單片機控制三極管原理

1、三極管應(yīng)用很多初學(xué)單片機的網(wǎng)友都問過我，關(guān)于如何確定數(shù)碼管的限流電阻問題。我想這是對電路不理解造成的。因此在這就用最通俗的方法說說基礎(chǔ)的電子知識。首先就說說三極管，實際上只要你了解了三極管的特性對你使用單片機就順手很多了。大家其實也都知道三極管具有放大作用，但如何去真正理解它卻是你以后會不會使用大部分電子電路和 IC的關(guān)鍵。我們一般所說的普通三極管是具有電流放大作用的器件。其它的三極管也都是在這個原理基礎(chǔ)上功能延伸。三極管的符號如下圖左邊，我們就以 NPN三極管為例來說說它的工作原理。它就是一個以 b（基極） 電流 Ib 來驅(qū)動流過 CE 的電流 Ic 的器件， 它的工作原理很像一個可控制的閥

2、門。左邊細管子里藍色的小水流沖動杠桿使大水管的閥門開大，就可允許較大紅色的水流通過這個閥門。當(dāng)藍色水流越大，也就使大管中紅色的水流更大。如果放大倍數(shù)是 100,那么當(dāng)藍色小水流為 1 千克/小時，那么就允許大管子流過 100 千克/小時的水。 三極管的原理也跟這個一樣， 放大倍數(shù)為 100 時， 當(dāng) Ib （基極電流）為 1mA 寸，就允許 100mA 勺電流通過 Ice。我這么說大家能理解嗎？這個原理大家可能也都知道，但是把它用在電路里的狀況能理解，那單片機的運用就少了一大障礙了。最常用的連接如下圖。我們來分析一下這個電路，如果它的放大倍數(shù)是 100,基極電壓我們不計?；鶚O電流就是 10V+

3、10K=1mA 集電極電流就應(yīng)該是 100mA 根據(jù)歐姆定律，這樣 Rc 上的電壓就是 0.1AX50Q=5V。那么剩下的5V 就吃在了三極管的 C、E 極上了。好！現(xiàn)在我們假如讓 Rb 為 1K,那么基極電流就是 10V+1K=10mA 這樣按照放大倍數(shù) 100 算，Ic 就是不是就為 1000mA4 就是 1A 了呢？假如真的為 1 安,那么 Rc 上的電壓為1AX50Q=50V。??？50V!都超過電源電壓了，三極管都成發(fā)電機了嗎？其實不是這樣的。見下圖：我們還是用水管內(nèi)流水來比喻電流，當(dāng)這個控制電流為 10mAM 使主水管上的閥開大到能流過 1A的電流， 但是不是就能有 1A 的電流流過

4、呢？不是的， 因為上面還有個電阻， 它就相當(dāng)于是個固定開度的閥門，它用在這個主水管的上面，當(dāng)下面那個可控制的閥開度到大于上面那個固定電阻的開度時，水流就不會再增大而是等于通過上面那個固定閥開度的水流了，因此，下面的三極管再開大開度也沒有用了。因此我們可以計算出那個固定電阻的最大電流 10V+50Q=0.2A 也就是 200mA 就是說在電路中三極管基極電流增大集電極的電流也增大，當(dāng)基極電流 Ib 增大到 2mAM,集電極電流就增大到了200mA 當(dāng)基極電流再增大時，集電極電流已不會再增大，就在 200m,動了。此時上面那個電阻也就是起限流作用了。下面我們來理解單片機內(nèi)的 IO 的狀況：AT89

5、S51/52在單片機內(nèi)有 P1P3 的 24 個 IO 口的電路都如上圖那樣。平常我們用電子電路的目的是最終讓目標(biāo)器件工作，例如讓發(fā)光二極管亮起來，讓電機正常轉(zhuǎn)起來，從根本上說就是讓這些器件獲得一定的電流讓它做功。例如要讓發(fā)光二極管亮一般就需要 1mA 以上的電流。但是，單片機是智能芯片，它可以通過檢測各 IO 口的電壓值來做出邏輯分析和判斷， 并能輸出高或低電壓作為結(jié)果信號， 因此可以看出，單片機的各 IO 口注重的是所產(chǎn)生的電壓而不是流過 R 和三極管的電流。那么單片機內(nèi) IO 口的電壓和電流的關(guān)系又是怎么樣的呢？我們還是用水管流水的例子來說明。假設(shè)我們讓 R 的這個閥開的較大，讓下面那個

6、控制閥全關(guān)，這時如圖 1 所示可以看出 P 點的壓力就是水箱的壓力。當(dāng)我們將下面的控制閥全開，如圖 2 所示，則水將以很大的水流流過管線，而此時 P 點的壓力為 00這個原理和電子電路很相似。通過三極管的關(guān)閉或開大來使輸出點 P 測得的邏輯量為 1（電源電壓）或 0（0 電位）。但這個過程有一個問題，就是當(dāng)需要 P 點輸出為 0 時，三極管將開得很大，流過的電流很大，單片機上有 32 個 IO 口，這樣消耗的電能就很多。有沒有辦法改進呢？有！見下圖：-oF1-P3 的每個 I?？赑=1P=0我們先來看看接 TTL 器件的情況，當(dāng) P1.0 接至 ij74HC373 勺一個輸入腳上時，因為 TT

