12-《电子入门趣谈》第二章_电子电路的神经网络-2.1.3三极管（重点推荐）

2．1．3
三极管

三极管可谓模拟电子电路中的“书胆”，众英雄中的头一号人物，说它贯穿起了整个模拟电子电路框架一点也不为过，在你能见到的电子元件当中几乎都能看到它的身影，所以，一定要好好学！

三极管的相关知识在模拟电路基础一书中有细述，此处用简单易懂的语言概括一下三极管的结构和特性，对掌握三极管的实际用法有所帮助。

2.1.3.1三极管的结构：

三极管是由两个PN结形成（一个PN结形成一只二极管，二极管的特性是“单向导电”，即在正极加正向电压、负极加反向电压导通，加反向电压截止）。三极管常用于放大、开关等作用，应用范围远大于二极管。三极管按材料分有：硅管和锗管；按导电性能分有：PNP和NPN。硅管的稳定性比锗管的好，在手机电路中使用最多；并且NPN比PNP使用较多。三极管三个极的作用分别是：发射极（e）发射电荷，集电极（c）接收电荷，基极（b）控制电荷的数量。下图为NPN型和PNP型三极管的原理图和三极管的实物图。



NPN型三极管



PNP型三极管




三极管实物图

2.1.3.2实际中判断三极管三个电极的方法：
① 用指针式万用表判断基极 b 和三极管的类型:将万用表欧姆挡置“R×100”或“R×lk”处,先假设三极管的某极为“基极”,并把黑表笔接在假设的基极上,将红表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧 ),则假设的基极是正确的,且被测三极管为 NPN 型管；同上,如果两次测得的电阻值都很大( 约为几千欧至几十千欧 ), 则假设的基极是正确的,且被测三极管为
PNP 型管。如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为“基极”，再重复上述测试。
② 判断集电极c和发射极e:仍将指针式万用表欧姆挡置 “R×100”或“R×1k”处,以NPN管为例,把黑表笔接在假设的集电极c上,红表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极(不能使b、c直接接触),通过人体, 相当b、c之间接入偏置电阻，读出表头所示的阻值,然后将两表笔反接重测。若第一次测得的阻值比第二次小,说明原假设成立,因为c、e间电阻值小说明通过万用表的电流大,偏置正常。现在的指针万用表都有测三极管放大倍数（Hfe）的接口。可以估测一下三极管的放大倍数。

2.1.3.3 三极管的三种工作状态：

（1）截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为0，集电极电流和发射极电流都为0，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射机级之间相当开开关的断开状态，这就是三极管的截止状态，特征是发射结反偏或正向偏置电压小于死区电压。

（2）放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压并处于某一恰当的值时，基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，IC=βIB，这时的三极管处于放大状态，特征是发射结正向偏置，集电结反向偏置。

（3）导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不在随着基极电流的增大而增大，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，相当于开关的导通状态，这就是三极管的饱和导通状态，它的特征是发射结和集电结均正向偏置。

一定要注意，发射结和集电结均正偏是三极管导通的一个必然结果，而非直接条件。三极管导通的过程肯定是先经过放大区逐渐过渡到饱和导通区，以NPN型三极管为例，一开始的状态应该是发射结正偏，集电结反偏，三极管处于放大区，发射结加正向电压，就是给发射极和基极这个PN结，按箭头的指向（箭头表示电流的方向）加上一个PN结电压：硅管相差0.7V、锗管0.2V左右。集电结加反向电压，就是给集电极和基极这个PN结，按二极管的极性加反向电压，在手机电路中，这个电压为1~3.6V左右。随着基极电流的增大，终于有一天IC已经增大到了极限，再也不受Ib控制了，这会儿，你会发现集电结也会逐渐由反偏变为正偏，三极管导通。导通后，发射极E和集电极C之间的电压大概为0.2~0.3V，就可以简单的认为用一个导线短路了E和C。

