如何用三极管电路表示延时开关 延时开关设计方案

先来 设计 延时开关 。

延时开关 是 利用 电容器 充电 时， 电容器 两端 的 电压 逐渐 上升 的 特点 来 实现 的 。

看一下 RC 电路 ：

接通电源 后， 电容器 开始 充电， 开始时， 充电电流 最大， 电容器 可以看作是一个 较小 的 电阻， 根据 欧姆定律 分压定理， C 两端 的 电压 较小，

当 C 充电 完成 后， C 相当于 一个 断路， 电阻无穷大， 根据 分压定理， C 两端 的 电压 等于 电源电压 。

R 越大 、C 越大， 充电时间 越长， R 越小 、C 越小， 充电时间 越短 。

在 RC 电路 里 接入 一个 继电器 ， 就可以 组成 延时开关 。

设 R = 10 欧， J1 的 控制端 电阻 为 R1， R1 = 10 欧， 电源电压 为 2 伏， J1 控制端 的 工作电压 是 1 伏， 即 当 控制端 电压 为 1 伏 时， J1 导通 。

开关 K 闭合 后， RC 电路 接通电源， C 开始充电， C 充电过程 中， C 可以看作是 一个 电阻 和 J1 控制端 并联， 设 并联电阻 为 R2， 可知 R2 < R1 = R ，

即 J1 控制端 两端 的 电压 小于 1 伏， J1 处于 断开状态 。

当 C 充电 充满 时， C 为 断路， 电阻无穷大， 此时 ， 电路 就变成了 R 、R1 的 串联电路， R1 两端 的 电压为 1 伏， 达到 J1 控制端 工作电压， J1 导通 。

J1 导通 就是 延时开关 导通 。 从 K 闭合 到 J1 导通， 中间 会 经历 C 的 充电时间， 这就是 延迟时间 。

当 R 和 R1 的 阻值 确定 时， C 越大， 充电时间 越长， C 越小， 充电时间 越短 。

也可以 把 R 、R1 和 C 一起 纳入 参数 计算， 计算出 符合 要求 的 充电时间 的 R 、R1 、C 。 就是说， 不单 可以 调节 C 的 大小 来 获得 要求 的 充电时间， 也可以 调整 R 、R1 的 阻值 来 调节 充电时间 。

实际上， 这里 R1 和 C 并联， 对 充电时间 的 影响 可能有点 复杂 。

但 实际上， 也不需要 精确计算， 根据 经验 和 一些 调试， 可以获得 适当 的 R 、R1 、C ， 满足 要求 的 充电时间 。

用 三极管电路 表示 延时开关 ：

在 电路 中， 延时开关 的 示意图 ：

输入端 接通 电源正极 后， 延迟一段时间 后， 输出端 输出 1， 也就是 高电位， 也可以说是 正极电压 。

注意， 输入端 接通 电源正极 后要 一直 接通 电源正极， 延时开关 才能 正常工作 。

再来看 脉冲延时开关， 《设计 逻辑电路 的 开关元件》https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/13412340.html 里 介绍 了 双稳态开关，

双稳态开关 的 示意图 ：

因为 一般 只用得到 一个 输出端， 所以 只 画出 out 1 。

延时脉冲开关 的 电路图 ：

输入端 输入 一个 1 脉冲 时， 双 1 的 out 1 变为 1 ， 触发 延 1， 延 1 开始 充电， 到 延迟时间 后， 延 1 输出 1， 输出端 输出 1， 双 2 的 out 1 变为 1， 触发 延 2， 延 2 开始 充电， 到 延迟时间 后， 延 2 输出 1， 双 1 、双2 的 out 1 都 变为 0， 本次工作过程 结束 。

在 本次工作过程 中， 输入端 输入 1 脉冲 后， 经过 延 1 的 延迟时间， 输出端 输出 1， 从此时 又 经过 延 2 的 延迟时间， 输出端 输出 0， 双 1 、双 2 的 out 1 变为 0， 延 1 、延 2 放电， 放电 到 一定程度 后 断开， 断开后 仍然 放 没放完 的 电， 放电完成 后 整个电路 恢复 为 初始状态 。

