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如何用三極管電路表示延時開關(guān) 延時開關(guān)設(shè)計方案

454398 ? 來源:博客園 ? 作者:凱特琳 ? 2020-10-19 11:58 ? 次閱讀

先來 設(shè)計 延時開關(guān) 。

延時開關(guān) 是 利用 電容器 充電 時, 電容器 兩端 的 電壓 逐漸 上升 的 特點(diǎn) 來 實(shí)現(xiàn) 的 。

看一下 RC 電路 :

接通電源 后, 電容器 開始 充電, 開始時, 充電電流 最大, 電容器 可以看作是一個 較小 的 電阻, 根據(jù) 歐姆定律 分壓定理, C 兩端 的 電壓 較小,

當(dāng) C 充電 完成 后, C 相當(dāng)于 一個 斷路, 電阻無窮大, 根據(jù) 分壓定理, C 兩端 的 電壓 等于 電源電壓 。

R 越大 、C 越大, 充電時間 越長, R 越小 、C 越小, 充電時間 越短 。

在 RC 電路 里 接入 一個 繼電器 , 就可以 組成 延時開關(guān) 。

設(shè) R = 10 歐, J1 的 控制端 電阻 為 R1, R1 = 10 歐, 電源電壓 為 2 伏, J1 控制端 的 工作電壓 是 1 伏, 即 當(dāng) 控制端 電壓 為 1 伏 時, J1 導(dǎo)通 。

開關(guān) K 閉合 后, RC 電路 接通電源, C 開始充電, C 充電過程 中, C 可以看作是 一個 電阻 和 J1 控制端 并聯(lián), 設(shè) 并聯(lián)電阻 為 R2, 可知 R2 < R1 = R ,

即 J1 控制端 兩端 的 電壓 小于 1 伏, J1 處于 斷開狀態(tài) 。

當(dāng) C 充電 充滿 時, C 為 斷路, 電阻無窮大, 此時 , 電路 就變成了 R 、R1 的 串聯(lián)電路, R1 兩端 的 電壓為 1 伏, 達(dá)到 J1 控制端 工作電壓, J1 導(dǎo)通 。

J1 導(dǎo)通 就是 延時開關(guān) 導(dǎo)通 。 從 K 閉合 到 J1 導(dǎo)通, 中間 會 經(jīng)歷 C 的 充電時間, 這就是 延遲時間 。

當(dāng) R 和 R1 的 阻值 確定 時, C 越大, 充電時間 越長, C 越小, 充電時間 越短 。

也可以 把 R 、R1 和 C 一起 納入 參數(shù) 計算, 計算出 符合 要求 的 充電時間 的 R 、R1 、C 。 就是說, 不單 可以 調(diào)節(jié) C 的 大小 來 獲得 要求 的 充電時間, 也可以 調(diào)整 R 、R1 的 阻值 來 調(diào)節(jié) 充電時間 。

實(shí)際上, 這里 R1 和 C 并聯(lián), 對 充電時間 的 影響 可能有點(diǎn) 復(fù)雜 。

但 實(shí)際上, 也不需要 精確計算, 根據(jù) 經(jīng)驗(yàn) 和 一些 調(diào)試, 可以獲得 適當(dāng) 的 R 、R1 、C , 滿足 要求 的 充電時間 。

用 三極管電路 表示 延時開關(guān) :

在 電路 中, 延時開關(guān) 的 示意圖 :

輸入端 接通 電源正極 后, 延遲一段時間 后, 輸出端 輸出 1, 也就是 高電位, 也可以說是 正極電壓 。

注意, 輸入端 接通 電源正極 后要 一直 接通 電源正極, 延時開關(guān) 才能 正常工作 。

再來看 脈沖延時開關(guān), 《設(shè)計 邏輯電路 的 開關(guān)元件》https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13412340.html 里 介紹 了 雙穩(wěn)態(tài)開關(guān),

雙穩(wěn)態(tài)開關(guān) 的 示意圖 :

因?yàn)?一般 只用得到 一個 輸出端, 所以 只 畫出 out 1 。

延時脈沖開關(guān) 的 電路圖 :

