3.3 三極管在數(shù)字電路中的應(yīng)用

三極管在數(shù)字電路和模擬電路中都有大量的應(yīng)用，在Kingst51開發(fā)板上也用了多個(gè)三極管。在板子上的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

3.3.1 三極管的初步認(rèn)識(shí)

三極管是一種常用的控制和驅(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，本書采用硅管的參數(shù)來進(jìn)行講解。三極管有2種類型，分別是PNP型和NPN型，如圖3-6所示。

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)，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。

3.3.2 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)，所以重點(diǎn)講這兩種用法。三極管的類型和用法作者給大家總結(jié)了一句口訣：箭頭朝內(nèi)PNP，導(dǎo)通電壓順箭頭過，電壓導(dǎo)通，電流控制。

解析一下這個(gè)口訣。如圖3-6所示，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。

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就可以讓三極管的e極和c極導(dǎo)通。這就是關(guān)于“導(dǎo)通電壓順箭頭過，電壓導(dǎo)通”的解釋。

圖3-7 三極管的用法

以圖3-7為例，三極管基極通過一個(gè)10kΩ的電阻接到了單片機(jī)的一個(gè)I/O口上，假定是P1.0，發(fā)射極接到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，忽略不計(jì)。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。

電流控制是什么意思呢？前邊講過，三極管有截止、放大以及飽和三個(gè)狀態(tài)。截止，就是e和b之間不導(dǎo)通。而要讓這個(gè)三極管處于飽和狀態(tài)，就是所謂的開關(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。那么圖3-7中的R47的阻值必須要來計(jì)算一下了。

剛才算過了，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，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I/O口電流過大燒壞三極管或者單片機(jī)，STC89C52的I/O口輸入電流最大理論值是25mA，推薦不要超過6mA，用電壓和電流算一下，就可以算出來最小電阻值，圖3-7取的是經(jīng)驗(yàn)值。

3.3.3 三極管的應(yīng)用

三極管在數(shù)字電路里的開關(guān)特性，最常見的應(yīng)用有2個(gè)：一個(gè)是控制應(yīng)用，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。所謂的控制就是如圖3-7里邊介紹的，可以通過單片機(jī)控制三極管的基極來間接控制后邊的小燈的亮滅。還有一個(gè)控制就是進(jìn)行不同電壓之間的轉(zhuǎn)換控制，比如Kingst51單片機(jī)是5V系統(tǒng)，現(xiàn)在要跟一個(gè)12V的系統(tǒng)對(duì)接，如果I/O直接接12V電壓就會(huì)燒壞單片機(jī)，所以加一個(gè)三極管，三極管的工作電壓高于單片機(jī)的I/O口電壓，用5V的I/O口來控制12V的電路，如圖3-8所示。

圖3-8 三極管實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換

圖3-8中，當(dāng)I/O口輸出高電平5V時(shí)，三極管導(dǎo)通，OUT輸出低電平0V，當(dāng)I/O口輸出低電平時(shí)，三極管截止，OUT則由于上拉電阻R2的作用而輸出12V的高電平，這樣就實(shí)現(xiàn)了低電壓控制高電壓的工作原理。

所謂的驅(qū)動(dòng)，主要是指電流輸出能力。如圖3-9中兩個(gè)電路之間的對(duì)比。

圖3-9 LED小燈控制方式對(duì)比

圖3-9中上邊的的LED燈，和第二課講過的LED燈是一樣的，當(dāng)I/O口是高電平時(shí)，小燈熄滅，當(dāng)I/O口是低電平時(shí)，小燈點(diǎn)亮。那么下邊的電路呢，按照這種推理，I/O口是高電平的時(shí)候，應(yīng)該有電流流過并且點(diǎn)亮小燈，但實(shí)際上卻并非這么簡單。

單片機(jī)主要是個(gè)控制器件，具備四兩撥千斤的特點(diǎn)。就如同杠桿必須有一個(gè)支點(diǎn)一樣，想要撐起整個(gè)地球必須有力量承受的支點(diǎn)。單片機(jī)的I/O口可以輸出一個(gè)高電平，但是它的輸出電流卻很有限，普通I/O口輸出高電平的時(shí)候，大概只有幾十到幾百uA的電流，達(dá)不到1mA，也就點(diǎn)不亮這個(gè)LED小燈或者是亮度很低，這個(gè)時(shí)候如果想用高電平點(diǎn)亮LED，就可以用上三極管來處理了，板上的這種三極管型號(hào)，可以通過500mA的電流，有的三極管通過的電流還更大一些，如圖3-10所示。

