单片机外围电路设计之五：三极管
單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)之五：三極管
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三級(jí)管是一起數(shù)字鍵電路的基礎(chǔ)，在數(shù)字電路中三極管一般工作在開關(guān)狀態(tài)，所以，在這里，我們將談?wù)?#xff0c;三極管工作在開關(guān)狀態(tài)的一些問題，至于放大電路的應(yīng)用，這里就不在說明了。
1概述
半導(dǎo)體三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個(gè)能相互影響的PN結(jié)，組成一個(gè)PNP（或NPN）結(jié)構(gòu)。中間的N區(qū)（或P區(qū)）叫基區(qū)，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發(fā)射極E和集電極C，是能起放大、振蕩或開關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。
晶體三極管（以下簡(jiǎn)稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。 對(duì)于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。
當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時(shí)，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時(shí)，有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時(shí)基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）及基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大部分越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib，就可以在集電極上得到一個(gè)較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β= △Ic/△Ib。式中β--稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時(shí)β1和β的數(shù)值相差不大，所以有時(shí)為了方便起見，對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?/p>
2三極管工作原理
掌握三極管的工作原理，在理解電路上是非常重要的。但是在不能設(shè)計(jì)三極管電路的技術(shù)人員中，大部分都是對(duì)三極管的工作電路沒有形象的認(rèn)識(shí)。所以，如何形象認(rèn)識(shí)三極管的工作原理，成為使用和設(shè)計(jì)電路的關(guān)鍵。
由于三極管大多工作在放大狀態(tài)，這也是三極管應(yīng)用的基礎(chǔ)，下面我們將從三極管放大開始，逐步了解三極管的工作原理。
何為放大？
三極管是只具有“放大”的單功能器件，這個(gè)“放大”功能是非常有用的，在初學(xué)者看來三極管的放大工作原理應(yīng)該是如下圖所示：
實(shí)際上不是這樣的，從能量守恒可以知道，信號(hào)是不可能無(wú)緣無(wú)故被放大的，放大的信號(hào)也必定有來源。輸入小的信號(hào)，要變成放大的信號(hào)，這個(gè)能量只能來源于電源供電，即由電源輸出一個(gè)被放大的形狀相同的信號(hào)。所以，在外部看來，可以看成輸入信號(hào)被“放大”了，這就是三極管的放大原理。
工作原理
三極管的內(nèi)部工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，如下圖所示，基極與發(fā)射極之間流過的電流進(jìn)行不斷地監(jiān)視，并控制集電極與發(fā)射極之間放大的電流。也就是說，三極管用基極電流來控制集電極和發(fā)射極之間的電流。
不管什么樣的三極管，其實(shí)其工作原理是完全一致的，從外部看來，因?yàn)樵诨鶚O輸入了一個(gè)小電流被變化而出現(xiàn)在集電極和發(fā)射極之間就出現(xiàn)了一個(gè)被放大的電流。
三極管實(shí)際上可以這樣理解，在三極管的基極和發(fā)射極之間加入了二極管，當(dāng)三極管工作時(shí)，基極與發(fā)射極之間的二極管的正向壓降為0.6~0.7V。反過來可以這樣理解，要讓三極管工作，實(shí)際上可以讓三極管里邊的二極管工作，當(dāng)這個(gè)二極管工作了，那么三極管以就工作了。
而且從上圖可以看出，由箭頭可以看出PN極的方向，同時(shí)由這個(gè)PN結(jié)就可以確定管子的類型為NPN，還是PNP了。例如上圖的第一個(gè)三極管基極的PN結(jié)的P，發(fā)射極是PN結(jié)的N，故集電極應(yīng)該為N，所以，第1個(gè)三極管為NPN型，同樣的方法可以確定第2個(gè)三極管為PNP。
兩種類型的晶體管
實(shí)際上三極管的NPN和PNP都是由兩PN結(jié)構(gòu)成。所以，我們可以認(rèn)為，三極管的基極和發(fā)射機(jī)間與基極和集電極之間連接2個(gè)二極管。在一般的放大電路中，使基極和發(fā)射極之間的二極管導(dǎo)通，使基極和集電極之間的二極管截止來設(shè)置三極管各端電位。
3三極管開關(guān)電路
三極管可以工作在三種狀態(tài)：截止、放大、飽和。在模擬電路中，一般比較常用的是放大狀態(tài)，而在單片機(jī)外圍電路中，我們比較常用的還是其開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止和飽和狀態(tài)。
實(shí)際上三極管的開關(guān)電路可以從放大電路逐步演變而來。如下圖所示：
上圖左邊是正常的放大電路，右邊是我們需要的開關(guān)電路。從這兩個(gè)波形不難看出，其狀態(tài)很像，只是一個(gè)是正弦波，一個(gè)是方波。如果我們把放大倍數(shù)調(diào)大，或者把輸入信號(hào)增大，那么會(huì)導(dǎo)致什么現(xiàn)象呢？這一點(diǎn)不難想象，輸入輸出信號(hào)的增大，放大波形的上下均會(huì)被切掉。切掉后的正弦波是不是很像我們的方波呢？由此可以看出，我們只需要修改這個(gè)放大電路，讓其進(jìn)入兩個(gè)極端就可以得到開關(guān)電路了。
從放大電路到開關(guān)電路 ??? ? ?