輸入端 輸入 一個 1 脈沖 時, 雙 1 的 out 1 變?yōu)?1 , 觸發(fā) 延 1, 延 1 開始 充電, 到 延遲時間 后, 延 1 輸出 1, 輸出端 輸出 1, 雙 2 的 out 1 變?yōu)?1, 觸發(fā) 延 2, 延 2 開始 充電, 到 延遲時間 后, 延 2 輸出 1, 雙 1 、雙2 的 out 1 都 變?yōu)?0, 本次工作過程 結(jié)束 。

在 本次工作過程 中, 輸入端 輸入 1 脈沖 后, 經(jīng)過 延 1 的 延遲時間, 輸出端 輸出 1, 從此時 又 經(jīng)過 延 2 的 延遲時間, 輸出端 輸出 0, 雙 1 、雙 2 的 out 1 變?yōu)?0, 延 1 、延 2 放電, 放電 到 一定程度 后 斷開, 斷開后 仍然 放 沒放完 的 電, 放電完成 后 整個電路 恢復(fù) 為 初始狀態(tài) 。

在 本次工作過程 中, 輸出端 輸出了 一個 1 脈沖, 脈沖寬度 是 延 2 的 充電時間, 也就是 延 2 的 延遲時間 。

其實(shí) 這個 設(shè)計 是 存在問題 的, 延 2 輸出 1 是 雙 2 out 1 = 1 支持 的, 若 雙 2 out 1 = 0, 則 延 2 輸出 0, 而 延 2 輸出 1 使 雙 2 out 1 變?yōu)?0, 雙 2 out 1 變?yōu)?0 則 延 2 輸出 0, 這就 形成了一個 循環(huán)依賴, 這可能會導(dǎo)致 不穩(wěn)定 的 問題 。

總的來說, 這是一種 直接反饋, 這種 直接反饋 可能 導(dǎo)致 不穩(wěn)定 , 或者說 預(yù)期外 的 結(jié)果 。

但 這 似乎 又和 實(shí)際 的 元件 和 電路 的 品質(zhì)表現(xiàn) 有關(guān), 對于 理想 的 元件 和 電路, 這樣 的 設(shè)計 似乎 沒問題 。

理想 的 元件 和 電路, 對 信號 的 響應(yīng) 是 即時 的, 大概 可以說是 只需要 “很短的時間”, 且 各 元件 對 響應(yīng) 保證 完成 和 保證 按 順序完成, 這樣就不存在問題 。

實(shí)際中, 延 2 輸出 1, 使得 雙 2 out 1 變?yōu)?0, 需要 確保一小段時間, 在這段時間內(nèi), 即使 雙 2 out 1 變?yōu)?0, 但 延 2 仍然可以 輸出 1, 確保 雙 2 out 1 變?yōu)?0, 這段時間后, 延 2 才 輸出 0 。

如果 這個 問題 存在, 要怎么 改進(jìn)設(shè)計 ? 留給大家思考, 我懶得畫了, 哈 。

我們 假設(shè) 這個 問題 不存在, 接著分析 。

電容器 的 充電放電 是一個 挺麻煩 的 事情, 以 延 1 為例, 電容器 充電 充滿, 則 延 1 接通 。 雙 1 輸出 0 時, 相當(dāng)于 延 1 和 電源斷開, 電容器 放電, 而 放電 必須 在 下一次 充電 之前 完成 , 也就是 必須 在 延時開關(guān) 下一次 被 觸發(fā) 前 完成 。

最快的情況, 本次操作 后 執(zhí)行 下一次 操作, 下一次操作 完成后 又 返回 調(diào)用 本次操作, 這類似于 程序 里 的 循環(huán) 和 goto 。

這就要求 本次操作 的 放電時間 要 小于 下一次操作 的 充電時間 - 對 下一次操作 輸出 1 的 時間 (1 脈沖 的 脈沖寬度) , 且 越小越好 。

如果 本次操作 的 時間很長, 就 意味 著 本次操作 的 充電時間 很長, 如果 下一次操作 的 時間很短, 就 意味著 下一次 操作 的 充電時間 很短, 這要求 本次 操作 的 放電時間 更短,

