《 STC15 單片機實戰(zhàn)指南（ C 語言版）》 一書以一堅科技研發(fā)的飛天三號（ FSST15-V1.0）實驗板為硬件平臺， 以《 深入淺出玩轉(zhuǎn) STC15 單片機》為配套視頻， 由清華大學出版社權(quán)威出版， 并且分別是 STC 官方大學計劃和高校高性能聯(lián)合實驗室推薦教程和視頻， 版權(quán)歸作者和清華大學出版社所有。

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作者 | 殘弈悟恩

編輯 | Garen

三極管的應(yīng)用。無論在數(shù)字電路、還是模擬電路中，三極管的應(yīng)用很普遍。概括的說， 在模擬電路中主要用于信號的放大，在數(shù)字電路中主要利用開關(guān)特性來控制、驅(qū)動別的器件。 這里主要講述在數(shù)字電路中的應(yīng)用，三極管實物圖如圖 3-14 所示。

圖 3-14 三極管實物圖

3.4.1 三極管的基本開關(guān)電路

先來簡述一下三極管，三極管符號如圖 3-15 所示，三極管有三個級，分別是：基極（base）、 集電極（collector）、發(fā)射極（emitter），三極管又分為 NPN、PNP 兩種型號。

圖 3-15 三極管示意圖 

三極管的應(yīng)用主要借助三種狀態(tài)：放大、截止、飽和。關(guān)于放大的計算是很有學問，也是很復雜的，這里就不做說明了。便于讀者理解，可以分別將飽和、截止狀態(tài)看作是“開”、 “關(guān)”兩種狀態(tài)。那怎么是“開”，又怎么是“關(guān)”呢。這由 b 極和 e 極電壓決定。對于 NPN 型的，只要 b 極電壓比 e 極電壓大 0.7V，則三極管就“開”，否則就“關(guān)”；對于 PNP 型的，只要 e 極電壓比 b 極電壓大 0.7V，則三極管就“開”，否則就“關(guān)”；最后總結(jié)一句話：看 箭頭，箭尾比箭頭大 0.7V 則“開”，否則就“關(guān)”。低電平三極管導通（5V 比 0V 大 0.7V 吧），高電平三極管截止（5V 比 5V 沒有大 0.7 是吧？）。相反，若用 NPN 的三極管，b 極為高電平，則三極管導通；b 極為低電平則三極管截止。三極管的開關(guān)特性就說這么多，下面開始筆者 要講解的重頭戲，那就是與三極管捆綁在一起的這些電阻，看看這些電阻是隨便拉一個出來， 還是要靠計算的。

首先說明一點，圖 3-16 是殘弈悟恩為了講解專門畫了這樣一個圖，沒有什么實際意義， 因為不可能驅(qū)動一個 LED 就需要這么復雜的電路。

進入主題。圖 3-16 中為什么要用上（下）拉電阻？ 答：上、下拉電阻的作用本身就是為電路提供一個穩(wěn)定、可知的運行環(huán)境。如圖 3-16，

如“電平”端懸空，此時三極管的導通、截止狀態(tài)也就不確定了，如果加了上、下拉電阻，則該端的電平就是一個已知邏輯值，這是緣由一。

再看緣由二，假如沒有電阻 R02，且“電平”端用的不是 5V 單片機，而是用 3.3V 的單 片機來控制這個三極管，那么當“電平”端為高電平（3.3V）時，LED 小燈是亮還是滅呢？ 設(shè)計者的目的是“滅”，那么達到預期目的了嗎？分析可知，此時管子還是導通的，因為 e 極（5V）比 b 極（3.3V）大 0.7V 啊，所以 LED 小燈毫無疑問還是亮。那如果此時別的什么 條件都不變，而在電路中加入電阻 R02，這樣，當“電平”端為高電平（3.3V）時，被上拉 電阻一拉，則 b 極的電壓就被拉到 5V 了，從而三極管就截止，LED 小燈也就滅了。若三極 管換成是 NPN 的，那 R01 這個下拉電路就同理了。若出于這個原因，當用 5V 的單片機，那就 沒必要加上、下拉電阻了。

