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NPN型三極管，由三塊半導(dǎo)體構(gòu)成，其中兩塊N型和一塊P型半導(dǎo)體組成，P型半導(dǎo)體在中間，兩塊N型半導(dǎo)體在兩側(cè)，三極管是電子電路中最重要的器件，他主要的功能是電流放大和開關(guān)的作用。

工作原理

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實(shí)際上，只要你了解了三極管的特性，對(duì)你使用單片機(jī)就順手很多了。大家其實(shí)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(huì)不會(huì)使用大部分電子電路和IC的關(guān)鍵。

我們一般所說(shuō)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(gè)原理基礎(chǔ)上功能延伸。三極管的符號(hào)如下圖左邊，我們就以NPN型三極管為例來(lái)說(shuō)說(shuō)它的工作原理。?

“

它就是一個(gè)以b（基極）電流Ib來(lái)驅(qū)動(dòng)流過(guò)CE的電流Ic的器件，它的工作原理很像一個(gè)可控制的閥門。

”

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左邊細(xì)管子里藍(lán)色的小水流沖動(dòng)杠桿使大水管的閥門開大，就可允許較大紅色的水流通過(guò)這個(gè)閥門。當(dāng)藍(lán)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(lán)色小水流為1千克/小時(shí)，那么就允許大管子流過(guò)100千克/小時(shí)的水。

三極管的原理也跟這個(gè)一樣，放大倍數(shù)為100時(shí)，當(dāng)Ib（基極電流）為1mA時(shí)，就允許100mA的電流通過(guò)Ice。

這個(gè)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(jī)的運(yùn)用就少了一大障礙了。

最常用的連接如下圖：

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我們來(lái)分析一下這個(gè)電路，如果它的放大倍數(shù)是100，基極電壓我們不計(jì)。基極電流就是10V÷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0.1A×50Ω＝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1000mA也就是1A了呢？假如真的為1安，那么Rc上的電壓為1A×50Ω＝50V。

啊？50V！都超過(guò)電源電壓了，三極管都成發(fā)電機(jī)了嗎？其實(shí)不是這樣的。

見下圖：

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我們還是用水管內(nèi)流水來(lái)比喻電流，當(dāng)這個(gè)控制電流為10mA時(shí)使主水管上的閥開大到能流過(guò)1A的電流，但是不是就能有1A的電流流過(guò)呢？

不是的，因?yàn)樯厦孢€有個(gè)電阻，它就相當(dāng)于是個(gè)固定開度的閥門，它串在這個(gè)主水管的上面，當(dāng)下面那個(gè)可控制的閥開度到大于上面那個(gè)固定電阻的開度時(shí)，水流就不會(huì)再增大，而是等于通過(guò)上面那個(gè)固定閥開度的水流了，因此，

下面的三極管再開大開度也沒(méi)有用了。

因此我們可以計(jì)算出，那個(gè)固定電阻的最大電流10V÷50Ω＝0.2A也就是200mA。

就是說(shuō)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2mA時(shí)，集電極電流就增大到了200mA。當(dāng)基極電流再增大時(shí)，集電極電流已不會(huì)再增大，就在200mA不動(dòng)了。

此時(shí)上面那個(gè)電阻也就是起限流作用了。

下面我們來(lái)理解單片機(jī)內(nèi)的IO的狀況：

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在單片機(jī)內(nèi)有P1－P3的24個(gè)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(lái)，讓電機(jī)正常轉(zhuǎn)起來(lái)，從根本上說(shuō)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(jī)是智能芯片，它可以通過(guò)檢測(cè)各IO口的電壓值來(lái)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(hào)，因此可以看出，單片機(jī)的各IO口注重的是所產(chǎn)生的電壓而不是流過(guò)R和三極管的電流。

那么單片機(jī)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(lái)說(shuō)明：

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假設(shè)我們讓R的這個(gè)閥開的較大，讓下面那個(gè)控制閥全關(guān)，這時(shí)如圖1所示可以看出P點(diǎn)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(guò)管線，而此時(shí)P點(diǎn)的壓力為0。這個(gè)原理和電子電路很相似。

通過(guò)三極管的關(guān)閉或開大來(lái)使輸出點(diǎn)P測(cè)得的邏輯量為1（電源電壓）或0（0電位）。

但這個(gè)過(guò)程有一個(gè)問(wèn)題，就是當(dāng)需要P點(diǎn)輸出為0時(shí)，三極管將開得很大，流過(guò)的電流很大，單片機(jī)上有32個(gè)IO口，這樣消耗的電能就很多。

