第二十七课--Microduino与三级管的灵活应用/zh

Microduino与三级管的灵活应用

目的 本教程介绍了三极管的基础知识，通过Microduino-Core的IO口驱动不同电压规格继电器的相关内容引入，加深我们对Microduino IO口的理解，为实际应用三极管电路打下基础。同时该教程也对zigbee模块CC2530的IO口进行了简单介绍。 设备 Microduino-Core Microduino-Core 是以 Atmel ATmega328P为核心的8位单片机开发核心板，是一个开源的、与 Arduino UNO 兼容的控制器模块。 Microduino-USBTTL 下载程序模块，可直接与 Microduino-Core 或者Microduino-Core+ 相连，让他们与计算机通讯。它的下载接口用的是MicUSB，这也是Microduino小巧的一部分。Microduino大小与一枚一元硬币差不多大。下载线与绝大多数智能手机usb数据线是一样的，方便实用。 其他硬件设备 相关硬件 数量 功能 8050NPN三极管 1个 驱动继电器。 8550PNP三极管 1个 驱动继电器。 1N4148二极管 1个 与继电器线圈并联在一起，吸收反峰电压。 5V继电器 1个 实验测试。 12V继电器 1个 实验测试。 1K电阻 若干 实验测试。 可调直流电源 1个 通过调节旋钮，可以改变直流输出电压。本示例采用的是0-60V可调直流电源。调试时请不要超过36V安全电压。 USB数据连接线 1条 连通Microduino模块与计算机。 面包板 1块 各个元器件汇聚于此。 面包板跳线 1盒 电气连接线。 二极管 二极管的神奇在于单向导电性，这是电阻电容电感这些器件所没有的特性。利用二极管的单向导电性能，可以把它用于整流，检波等电路。用数字万用表的二极管档（会滴滴响的通断测量档位）测量二极管时，如果表上有示数(不为1)，那么红表笔接的是二极管正极，黑表笔接的是负极，反之则示数不变化（为1），这明显就是单向导电嘛。实际应用电路二极管损坏时，会有断路与短路两种情况。断路时无论怎样调换红黑表笔，万用表上示数始终为1。测量已短路的二极管时万用表的蜂鸣器会滴滴响，显示值与红黑表笔直接接在一起无区别，二极管损坏会有短路情况的出现与其半导体材质有关系，我们很难见到电阻损坏后阻值为0的情况。 三极管 三极管，见名知义，三个引脚。三个引脚分别对应E（发射极），B（基级），C（集电极）。三极管分为NPN与PNP两种类型，该示例用到的8050属于NPN型，8550属于PNP型，见下图。 文件:BasicTransistor.jpg 600px 三极管属于电流控制型器件，意思是说当基级流过一个相对小电流时（基级电流Ib），集电极会有一个较大的电流流过（集电极电流Ic），Ic与Ib的比值我们称为三极管的电流放大倍数，一般用β表示。用数字万用表测量三极管时，首先可以区分出该三级管是NPN型还是PNP型，同时三极管的基级也确定了。方法如下，红表笔连到三极管某一引脚不动，然后黑表笔分别去触碰另外的两个引脚，然后再把红表笔移动一个引脚，共计测量六次，如果黑表笔分别触碰的两个引脚均有示数（示数不为1），则该管为NPN型管，红表笔连接的那一引脚为基级。该方法是假设该管为NPN型管，假设红表笔所接为三极管的基级。如果假设该管为PNP型，则是黑表笔不动，用红表笔分别触碰另外两个引脚，观察示数，如果红表笔分别触碰的两个引脚均有示数（示数不为1），则该管为PNP型，黑表笔所接为基级。实际测量时需灵活测试，得到所需判断即可。剩下的工作就是找到集电极与发射极。对于NPN型三极管，用红表笔连接非基级的一个引脚，黑表笔连接非基级的另一引脚。然后用手指（网上也有写往手指上沾点唾沫，加唾沫的原理是让手指等效电阻小一些）当电阻，手指连接红表笔与基级，如果万用表有示数（不为1），则红表笔连接的是集电极。手指的作用是引入了基级电流，让CE之间的等效阻值减小，从而万用表可以显示出不为1的示数。对于PNP型的三极管来说，原理是一样的，还需要用手指的等效电阻来引入基级电流，只是PNP型的管子有示数时红表笔接的是发射极。 继电器 继电器在控制继电器开关已做过介绍。该示例是上文的一种扩展，还用到了12V的继电器。电磁继电器（该示例中的继电器均为电磁式）分为两部分，一是线圈，一是触点。控制线圈的电压信号可以与触点接通或断开的电路没有一丁点关系，这就实现了隔离。该示例的继电器可以通断250V交流电7A的负载，继电器的外壳丝印中已给出。 实验原理图 。 文件:Diff358Fritz.jpg 600px 如果用Microduino驱动一个5V的继电器，应该不麻烦。选择Microduino的D0脚，接一个1K的电阻到8050的基级，按上图连接硬件即可。 为什么选择1K的电阻呢？ 因为对于NPN型的硅三极管来说，BE之间的导通压降为0.7V左右，当D0口输出低电平时，BE结没有电流流过，三极管处于截止状态，继电器自然而然的没有吸合。