在 本次工作过程 中， 输出端 输出了 一个 1 脉冲， 脉冲宽度 是 延 2 的 充电时间， 也就是 延 2 的 延迟时间 。

其实 这个 设计 是 存在问题 的， 延 2 输出 1 是 双 2 out 1 = 1 支持 的， 若 双 2 out 1 = 0， 则 延 2 输出 0， 而 延 2 输出 1 使 双 2 out 1 变为 0， 双 2 out 1 变为 0 则 延 2 输出 0， 这就 形成了一个 循环依赖， 这可能会导致 不稳定 的 问题 。

总的来说， 这是一种 直接反馈， 这种 直接反馈 可能 导致 不稳定 ， 或者说 预期外 的 结果 。

但 这 似乎 又和 实际 的 元件 和 电路 的 品质表现 有关， 对于 理想 的 元件 和 电路， 这样 的 设计 似乎 没问题 。

理想 的 元件 和 电路， 对 信号 的 响应 是 即时 的， 大概 可以说是 只需要 “很短的时间”， 且 各 元件 对 响应 保证 完成 和 保证 按 顺序完成， 这样就不存在问题 。

实际中， 延 2 输出 1， 使得 双 2 out 1 变为 0， 需要 确保一小段时间， 在这段时间内， 即使 双 2 out 1 变为 0， 但 延 2 仍然可以 输出 1， 确保 双 2 out 1 变为 0， 这段时间后， 延 2 才 输出 0 。

如果 这个 问题 存在， 要怎么 改进设计 ？ 留给大家思考， 我懒得画了， 哈 。

我们 假设 这个 问题 不存在， 接着分析 。

电容器 的 充电放电 是一个 挺麻烦 的 事情， 以 延 1 为例， 电容器 充电 充满， 则 延 1 接通 。 双 1 输出 0 时， 相当于 延 1 和 电源断开， 电容器 放电， 而 放电 必须 在 下一次 充电 之前 完成 ， 也就是 必须 在 延时开关 下一次 被 触发 前 完成 。

最快的情况， 本次操作 后 执行 下一次 操作， 下一次操作 完成后 又 返回 调用 本次操作， 这类似于 程序 里 的 循环 和 goto 。

这就要求 本次操作 的 放电时间 要 小于 下一次操作 的 充电时间 - 对 下一次操作 输出 1 的 时间 （1 脉冲 的 脉冲宽度） ， 且 越小越好 。

如果 本次操作 的 时间很长， 就 意味 着 本次操作 的 充电时间 很长， 如果 下一次操作 的 时间很短， 就 意味着 下一次 操作 的 充电时间 很短， 这要求 本次 操作 的 放电时间 更短，

于是， 这就要求 本次操作 的 充电时间 很长 而 放电时间 很短， 这在 技术 上 做到 比较 有 难度 。

因为 这要 权衡 充电电阻 和 放电电阻， 从 上文 电路图 可以看到， 充电电阻 是 R， 放电电阻 是 继电器控制端 线圈电阻 。

对于 NPN 型 三极管电路， 放电电阻 是 基极电阻 + 基极 和 发射极 之间 的 电阻 + 发射极电阻 。

基极电阻 是 连在 基极 上 的 电阻， 发射极电阻 是 连在 发射极 上 的 电阻，

基极 和 发射极 之间 的 电阻 = 三极管内部 基区电阻 + 发射区电阻 + 基区 和 发射区 之间 PN 结 的 电阻

当然， 事实上， 还有一部分 放电电流 是 通过 充电电阻 R， 流到 集电极， 又流到 发射极， 又通过 发射极电阻 来到 电容器 负端 。

所以， 要 权衡设计 这些电阻， 而 发射极电阻 还关系 到 输出电压， 这跟 连在 发射极 上 的 外部电路 的 电阻（阻抗） 又有关系 。 这是不是 “输出阻抗” 问题 ？