7、L 器件的輸入阻抗很高，大約幾百 K 到 M 歐姆級。這就相當(dāng)于 P1.0 接了個 500K(我們假設(shè)為 500K)的電阻到地。這樣當(dāng)三極管導(dǎo)通時，P1.0 點為低電平，0.1mA 的電流經(jīng) Rc 然后流過三極管一地，Ri 上沒有電流流過。而當(dāng)三極管截止后，電流就由 Rc 流過再通過 Ri 流到地。由于電阻分壓的作用，在 Rc 和 Ri 上各有部分電壓，P1.0 點的電壓見圖 3,如果我們將上面那個閥門是水箱的壓力，和上面圖 1 是一樣的。為0,但這時通過的水流就大大減少了。 里的電路正是這樣做的，它上面的電阻R 關(guān)得很小，將下面的控制閥全關(guān)，這時 P 點的壓力仍舊會但當(dāng)我們將控制閥開大時，

8、如圖 4,P 點的壓力雖然也同樣這樣我們既能輸出 1 或者 00但消耗的水卻很少。單片機R 大約為 50K,最大電流是 5V+50g0.1mA。也就是說，當(dāng)P 輸出 1 時，不消耗電流，當(dāng) P 輸出 0 時消耗的電流為 0.1mA 正因為它白上拉電阻 R 很大，因此對于初學(xué)者來說，要它直接驅(qū)動發(fā)光管或其它的負載就要有一定的方法技巧了。這里我再和大家一起分析一下 IO 口外接負載時的各種情況。AT89S51/52cc為 Rc 和 Ri 的分壓?？傠娏?5V+(50K+500K)=0.009mA 則 P1.0 點的電壓=0.009mA500K=4.5V。 TTL 規(guī)定輸出 2.45V 為高電平；

9、輸出 0.40 為低電平。 因此這樣接是正確的。下面我們再來看看用 S51 來驅(qū)動發(fā)光管的情況。先來看看圖 7 的情況，很顯然，發(fā)光管的方向為上正下負，只有 P1.0 為高電位才能點亮發(fā)光管，要讓 S51 的 P1.0 為高電位，就必須使三極管截止。當(dāng)三極管截止后，電流經(jīng) Rc 流到發(fā)光管再從發(fā)光管流到地。要讓發(fā)光管導(dǎo)通必須要在發(fā)光管兩端有超過 2.1V 的門坎電壓。因此流過發(fā)光管的電流=(5V-2.1V)+50K=0.058mA 的電流，你們說發(fā)光管能亮嗎？再來看圖 8。由圖可以看出，要想讓發(fā)光管導(dǎo)通 P1.0 就必須為低電位。那 P1.0 口的三極管必須得導(dǎo)通。當(dāng)三極管一導(dǎo)通后，電流一路流

10、過 Rc 到三極管再從三極管流到地。另一路在發(fā)光管上消耗掉 2.1V 的電壓。然后一路幾乎沒有阻力地流過三極管，而 IO 口的三極管最大電流不能超過 15mA超了就會燒壞三極管，因此這個接法不正確。那么如何才能讓這兩種接法都可以驅(qū)動發(fā)光管呢。見下圖：AT89S51/52Vcci6OKAT89S51/52-CF1.0先看圖 9,在 P1.0 端和 Vcc 間接上個電阻 Rio 當(dāng)三極管導(dǎo)通時有兩路電流都要從它的 CE 極流過,一路是內(nèi)部 R 上的 0.1mA 電流，另一路就是 Ri 上的電流，為了不讓三極管過流而燒壞我們就要確定它的電阻值。Ri=5V+15mA=0.333K,就大約是 330 歐

11、姆。這時流過三極管的電流就大約為 15mA 此時發(fā)光管是不亮的。當(dāng)三極管截止后，這兩路電流就都要從發(fā)光管流過了，這時流過發(fā)光管的電流是多少呢。S51 的內(nèi)部電阻上流過的電流為（5V2.1V）+50K=0.06mA,很小我們可以忽略不計了。流過 Ri 上的電流為（5V-2.1V）+330Q=0.0087A,也就是 8.7mA 已經(jīng)能讓發(fā)光管比較亮了。這樣驅(qū)動是可以的，但發(fā)現(xiàn)沒有，發(fā)光管不亮?xí)r所消耗的電流比發(fā)光管點亮?xí)r消耗的電流還要大。如果用許多個 IO 口去點亮很多發(fā)光管的話這樣的電路就不經(jīng)濟了。好！這就是 P1.0 高電平直接驅(qū)動發(fā)光管的狀況。再來看圖 10,在和發(fā)光管串聯(lián)一個電阻后接在 Vcc 和 P1.0 之間。當(dāng)三極管導(dǎo)通時，也是兩路電流都匯合后從三極管的 CE 流過， 內(nèi)部電阻上的電流仍為 0.1mA,發(fā)光管上的電流就要由電阻 Ri 和發(fā)光管共同來保證不讓三極管的 CE 超過 15mA 則電阻的確定為（5V-2.1V）+15mA=0.193K,大約是 200 歐姆。這樣流過發(fā)光管的電流就約為 15mA 發(fā)光管比較亮了。當(dāng)三極管截止后，就阻斷了這兩路電流的通路，因此不消耗電流。這個電路是 P1.0 低電平直接驅(qū)動發(fā)光管的狀況，可以看出這個電路當(dāng)發(fā)光管被點亮?xí)r消耗 15mA 勺電流，而熄滅時就不消耗電流，因此這個電路是最適合用的。S51 直接驅(qū)動數(shù)碼管一般也都是采