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作者 | 残弈悟恩
编辑 | Garen
三极管的运用。无论在数字电路、还是仿照电路中，三极管的运用很普遍。概括的说， 在仿照电路中紧张用于旗子暗记的放大，在数字电路中紧张利用开关特性来掌握、驱动别的器件。 这里紧张讲述在数字电路中的运用，三极管实物图如图 3-14 所示。
图 3-14 三极管实物图
3.4.1 三极管的基本开关电路
先来简述一下三极管，三极管符号如图 3-15 所示，三极管有三个级，分别是：基极（base）、 集电极（collector）、发射极（emitter），三极管又分为 NPN、PNP 两种型号。
图 3-15 三极管示意图
三极管的运用紧张借助三种状态：放大、截止、饱和。关于放大的打算是很有学问，也是很繁芜的，这里就不做解释了。便于读者理解，可以分别将饱和、截止状态看作是“开”、 “关”两种状态。那怎么是“开”，又怎么是“关”呢。这由 b 极和 e 极电压决定。对付 NPN 型的，只要 b 极电压比 e 极电压大 0.7V，则三极管就“开”，否则就“关”；对付 PNP 型的，只要 e 极电压比 b 极电压大 0.7V，则三极管就“开”，否则就“关”；末了总结一句话：看 箭头，箭尾比箭头大 0.7V 则“开”，否则就“关”。低电平三极管导通（5V 比 0V 大 0.7V 吧），高电平三极管截止（5V 比 5V 没有大 0.7 是吧？）。相反，若用 NPN 的三极管，b 极为高电平，则三极管导通；b 极为低电平则三极管截止。三极管的开关特性就说这么多，下面开始笔者 要讲解的重头戏，那便是与三极管捆绑在一起的这些电阻，看看这些电阻是随便拉一个出来， 还是要靠打算的。
首先解释一点，图 3-16 是残弈悟恩为了讲解专门画了这样一个图，没有什么实际意义， 由于不可能驱动一个 LED 就须要这么繁芜的电路。
进入主题。图 3-16 中为什么要用上（下）拉电阻？ 答：上、下拉电阻的浸染本身便是为电路供应一个稳定、可知的运行环境。如图 3-16，
如“电平”端悬空，此时三极管的导通、截止状态也就不愿定了，如果加了上、下拉电阻，则该真个电平便是一个已知逻辑值，这是缘由一。
再看缘由二，如果没有电阻 R02，且“电平”端用的不是 5V 单片机，而是用 3.3V 的单 片机来掌握这个三极管，那么当“电平”端为高电平（3.3V）时，LED 小灯是亮还是灭呢？ 设计者的目的是“灭”，那么达到预期目的了吗？剖析可知，此时管子还是导通的，由于 e 极（5V）比 b 极（3.3V）大 0.7V 啊，以是 LED 小灯毫无疑问还是亮。那如果此时别的什么 条件都不变，而在电路中加入电阻 R02，这样，当“电平”端为高电平（3.3V）时，被上拉 电阻一拉，则 b 极的电压就被拉到 5V 了，从而三极管就截止，LED 小灯也就灭了。若三极 管换成是 NPN 的，那 R01 这个下拉电路就同理了。若出于这个缘故原由，当用 5V 的单片机，那就 没必要加上、下拉电阻了。
如图 3-16 所示的电阻 R03 用多大阻值的？
情形一，没有上、下电阻，所用单片机为 5V。三极管截止的状态（电平端口处为高电 平）这里就不看了，这里以导通（电平端口处为低电平）的情形为例来打算 R03 的阻值。“电 平”端为 OV，而 e 极为 5V，则知足导通的压降，三极管导通，且 eb 间压降大概为 0.7V， 那还有（5-0.7）V 的电压就会在电阻 R03 上。这个时候，e、c 之间也会导通，同时 LED 本身 压降又是 2V 旁边，三极管 e、c 之间大概有 0.2V 的压降，这个可以忽略不计，这样在 R00 上就会有大概 3V 的压降，可以打算出来，这条岔路支路的电流大概是 3mA，足足可以点亮 LED 小灯。
不是说算电阻 R03 吗，怎么算到电流上来了，这时有根据的。前面讲过，三极管有截止、 放大、饱和三个状态，截止不用说了，只要 e、b 之间不导通即可。要让三极管处于饱和状 态，便是所谓的开关特性，必须知足一个条件。大伙都知道，三极管有一个放大倍数β ，要 想处于饱和状态，b 极电流就必须大于 e、c 之间电流值除以β 。这个β ，常用三极管的大 概是 100 旁边，那么 R03 的电压、电流已知了，欧姆定律读者还不会啊。
上面算得 Iec 为 3mA，那么 b 极电流最小值便是 3mA÷100，即为 30μA，那么 R03MAX = 4.3V
÷ 30μA = 143 kΩ。只要 R03 比 143 kΩ 小就可以，那 1Ω行吗？如果是 1Ω，则 b 极电流就 为 4.3A。可 STC15 系列单片机的 I/O 口承受电流的最大值是 25mA 啊，实在残弈悟恩推举最 好不要超过 10mA，因此 1Ω 果断弗成，以是残弈悟恩一样平常用 1kΩ。
第二种情形，“电平”端口处高电平为 3.3V，且加了上拉电阻 R02，读者能不能算出 R03