电容器放电 刚开始 的 一段时间 内， 延 1 可能 仍然 是 导通 的， 这段 时间 要不要 算到 延时开关 的 导通时间 里， 也就是 输出 的 1 脉冲 的 脉冲宽度 里 ？

而 延 1 的 输出端 一方面 作为 延时脉冲开关的 输出端， 一边 和 双 2 的 in 1 相连， 双 2 的 in 1 在 out 1 为 0 时， in 1 会输出 一定 的 低电压， 这会 通过 输出端 和 外部电路 产生 耦合， 要不要 在 延 1 和 输出端 之间 加一个 继电器 或者 三极管开关 解耦 ？

又或是 在 延 1 和 双 2 之间 加 一个继电器 或者 三极管开关 解耦 ？

或者 把 输出端 设 在 双 2 的 out 1， 以 双 2 的 out 1 作为 延时脉冲开关 的 输出端， 但 这样 延 2 的 输入端 会 和 外部电路 产生 耦合， 延 2 放电 的 时候， 放电电流 会 流向 外部电路 。

这似乎 引出 了 “输入阻抗” 和 “输出阻抗” 的 问题， 两个 元件 要 连在一起用， 输入阻抗 和 输出阻抗 要 匹配， 或者说 符合 彼此 给出 的 规格 ， 大概 就是 输入阻抗 和 输出阻抗 问题 吧 。

规格 是指 阻抗 的 范围 ， 两个元件 要 连在一起用， 自己 的 输出端阻抗 要在 对方 给出 的 输入阻抗 范围 内 。 以及， 对方 的 输入端阻抗 要 在 自己 给出 的 输出阻抗 范围 内 。

耦合 是 普遍存在 的， 但， 通过 制定 统一 的 输入输出 接口， 可以进行 管理 和 调节 。

输入输出 接口 可以 减小 耦合， 统一 输入输出接口 可以 对 输入输出 的 耦合 统一 计算， 可以计算 很多 元件 连在 一起用 时 的 耦合 积累， 可以计算得到 并联 的 最大情况 的 耦合 和 串联 的 最大情况 的 耦合 ， 并 将 它们 控制在 一个 比较小 的 范围内， 在 这个 范围 内， 耦合 对 电路 的 影响 不大， 电路 可以 正常工作 。

通过 对 电路参数 的 设计， 以及 晶体管 的 技术品质 的 提升， 可以 在 元件 数量很多 时， 耦合 的 累积量 仍然 很小， 不会 超过某个 范围， 就像 数学上 的 极限 。

这是 一种 比较 理想 的 情况 。

晶体管 的 技术品质， 比如 开关特性， 开时， 电阻很小， 关时， 电阻很大， 开关 的 反差 越大， 则 电路 的 误差耦合 越小， 电路越稳定， 电路 的 规模 可以 做的 越大 。 电路规模 指 元件数量 。 比如 大规模集成电路， 超大规模集成电路 。

误差耦合 就是 上面 说的 不需要 但是 又存在 的 耦合 ， 这些 耦合 会 造成 电路 的 误差 ， 误差 在 一定范围内， 电路 可以 正常运行， 表达 预期 的 逻辑， 误差 积累 超过 一定范围， 电路 会 出错， 表达出 错误逻辑， 比如 开 变成 关， 关 变成 开， 或者， 该开不开， 该关不关 。

数字电路 的 误差耦合 可以 分为 2 大类 ：

1 基本开关电路 的 误差耦合

2 特定电路 的 误差耦合

先说说 基本开关电路 的 误差耦合， 理论上， 继电器， 是 一个 理想 的 开关元件， 可以说 不存在 误差耦合 。 因为 继电器 的 控制端 和 输入输出端 是 独立 的 2 条 线路 ， 所以， 继电器 没有基本开关电路 的 误差耦合 。

三极管 的 基极 、发射极 、集电极 共用 一条 线路， 相当于 控制端 和 输入输出端 共用 一条 线路， 所以， 三极管开关电路 存在基本开关电路 的 误差耦合 。

