为什么有些mos管要用三极管驱动,单片机IO不能直接驱动吗?

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有些MOS管需要用三极管驱动,而不是直接用单片机的I/O口驱动,这是因为单片机的工作电压一般在5V以下,其I/O口输出的驱动电压的幅度较小(不会大于单片机的供电电压),而MOS管是一种电压驱动器件,要想使其充分饱和导通,一般需要较高的驱动电压,故不能直接用单片机I/O口驱动MOS管。为了使MOS管能够充分饱和导通,一般采用下图所示电路。




有不少型号的单片机工作电压较低,譬如STM8L151单片机的工作电压范围为1.8~3.6V,C8051F330的工作电压为2.7~3.6V,它们一般都采用3.3V的稳压电源供电,这样其I/O口输出电压的幅度一般≤3.3V。

而像IRF840(其外形封装见上图)这类阈值电压较高的大功率MOS管,其栅源两极之间的驱动电压一般要≥10V,才能使其充分饱和导通,显然用上述工作电压为3.3V的单片机输出的信号直接驱动这类MOS管根本无法使其导通。

为了能使MOS管充分饱和导通,一般先将单片机I/O口输出的信号经双极型三极管放大,然后再驱动MOS管。

图1电路中,STM8L151单片机I/O口若输出为高电平时,VT1导通(一般只要该高电平信号的幅度稍大于0.7V,即可使其导通),VT2栅极为低电平,处于截止状态,负载RL不工作。当STM8L151的I/O口输出为低电平时,VT1截止,VT2栅极电压几乎等于电源电压12V(VT1截止时,R2两端的压降几乎为零),这样便可以使VT2获得足够幅度的电压而充分饱和导通了。

顺便说一下,现在有不少贴片功率MOS管(譬如SI2301)的阈值电压较低,有的在5V左右的电压下即可饱和导通,不过这类管子的漏极电流只有几安,无法驱动工作电流更大的负载。


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单片机的GPIO口可以直接驱动三极管没有问题,对于很多MOS管却不能直接驱动,需要通过三极管或者光耦来转化一下,这是为什么呢?

单片机的常用工作电压一般为5V或者3.3V,不会超过5V,对于功率较大的MOS管可能无法满足导通条件,因为MOS管是电压驱动型的,而三极管是电流驱动型的,对驱动电压要求不高。

1 单片机为什么可以直接驱动三极管

三极管是流控型器件,具有三个工作状态,分别为截止区、放大区和饱和区。用作电子开关时需要工作在截止区和饱和区。以NPN三极管为例,三极管饱和导通时,基极和发射极之间的压差大约为0.7V,所以只要基极端的电压高于0.7V,三极管就能导通,而单片机在输出高电平时至少可达3.3V,所以单片机可以直接驱动三极管。单片机驱动三极管的电路如下图所示。

2 单片机为什么无法直接驱动MOS管

对于很多小功率的MOS管,单片机是可以直接驱动的,因为其开启电压Vth要求不是很高,但是对于大多数的MOS管,其开启电压在2.5-4.5V之间,甚至更高,单片机直接驱动可能会出现问题,所以就需要通过三极管来转换一下。下图就是单片机通过单片机来驱动MOS管的例子。

上图中,如果负载端的电流较大,选用的MOS管Vth可能较大,多数MOS管的VGS在±20V范围内,Vth在(2.5-5)V之间,如果是3.3V的单片机可能导致MOS管不能正常工作。这是就通过三极管来间接驱动。

单片机输出高电平时,三极管导通,集电极时低电平那么MOS管截止;当单片机输出低电平时,三极管截止集电极是高电平,MOS管导通。也可以在三极管的G和S极之间加一个稳压管。

除了三极管之外,单片机也可以通过光耦来驱动MOS管,在有些场合光耦驱动MOS管更为合适。用三极管,还是用光耦,还是用单片机直接驱动需要根据实际的电路参数来确定。

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根据提问者的意思,为什么经常看到在使用单片机I/O口驱动MOS管时,不是使用单片机I/O口直接驱动,而是经过一级三极管,使用三极管驱动MOS管。

三极管和MOS管控制区别

三极管和MOS管在驱动上是有区别的,三极管是电流驱动,而MOS管是电压驱动,三极管的基极驱动电压只要高于Ube的死区电压即可控制三极管导通,硅材料三极管的死区电压一般为0.6V,锗材料三极管的死区电压一般为0.3V,所以控制三极管的电压对于硅材料的三极管来说只要高于0.6V左右即可,而对于锗材料的三极管来说只要高于0.3V左右即可。