圖3-10 三極管驅(qū)動(dòng)LED小燈

圖3-10中，當(dāng)I/O口是高電平，三極管導(dǎo)通，因?yàn)槿龢O管的電流放大作用，c極電流就可以達(dá)到mA以上了，就可以成功點(diǎn)亮LED小燈。

3.4 74HC138三八譯碼器的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)單片機(jī)電路的時(shí)候，單片機(jī)的I/O口數(shù)量是有限的，有時(shí)滿足不了產(chǎn)品需求，比如STC89C52一共有32個(gè)I/O口，但是為了控制更多的器件，就可以使用一些外圍的數(shù)字芯片，這類數(shù)字芯片由簡單的輸入邏輯來控制輸出邏輯，比如74HC138這個(gè)三八譯碼器，圖3-11是74HC138在Kingst51開發(fā)板上的一個(gè)應(yīng)用。

圖3-11 74HC138應(yīng)用原理圖

從名字來分析，三八譯碼器就是把3種輸入狀態(tài)翻譯成8種輸出狀態(tài)。從圖3-11能看出，74HC138的1～6一共是6個(gè)輸入引腳，但是其中4、5、6這三個(gè)引腳是使能引腳。這三個(gè)引腳如果不符合芯片規(guī)定的輸入要求，不管輸入的1、2、3引腳是什么電平狀態(tài)，7到15引腳總是輸出高電平。所以根據(jù)器件使用手冊(cè)說明，要想讓74HC138正常工作，ENLED接的4腳和5腳必須輸入低電平，ADDR3接的6腳必須輸入高電平，這兩個(gè)位置都是使能控制端口。不知道是否記得前邊點(diǎn)亮LED程序有這么兩條控制74HC138使能的語句：

ENLED = 0；ADDR3 = 1；

這類邏輯芯片，大多都是有使能引腳的，使能符合要求的前提下，就可以研究控制邏輯了。對(duì)于數(shù)字器件的引腳，如果一個(gè)引腳輸入的時(shí)候，有0和1兩種狀態(tài)；對(duì)于兩個(gè)引腳輸入的時(shí)候，就會(huì)有00、01、10、11這四種狀態(tài)了，那么對(duì)于3個(gè)輸入的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)8種狀態(tài)了，大家可以看下邊的這個(gè)真值表——圖3-12，其中輸入是A2、A1、A0的順序，輸出是從Y7、Y6……Y0的順序。

圖3-12 74HC138真值表

從圖3-12可以看出，任一輸入狀態(tài)下，只有一個(gè)輸出引腳是低電平，其他的引腳都是高電平。在前面的電路中已經(jīng)看到，8個(gè)LED小燈的總開關(guān)三極管Q16基極的控制端是LEDS6，也就是Y6輸出一個(gè)低電平的時(shí)候，可以開通三極管Q16，從右側(cè)的希望LEDS5輸出低電平這樣的結(jié)果，可以推導(dǎo)出左側(cè)輸入端A2、A1、A0的輸入狀態(tài)應(yīng)該是110，如圖3-13。

圖3-13 LED小燈整體電路圖

那么再整體捋一遍點(diǎn)亮LED小燈的過程，首先看74HC138，要讓LEDS6為低電平才能導(dǎo)通三極管Q16，所以

ENLED = 0;ADDR3 = 1; 保證74HC138使能。

ADDR2 = 1; ADDR1 = 1; ADDR0 = 0; 保證了三極管Q16這個(gè)開關(guān)開通，5V電源加到LED上。

通過P0口控制，讓P0.0引腳等于0，就是DB0等于0，那么這樣在這一排共8個(gè)LED小燈當(dāng)中，只有最右側(cè)的小燈和5V之間有壓差，有壓差就會(huì)有電流通過，LED2就會(huì)發(fā)光了。

從原理圖左上角P0口總線可以看出，74HC138的ADDR0 、ADDR1、ADDR2、 ADDR3和ENLED接在P1.0到P1.3引腳上，如圖3-14所示。

圖3-14 單片機(jī)引腳圖

審核編輯 黃宇