三極體使用詳解
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PNP型的三極體使用方法
常見的三極體為9012、s8550、9013、s8050.微控制器應用電路中三極體主要的作用就是開關作用。其中9012與8550為pnp型三極體,可以通用。其中9013與8050為npn型三極體,可以通用。PNP與NPN兩種三極體各引腳的表示:
三極體在我們數位電路和類比電路中都有大量的應用,在我們開發板上也用了多個三極體。在我們板子上的 LED 小燈部分,就有這個三極體的應用了,圖 3-5 的 LED 電路中的 Q16就是一個 PNP 型的三極體。
圖 3-5 LED 電路
三極體的初步認識三極體是一種很常用的控制和驅動器件,常用的三極體根據材料分有矽管和鍺管兩種,原理相同,壓降略有不同,矽管用的較普遍,而鍺管應用較少,本課程就用矽管的引數來進行講解。三極體有 2 種型別,分別是 PNP 型和 NPN 型。先來認識一下,如圖 3-6。
圖 3-6 三極體示意圖
三極體一共有 3 個極,從圖 3-6 來看,橫向左側的引腳叫做基極(base),中間有一個箭頭,一頭連線基極,另外一頭連線的是發射極 e(emitter),那剩下的一個引腳就是集電極 c(collector)了。這是必須要記住的內容,死記硬背即可,後邊慢慢用的多了,每次死記硬背一次,多次以後就會深入腦海了。
三極體的原理三極體有截止、放大、飽和三種工作狀態。放大狀態主要應用於類比電路中,且用法和計算方法也比較複雜,我們暫時用不到。而數位電路主要使用的是三極體的開關特性,只用到了截止與飽和兩種狀態,所以我們也只來講解這兩種用法。三極體的型別和用法我給大家總結了一句口訣,大家要把這句口訣記牢了:箭頭朝內 PNP,導通電壓順箭頭過,電壓導通,電流控制。下面我們一句一句來解析口訣。大家可以看圖 3-6,三極體有 2 種型別,箭頭朝內就是PNP,那箭頭朝外的自然就是 NPN 了,在實際應用中,要根據實際電路的需求來選擇到底用哪種型別,大家多用幾次也就會了,很簡單。三極體的用法特點,關鍵點在於 b 極(基極)和 e 級(發射極)之間的電壓情況,對於PNP 而言,e 極電壓只要高於 b 級 0.7V 以上,這個三極體 e 級和 c 級之間就可以順利導通。也就是說,控制端在 b 和 e 之間,被控制端是 e 和 c 之間。同理,NPN 型三極體的導通電壓是 b 極比 e 極高 0.7V,總之是箭頭的始端比末端高 0.7V 就可以導通三極體的 e 極和 c 極。這就是關於“導通電壓順箭頭過,電壓導通”的解釋,我們來看圖 3-7。
圖 3-7 三極體的用法
我們以圖 3-7 為例介紹一下。三極體基極通過一個 10K 的電阻接到了微控制器的一個 IO口上,假定是 P1.0,發射極直接接到 5V 的電源上,集電極接了一個 LED 小燈,並且串聯了一個 1K 的限流電阻最終接到了電源負極 GND 上。如果 P1.0 由我們的程式給一個高電平 1,那麼基極 b 和發射極 e 都是 5V,也就是說 e到 b 不會產生一個 0.7V 的壓降,這個時候,發射極和集電極也就不會導通,那麼豎著看這個電路在三極體處是斷開的,沒有電流通過,LED2 小燈也就不會亮。如果程式給 P1.0 一個低電平 0,這時 e 極還是 5V,於是 e 和 b 之間產生了壓差,三極體 e 和 b 之間也就導通了,三極體 e 和 b 之間大概有 0.7V 的壓降,那還有(5-0.7)V 的電壓會在電阻 R47 上。
這個時候,e 和 c 之間也會導通了,那麼 LED 小燈本身有 2V 的壓降,三極體本身 e 和 c 之間大概有 0.2V的壓降,我們忽略不計。那麼在 R41 上就會有大概 3V 的壓降,可以計算出來,這條支路的電流大概是 3mA,可以成功點亮 LED。最後一個概念,電流控制。前邊講過,三極體有截止,放大,飽和三個狀態,截止就不用說了,只要 e 和 b 之間不導通即可。我們要讓這個三極體處於飽和狀態,就是我們所謂的開關特性,必須要滿足一個條件。三極體都有一個放大倍數β,要想處於飽和狀態,b 極電流就必須大於 e 和 c 之間電流值除以β。這個β,對於常用的三極體大概可以認為是 100。
那麼上邊的 R47 的阻值我們必須要來計算一下了。剛才我們算過了,e 和 c 之間的電流是 3mA,那麼 b 極電流最小就是 3mA 除以 100 等於30uA,大概有 4.3V 電壓會落在基極電阻上,那麼基極電阻最大值就是 4.3V/30uA = 143K。電阻值只要比這個值小就可以,當然也不能太小,太小會導致微控制器的 IO 口電流過大燒壞三極體或者微控制器,STC89C52 的 IO 口輸入電流最大理論值是 25mA,我推薦不要超過 6mA,我們用電壓和電流算一下,就可以算出來最小電阻值,我們圖 3-7 取的是經驗值
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