而MOS管就不一样了,MOS管是电压型驱动,其驱动电压必须高于其死区电压Ugs的最小值才能导通,不同型号的MOS管其导通的Ugs最小值是不同的,一般为3V~5V左右,最小的也要2.5V,但这也只是刚刚导通,其电流很小,还处于放大区的起始阶段,一般MOS管达到饱和时的驱动电压需6V~10V左右。

实际应用

了解三极管和MOS管在控制上的区别之后,那么单片机I/O口怎么控制三极管和MOS管呢?单片机一般采用5V或3.3V供电,其I/O口高电平为5V或3.3V,处理器一般讲究低功耗,如今使用3.3V供电的单片机较多,所以其I/O口高电平也只有3.3V。

(1)3.3V的电压足够可以驱动三极管,三极管属于电流驱动,根据I/O口的电压VIO以及限流电阻R1的值可以推算出基极电流,Ib=(VIO-0.6V)/R1,选择不同的电阻R1阻值,可以改变基极电流,只要VIO大于0.6V,想要使三极管工作在饱和区都可以,下图为简单的NPN三极管控制LED指示灯的原理。

(2)MOS管是电压驱动,MOS管开启最低驱动电压为3V~5V左右,不同型号MOS管驱动电压不同,一些小功率MOS管最低驱动电压为2.5V左右,单片机I/O口可以直接驱动,但是此时MOS管处于半导通状态,内阻很大,驱动小电流负载可以这么使用。大电流负载就不可以这么使用了,内阻大,管子的功耗过大,很容易烧毁MOS管。MOS管达到饱和状态所需驱动电压一般为6V~10V左右,3.3V的电压不足以直接驱动MOS管使其饱和。因此,可以在I/O口的输出端加一级三极管,使MOS管的驱动电压变高。举例说明,仅供参考,原理如下图所示。

原理分析:当单片机I/O口为高电平时,NPN三极管Q5导通,直接将N-MOS管控制极G极拉低,MOS管截止,负载不工作;当单片机I/O口为低电平时,NPN三极管Q5截止,电阻R12和R13将24V电源分压得G极电压为:24V*20K/(10K+20K)=8V,MOS管导通并达到饱和状态,负载工作。

总结:三极管为电流驱动,较低的电压就可以驱动三极管,而MOS管为电压驱动,驱动电压较高,单片机I/O口的电压不足以驱动MOS管,所以经常使用三极管作为缓冲改变电压,当然除了使用三极管之外还可以使用光耦等。

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技术闲聊


MOS管(场效应管)是电压驱动型器件,只要驱动电压满足要求就可以驱动MOS管导通

MOS管是电压驱动型元件,在设计MOS管驱动电路时,需要注意所选用MOS的导通维持电压(Vgs)。如果驱动电压达不到导通维持电压(Vgs),MOS管就不能稳定、可靠的导通。

MOS管驱动电路分析

在设计电子产品的时候,单片机的工作电压有可能是1.8V、3.3V、5V。因为驱动MOS管并不需要太多的电流,如果单片机IO的驱动电压合适,可以直接驱动MOS管的。比如所选择的MOS的VGS最小值为2.5V,单片机的工作电压为5V,那么IO直接驱动MOS管是完全没有问题的

N MOS管:DR为高电平时导通,DR为低电平时断开

P MOS管:DR为低电平时导通,DR为高电平时断开

如果单片机IO的驱动电压不能满足MOS管的VGS要求,比如MOS管的VGS最小为3~4.5V,而单片的工作电压为3V,如果直接用IO驱动MOS管,是不可靠的,需要加入三极管驱动。三极管是电流型的驱动器件,只要给三极管的基极提供驱动电流就可以导通,再通过三极管的集电极给MOS管提供驱动电压。

N MOS管:DR为低电平时导通,三极管截止,三极管的集电极为高电平,可以驱动MOS导通;DR为高电平时,三极管导通,三极管的集电极为低电平,N MOS管就断开了。

P MOS管:DR为高电平时导通,三极管导通,三极管的集电极为低电平,可以驱动MOS导通;DR为低电平时,三极管截止,三极管的集电极为高电平,P MOS管就断开了。

所以MOS的驱动是否加入三极管需要根据实际应用而定!并不能一概而论!

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有单片机直接驱动的MOS管,查logic MOS就可以找到一大堆。


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