于是, 這就要求 本次操作 的 充電時間 很長 而 放電時間 很短, 這在 技術(shù) 上 做到 比較 有 難度 。

因?yàn)?這要 權(quán)衡 充電電阻 和 放電電阻, 從 上文 電路圖 可以看到, 充電電阻 是 R, 放電電阻 是 繼電器控制端 線圈電阻 。

對于 NPN 型 三極管電路, 放電電阻 是 基極電阻 + 基極 和 發(fā)射極 之間 的 電阻 + 發(fā)射極電阻 。

基極電阻 是 連在 基極 上 的 電阻, 發(fā)射極電阻 是 連在 發(fā)射極 上 的 電阻,

基極 和 發(fā)射極 之間 的 電阻 = 三極管內(nèi)部 基區(qū)電阻 + 發(fā)射區(qū)電阻 + 基區(qū) 和 發(fā)射區(qū) 之間 PN 結(jié) 的 電阻

當(dāng)然, 事實(shí)上, 還有一部分 放電電流 是 通過 充電電阻 R, 流到 集電極, 又流到 發(fā)射極, 又通過 發(fā)射極電阻 來到 電容器 負(fù)端 。

所以, 要 權(quán)衡設(shè)計 這些電阻, 而 發(fā)射極電阻 還關(guān)系 到 輸出電壓, 這跟 連在 發(fā)射極 上 的 外部電路 的 電阻(阻抗) 又有關(guān)系 。 這是不是 “輸出阻抗” 問題 ?

電容器放電 剛開始 的 一段時間 內(nèi), 延 1 可能 仍然 是 導(dǎo)通 的, 這段 時間 要不要 算到 延時開關(guān) 的 導(dǎo)通時間 里, 也就是 輸出 的 1 脈沖 的 脈沖寬度 里 ?

而 延 1 的 輸出端 一方面 作為 延時脈沖開關(guān)的 輸出端, 一邊 和 雙 2 的 in 1 相連, 雙 2 的 in 1 在 out 1 為 0 時, in 1 會輸出 一定 的 低電壓, 這會 通過 輸出端 和 外部電路 產(chǎn)生 耦合, 要不要 在 延 1 和 輸出端 之間 加一個 繼電器 或者 三極管開關(guān) 解耦 ?

又或是 在 延 1 和 雙 2 之間 加 一個繼電器 或者 三極管開關(guān) 解耦 ?

或者 把 輸出端 設(shè) 在 雙 2 的 out 1, 以 雙 2 的 out 1 作為 延時脈沖開關(guān) 的 輸出端, 但 這樣 延 2 的 輸入端 會 和 外部電路 產(chǎn)生 耦合, 延 2 放電 的 時候, 放電電流 會 流向 外部電路 。

這似乎 引出 了 “輸入阻抗” 和 “輸出阻抗” 的 問題, 兩個 元件 要 連在一起用, 輸入阻抗 和 輸出阻抗 要 匹配, 或者說 符合 彼此 給出 的 規(guī)格 , 大概 就是 輸入阻抗 和 輸出阻抗 問題 吧 。

規(guī)格 是指 阻抗 的 范圍 , 兩個元件 要 連在一起用, 自己 的 輸出端阻抗 要在 對方 給出 的 輸入阻抗 范圍 內(nèi) 。 以及, 對方 的 輸入端阻抗 要 在 自己 給出 的 輸出阻抗 范圍 內(nèi) 。

耦合 是 普遍存在 的, 但, 通過 制定 統(tǒng)一 的 輸入輸出 接口, 可以進(jìn)行 管理 和 調(diào)節(jié) 。

輸入輸出 接口 可以 減小 耦合, 統(tǒng)一 輸入輸出接口 可以 對 輸入輸出 的 耦合 統(tǒng)一 計算, 可以計算 很多 元件 連在 一起用 時 的 耦合 積累, 可以計算得到 并聯(lián) 的 最大情況 的 耦合 和 串聯(lián) 的 最大情況 的 耦合 , 并 將 它們 控制在 一個 比較小 的 范圍內(nèi), 在 這個 范圍 內(nèi), 耦合 對 電路 的 影響 不大, 電路 可以 正常工作 。

通過 對 電路參數(shù) 的 設(shè)計, 以及 晶體管 的 技術(shù)品質(zhì) 的 提升, 可以 在 元件 數(shù)量很多 時, 耦合 的 累積量 仍然 很小, 不會 超過某個 范圍, 就像 數(shù)學(xué)上 的 極限 。