從發(fā)射極放大電路演變掉開關(guān)電路的示意圖如下：
從圖中可以看出，電路（a）去掉輸入輸出兩個(gè)耦合電容后得到了電路（b），由于放大倍數(shù)是有Rc和Re兩個(gè)電阻決定的，所以去掉Re后，得到了電路（c），同時(shí)，基極偏置電路也沒有什么必要，當(dāng)輸入信號(hào)為0V時(shí)三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，如圖（d）。
為了確保在沒有任何信號(hào)輸入時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這里加上了下拉電阻R2。我們知道，如果在電路中輸入信號(hào)超過0.6V時(shí)，三極管的基極和發(fā)射極之間的二極管將導(dǎo)通，開始為電路提高基極電流，在這種狀態(tài)下，由于沒有限制電流的大小，可能會(huì)損害單片機(jī)端口和三極管，為此還需要在基極上添加一個(gè)限流電阻。至此一個(gè)開關(guān)電路就這樣演變而來。
負(fù)載放置
開關(guān)電路完成了，那么負(fù)載應(yīng)該放在什么地方呢？對(duì)于這個(gè)電路，負(fù)載的放置有兩種方式：
上圖上邊是開路集電極電路，跟負(fù)載使用電源沒有關(guān)系，只要基極有電壓，電路就能工作；而上圖下邊的是開路發(fā)射極，基極電壓與負(fù)載電源是有關(guān)系的，輸出電壓要比輸入電壓低0.6V。所以，這兩種開關(guān)電路各有優(yōu)缺點(diǎn)。上邊電路的開關(guān)速度不夠高，還必須通過添加其他器件來提高其開關(guān)速度。而下邊電路的開關(guān)速度卻非常快，但輸入電源和輸出電源有關(guān)聯(lián)。所以，在實(shí)際的應(yīng)用中，比較常用的還是左邊的那種方式，本人也建議盡量采用上邊的（b）圖，而盡量不要應(yīng)用右邊的這兩種方式。
4如何提高開關(guān)速度
上面提到開路集電極電路的最大缺點(diǎn)就是開關(guān)速度不夠快，在需要快速開關(guān)時(shí)，達(dá)不到我們的要求，為此下面我們看看怎么來提高其開關(guān)速度。
加速電容
如上圖所示，由于基極限流電路的作用，導(dǎo)致其開關(guān)速度受限。為此給限流電阻R1并聯(lián)一個(gè)小容量的電容器。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)上升、下降時(shí)能夠使R1電阻瞬間被旁路并提供基極電流，從而消除開關(guān)時(shí)間滯后。
肖特基箍位
提高三極管開關(guān)速度的另外一種方法是添加肖特基二極管箍位。這里利用的是這種二極管是采用金屬與半導(dǎo)體接觸形成具有整流作用，這種二極管的開關(guān)速度很快。
5三極管的應(yīng)用
三級(jí)管的開關(guān)應(yīng)用非常多，常見的有控制繼電器、控制LED、控制LCD背光、控制光耦等，一切開關(guān)電路幾乎都可以使用三極管或者需要三極管協(xié)助完成。
繼電器控制
繼電器是磁性機(jī)械開關(guān)元件，是用邏輯信號(hào)開關(guān)各種信號(hào)時(shí)使用的元件。繼電器工作電流相對(duì)比較大，直接使用單片機(jī)的I/O端口控制是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，在這種情況下，一般需要使用三極管來驅(qū)動(dòng)控制。在選擇三極管時(shí)，可以使用NPN，也可以使用PNP。對(duì)于這兩種三級(jí)管來說，唯一不同的就是驅(qū)動(dòng)電平而已，其他完全一致。
上圖是繼電器驅(qū)動(dòng)常見電路，這里使用的是NPN三極管，高電平控制。為保證沒有控制信號(hào)時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器不工作，這里加了一個(gè)10K的下拉電阻。為了限制基極的輸入電流，這里使用了4.3K的限流電阻，保證在單片機(jī)控制下，最大輸入電流Ib=（5-0.6）/4.3K=1mA。同時(shí)，我們?cè)俅螐?qiáng)調(diào)，在繼電器端必須并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，否則開關(guān)繼電器的同時(shí)可能會(huì)損壞三極管，這一點(diǎn)我們?cè)谥v述二極管時(shí)已經(jīng)說明。
LED驅(qū)動(dòng)
對(duì)于需要提供大電流才工作的LED電路，我們也必須考慮使用三極管來驅(qū)動(dòng)，有時(shí)甚至?xí)枰鄠€(gè)三極管同時(shí)才能驅(qū)動(dòng)。
對(duì)于上圖來說，每一路LED的顯示和每一個(gè)LED數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，都會(huì)使用大的電流。7段數(shù)碼管的每一段LED需要打電流大概是30mA，而其電流的控制由其串聯(lián)的限流電阻確定。我們之前也說過，一般LED的工作壓降為2V，所以LED的工作電流I=5-2-0.6/82=30mA。
由于7段數(shù)碼管是共陰的，當(dāng)7段同時(shí)工作時(shí)輸出電流有210mA的電流，為保證其能夠正常工作，這里采用兩個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)控制。
6總結(jié)：
雖然說在三極管的基極和發(fā)射極之間只要有0.6V的工作電壓，三極管就可以導(dǎo)通，但是并不意味著三極管導(dǎo)通就可以在集電極和發(fā)射極之間通過任何電流。這里所謂的開關(guān)狀態(tài)是指，在集電極和發(fā)射極之間可以有電流通過。但是，在任何情況下三極管都沒有絕對(duì)的導(dǎo)通，導(dǎo)通只是相對(duì)的，基極電流越大，開關(guān)控制的輸出電流也越大。由于受到三極管本身的限制，能夠通過的電流是由限的。為此大家一定要認(rèn)識(shí)到，需要控制不同電流導(dǎo)通時(shí)，應(yīng)該采用不同的基極電流或者不同的三極管。
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本文純屬學(xué)習(xí)記錄，摘自張飛實(shí)戰(zhàn)電子，大家可以去張飛實(shí)戰(zhàn)電子學(xué)習(xí)提高，一起加油！！！！
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的单片机外围电路设计之五：三极管的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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