特定电路 的 误差耦合 比如 上文说到的 双稳态电路 的 in1 和 延时脉冲开关 的 输出端 直接连接 时， 可能 通过 延时脉冲开关 的输出端 向 外部电路 输出 低电压 。 又比如 上文说到的 延 2 的 输入端 和延时脉冲开关 的 输出端 相连 时， 可能 通过 延时脉冲开关 的输出端 向 外部电路 输出 放电电流 。

假设 本次操作 和 下一次操作 的 延时脉冲开关 的 延迟时间 一样， 下一次操作 完成后 又返回执行 本次操作， 那么， 简单的， 理想的， 这两个操作 的 延时脉冲开关 交替 输出 的 脉冲 可以用 一个 方波 来 表示 ：

简单的， 理想的， 延 1 的 充电时间 可以认为 是 方波 的 一个周期， 放电时间 应在 0 半周 以内， 且 越小越好 。 上文说了， 技术上， 要让 放电时间 远小于 充电时间 实现起来 可能 比较 困难， 在这里， 因为 充电时间 = 一个周期 = 1 半周 + 0 半周 = 1 半周 + 最大放电时间， 可以 让 0 半周 比 1 半周 长 比较多， 这样， 充电时间 仍然 大于 放电时间， 但是 放电时间 的 范围 变大 了， 或者说， 0 半周 比 1 半周 越长， 最大放电时间 越接近 充电时间， 技术上 比较容易 实现 。

对于 延 2， 充电时间 是 1 半周， 放电时间 是 这个周期 的 0 半周 + 下个周期 ， 所以， 延 2 允许 的 放电时间 远大于 充电时间， 这个 技术 上 容易实现 。

注意， 是允许 的 放电时间 远大于 充电时间， 允许 的 放电时间 最大 可以达到这个周期 的 0 半周 + 下个周期 这么长， 但不是说 要 做到 这么长， 事实上， 应该 比 这个 小， 越小越好 。

上面说的 这些 问题， 早期 的 电子计算机 工程师 应该都 碰到过， 或者说， 经历过 。

再来 看 一次性开关， 这里会用到 开关元件， 开关元件 的 示意图 ：

控制端 是 1 时， 输入端输出端 导通， 控制端 是 0 时， 输入端输出端 断开 。

开关元件 可以是一个 继电器， 也可以是 三极管开关电路， 等等 。

三极管开关 电路图 ：

一次性开关 电路图 ：

控制端 输入 1 脉冲， 双 1 的 out 1 变成 1， 使 开关 1 导通， 之后， 输入端 输入 1 就可以 通过 开关 1， 使 双 2 的 out 1 变成 1， 使 开关 2 导通，

之后， 当 输入端 的 1 结束后， 就变成了 0， 0 使 非门 输出 1， 通过 开关 2 输出 到 双 1 的 in 2， 使 双 1 out 1 变成 0， 开关 1 断开 。

开关 1 断开 后， 输入端 无论 输入什么， 输出端 都是 0， 这就是 一次性开关 的 效果 ： 当 控制端 输入 1 脉冲 后， 一次性开关 开始工作， 输入端 和 输出端 导通， 当 输入端 输入 1 脉冲 时， 输出端 输出 1 脉冲， 1 脉冲 结束 后， 一次性开关 停止工作， 输入端 无论输入什么， 输出端 都是 0 。

还有， 当 控制端 输入 1 时， 双 1 out 1 会 输出 1 到 双 2 的 in 2， 使 双 2 out 1 变成 0， 开关 2 断开 。 这样 就 切断了 非门 和 双 1 in 2 的 通路， 不然， 非门 输出 的 1 会 阻止 双 1 out 1 变成 1 。 在 上一次 使用后， 双 2 out 1 一直 是 1， 开关 2 一直 导通 。

还要说明一点， 双稳态开关 在 第一次 使用 前 要 设置 初始状态， 因为， 接通电源 后， 双稳态电路 的 状态 是 随机 的 。 如果 要求 初始状态 是 out 1 = 1， 可以 让 in 1 = 1 来 设置 这个 初始状态 。
编辑：hfy