三極管在我們數(shù)字電路和模擬電路中都有大量的應(yīng)用，圖6-1中的LED電路中的 Q16就是一個(gè)PNP型的三極管。
三極管是一種很常用的控制和驅(qū)動(dòng)器件，常用的三極管根據(jù)材料分有硅管和鍺管兩種，原理相同，壓降略有不同，我們暫用硅管的參數(shù)來(lái)進(jìn)行本節(jié)內(nèi)容。三極管共有2種類(lèi)型，如圖6-2所示，分別是PNP型和NPN型，我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下。
三極管一共有3個(gè)極，從上圖來(lái)看，橫向左側(cè)的引腳叫做基極(base)，中間有一個(gè)箭頭，一頭連接基極，另外一頭連接的是發(fā)射極e(emitter)，那剩下的一個(gè)引腳就是集電極c(collector)。這塊是必須要記住的內(nèi)容，死記硬背即可，后邊慢慢用的多了，每次死記硬背一次，多次以后就會(huì)深入腦海了。
三極管的應(yīng)用有截止、放大、飽和三種狀態(tài)。放大狀態(tài)主要是對(duì)模擬信號(hào)而言，而且用法的計(jì)算內(nèi)容比較復(fù)雜，暫時(shí)我們用不到。而我們數(shù)字電路主要使用三極管的開(kāi)關(guān)特性，因此我們只用到了截止與飽和兩種狀態(tài)，所以我們只講這兩種用法。三極管的類(lèi)型和用法我給大家總結(jié)了一句口訣，大家要把這句口訣記牢了：
“箭頭朝內(nèi)PNP，導(dǎo)通電壓順箭頭過(guò)，電壓導(dǎo)通，電流控制。”
下面我們一句一句來(lái)解析口訣。大家可以看圖6-2，三極管有2種類(lèi)型，箭頭朝內(nèi)就是PNP，箭頭朝外自然就是NPN了，在實(shí)際應(yīng)用中，往往我們要根據(jù)實(shí)際電路需求來(lái)選擇到底用哪種類(lèi)型，大家用幾次估計(jì)就會(huì)了，很簡(jiǎn)單。
三極管的用法特點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)在于b極(基極)和e級(jí)(發(fā)射極)之間的電壓情況，對(duì)于PNP而言，e極電壓只要高于b級(jí)0.7V以上，這個(gè)三極管e級(jí)和c級(jí)之間就可以順利導(dǎo)通。也就是說(shuō)，控制端在b和e之間，被控制端是e和c之間。同理，NPN型三極管的導(dǎo)通電壓是b極比e極高0.7V，總之是箭頭的始端比末端高0.7V就可以導(dǎo)通三極管的e極和c極。這就是關(guān)于“導(dǎo)通電壓順箭頭過(guò)，電壓控制”的解釋，我們來(lái)看圖6-3。
我們以圖6-3為例介紹一下。三極管基極通過(guò)一個(gè)10K的電阻接到了單片機(jī)的一個(gè)IO口上，發(fā)射極直接接到5V的電源上，集電極接了一個(gè)LED小燈，并且串聯(lián)了一個(gè)1K的限流電阻最終接到了電源負(fù)極GND上。
如果LEDS6我們程序給一個(gè)高電平1，那么基極b和發(fā)射極e都是5V，也就是說(shuō)e到b不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)0.7V的壓降，這個(gè)時(shí)候，發(fā)射極和集電極也就不會(huì)導(dǎo)通，那么豎著看這個(gè)電路在三極管處是斷開(kāi)的，所以沒(méi)有電流通過(guò)，LED2小燈也就不會(huì)亮。如果我們程序給LEDS6的位置一個(gè)低電平0，而e極是個(gè)5V，產(chǎn)生壓差就會(huì)導(dǎo)通，三極管e和b之間大概有0.7V的電壓，那還有(5-0.7)V的電壓會(huì)在電阻R47上。這個(gè)時(shí)候，e和c之間也會(huì)導(dǎo)通了，那么LED小燈本身有2V的壓降，三極管本身e和c之間大概有0.2V的壓降，我們忽略不計(jì)。那么在R41上就會(huì)有大概3V的壓降，可以計(jì)算出來(lái)，這條之路的電流大概是3mA，可以成功點(diǎn)亮LED。
