使用 NPN 达林顿晶体管从 3.3 VDC 微控制器驱动大型继电器

将微控制器与高功率负载接口是一个设计挑战。对于本文介绍的3.3伏直流微控制器(如图1所示的Arduino Nano 33 IOT)尤其如此。通常这些新型高性能32位微控制器的驱动能力不如5伏直流的传统型号。例如Nano 33 IOT每引脚限流7毫安,而Arduino Nano Every每引脚可提供15毫安。电流降低叠加电压减小的情况需要特别关注。许多教程中介绍的简单NPN晶体管继电器驱动方案已不再适用。

本技术简报是介绍微控制器与继电器线圈接口的系列文章之一。本期重点探讨达林顿晶体管解决方案。高增益的达林顿晶体管能良好匹配3.3伏直流微控制器与24伏250毫安的继电器线圈。本应用中基极驱动电压标称值为1.4伏直流。基极电阻的选取需使基极电流为达林管集电极电流的1/100。测试结果完全在Arduino微控制器的安全裕度范围内。

若您尚未阅读,建议您查阅本系列文章。

关于MOSFET的文章着重分析了3.3伏微控制器的电压限制,以及驱动大型接触器时使用MOSFET的难点。第二篇文章研究了瞬态电压抑制(TVS)二极管,例如图1所示施耐德LCD09BD三相接触器中集成的LAD4TBDL器件。

1 :通过BDX33C达林顿晶体管驱动施耐德LC1D09BD接触器的Arduino Nano 33 IOT微控制器原型。

技术提示 :基于TVS的续流二极管能有效缩短继电器断电时间。这对于驱动三相电机的大型接触器(如图1所示施耐德设备)尤为重要。这种简单的TVS二极管能增强触点分断的迅捷性。确保触点电弧快速熄灭,从而延长触点寿命。在故障条件下分断触点时,还能提供额外保护。如文中所述,使用TVS需要代价——驱动半导体必须承受更高的钳位电压。

如何确保达林顿晶体管对完全饱和?

本应用中,达林顿晶体管作为开关控制继电器线圈通断。必须使晶体管完全导通,避免工作在线性区。若无此饱和状态,晶体管将消耗大量功率。更糟的是,继电器/接触器可能无法正常启动或间歇性动作,导致设备整体故障。确保饱和的一种方法是让晶体管工作于强制β条件下。

什么是强制 β

强制β是一种使晶体管深度饱和的工作模式。电路参数的选择并非采用晶体管自然(线性)增益,而是强制将直流电流增益降至更低值。保守的设计师会选择元件使基极电流为集电极电流的1/10。对于达林顿管,基极电流设为集电极电流的1/100。此处我们假设驱动级系数为10,达林顿输出级系数也为10。

我们开始电路计算时已知施耐德接触器在24V直流电源驱动下电流约为250mA。在达林顿管强制β条件下,可得出基极电流约为2.5mA。鉴于Arduino输出为3.3V直流,达林顿基极电阻计算如下:

R = \dfrac{3.3 – (2 * 0.7)}{0.0025} \approx 750\Omega

式中假设每个晶体管 V_{BE} 压降为0.7V直流。我们选择E24系列中最接近的750Ω电阻。

技术提示I_B = I_C/10 是强制β条件的保守定义。这里的"强制"意味着晶体管在所有工作条件和温度下都处于饱和状态。实际操作中,我们通过选择与给定负载电流匹配的基极电阻来建立强制β条件。

数值10对某些设计可能过于激进。采用20甚至50的数值可能更为合适。为获得最佳能效,务必测试设计并选择可用但保守的强制值。但需注意晶体管直流电流增益并非严格受控参数。必须考虑其自然波动。这能避免因晶体管批次性能超出预期而进行PCB返工的麻烦。

最终的示意图如图 2 所示。注意Arduino与24V直流回路共地。达林顿晶体管采用共发射极的灌电流配置。另外请注意,此处使用TVS二极管来钳位继电器的反激电压。

2 Arduino 与施耐德接触器之间BDX33C达林顿晶体管的接口原理图。

如何确保达林顿管能承受反激电压?

本工程简报聚焦施耐德LC1D09BD接触器。请注意该接触器采用48V直流TVS二极管来"捕获"反激电压。图2所述电路对应的波形如图3所示。通道1(橙色)显示Arduino输出的3.3V直流驱动信号。通道2(蓝色)显示达林顿管两端测量的 V_{CE} 电压。通过观察72V直流电平可以得出TVS钳位电压。回顾TVS二极管相对于24V直流电源轨的钳位原理:24+48=72V直流。

技术提示 :选择施耐德LC1D09BD是因其具有设计挑战性。该接触器线圈电流中等偏高,内置TVS二极管会给达林顿管带来更高的V_{CE}VCE电压应力。我们完全可以通过使用常规二极管替代TVS二极管来降低这种应力。这样钳位电压将是24V直流电源轨加上一个二极管压降。但继电器/接触器的关断时间将显著增加。由此导致的动作迟缓会降低系统可靠性。

3 :继电器线圈去激励波形图,其中通道1(橙色)显示Arduino输出的3.3V直流驱动信号,通道2(蓝色)显示达林顿管两端测量的 V_{CE} 电压。

最后的思考

配备TVS二极管的施耐德接触器对微控制器驱动而言是个挑战性负载。其线圈电流中等,且TVS二极管钳位的感应尖峰(反激电压)较高。BDX33C达林顿对管为3.3V系统提供了良好接口。直流Arduino。

您是否赞同选用TO-220封装的器件?这个设计是否过于保守?如果是,您会选择什么器件?请在下面的空白处留下您的评论。此外,务必通过回答本笔记末尾的问题和挑战性问题来扩展你的知识。