阻值的最大值呢？那就留给读者算吧。
图 3-16 三极管的驱动运用事理图 图 3-17 三极管的掌握运用事理图
末了一个问题，三极管的掌握运用，那什么是掌握呢？便是不同电压之间的转换，上面
已经提到过 3.3V 到 5V 的转换，现在再来看看 5V 如何掌握 12V 呢。其事理图如图 3-17 所示， 由三极管的开关特性可知，若 CON 端为低电平（0V），则三极管截止，OUT 端子就为 12V； CON 若为高电平则三极管导通，OUT 端子就为 0V。当然可以在此根本之上变换出更多的控 制电路来。
3.4.2 开关三极管的利用误区
在数字电路设计的中，每每须要把数字旗子暗记经由开关扩流器件来驱动一些蜂鸣器、LED、继电器等须要较大电流的器件，用的最多的开关扩流器件要数三极管。然而在利用的过程中， 如果电路设计不当，三极管无法事情在正常的开关状态，就达不到预期的目的，有时便是因 为这些小小的缺点而导致重新打板，导致摧残浪费蹂躏。本人在这个方面就吃过亏，以是把自己利用 三极管的一些履历以及一些常见的误区给大家分享一下，在电路设计的过程中可以减少一些不必要的麻烦。
下面来看几个三极管做开关的常用电路画法。几个例子都是蜂鸣器作为被驱动器件。图 3-18（a）电路用的是 NPN 管，蜂鸣器接在三极管的集电极，驱动旗子暗记可以是常见的 3.3V 或者 5V TTL 电平，高电平开通，电阻按照履历法可以取 4.7K。例如 a 电路，开通时假设为 高电平 5V，基极电流 Ib=（5V-0.7V） ÷4.7kΩ=0.9mA，可以使三极管完备饱和。b 电路用的是 PNP 管，同样把蜂鸣器接在三极管的集电极，不同的是驱动旗子暗记是 5V 的 TTL 电平。以上这 两个都可以正常事情，只要 PWM 驱动旗子暗记事情在得当的频率，蜂鸣器（有源）都会发出最大 的声音。
图 3-18 所驱动器件接在三极管的集电极
图 3-19 的这两个电路比较图3-18 来说，最 大的差异在于被驱动器件接在三极管的发射极。同样看 c 电路，开通时假设为高电平 5V， 基极电流 Ib=（5V-0.7V-UL） ÷4.7kΩ，个中 UL 为被驱动器件上的压降。可以看到，同样取基 极电阻为 4.7K，流过的基极电流会比图 3-18a 电路的要小，小多少要看 UL 是多少。如果 UL 比较大，那么相应的 Ib 就小，很有可能导致三极管无法事情在饱和状态，使得被驱动器件 无法动作。有人会说把基极电阻减小就可以了呀，可是被驱动器件的压降是很难获知的，有些被驱动器件的压降是变动的，这样一来基极电阻就较难选择得当的值，阻值选择太大就会 驱动失落败，选择太小，损耗又变大。以是，在非不得已的情形下，不建议选用 3-19 的这两 种电路。
图 3-19 所驱动器件接在三极管的发射极
我们再来看图 3-20 这两个电路。驱动旗子暗记为 3.3VTTL 电平，而被驱动器件开通电压需 要 5V。在 3.3V 的 MCU 电路中，欠妥心的话很随意马虎就设计出这两种电路，而这两种电路都是 缺点的。先剖析 e 电路，这是范例的“发射极正偏，集电极反偏”的放大电路，或者叫射极 输出器。当 PWM 旗子暗记为 3.3V 时，三极管发射极电压为 3.3V-0.7V = 2.6V，无法达到期望的 5V。图 3-20f 电路也是一个很失落败的电路，首先这个电路开通是没有问题的，当驱动旗子暗记为 低电平时，被驱动器件可以正常动作。然而这个电路是无法关断的，当驱动旗子暗记 PWM 为 3.3V 高电平的时候，Ube = 5V - 3.3V = 1.7V 仍旧可以使三极管开通，于是无法关断。在这里， 有人会说用过这个电路，没有问题啊，而且 MCU 的电压也是 3.3V。我说你用切实其实定是 OD（开 漏）驱动办法，而且是真正的 OD 或者是 5V 容忍的 OD，比如 STM32 的很多 IO 口都可以设置 为 5V 容忍的 OD 驱动办法（但是有些是弗成的）。当驱动旗子暗记为 OD 门驱动办法时，输出高电 平，旗子暗记就变成了高阻态，流过基极的电流为零，三极管可以有效关断，这个时候 f 电路依然有效。
图 3-20 驱动电压和导通电压不一样
综合以上几种电路的情形剖析，得到图 3-21 这两种个人认为是最优的驱动电路，与图3-18 不同的是，图 3-21 在基极与发射极之间多加了一个 100kΩ 的电阻，这个电阻也是有一 定浸染的，可以让三极管有一个已知的默认状态。当输入旗子暗记去除的时候，三极管还处于关 断状态。在安全和稳定的方面考虑，多加的这个电阻还是很有必要的，或者说可以让三极管 事情在更好的开关状态。
图 3-21 三极管推举型驱动电路
三极管作为开关器件，虽然驱动电路很大略，要使电路事情更加稳定可靠，还是不能掉以轻心。为了不随意马虎出错，个人建议是优先采取图 3-21 的电路，只管即便不采取图 3-19 的电路，避免利用图 3-20 的事情状况。