电子维修人员在维修工作中，经常要拿多用电表来测量三极管的各个管脚的电位，从而判别三极管的工作情况和工作状态。

接下来介绍一些三极管实际应用电路。

例1：三极管开关电路

（1）三极管与单片机相连

好多人认为，单片机的I/O管脚本身就能输出高低电平，比如输出一个高电平5V电压，就完全可以直接加载到负载上。这种想法实际上是把电压和功率的概念搞混了。驱动一个元器件从根本上来说还是看供电部分能不能提供足够高的功率（也就是能量啦），即使它的输出电压再大，假如输出电流小的话也不能驱动大功率器件，单片机的I/O管脚输出电流就很小，所以你会看到有时候51单片机的I/O 口甚至都不能直接点亮一个灯（下文关于I/O口的驱动能力会有详细介绍）。

三极管的开关电路就类似于中学学的继电器原理，用小电量开关去控制大电量开关。如下图所示，当Vin输出高电平时，三极管导通，就相当于在负载Z上加了一个24V的电压，而电源和三极管的输出功率可以是很大的，这样就实现了小电量控制大电量的效果。是不是很神奇？下文中会详细提到单片机I/O口的驱动能力，敬请期待吧。



（2）三极管级联电路

再看下面的一张电路图，也是一个简单的三极管开关电路。



图中，电阻RC是LED（发光二极管）限流用电阻，以防止电压过高烧坏LED，将输入信号Vin从0调到最大，观察并记录对的Vout以及LED的亮度。当三极管工作在截止区是，三极管开关为断路，Vout=VCC=12V，LED不亮。当三极管工作在饱和区时，三极管开关为通路，Vout=0.2V，LED发光。

但是，如果以上图电路制作三极管开关，并非一个严谨和完善的思路。因为这样的电路存在一些问题，比如：三极管由截止区过度到饱和区需经过线性区，所以开关的效果不会有明确的界线。也就是说，三极管开关从断路到通路，会经过一个LED从熄灭到越来越亮的过程，这样的开关显然不能应用于实际，所以我们可以对这个三极管开关电路加以改良。为使三极管开关的效果明确，可串接两三极管，电路如下图。



显然，当VIN为0~0.7V这个很小的范围内时，左侧的三极管是截止的，这样，VCC就把全部的电压加在了右侧三极管的基极上，易知右侧三极管工作在饱和的状态下，则集电极流过最大电流，LED灯发出亮光。当VIN大于0.7V时，左侧三极管的基极只需流过一个很小的电流，就会引起集电极有大电流通过，也就是说，只需要给予左侧三极管一个小电压，它就很容易进入饱和区，使得它的集电极电压VCE=0.2V，这样，右侧三极管截止，灯泡不发光。

（3）关于三极管开关电路的几点“黄金”技巧说明

1、三极管的基极电压注意是直接加到三极管基极上的电压，而不是单片机I/O口输出的电压，一般来说单片机I/O口和基极之间往往会加一个限流电阻。这个常识错误好多人会犯，一定要注意啊。

2、“发射结正偏，集电结反偏”是三极管导通的初始激发条件，“发射结正偏，集电结也正偏”是三极管导通的必然结果。当三极管真正导通之后里面的运行机制是非常复杂的，一般运行起来后集电结是正偏还是反偏并不影响三极管继续导通，只是Ic电流有大小区分而已，可是发射结一定要确保正偏，否则三极管就不会继续导通，下面有两幅图分别说明了NPN型和PNP型三极管开关电路的正误连接方法。



上图为PNP型三极管的开关电路。不同之处仅仅是负载R2电阻的位置。

图1为正确接法。当P输出低电平时，电流会从VCC通过发射级流向R1，此时发射结正偏，Ve=VCC假设为5V，Vb=Ve-0.7=4.3V,一开始Vc=0V，所以集电极反偏，满足三极管放大条件，但是通电瞬间，Ic受Ib控制会产生一个大电流，若Ib足够大，三极管瞬间导通，此时Vc=Ve-0.2=4.8V。这时候你会发现，集电极也变回正偏了，所以发射结正偏和集电结正偏是三极管导通之后的必然结果。

