三极管的应用有截止、放大、饱和三种状态。放大状态主要是对模拟信号而言,而且用法的计算内容比较复杂,暂时我们用不到。而我们数字电路主要使用三极管的开关特性,因此我们只用到了截止与饱和两种状态,所以我们只讲这两种用法。三极管的类型和用法我给大家总结了一句口诀,大家要把这句口诀记牢了:箭头朝内PNP,导通电压顺箭头过,电压导通,电流控制。
下面我们一句一句来解析口诀。大家可以看图1,三极管有2种类型,箭头朝内就是PNP,箭头朝外自然就是NPN了,在实际应用中,往往我们要根据实际电路需求来选择到底用哪种类型,大家用几次估计就会了,很简单。
图1 三极管示意图
三极管的用法特点,关键点在于b极(基极)和e级(发射极)之间的电压情况,对于PNP而言,e极电压只要高于b级0.7V以上,这个三极管e级和c级之间就可以顺利导通。也就是说,控制端在b和e之间,被控制端是e和c之间。同理,NPN型三极管的导通电压是b极比e极高0.7V,总之是箭头的始端比末端高0.7V就可以导通三极管的e极和c极。这就是关于“导通电压顺箭头过,电压控制”的解释,我们来看图1。
图2 三极管的用法
我们以图1为例介绍一下。三极管基极通过一个10K的电阻接到了单片机的一个IO口上,发射极直接接到5V的电源上,集电极接了一个LED小灯,并且串联了一个1K的限流电阻最终接到了电源负极GND上。
如果LEDS6我们程序给一个高电平1,那么基极b和发射极e都是5V,也就是说e到b不会产生一个0.7V的压降,这个时候,发射极和集电极也就不会导通,那么竖着看这个电路在三极管处是断开的,所以没有电流通过,LED2小灯也就不会亮。如果我们程序给LEDS6的位置一个低电平0,而e极是个5V,产生压差就会导通,三极管e和b之间大概有0.7V的电压,那还有(5-0.7)V的电压会在电阻R47上。这个时候,e和c之间也会导通了,那么LED小灯本身有2V的压降,三极管本身e和c之间大概有0.2V的压降,我们忽略不计。那么在R41上就会有大概3V的压降,可以计算出来,这条之路的电流大概是3mA,可以成功点亮LED。
最后一个概念,电流控制。前边讲过,三极管有截止,放大,饱和三个状态,截止就不用说了,只要e和b之间不导通即可。我们要让这个三极管处于饱和状态,就是我们所谓的开关特性,必须要满足一个条件。三极管都有一个放大倍数β,要想处于饱和状态,b极电流就必须大于e和c之间电流值除以β。这个β,对于常用的三极管大概可以认为是100。那么上边的R47的阻值我们必须要来计算一下了。
刚才我们算过了,e和c之间的电流是3mA,那么b极电流最小就是3mA除以100等于30uA,大概有4.3V电压会在基极电阻上,那么基极电阻最大值就是4.3V/30uA = 143K。只要比这个值小就可以,当然也不能太小,STC89C52RC的IO口输入电流最大理论值是25mA,我推荐不要超过10mA。
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