三極管的的概念及其工作原理

三極管在我們數(shù)字電路和模擬電路中都有大量的應(yīng)用，在我們開發(fā)板上也用了多個(gè)三極管。在我們板子上的 LED 小燈部分，就有這個(gè)三極管的應(yīng)用了，圖 3-5 的 LED 電路中的 Q16就是一個(gè) PNP 型的三極管。

圖 3-5 LED 電路

三極管的初步認(rèn)識(shí)

三極管是一種很常用的控制和驅(qū)動(dòng)器件，常用的三極管根據(jù)材料分有硅管和鍺管兩種，原理相同，壓降略有不同，硅管用的較普遍，而鍺管應(yīng)用較少，本課程就用硅管的參數(shù)來進(jìn)行講解。三極管有 2 種類型，分別是 PNP 型和 NPN 型。先來認(rèn)識(shí)一下，如圖 3-6。

圖 3-6 三極管示意圖

三極管一共有 3 個(gè)極，從圖 3-6 來看，橫向左側(cè)的引腳叫做基極(base)，中間有一個(gè)箭頭，一頭連接基極，另外一頭連接的是發(fā)射極 e(emitter)，那剩下的一個(gè)引腳就是集電極 c(collector)了。這是必須要記住的內(nèi)容，死記硬背即可，后邊慢慢用的多了，每次死記硬背一次，多次以后就會(huì)深入腦海了。

三極管的原理

三極管有截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)。放大狀態(tài)主要應(yīng)用于模擬電路中，且用法和計(jì)算方法也比較復(fù)雜，我們暫時(shí)用不到。而數(shù)字電路主要使用的是三極管的開關(guān)特性，只用到了截止與飽和兩種狀態(tài)，所以我們也只來講解這兩種用法。三極管的類型和用法我給大家總結(jié)了一句口訣，大家要把這句口訣記牢了：箭頭朝內(nèi) PNP，導(dǎo)通電壓順箭頭過，電壓導(dǎo)通，電流控制。

下面我們一句一句來解析口訣。大家可以看圖 3-6，三極管有 2 種類型，箭頭朝內(nèi)就是PNP，那箭頭朝外的自然就是 NPN 了，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)實(shí)際電路的需求來選擇到底用哪種類型，大家多用幾次也就會(huì)了，很簡(jiǎn)單。

三極管的用法特點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)在于 b 極(基極)和 e 級(jí)(發(fā)射極)之間的電壓情況，對(duì)于PNP 而言，e 極電壓只要高于 b 級(jí) 0.7V 以上，這個(gè)三極管 e 級(jí)和 c 級(jí)之間就可以順利導(dǎo)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 型三極管的導(dǎo)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(dǎo)通三極管的 e 極和 c 極。這就是關(guān)于“導(dǎo)通電壓順箭頭過，電壓導(dǎo)通”的解釋，我們來看圖 3-7。

圖 3-7 三極管的用法

我們以圖 3-7 為例介紹一下。三極管基極通過一個(gè) 10K 的電阻接到了單片機(jī)的一個(gè) IO口上，假定是 P1.0，發(fā)射極直接接到 5V 的電源上，集電極接了一個(gè) LED 小燈，并且串聯(lián)了一個(gè) 1K 的限流電阻最終接到了電源負(fù)極 GND 上。

如果 P1.0 由我們的程序給一個(gè)高電平 1，那么基極 b 和發(fā)射極 e 都是 5V，也就是說 e到 b 不會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 0.7V 的壓降，這個(gè)時(shí)候，發(fā)射極和集電極也就不會(huì)導(dǎo)通，那么豎著看這個(gè)電路在三極管處是斷開的，沒有電流通過，LED2 小燈也就不會(huì)亮。如果程序給 P1.0 一個(gè)低電平 0，這時(shí) e 極還是 5V，于是 e 和 b 之間產(chǎn)生了壓差，三極管 e 和 b 之間也就導(dǎo)通了，三極管 e 和 b 之間大概有 0.7V 的壓降，那還有(5-0.7)V 的電壓會(huì)在電阻 R47 上。這個(gè)時(shí)候，e 和 c 之間也會(huì)導(dǎo)通了，那么 LED 小燈本身有 2V 的壓降，三極管本身 e 和 c 之間大概有 0.2V的壓降，我們忽略不計(jì)。那么在 R41 上就會(huì)有大概 3V 的壓降，可以計(jì)算出來，這條支路的電流大概是 3mA，可以成功點(diǎn)亮 LED。

最后一個(gè)概念，電流控制。前邊講過，三極管有截止，放大，飽和三個(gè)狀態(tài)，截止就不用說了，只要 e 和 b 之間不導(dǎo)通即可。我們要讓這個(gè)三極管處于飽和狀態(tài)，就是我們所謂的開關(guān)特性，必須要滿足一個(gè)條件。三極管都有一個(gè)放大倍數(shù)β，要想處于飽和狀態(tài)，b 極電流就必須大于 e 和 c 之間電流值除以β。這個(gè)β，對(duì)于常用的三極管大概可以認(rèn)為是 100。那么上邊的 R47 的阻值我們必須要來計(jì)算一下了。

剛才我們算過了，e 和 c 之間的電流是 3mA，那么 b 極電流最小就是 3mA 除以 100 等于30uA，大概有 4.3V 電壓會(huì)落在基極電阻上，那么基極電阻最大值就是 4.3V/30uA = 143K。電阻值只要比這個(gè)值小就可以，當(dāng)然也不能太小，太小會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)的 IO 口電流過大燒壞三極管或者單片機(jī)，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(jīng)驗(yàn)值。