图2为错误接法。当P输出低电平时，电流会从VCC通过R2、发射级流向R1，此时发射级正偏Vb=Ve-0.7=4.3V，此时Vc=0V，所以集电极反偏，满足三极管放大条件。假设三极管导通，则Ve=Vc+0.2=0.2V <Vb=4.3V，也就是说此时的发射级不在满足正偏条件，也就是没有电流流过了，相矛盾了，此时三极管肯定不会导通。

下图为NPN型三极管的两种连接方式，其中图1为错误接法，图2为正确接法，分析方法和上面PNP型三极管接法类似。不再赘述。



例2：关于单片机I/O口的驱动能力

第一章中，我们提到了P0口为何要加排阻的问题，涉及到了一些单片机管脚和三极管驱动的知识，这次我们详细来看一下。

首先，51单片机I/O口是连接在一个三极管的集电极，它的输出电流十分有限，所以如果要驱动一个功率较高的电路，一般不能以单片机直接驱动，应该设计一个专门的驱动电路。为什么I/O口连接三极管集电极，它的驱动能力就低呢，下面用一个通俗易懂的比喻介绍它的驱动原理，加深对三极管使用和单片机驱动的了解。

我们就以NPN型三极管为例来说说它的载流能力。



上图即为NPN三极管，我们将它看为一个可控制的阀门。如下图所示：



左边细管子里的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许上边较大的水流通过这个阀门。当左边管子中水流越大，也就使大管中的水流更大。假设放大倍数是80，那么当小水流为1千克/小时，那么就允许大管子流过80千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为80时，当基极电流为1mA时，就允许80mA的电流通过集电极。

但是，三极管不可能在基极电流很大的情况下依然保持这样的放大倍数。当集电极电流大到使得Rc两端的电压接近VCC，VCC就不再有能力支持Rc两段电压上升，此时即使基极电流继续加大，集电极电流也停止增加，即三极管进入饱和区。下面用一幅图便于理解。



还是用水管内流水来比喻电流，图中R即为集电极电阻，我们帮它当成是个固定开度的阀门，它安装在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。

接着我们来理解单片机内的I/O口的状况：



在单片机内有P1－P3的24个I/O口的电路都如上图那样。我们使用单片机的目的，就是让它控制元器件的工作状态。例如要让发光二极管亮一般就需要1mA以上的电流。我们知道，单片机的输出状态有两种：高电平和低电平。那么，输出高电平的时候，它是否有能力驱动所有的元器件呢？单片机内I/O口的电压和电流的关系又是怎么样的呢？我们还是用水管流水的例子来说明。



假设我们让R的这个阀开的较大，让下面那个控制阀全关，这时如图1所示可以看出P点的压力就是水箱的压力。当我们将下面的控制阀全开，如图2所示，则水将以很大的水流流过管线，而此时P点的压力为0。这个原理和电子电路很相似。通过三极管的关闭或开大来使输出点P测得的逻辑量为1（电源电压）或0（0电位）。但这个过程有一个问题，就是当需要P点输出为0时，三极管将开得很大，流过的电流很大，单片机上有32个I/O口，这样消耗的电能就很多。必须将这样的设计改进。如下图：



见图3，如果我们将上面那个阀门R关得很小，将下面的控制阀全关，这时P点的压力仍旧会是水箱的压力，和上面图1是一样的。但当我们将控制阀开大时，如图4，P点的压力虽然也同样为0，但这时通过的水流就大大减少了。这样我们既能输出1或者0。但消耗的水却很少。单片机里的电路正是这样做的，它上面的电阻R大约为50K，最大电流是5V÷50K＝0.1mA。也就是说，当P输出1时，不消耗电流，当P输出0时消耗的电流为0.1mA。正因为它的上拉电阻R很大，因此对于初学者来说，要它直接驱动发光管或其它的负载就要有一定的方法技巧了。