這是 一種 比較 理想 的 情況 。

晶體管 的 技術(shù)品質(zhì), 比如 開關(guān)特性, 開時, 電阻很小, 關(guān)時, 電阻很大, 開關(guān) 的 反差 越大, 則 電路 的 誤差耦合 越小, 電路越穩(wěn)定, 電路 的 規(guī)模 可以 做的 越大 。 電路規(guī)模 指 元件數(shù)量 。 比如 大規(guī)模集成電路, 超大規(guī)模集成電路 。

誤差耦合 就是 上面 說的 不需要 但是 又存在 的 耦合 , 這些 耦合 會 造成 電路 的 誤差 , 誤差 在 一定范圍內(nèi), 電路 可以 正常運(yùn)行, 表達(dá) 預(yù)期 的 邏輯, 誤差 積累 超過 一定范圍, 電路 會 出錯, 表達(dá)出 錯誤邏輯, 比如 開 變成 關(guān), 關(guān) 變成 開, 或者, 該開不開, 該關(guān)不關(guān) 。

數(shù)字電路 的 誤差耦合 可以 分為 2 大類 :

1 基本開關(guān)電路 的 誤差耦合

2 特定電路 的 誤差耦合

先說說 基本開關(guān)電路 的 誤差耦合, 理論上, 繼電器, 是 一個 理想 的 開關(guān)元件, 可以說 不存在 誤差耦合 。 因?yàn)?繼電器 的 控制端 和 輸入輸出端 是 獨(dú)立 的 2 條 線路 , 所以, 繼電器 沒有基本開關(guān)電路 的 誤差耦合 。

三極管 的 基極 、發(fā)射極 、集電極 共用 一條 線路, 相當(dāng)于 控制端 和 輸入輸出端 共用 一條 線路, 所以, 三極管開關(guān)電路 存在基本開關(guān)電路 的 誤差耦合 。

特定電路 的 誤差耦合 比如 上文說到的 雙穩(wěn)態(tài)電路 的 in1 和 延時脈沖開關(guān) 的 輸出端 直接連接 時, 可能 通過 延時脈沖開關(guān) 的輸出端 向 外部電路 輸出 低電壓 。 又比如 上文說到的 延 2 的 輸入端 和延時脈沖開關(guān) 的 輸出端 相連 時, 可能 通過 延時脈沖開關(guān) 的輸出端 向 外部電路 輸出 放電電流 。

假設(shè) 本次操作 和 下一次操作 的 延時脈沖開關(guān) 的 延遲時間 一樣, 下一次操作 完成后 又返回執(zhí)行 本次操作, 那么, 簡單的, 理想的, 這兩個操作 的 延時脈沖開關(guān) 交替 輸出 的 脈沖 可以用 一個 方波 來 表示 :

簡單的, 理想的, 延 1 的 充電時間 可以認(rèn)為 是 方波 的 一個周期, 放電時間 應(yīng)在 0 半周 以內(nèi), 且 越小越好 。 上文說了, 技術(shù)上, 要讓 放電時間 遠(yuǎn)小于 充電時間 實(shí)現(xiàn)起來 可能 比較 困難, 在這里, 因?yàn)?充電時間 = 一個周期 = 1 半周 + 0 半周 = 1 半周 + 最大放電時間, 可以 讓 0 半周 比 1 半周 長 比較多, 這樣, 充電時間 仍然 大于 放電時間, 但是 放電時間 的 范圍 變大 了, 或者說, 0 半周 比 1 半周 越長, 最大放電時間 越接近 充電時間, 技術(shù)上 比較容易 實(shí)現(xiàn) 。

對于 延 2, 充電時間 是 1 半周, 放電時間 是 這個周期 的 0 半周 + 下個周期 , 所以, 延 2 允許 的 放電時間 遠(yuǎn)大于 充電時間, 這個 技術(shù) 上 容易實(shí)現(xiàn) 。

注意, 是允許 的 放電時間 遠(yuǎn)大于 充電時間, 允許 的 放電時間 最大 可以達(dá)到這個周期 的 0 半周 + 下個周期 這么長, 但不是說 要 做到 這么長, 事實(shí)上, 應(yīng)該 比 這個 小, 越小越好 。

上面說的 這些 問題, 早期 的 電子計算機(jī) 工程師 應(yīng)該都 碰到過, 或者說, 經(jīng)歷過 。

再來 看 一次性開關(guān), 這里會用到 開關(guān)元件, 開關(guān)元件 的 示意圖 :