最后一個(gè)概念，電流控制。前邊講過(guò)，三極管有截止，放大，飽和三個(gè)狀態(tài)，截止就不用說(shuō)了，只要e和b之間不導(dǎo)通即可。我們要讓這個(gè)三極管處于飽和狀態(tài)，就是我們所謂的開(kāi)關(guān)特性，必須要滿足一個(gè)條件。三極管都有一個(gè)放大倍數(shù)β，要想處于飽和狀態(tài)，b極電流就必須大于e和c之間電流值除以β。這個(gè)β，對(duì)于常用的三極管大概可以認(rèn)為是100。那么上邊的R47的阻值我們必須要來(lái)計(jì)算一下了。
剛才我們算過(guò)了，e和c之間的電流是3mA，那么b極電流最小就是3mA除以100等于30uA，大概有4.3V電壓會(huì)在基極電阻上，那么基極電阻最大值就是4.3V/30uA = 143K。只要比這個(gè)值小就可以，當(dāng)然也不能太小，STC89C52RC的IO口輸入電流最大理論值是25mA，我推薦不要超過(guò)10mA。
三極管在我們數(shù)字電路里的開(kāi)關(guān)特性，常用的一個(gè)是控制應(yīng)用，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。所謂的控制就是如同我們圖6-3里邊介紹的，我們可以通過(guò)單片機(jī)控制三極管的基極來(lái)間接控制后邊的小燈的亮滅，用法大家基本熟悉了。還有一個(gè)控制就是進(jìn)行不同電壓之間的轉(zhuǎn)換控制，比如我們的單片機(jī)的IO口是5V系統(tǒng)，如果直接接12V系統(tǒng)會(huì)燒壞單片機(jī)，所以我們加一個(gè)三極管，三極管的工作電壓高于單片機(jī)的IO口電壓，用5V的IO口來(lái)控制12V的電路，如圖6-4所示。
圖6-4里所示，當(dāng)IO口輸出高電平5V時(shí)，三極管導(dǎo)通，OUT輸出低電平0V，當(dāng)IO口輸出低電平時(shí)，三極管截止，OUT則由于上拉電阻R2的作用而輸出12V的高電平，這樣就實(shí)現(xiàn)了低電壓控制高電壓的工作原理。
所謂的驅(qū)動(dòng)，主要是指電流輸出能力。我們?cè)賮?lái)看這兩個(gè)圖之間的對(duì)比
圖6-5中上邊的LED燈，和我們以前講過(guò)的LED燈是一樣的，當(dāng)IO口是高電平時(shí)，小燈熄滅，當(dāng)IO口是低電平時(shí)，小燈點(diǎn)亮。
下邊那個(gè)圖呢，按照這種推理，IO口是高電平的時(shí)候，應(yīng)該有電流流過(guò)并且點(diǎn)亮小燈，但是實(shí)際并非如此。
單片機(jī)主要是個(gè)控制器件，具備四兩撥千斤的特點(diǎn)。就如同杠桿必須有一個(gè)支點(diǎn)一樣，想要撐起整個(gè)地球必須有力量承受的支點(diǎn)。單片機(jī)的IO口可以輸出一個(gè)高電平，但是他的輸出電流很有限，普通IO口輸出高電平的時(shí)候，大概只有幾十到幾百u(mài)A的電流，達(dá)不到1mA，也就點(diǎn)不亮這個(gè)LED小燈或者亮度很低，這個(gè)時(shí)候如果我們想高電平點(diǎn)亮LED，用上三極管就可以這樣來(lái)處理，如下圖中的S8050三極管，可以通過(guò)500mA的電流，有的三極管通過(guò)的電流還會(huì)更大一些，如圖6-6所示。
圖6-6中，當(dāng)IO口是高電平，三極管導(dǎo)通，因?yàn)槿龢O管的電流放大作用，c極電流就可以達(dá)到mA以上了，就可以成功點(diǎn)亮LED小燈。