有沒(méi)有辦法改進(jìn)呢？有！見下圖：

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見圖3，如果我們將上面那個(gè)閥門R關(guān)得很小，將下面的控制閥全關(guān)，這時(shí)P點(diǎn)的壓力仍舊會(huì)是水箱的壓力，和上面圖1是一樣的。但當(dāng)我們將控制閥開大時(shí)，如圖4，P點(diǎn)的壓力雖然也同樣為0，但這時(shí)通過(guò)的水流就大大減少了。這樣我們既能輸出1或者0。但消耗的水卻很少。

單片機(jī)里的電路正是這樣做的，它上面的電阻R大約為50K，最大電流是5V÷50K＝0.1mA。

也就是說(shuō)，當(dāng)P輸出1時(shí)，不消耗電流，當(dāng)P輸出0時(shí)消耗的電流為0.1mA。正因?yàn)樗纳侠娮鑂很大，因此對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，要它直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光管或其它的負(fù)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(fù)載時(shí)的各種情況：

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我們先來(lái)看看接TTL器件的情況，當(dāng)P1.0接到74HC373的一個(gè)輸入腳上時(shí)，因?yàn)門TL器件的輸入阻抗很高，大約幾百K到M歐姆級(jí)。

這就相當(dāng)于P1.0接了個(gè)500K（我們假設(shè)為500K）的電阻到地。這樣當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，P1.0點(diǎn)為低電平，0.1mA的電流經(jīng)Rc然后流過(guò)三極管一地，Ri上沒(méi)有電流流過(guò)。而當(dāng)三極管截止后，電流就由Rc流過(guò)再通過(guò)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(diǎn)的電壓為Rc和Ri的分壓。

總電流＝5V÷（50K＋500K）＝0.009mA，則P1.0點(diǎn)的電壓＝0.009mA×500K=4.5V。

TTL規(guī)定輸出2.4－5V為高電平；輸出0.4－0為低電平。因此這樣接是正確的。

下面我們?cè)賮?lái)看看用S51來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的情況：

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先來(lái)看看圖7的情況，很顯然，發(fā)光管的方向?yàn)樯险仑?fù)，只有P1.0為高電位才能點(diǎn)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?gòu)陌l(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(guò)2.1V的門坎電壓。因此流過(guò)發(fā)光管的電流＝（5V－2.1V）÷50K＝0.058mA的電流，你們說(shuō)發(fā)光管能亮嗎？? ? 再來(lái)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，電流一路流過(guò)Rc到三極管再?gòu)娜龢O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(méi)有阻力地流過(guò)三極管，而IO口的三極管最大電流不能超過(guò)15mA，超了就會(huì)燒壞三極管，因此這個(gè)接法不正確。 ? 那么如何才能讓這兩種接法都可以驅(qū)動(dòng)發(fā)光管呢 見下圖：

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先看圖9，在P1.0端和Vcc間接上個(gè)電阻Ri。當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)有兩路電流都要從它的CE極流過(guò)，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(guò)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歐姆。這時(shí)流過(guò)三極管的電流就大約為15mA，此時(shí)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(guò)了，這時(shí)流過(guò)發(fā)光管的電流是多少呢。 S51的內(nèi)部電阻上流過(guò)的電流為（5V－2.1V）÷50K＝0.06mA，很小我們可以忽略不計(jì)了。

流過(guò)Ri上的電流為（5V－2.1V）÷330Ω＝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(dòng)是可以的，但發(fā)現(xiàn)沒(méi)有，發(fā)光管不亮?xí)r所消耗的電流比發(fā)光管點(diǎn)亮?xí)r消耗的電流還要大。 如果用許多個(gè)IO口去點(diǎn)亮很多發(fā)光管的話這樣的電路就不經(jīng)濟(jì)了。好！這就是P1.0高電平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的狀況。?

再來(lái)看圖10，在和發(fā)光管串聯(lián)一個(gè)電阻后接在Vcc和P1.0之間。當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，也是兩路電流都匯合后從三極管的CE流過(guò)，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(lái)保證不讓三極管的CE超過(guò)15mA，則電阻的確定為（5V－2.1V）÷15mA＝0.193K，大約是200歐姆。這樣流過(guò)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(gè)電路是P1.0低電平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的狀況，可以看出這個(gè)電路當(dāng)發(fā)光管被點(diǎn)亮?xí)r消耗15mA的電流，而熄滅時(shí)就不消耗電流，因此這個(gè)電路是最適合用的。S51直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管一般也都是采用這個(gè)電路原理。?

? 下面是數(shù)碼管的原理圖：

編輯：黃飛

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