拉电阻值时,要根据系统实际情况在功耗和速度上兼顾。