如圖 3-16 所示的電阻 R03 用多大阻值的？

情況一，沒有上、下電阻，所用單片機為 5V。三極管截止的狀態(tài)（電平端口處為高電 平）這里就不看了，這里以導通（電平端口處為低電平）的情況為例來計算 R03 的阻值?！半?平”端為 OV，而 e 極為 5V，則滿足導通的壓降，三極管導通，且 eb 間壓降大概為 0.7V， 那還有（5-0.7）V 的電壓就會在電阻 R03 上。這個時候，e、c 之間也會導通，同時 LED 本身 壓降又是 2V 左右，三極管 e、c 之間大概有 0.2V 的壓降，這個可以忽略不計，這樣在 R00 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，足足可以點亮 LED 小燈。

不是說算電阻 R03 嗎，怎么算到電流上來了，這時有根據(jù)的。前面講過，三極管有截止、 放大、飽和三個狀態(tài)，截止不用說了，只要 e、b 之間不導通即可。要讓三極管處于飽和狀 態(tài)，就是所謂的開關(guān)特性，必須滿足一個條件。大伙都知道，三極管有一個放大倍數(shù)β ，要 想處于飽和狀態(tài)，b 極電流就必須大于 e、c 之間電流值除以β 。這個β ，常用三極管的大 概是 100 左右，那么 R03 的電壓、電流已知了，歐姆定律讀者還不會啊。

上面算得 Iec 為 3mA，那么 b 極電流最小值就是 3mA÷100，即為 30μA，那么 R03MAX = 4.3V

÷ 30μA = 143 kΩ。只要 R03 比 143 kΩ 小就可以，那 1Ω行嗎？假如是 1Ω，則 b 極電流就 為 4.3A。可 STC15 系列單片機的 I/O 口承受電流的最大值是 25mA 啊，其實殘弈悟恩推薦最 好不要超過 10mA，因此 1Ω 果斷不行，所以殘弈悟恩一般用 1kΩ。

第二種情況，“電平”端口處高電平為 3.3V，且加了上拉電阻 R02，讀者能不能算出 R03

阻值的最大值呢？那就留給讀者算吧。

圖 3-16 三極管的驅(qū)動應(yīng)用原理圖      圖 3-17 三極管的控制應(yīng)用原理圖

最后一個問題，三極管的控制應(yīng)用，那什么是控制呢？就是不同電壓之間的轉(zhuǎn)換，上面

已經(jīng)提到過 3.3V 到 5V 的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在再來看看 5V 如何控制 12V 呢。其原理圖如圖 3-17 所示， 由三極管的開關(guān)特性可知，若 CON 端為低電平（0V），則三極管截止，OUT 端子就為 12V； CON 若為高電平則三極管導通，OUT 端子就為 0V。當然可以在此基礎(chǔ)之上變換出更多的控 制電路來。

3.4.2 開關(guān)三極管的使用誤區(qū)

在數(shù)字電路設(shè)計的中，往往需要把數(shù)字信號經(jīng)過開關(guān)擴流器件來驅(qū)動一些蜂鳴器、LED、繼電器等需要較大電流的器件，用的最多的開關(guān)擴流器件要數(shù)三極管。然而在使用的過程中， 如果電路設(shè)計不當，三極管無法工作在正常的開關(guān)狀態(tài)，就達不到預期的目的，有時就是因 為這些小小的錯誤而導致重新打板，導致浪費。本人在這個方面就吃過虧，所以把自己使用 三極管的一些經(jīng)驗以及一些常見的誤區(qū)給大家分享一下，在電路設(shè)計的過程中可以減少一些不必要的麻煩。

下面來看幾個三極管做開關(guān)的常用電路畫法。幾個例子都是蜂鳴器作為被驅(qū)動器件。圖 3-18（a）電路用的是 NPN 管，蜂鳴器接在三極管的集電極，驅(qū)動信號可以是常見的 3.3V 或者 5V TTL 電平，高電平開通，電阻按照經(jīng)驗法可以取 4.7K。例如 a 電路，開通時假設(shè)為 高電平 5V，基極電流 Ib=（5V-0.7V） ÷4.7kΩ=0.9mA，可以使三極管完全飽和。b 電路用的是 PNP 管，同樣把蜂鳴器接在三極管的集電極，不同的是驅(qū)動信號是 5V 的 TTL 電平。以上這 兩個都可以正常工作，只要 PWM 驅(qū)動信號工作在合適的頻率，蜂鳴器（有源）都會發(fā)出最大 的聲音。

