单片机驱动功率继电器电路分析

数字电路课题报告

——接口设计—AT89C51RD2驱动功率继电器

专业： 测控技术与仪器

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接口设计—AT89C51RD2驱动功率继电器

摘要

本篇主要介绍应用AT89C51RD2单片机驱动OMRON G4A继电器的两种电路设计，应用TINA PRO软件进行仿真实验，以达到解决AT89C51RD2的输出直流驱动能力很弱，且高电平的驱动能力很低的问题的目的，并总结出低电源电压下51驱动较大电流负载时的驱动电路设计规律。

Abstract

This part describes the application of single-chip driver OMRON G4A AT89C51RD2 two relay circuit design, application TINA PRO software simulation, in order to achieve the output of the DC solution AT89C51RD2 weakly driven, low drive capability and high purpose of the question and concluded that the low supply voltage 51 drive high current load driving circuit design rules.

关键词

AT89C51RD2单片机，OMRON G4A继电器，驱动电路，晶体管

引言

由于人们生活生产需要，大功率继电器被应用于各种场合，以实现低电平小电流控制高电平大电流器件，各种带电作业工作可以安全高效地进行。而单片机的出现及应用，通过对继电器等的控制，逐渐实现了人们生活生产的自动化、半自动化。但单片机的输出直流驱动能力很弱，因此不能驱动大功率器件，所以需要设计接口电路来满足实际需求。89C51RD2的输出直流驱动能力很弱，且高电平的驱动能力很低。本设计的最佳方案是采用NMOS晶体管驱动。但由于电源电压较低（2.97~3.63）必须使用低开启电压晶体管，同时必须考虑开启电压有很大的工艺波动范围。由于结型晶体管需要的驱动电压较低，NPN驱动也是可能的方案。根据89C51RD2数据手册，低电平输出电流为1.6mA时，输出电压可达到0.45V(Vdd=5, 低电源电压时，情况更坏)，如果环境温度较高，NPN晶体管可能会导通。因此必须降低晶体管的驱动电流而选用较大的晶体管，保证晶体管能够在饱和与关断间工作。

正文

本篇主要介绍应用AT89C51RD2单片机驱动OMRON G4A继电器的两种电路设计，应用

TINA PRO软件进行仿真实验，目的是解决AT89C51RD2的输出直流驱动能力很弱，且高电平的驱动能力很低的问题。

1.对两种方案基本原理的介绍。

其中，U4为根据数据手册（89c51rd2 datasheet p14）提供的数据（P114，

115）建端

口的近似模型（接近最坏情况）的等效元件，如下图。

由G4A数据手册知，G4A接12V时，动作电压70%，复位电压10%，因为电阻为160Ω，故需达到额定电流75mA的70%即52.5mA才能使继电器产生动作，低于10%即7.5mA时复位。

电子开关1N4148在正向电流时对继电器影响不大，可忽略；反向时，可保护继电器。 方案1中，SW1=1（即接3.3V电压）时，U4输出低电平（约为0），远低于MOS管的开启电压，继电器电路断开，电流为零，继电器不动作；SW1=0（即接地）时，U4输出高电平（约为3.3V），高于MOS开启电压，继电器电路闭合，由于MOS的DS极间压降仅约0.3V，故继电器可以达到动作电压，发生动作。

方案2中，SW1=1时，由于U4内部结构，AM1测得为负值，同时三极管基极电流很小（约几十pA），基极电压低于180mV，故对继电器电路此时三极管相当于断路，继电器电流约为

零，不产生动作；SW1=0时，AM1为正值，且三极管基极电流为uA级，基极电压高于0.7V，三级管导通，继电器电路构成回路且三极管ce极间压降很小（不足0.3V），继电器可以达到动作电压，产生动作。

方案2中,基极电流的确定:Ib=VF2/(Rbe//R3)-VF2/R3 ,

而VF2/(Rbe//R3)=(V1-VF2)/R2

在继电器正常工作情况下，应有：IL=（1+β）Ib≈75mA （继电器额定电流约75mA） 其中R3>>Rbe,由模电知识知,R3的主要作用是稳定晶体管的静态工作点,且能够分走一部分电流；而R2能起调节Ib大小的作用。由此分析可计算R2、R3等的大小。

以上是对两种方案的理论分析，接着再看下实际仿真结果。

2.实际仿真结果分析。

方案1电路 仿真结果表 （典型值下，-20℃~50℃结果）

方案1电路中将开启电压典型值1.3V换为最小值0.8V或最大值1.8V，，仍旧按照以上

步骤仿真，发现尽管最大最小电流AM2有约20mA的浮动，但是晶体管ZVN4424A始终可以实现预计功能。

换上2N7000或2N7002,需要注意开启电压VGS的变化。晶体管开启电压对AM2的影响

是：开启电压VGS越大，AM2越小；当V1

综上，ZVN4424A与2N7002可以实现驱动继电器功能，而2N7000在温度、单片机驱动电压波动及自身制造工艺影响下，可能会无法实现预计功能。

方案2电路 仿真结果表 （典型值下,-20℃~50℃结果）

此表数据表明，在典型测试值即所给条件下，三极管2N5089可以实现设计要求。 由于晶体管放大倍数β受温度影响，故修改晶体管放大倍数β值后，重复以上步骤进行

仿真（由于各方均无2N4593数据，暂无法对其进行分析）。 V1=3.63V，V2=13.2V）

上图是对在典型参数下，V1=3.63V，V2=13.2V，-20~50℃时的仿真结果。显然图中AM252.5mA，即能够使继电器产生动作。

调节R2数值，则在R2≈1.7kΩ，20℃时，AM2大约为52.5mA，且随R2的减小或温度的升高而增大；但是，当R2过小时，可能会造成SW1=1时，AM2值大于7.5mA，即高于继电器复位电流，继电器无法复位，因此放大倍数不能过大。R3对温度变化对晶体管造成的影响有一定温度作用。

3.结论

在设计外电路用单片机来驱动大功率元器件时，必须充分考虑晶体管放大倍数以及温度

条件：MOS管要注意元件的开启电压对电路的影响，选择开启电压合适的MOS管。三极管要注意选择合适放大倍数，并考虑其温度变化对其影响，选择合适电路增加温度稳定性。

参考文献

[1] G4A功率继电器数据手册.

[2] 康光华.电子技术基础数字部分（第五版）.2009 [3] 童诗白、华成英.模拟电子技术基础（第四版）.2006 [4] ZVN4424A，2N7000，2N7002，2N5089，2N5551数据手册. [5] at89c51RD2数据手册.