NPN型三极管的工作原理及电路设计

NPN型三极管，由三块半导体构成，其中两块N型和一块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧，三极管是电子电路中最重要的器件，他主要的功能是电流放大和开关的作用。

实际上，只要你了解了三极管的特性，对你使用单片机就顺手很多了。大家其实也都知道三极管具有放大作用，但如何去真正理解它，却是你以后会不会使用大部分电子电路和IC的关键。     我们一般所说的普通三极管是具有电流放大作用的器件。其它的三极管也都是在这个原理基础上功能延伸。三极管的符号如下图左边，我们就以NPN型三极管为例来说说它的工作原理。 

    它就是一个以b（基极）电流Ib来驱动流过CE的电流Ic的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。

    左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。     如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。     三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为100时，当Ib（基极电流）为1mA时，就允许100mA的电流通过Ice。     这个原理大家可能也都知道，但是把它用在电路里的状况能理解，那单片机的运用就少了一大障碍了。     最常用的连接如下图：

    我们来分析一下这个电路，如果它的放大倍数是100，基极电压我们不计。基极电流就是10V÷10K＝1mA，集电极电流就应该是100mA。     根据欧姆定律，这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω＝5V。那么剩下的5V就吃在了三极管的C、E极上了。     好！     现在我们假如让Rb为1K，那么基极电流就是10V÷1K＝10mA，这样按照放大倍数100算，Ic就是不是就为1000mA也就是1A了呢？假如真的为1安，那么Rc上的电压为1A×50Ω＝50V。         啊？50V！都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗？其实不是这样的。     见下图：

    我们还是用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为10mA时使主水管上的阀开大到能流过1A的电流，但是不是就能有1A的电流流过呢？     不是的，因为上面还有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串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。   

  因此我们可以计算出，那个固定电阻的最大电流10V÷50Ω＝0.2A也就是200mA。     就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流Ib增大到2mA时，集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在200mA不动了。     此时上面那个电阻也就是起限流作用了。     下面我们来理解单片机内的IO的状况：

    在单片机内有P1－P3的24个IO口的电路都如上图那样。     平常我们用电子电路的目的是最终让目标器件工作，例如让发光二极管亮起来，让电机正常转起来，从根本上说就是让这些器件获得一定的电流让它做功。例如要让发光二极管亮一般就需要1mA以上的电流。     

但是，单片机是智能芯片，它可以通过检测各IO口的电压值来做出逻辑分析和判断，并能输出高或低电压作为结果信号，因此可以看出，单片机的各IO口注重的是所产生的电压而不是流过R和三极管的电流。     那么单片机内IO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IO口，这样消耗的电能就很多。     有没有办法改进呢？有！见下图：

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。     这里我再和大家一起分析一下IO口外接负载时的各种情况：

   

我们先来看看接TTL器件的情况，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。         

这就相当于P1.0接了个500K（我们假设为500K）的电阻到地。这样当三极管导通时，P1.0点为低电平，0.1mA的电流经Rc然后流过三极管一地，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。     总电流＝5V÷（50K＋500K）＝0.009mA；     则P1.0点的电压＝0.009mA×500K=4.5V。     TTL规定输出2.4－5V为高电平；输出0.4－0为低电平。因此这样接是正确的。     下面我们再来看看用S51来驱动发光管的情况：

先来看看图7的情况，很显然，发光管的方向为上正下负，只有P1.0为高电位才能点亮发光管，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流到发光管再从发光管流到地。       要让发光管导通必须要在发光管两端有超过2.1V的门坎电压。因此流过发光管的电流＝（5V－2.1V）÷50K＝0.058mA的电流，你们说发光管能亮吗？       

 再来看图8。     由图可以看出，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。另一路在发光管上消耗掉2.1V的电压。     然后一路几乎没有阻力地流过三极管，而IO口的三极管最大电流不能超过15mA，超了就会烧坏三极管，因此这个接法不正确。     那么如何才能让这两种接法都可以驱动发光管呢     见下图：

先看图9，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，为了不让三极管过流而烧坏我们就要确定它的电阻值。     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，此时发光管是不亮的。   

  当三极管截止后，这两路电流就都要从发光管流过了，这时流过发光管的电流是多少呢。     

S51的内部电阻上流过的电流为（5V－2.1V）÷50K＝0.06mA，很小我们可以忽略不计了。  

   流过Ri上的电流为（5V－2.1V）÷330Ω＝0.0087A，也就是8.7mA。已经能让发光管比较亮了。     这样驱动是可以的，但发现没有，发光管不亮时所消耗的电流比发光管点亮时消耗的电流还要大。     如果用许多个IO口去点亮很多发光管的话这样的电路就不经济了。好！这就是P1.0高电平直接驱动发光管的状况。    

  再来看图10，在和发光管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，发光管上的电流就要由电阻Ri和发光管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。这样流过发光管的电流就约为15mA，发光管比较亮了。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低电平直接驱动发光管的状况，可以看出这个电路当发光管被点亮时消耗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。      下面是数码管的原理图：

编辑：黄飞