圖 3-18 所驅(qū)動器件接在三極管的集電極

圖 3-19 的這兩個電路相比圖3-18 來說，最 大的區(qū)別在于被驅(qū)動器件接在三極管的發(fā)射極。同樣看 c 電路，開通時假設(shè)為高電平 5V， 基極電流 Ib=（5V-0.7V-UL） ÷4.7kΩ，其中 UL 為被驅(qū)動器件上的壓降?？梢钥吹?，同樣取基 極電阻為 4.7K，流過的基極電流會比圖 3-18a 電路的要小，小多少要看 UL 是多少。如果 UL 比較大，那么相應(yīng)的 Ib 就小，很有可能導致三極管無法工作在飽和狀態(tài)，使得被驅(qū)動器件 無法動作。有人會說把基極電阻減小就可以了呀，可是被驅(qū)動器件的壓降是很難獲知的，有些被驅(qū)動器件的壓降是變動的，這樣一來基極電阻就較難選擇合適的值，阻值選擇太大就會 驅(qū)動失敗，選擇太小，損耗又變大。所以，在非不得已的情況下，不建議選用 3-19 的這兩 種電路。

圖 3-19 所驅(qū)動器件接在三極管的發(fā)射極

我們再來看圖 3-20 這兩個電路。驅(qū)動信號為 3.3VTTL 電平，而被驅(qū)動器件開通電壓需 要 5V。在 3.3V 的 MCU 電路中，不小心的話很容易就設(shè)計出這兩種電路，而這兩種電路都是 錯誤的。先分析 e 電路，這是典型的“發(fā)射極正偏，集電極反偏”的放大電路，或者叫射極 輸出器。當 PWM 信號為 3.3V 時，三極管發(fā)射極電壓為 3.3V-0.7V = 2.6V，無法達到期望的 5V。圖 3-20f 電路也是一個很失敗的電路，首先這個電路開通是沒有問題的，當驅(qū)動信號為 低電平時，被驅(qū)動器件可以正常動作。然而這個電路是無法關(guān)斷的，當驅(qū)動信號 PWM 為 3.3V 高電平的時候，Ube = 5V - 3.3V = 1.7V 仍然可以使三極管開通，于是無法關(guān)斷。在這里， 有人會說用過這個電路，沒有問題啊，而且 MCU 的電壓也是 3.3V。我說你用的肯定是 OD（開 漏）驅(qū)動方式，而且是真正的 OD 或者是 5V 容忍的 OD，比如 STM32 的很多 IO 口都可以設(shè)置 為 5V 容忍的 OD 驅(qū)動方式（但是有些是不行的）。當驅(qū)動信號為 OD 門驅(qū)動方式時，輸出高電 平，信號就變成了高阻態(tài)，流過基極的電流為零，三極管可以有效關(guān)斷，這個時候 f 電路依然有效。

圖 3-20 驅(qū)動電壓和導通電壓不一樣

綜合以上幾種電路的情況分析，得到圖 3-21 這兩種個人認為是最優(yōu)的驅(qū)動電路，與圖3-18 不同的是，圖 3-21 在基極與發(fā)射極之間多加了一個 100kΩ 的電阻，這個電阻也是有一 定作用的，可以讓三極管有一個已知的默認狀態(tài)。當輸入信號去除的時候，三極管還處于關(guān) 斷狀態(tài)。在安全和穩(wěn)定的方面考慮，多加的這個電阻還是很有必要的，或者說可以讓三極管 工作在更好的開關(guān)狀態(tài)。

圖 3-21 三極管推薦型驅(qū)動電路 

三極管作為開關(guān)器件，雖然驅(qū)動電路很簡單，要使電路工作更加穩(wěn)定可靠，還是不能掉以輕心。為了不容易出錯，個人建議是優(yōu)先采用圖 3-21 的電路，盡量不采用圖 3-19 的電路，避免使用圖 3-20 的工作狀況。

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