上图为TTL(逻辑门电路)器件连接的情况，当P1.0接到74HC373的一个输入脚上时，因为TTL器件的输入阻抗很高，大约几百K到M欧姆级。也就是说，我们可以把它看成是单片机的I/O口接了个很大的电阻到GND(地)。这样当三极管导通时，P1.0点为低电平，0.1mA的电流经Rc然后流过三极管到地，Ri上没有电流流过。而当三极管截止后，电流就由Rc流过再通过Ri流到地。由于电阻分压的作用，在Rc和Ri上各有部分电压，P1.0点的电压为Rc和Ri的分压。假设Ri阻值为500K，则总电流＝5V÷（50K＋500K）＝0.009mA，则P1.0点的电压＝0.009mA×500K=4.5V。显而易见此时为高电平，因此这样的解法是对的。可以得出结论，51单片机可以直接驱动类似TTL的大阻抗器件。



下面我们再来看看用S51来驱动LED灯的情况。先来上面左图的情况，很显然，LED的方向为上正下负，只有P1.0为高电位才能点亮LED，要让S51的P1.0为高电位，就必须使三极管截止。当三极管截止后，电流经Rc流到LED再从LED流到要让LED导通必须要在LED两端有超过2.1V的门坎电压（LED发光特性）。因此流过LED的电流＝（5V－2.1V）÷50K＝0.058mA的电流，这么小的电流远远不足以让LED发光。

再来看右图。从图中可以看出，要想让发光管导通P1.0就必须为低电位。那P1.0口的三极管必须得导通。当三极管一导通后，电流一路流过Rc到三极管再从三极管流到地。另一路在LED上消耗掉2.1V的电压。然后一路几乎没有阻力地流过三极管，而I/O口的三极管最大电流不能超过15mA（三极管的工作能力要求），超了就会烧坏三极管，因此这个接法也不正确。当然，这两种接法都能改进。



先看上图中左图，在P1.0端和Vcc间接上个电阻Ri。当三极管导通时有两路电流都要从它的CE极流过，一路是内部R上的0.1mA电流，另一路就是Ri上的电流，因为三极管有最大工作电流的限制，所以我们必须限定Ri的阻值。当三极管工作在最大电流左右时，Ri=5V÷15mA＝0.333K，就大约是330欧姆。这时流过三极管的电流就大约为15mA，此时LED是不亮的。当三极管截止后，这两路电流就都从发光管流过，我们计算一下流过LED的电流。S51的内部电阻上流过的电流为（5V－2.1V）÷50K＝0.06mA，这个数值相当小，可忽略不计。流过Ri上的电流为（5V－2.1V）÷330Ω＝0.0087A，也就是8.7mA。这个电流可以让LED发出较亮的光。所以这样驱动没有错，但细心可以发现，LED不亮时所消耗的电流比LED点亮时消耗的电流还要大。如果用多个I/O口同时控制多个LED的话，可想而知电流消耗量多么大。这就是P1.0高电平直接驱动LED的状况。这种接法虽然不能说错误，但不是最明智的选择。

再来看右图，在和LED串联一个电阻后接在Vcc和P1.0之间。当三极管导通时，也是两路电流都汇合后从三极管的CE流过，内部电阻上的电流仍为0.1mA，LED上的电流就要由电阻Ri和LED共同来保证不让三极管的CE超过15mA，则电阻的确定为（5V－2.1V）÷15mA＝0.193K，大约是200欧姆。这样流过LED的电流就约为15mA，LED已经可以发出较高的亮度。当三极管截止后，就阻断了这两路电流的通路，因此不消耗电流。这个电路是P1.0低电平直接驱动LED的状况，可以看出这个电路当LED被点亮时消耗15mA的电流，而熄灭时就不消耗电流，因此这个电路是最适合用的。S51直接驱动数码管一般也都是采用这个电路原理。

可以得出一个结论，当想使用单片机直接驱动一个元器件时，一般要求这个元器件输入阻抗较高，使得单片机I/O口上的输入电流稳定在一个较小值保证I/O口输出的是高电平，当要驱动一个耗电量大的元器件时，就必须要设计如上面例子所示的一个驱动电路了。

未完待续。。。