当D0输出高电平时，D0口的输出电压 接近于Mircroduino的电源电压5V，这5V的电压减去0.7V的BE结压降等于4.3V左右，那么8050的基级电流Ib=4.3V/1K=4.3mA，又因为8050的集电极电流Ic=β*Ib，普通的小功率三极管例如8050,8550,9014,9015,这些三级管的β值大概有100左右，这里我们保守估计，选择β=50计算，Ic=β*Ib=50*4.3mA=215mA。实测笔者手头5V继电器的线圈电阻为72欧姆，（12V继电器线圈的电阻实测为400欧姆）。那么5V继电器线圈两端的电压等于Ic*72=15.48V，该值已大于电源电压，所以可以反推出这时的三极管已经进入饱和状态。如果把这个1K的电阻换为470欧姆或是2K，对于驱动该继电器或是一些小型的蜂鸣器来说，基本没有什么区别。如果不接这个1K的限流电阻，那么8050的BE结（该BE结可以理解为一个PN结的二极管，二极管的伏安特性曲线在电压高于0.7V时电流会急剧上升）电流会很高，这可能会导致8050的烧毁或Microduino的IO口损坏。再退一步，即使什么也没损坏，那么Microduino输出高电平，而读取该点电压却读到低电平，属于设计缺陷。 1N4148二级管有什么作用呢? 当三极管由导通到截止，继电器线圈会突然掉电，此时线圈中存储的磁场能无处释放，会产生一个很高的反压，该反压为上负下正，这时的线圈我们可以理解为一个电池，电池内部的电流方向是从负极流向正极。恰好， 该二极管提供了这么一个通道，保护了三级管的集电极不再承受该反压值。 如果不接三极管，直接接继电器是否可行？ 不行。因为I=V/R=5/72=69.4mA, 该电流值已超过arduino官网提供IO口输出限流，参考：[[1]]。即使没有超过官网提供的电流值，加入三极管放大这一隔离依旧是一个很好设计方案，因为刚才提到的二极管并不是一个理想器件，当线圈关断时的自感电动势可能会对Microduino的IO口产生影响。 驱动5V的继电器，一个8550是否可以搞定？ 可以。更改8050的VCC与GND，便可以接出PNP型的电路，控制逻辑与NPN型三极管相反。Arduino IDE编程时需注意。如下图 文件:5V PNP.jpg 600px 如果把该5V继电器改为12V的继电器，一个8050是否可以搞定？ 可以，与接5V继电器无区别。如下图。 文件:12V NPN.jpg 600px 驱动12V的继电器，一个8550是否可以实现？ 不行。因为无论PNP型的管子怎么接，Microduino的IO口都控制不了继电器的关断。如下图。 文件:12V NG.jpg 600px 按照该图连接硬件，并不能控制继电器。 驱动12V的继电器，需用到PNP型的三极管，如何实现？ 需要两个三极管。如下图。 文件:Pnp-npn.jpg 600px 如果用Microduino驱动12V的继电器，加入此PNP三极管确实属于画蛇添足。但是当我们在应用Zigbee模块CC2530驱动12V继电器时，该电路便显示出了合理性。单片机上电瞬间到PC指针可以正常运转需要一个时间。参考： 文件:328ResetDelay.jpg 600px 再对比一下Microduino IO口与CC2530的IO口复位期间以及复位后的初始状态。 参考： 文件:328IOstatus.jpg 600px 文件:2530resetStatus.jpg 600px 由对比可知，Microduino的IO口复位期间以及复位后均处于高阻状态，上拉电阻未启用。CC2530在复位期间以及复位后的初始状态均为带上拉的输入。尽管上拉是若上拉，但是此上拉电阻拉出电流经三极管放大后依旧会使继电器接通，CC2530的编程只能改变复位后IO口的状态，复位期间的状态则完全由硬件决定。因此采用该电路CC2530模块可以在复位期间精确的控制12V继电器的状态。 328文档下载：文件:328.pdf 2530文档下载：文件:2530.pdf 程序 void setup() { pinMode(2,OUTPUT); digitalWrite(2,LOW); delay(6000); } void loop() { digitalWrite(2,HIGH); delay(2000); digitalWrite(2,LOW); delay(2000); } 调试 按照原理图搭建硬件电路，注意二极管的方向，以及三级管的EBC引脚序列。 确认硬件无误后，接通Microduino。打开编译器，把程序复制到Arduino IDE中。 编译程序，选择正确的板卡与相应串口。 点击Upload，下载后可根据继电器吸合的声音判断我们的电路设计是否合理。 结果 用Microduino控制5V继电器，8050或8550任何一个三极管均可实现功能。如果需要控制12V继电器，如果采用一个8050可以实现，如果采用8550，则还需加入一级三级管电路。对已CC2530模块来说，如果复位期间也要精准控制IO口的输出状态，需加入PNP型三级管。 视频