电路设计思路:三路单独输出和两路共控输出

作者: Digi-Key 工程师 Kaleb Kohlhase

最近有客户询问,是否有一种方法可以利用旋转开关分别控制三个单路输出,并且在开关的第四个位置打开输出第二路和输出第三路,但前提是在每个输出的单独开关期间不干扰其他输出。我最初的解决方案使用了一个4位旋转开关、一个npn晶体管、两个肖特基二极管、一个12VDC继电器、三个带有适当电阻的单独LED、一个1000欧姆电阻、一个12VDC 500mA电源和一个2.1x5.5mm圆形连接器。

电路行为:设计说明


就设计全面的电路而言,如果不详细分析一下其作用,可能会让人感到困惑。上图所示的电路中包含我使用的所有物料编号。下面我将逐步介绍激活旋转开关时的每一个“步骤”,以说明该电路是如何工作的。

  1. 位置1:LED 1本身

  2. 我画“X”的位置表示,由于缺乏连续性,电流不能按照某个方向流通。在这种情况下,NPN晶体管所在的位置只有一个X。晶体管不能导通,是因为R4上没有电压或电流;因此,没有电流可以通过NPN返回到继电器。

  3. 位置2:LED 2本身

  4. 本图中我画了更多的“X”来表示电流无法流通的地方。在这种情况下,NPN无法再接通,而电流也不能流过断开的开关,因为继电器在此位置不能接收任何功率。

  5. 位置3:LED 3本身

  6. 这一次,支路走向断开继电器开关的另一侧。继电器仍然接收不到任何功率,并且NPN处于断开状态,因此再次阻止了电流回流。另外,二极管D2也阻止了电流回流到继电器(二极管具有20V的反向击穿电压,因此没有问题)。

  7. 位置4:LED 2和LED 3同时接通

  8. 位置四的情况比较复杂,但解释起来仍然很简单。支路4通过栅极使晶体管饱和,进而导通了NPN晶体管(我选择的栅极会在10mA时增益为60,而前方的1K电阻会将电流限制为12mA,以保证饱和)。由于晶体管现在处于导通状态,电流可以通过继电器,并且继电器在12VDC下工作,而这是源自J1的电压。二极管D1仅起到保护作用,因为继电器线圈在关闭后容易产生反冲。电流可以通过NPN晶体管回到接地,从而形成一条完整的回路。由于电压充足(二极管在1A时的Vf为450mV),电流还会分流到二极管D2并向前流动,进而会降低LED 2和3的可用电压。继电器开关现已闭合,因为继电器正在工作,因而允许电流传输到LED 2。在通过二极管D2之后,电流也被分流回LED 3,从而使该灯亮起。

电路功能照片

旋转开关的位置一:
pos1C
旋转开关的位置二:
pos2C
旋转开关的位置三:
pos3C
旋转开关的位置四:
pos4_2and3C

物料清单和共享购物车链接

数量 Digi-key 物料编号 厂商物料编号 单位价格
1 KC14A10.001NPS-ND KC14A10.001NPS $5.69
2 CMF500HY-ND CMF55500R00FEBF $0.63
1 993-1391-ND PSAA06A-120L6-R-CR1 $9.81
1 486-3381-ND 4840.2201 $1.82
1 S1KHCT-ND CFM12JT1K00 $0.10
1 2N5550TARCT-ND 2N5550TAR $0.22
1 497-2493-1-ND BAT41 $0.37
1 Z1229-ND G6L-1P DC12 $2.89
1 1N5817-TPCT-ND 1N5817-TP $0.18
1 BC4161CT-ND MRS25000C4300FCT00 $0.29
1 365-1201-ND OVLLB8C7 $0.34
1 160-1659-ND LTL1CHKGKNN $0.37
1 160-1661-ND LTL1CHKRKNN $0.32

上述所有物料的总成本为$23.66。我在电路中使用的是基础的22AWG实心电线。为了方便起见,以下是我使用的一系列物料的链接:https://www.digikey.com/short/zcpt47

选择适用于设计的物料时的注意事项

在选择某些物料方面,我还有几点需要补充一下。我选择了电流至少为500mA的12V电源,以涵盖电路中的所有损耗。这远远超出了电路中的实际使用量。我明白,如果执行任何接近75mA电流的操作,都可能会突破极限,因为两个LED会消耗48mA,而1K电阻则消耗12mA。二极管消耗的电流非常低,所以我忽略了它们的电压降。继电器线圈大约消耗15mA电流,致使总电流接近75mA,而晶体管的最大处理功率仅约为625mW(我肯定不会采取从集电极到发射极的任何措施来突破最大功率)。晶体管的功耗也非常低,因此予以忽略。如果进行实验,我所选择的电源会空余大量的可用功率以供添加其他物料。我也明白,对于所需的特定连接器而言,我们并没有许多具有较低最大电流的电源(针对一些参数进行了筛选检查)。

我选择的NPN对我来说比较新,因为我设计的晶体管电路不多。该物料更多的是一种冗余的安全选择。从技术上讲,在未启动继电器的位置,电路会充分降低电流和电压,即便确实存在回流现象。我只是想明确阻止任何电流(即便是极微小的电流)回流到继电器线圈中。因此我需要一些使用方便的物料,因为还有很多额外的电阻。1K欧姆的电阻似乎还不错,12mA显然属于能够使一般NPN晶体管饱和的电流范围内。我试图通过搜索查找在电流水平接近12mA时具有增益的晶体管。我找到的晶体管在10mA,5V条件下增益为60。这其实大大超出了以下条件:源自12V的12mA电流肯定会使晶体管饱和。所有其他额定值都远远超过12V最大电压和最大电流消耗(Vce、Vce击穿和600mA集电极电流)。

用于保护电路免受反冲的二极管是一个通用的肖特基二极管。唯一要注意的是反向电压,在电压过大时,你肯定不希望出现传导错误并导致短路的情况。线圈反冲的电压通常很高,但由于过于迅速,因此对二极管本身造成的损害不大。二极管会将反冲限制为电路中的当前电压,而不是会损坏其他敏感器件的危险电平。

另一个二极管则主要提供通向LED 2和3的电路。另外还必须注意电流和反向电压。显然,我需要为两个LED提供更多的电流,而不希望为较低的反向电压感到头痛。我也不需要过多的正向电压降,以确保LED的亮度相同。我选择的肖特基二极管的平均正向电流为1A(远远超过我的需要),反向电压为20V(12V以上就已足够),且最终在1A时的正向电压仅为450mV。

对于开关和插座而言,我只需确保它们能够处理当前的电流和电压即可。它们对于此电路而言绰绰有余。

英文原文链接:Circuit Design Walk-through: 3 Individual and 2 Shared