雖然我們用了IO口的低電平可以直接點(diǎn)亮LED，但是單片機(jī)的IO口作為低電平，輸入電流就可以很大嗎？這個(gè)我想大家都能猜出來(lái)，當(dāng)然不可以。單片機(jī)的IO口電流承受能力，不同型號(hào)不完全一樣，就STC89C52來(lái)說(shuō)，官方手冊(cè)的81頁(yè)有對(duì)電氣特性的介紹，整個(gè)單片機(jī)的工作電流，不要超過(guò)50mA，單個(gè)IO口總電流不要超過(guò)6mA。即使一些增強(qiáng)型51的IO口承受電流大一點(diǎn)，可以到25mA，但是還要受到總電流50mA的限制。那我們來(lái)看電路圖的8個(gè)LED小燈的這個(gè)部分電路，如圖6-7所示。
6-7圖示這里我們要學(xué)會(huì)看電路圖的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，大家注意看，電路圖右側(cè)所有的LED下側(cè)的線最終都連到一根黑色的粗線上去了，大家注意，這個(gè)地方不是實(shí)際的完全連到一起，而是一種總線的畫(huà)法，畫(huà)了這種線以后，表示這是個(gè)總線結(jié)構(gòu)，所有的名字一樣的是一一對(duì)應(yīng)的連接到一起，其他名字不一樣的，是不連到一起的。比如左側(cè)的DB0和右側(cè)的最左邊的LED2小燈下邊的DB0是連在一起的，而和DB1等其他線不是連在一起的。
那么我們把6-7電路圖里的我們現(xiàn)在需要講的這部分再摘出來(lái)看。
大家通過(guò)6-8的電路圖來(lái)計(jì)算一下，5V的電壓減去LED本身的壓降，減掉三極管e和c之間的壓降，限流電阻用的是330歐，那么每條支路的電流大概是8mA，那么8路LED如果全部同時(shí)點(diǎn)亮的話電流總和就是64mA。這樣如果直接接到單片機(jī)的IO口，那單片機(jī)肯定是承受受不住的，即使短時(shí)間可以承受，長(zhǎng)時(shí)間工作就會(huì)不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致單片機(jī)燒毀。
有的同學(xué)會(huì)提出來(lái)可以加大限流電阻的方式來(lái)降低這個(gè)電流。比如改到1K，那么電流不到3mA，8路總的電流就是20mA左右。首先，降低電流會(huì)導(dǎo)致LED小燈亮度變?nèi)酰舻牧炼瓤赡荜P(guān)系不大，因?yàn)槲覀兺瑯拥碾娐方恿藬?shù)碼管，后邊我們要講數(shù)碼管還要?jiǎng)討B(tài)顯示，如果數(shù)碼管亮度不夠的話，那視覺(jué)效果就會(huì)很差，所以降低電流的方法并不可??；其次，對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)，他主要是起到控制作用，電流輸入和輸出的能力相對(duì)較弱，P0的8個(gè)口總電流也有一定限制，所以如果接一兩個(gè)LED小燈觀察，可以勉強(qiáng)直接用單片機(jī)的IO口來(lái)接，但是接多個(gè)小燈，從實(shí)際工程的角度去考慮，就不推薦直接接IO口了。那么我們?nèi)绻脝纹瑱C(jī)控制多個(gè)LED小燈該怎么辦呢？
除了三極管之外，其實(shí)還有一些驅(qū)動(dòng)IC，這些驅(qū)動(dòng)IC可以作為單片機(jī)的緩沖器，僅僅是電流驅(qū)動(dòng)緩沖，不起到任何邏輯控制的效果，比如74HC245D這個(gè)芯片，這個(gè)芯片在邏輯上起不到什么別的作用，就是當(dāng)做電流緩沖器的，我們通過(guò)查看其數(shù)據(jù)手冊(cè)，74HC245穩(wěn)定工作在70mA電流是沒(méi)有問(wèn)題的，比單片機(jī)的8個(gè)IO口大多了，所以我們可以把他接在小燈和IO口之間做緩沖之用，下期專題我們來(lái)了解一下74HC245這款芯片的應(yīng)用。
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