控制端 是 1 時, 輸入端輸出端 導(dǎo)通, 控制端 是 0 時, 輸入端輸出端 斷開 。

開關(guān)元件 可以是一個 繼電器, 也可以是 三極管開關(guān)電路, 等等 。

三極管開關(guān) 電路圖 :

一次性開關(guān) 電路圖 :

控制端 輸入 1 脈沖, 雙 1 的 out 1 變成 1, 使 開關(guān) 1 導(dǎo)通, 之后, 輸入端 輸入 1 就可以 通過 開關(guān) 1, 使 雙 2 的 out 1 變成 1, 使 開關(guān) 2 導(dǎo)通,

之后, 當(dāng) 輸入端 的 1 結(jié)束后, 就變成了 0, 0 使 非門 輸出 1, 通過 開關(guān) 2 輸出 到 雙 1 的 in 2, 使 雙 1 out 1 變成 0, 開關(guān) 1 斷開 。

開關(guān) 1 斷開 后, 輸入端 無論 輸入什么, 輸出端 都是 0, 這就是 一次性開關(guān) 的 效果 : 當(dāng) 控制端 輸入 1 脈沖 后, 一次性開關(guān) 開始工作, 輸入端 和 輸出端 導(dǎo)通, 當(dāng) 輸入端 輸入 1 脈沖 時, 輸出端 輸出 1 脈沖, 1 脈沖 結(jié)束 后, 一次性開關(guān) 停止工作, 輸入端 無論輸入什么, 輸出端 都是 0 。

還有, 當(dāng) 控制端 輸入 1 時, 雙 1 out 1 會 輸出 1 到 雙 2 的 in 2, 使 雙 2 out 1 變成 0, 開關(guān) 2 斷開 。 這樣 就 切斷了 非門 和 雙 1 in 2 的 通路, 不然, 非門 輸出 的 1 會 阻止 雙 1 out 1 變成 1 。 在 上一次 使用后, 雙 2 out 1 一直 是 1, 開關(guān) 2 一直 導(dǎo)通 。

還要說明一點(diǎn), 雙穩(wěn)態(tài)開關(guān) 在 第一次 使用 前 要 設(shè)置 初始狀態(tài), 因?yàn)椋?接通電源 后, 雙穩(wěn)態(tài)電路 的 狀態(tài) 是 隨機(jī) 的 。 如果 要求 初始狀態(tài) 是 out 1 = 1, 可以 讓 in 1 = 1 來 設(shè)置 這個 初始狀態(tài) 。
編輯:hfy

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    發(fā)表于 09-13 15:43

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    繼電器的驅(qū)動方式有很多種,比如用三極管驅(qū)動,2003芯片驅(qū)動等,其中用三極管驅(qū)動繼電器是比較有性價比的一種電路驅(qū)動方式,應(yīng)用比較廣泛,電路核心的工作原理是讓
    的頭像 發(fā)表于 06-11 15:20 ?3.7w次閱讀
    當(dāng)用<b class='flag-5'>三極管</b>驅(qū)動繼電器<b class='flag-5'>開關(guān)</b>時,<b class='flag-5'>電路</b>中的電阻,二<b class='flag-5'>極管</b>,<b class='flag-5'>三極管</b>如何選型計算?

    為什么在MOS開關(guān)電路設(shè)計中使用三極管容易燒壞?

    MOS三極管在工作過程中會產(chǎn)生較大的熱量,因此容易燒壞。接下來,我將詳細(xì)解釋為什么在MOS開關(guān)電路設(shè)計中使用三極管容易燒壞,并提供一些
    的頭像 發(fā)表于 05-17 14:37 ?233次閱讀
    為什么在MOS<b class='flag-5'>管</b><b class='flag-5'>開關(guān)電路</b>設(shè)計中使用<b class='flag-5'>三極管</b>容易燒壞?

    NPN與PNP三極管的區(qū)別

    在電子學(xué)和電路設(shè)計中,三極管(也稱為晶體三極管)是一個至關(guān)重要的元件,廣泛應(yīng)用于各種電路中以實(shí)現(xiàn)電流放大、開關(guān)控制等功能。
    的頭像 發(fā)表于 05-12 17:16 ?3261次閱讀
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