「连载12」三极管应用概述及使用误区｜学单片机做四轴飞行器项目故事

互推小编 2023-05-15

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本资料以个人学习、工作经验以及宏晶科技单片机技术为素材，以单片机初学者、单片机项目开发者为对象，教大家如何走进单片机，继而达到开发工程项目（如：四轴飞行器设计，多功能收音机等）为目的。限于时间和水平关系，资料中难免有过失之处，望各位高手批评指教，多多拍砖，拍累了，你们休息，我继续上路。

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作者 | 残弈悟恩
编辑 | Garen

三极管的应用。无论在数字电路、还是模拟电路中，三极管的应用很普遍。概括的说，在模拟电路中主要用于信号的放大，在数字电路中主要利用开关特性来控制、驱动别的器件。这里主要讲述在数字电路中的应用，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

三极管的应用主要借助三种状态：放大、截止、饱和。关于放大的计算是很有学问，也是很复杂的，这里就不做说明了。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。对于 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”；对于 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”；最后总结一句话：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，那就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，还是要靠计算的。

首先说明一点，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，因为不可能驱动一个 LED 就需要这么复杂的电路。

进入主题。图 3-16 中为什么要用上（下）拉电阻？答：上、下拉电阻的作用本身就是为电路提供一个稳定、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、截止状态也就不确定了，如果加了上、下拉电阻，则该端的电平就是一个已知逻辑值，这是缘由一。

再看缘由二，假如没有电阻 R02，且“电平”端用的不是 5V 单片机，而是用 3.3V 的单片机来控制这个三极管，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？分析可知，此时管子还是导通的，因为 e 极（5V）比 b 极（3.3V）大 0.7V 啊，所以 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。若出于这个原因，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？

情况一，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）的情况为例来计算 R03 的阻值。“电平”端为 OV，而 e 极为 5V，则满足导通的压降，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 左右，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，可以计算出来，这条支路的电流大概是 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，就是所谓的开关特性，必须满足一个条件。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 左右，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 极电流最小值就是 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？假如是 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，其实残弈悟恩推荐最好不要超过 10mA，因此 1Ω 果断不行，所以残弈悟恩一般用 1kΩ。

第二种情况，“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 三极管的驱动应用原理图图 3-17 三极管的控制应用原理图

最后一个问题，三极管的控制应用，那什么是控制呢？就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 如何控制 12V 呢。其原理图如图 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。当然可以在此基础之上变换出更多的控制电路来。

3.4.2 开关三极管的使用误区

在数字电路设计的中，往往需要把数字信号经过开关扩流器件来驱动一些蜂鸣器、LED、继电器等需要较大电流的器件，用的最多的开关扩流器件要数三极管。然而在使用的过程中，如果电路设计不当，三极管无法工作在正常的开关状态，就达不到预期的目的，有时就是因为这些小小的错误而导致重新打板，导致浪费。本人在这个方面就吃过亏，所以把自己使用三极管的一些经验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，驱动信号可以是常见的 3.3V 或者 5V TTL 电平，高电平开通，电阻按照经验法可以取 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，可以使三极管完全饱和。b 电路用的是 PNP 管，同样把蜂鸣器接在三极管的集电极，不同的是驱动信号是 5V 的 TTL 电平。以上这两个都可以正常工作，只要 PWM 驱动信号工作在合适的频率，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 的这两个电路相比图3-18 来说，最大的区别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，其中 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工作在饱和状态，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合适的值，阻值选择太大就会驱动失败，选择太小，损耗又变大。所以，在非不得已的情况下，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。驱动信号为 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，不小心的话很容易就设计出这两种电路，而这两种电路都是错误的。先分析 e 电路，这是典型的“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 信号为 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 电路也是一个很失败的电路，首先这个电路开通是没有问题的，当驱动信号为低电平时，被驱动器件可以正常动作。然而这个电路是无法关断的，当驱动信号 PWM 为 3.3V 高电平的时候，Ube = 5V - 3.3V = 1.7V 仍然可以使三极管开通，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。我说你用的肯定是 OD（开漏）驱动方式，而且是真正的 OD 或者是 5V 容忍的 OD，比如 STM32 的很多 IO 口都可以设置为 5V 容忍的 OD 驱动方式（但是有些是不行的）。当驱动信号为 OD 门驱动方式时，输出高电平，信号就变成了高阻态，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况分析，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作用的，可以让三极管有一个已知的默认状态。当输入信号去除的时候，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工作在更好的开关状态。