NPN型三極管的工作原理詳情

NPN型三極管，由三塊半導體構成，其中兩塊N型和一塊P型半導體組成，P型半導體在中間，兩塊N型半導體在兩側。三極管是電子電路中最重要的器件，它最主要的功能是電流 放大和開關作用。

NPN型三極管的工作原理是什么？

首先就說說三極管，實際上只要你了解了三極管的特性對你使用單片機就順手很多了。大家其實也都知道三極管具有放大作用，但如何去真正理解它卻是你以后會不會使用大部分電子電路和IC的關鍵。?

我們一般所說的普通三極管是具有電流放大作用的器件。其它的三極管也都是在這個原理基礎上功能延伸。三極管的符號如下圖左邊，我們就以NPN型三極管為例來說說它的工作原理。?

它就是一個以b（基極）電流Ib來驅動流過CE的電流Ic的器件，它的工作原理很像一個可控制的閥門。?

左邊細管子里藍色的小水流沖動杠桿使大水管的閥門開大，就可允許較大紅色的水流通過這個閥門。當藍色水流越大，也就使大管中紅色的水流更大。如果放大倍數(shù)是100，那么當藍色小水流為1千克/小時，那么就允許大管子流過100千克/小時的水。三極管的原理也跟這個一樣，放大倍數(shù)為100時，當Ib（基極電流）為1mA時，就允許100mA的電流通過Ice。

這個原理大家可能也都知道，但是把它用在電路里的狀況能理解，那單片機的運用就少了一大障礙了。最常用的連接如下圖。

我們來分析一下這個電路，如果它的放大倍數(shù)是100，基極電壓我們不計。基極電流就是10V÷10K＝1mA，集電極電流就應該是100mA。根據(jù)歐姆定律，這樣Rc上的電壓就是0.1A×50Ω＝5V。那么剩下的5V就吃在了三極管的C、E極上了。好！現(xiàn)在我們假如讓Rb為1K，那么基極電流就是10V÷1K＝10mA，這樣按照放大倍數(shù)100算，Ic就是不是就為1000mA也就是1A了呢？假如真的為1安，那么Rc上的電壓為1A×50Ω＝50V。啊？50V！都超過電源電壓了，三極管都成發(fā)電機了嗎？其實不是這樣的。見下圖：

我們還是用水管內流水來比喻電流，當這個控制電流為10mA時使主水管上的閥開大到能流過1A的電流，但是不是就能有1A的電流流過呢？不是的，因為上面還有個電阻，它就相當于是個固定開度的閥門，它串在這個主水管的上面，當下面那個可控制的閥開度到大于上面那個固定電阻的開度時，水流就不會再增大而是等于通過上面那個固定閥開度的水流了，因此，下面的三極管再開大開度也沒有用了。因此我們可以計算出那個固定電阻的最大電流10V÷50Ω＝0.2A也就是200mA。就是說在電路中三極管基極電流增大集電極的電流也增大，當基極電流Ib增大到2mA時，集電極電流就增大到了200mA。當基極電流再增大時，集電極電流已不會再增大，就在200mA不動了。此時上面那個電阻也就是起限流作用了。下面我們來理解單片機內的IO的狀況：

在單片機內有P1－P3的24個IO口的電路都如上圖那樣。平常我們用電子電路的目的是最終讓目標器件工作，例如讓發(fā)光二極管亮起來，讓電機正常轉起來，從根本上說就是讓這些器件獲得一定的電流讓它做功。例如要讓發(fā)光二極管亮一般就需要1mA以上的電流。但是，單片機是智能芯片，它可以通過檢測各IO口的電壓值來做出邏輯分析和判斷，并能輸出高或低電壓作為結果信號，因此可以看出，單片機的各IO口注重的是所產生的電壓而不是流過R和三極管的電流。那么單片機內IO口的電壓和電流的關系又是怎么樣的呢？我們還是用水管流水的例子來說明。

假設我們讓R的這個閥開的較大，讓下面那個控制閥全關，這時如圖1所示可以看出P點的壓力就是水箱的壓力。當我們將下面的控制閥全開，如圖2所示，則水將以很大的水流流過管線，而此時P點的壓力為0。這個原理和電子電路很相似。通過三極管的關閉或開大來使輸出點P測得的邏輯量為1（電源電壓）或0（0電位）。但這個過程有一個問題，就是當需要P點輸出為0時，三極管將開得很大，流過的電流很大，單片機上有32個IO口，這樣消耗的電能就很多。有沒有辦法改進呢？有！見下圖：

見圖3，如果我們將上面那個閥門R關得很小，將下面的控制閥全關，這時P點的壓力仍舊會是水箱的壓力，和上面圖1是一樣的。但當我們將控制閥開大時，如圖4，P點的壓力雖然也同樣為0，但這時通過的水流就大大減少了。這樣我們既能輸出1或者0。但消耗的水卻很少。單片機里的電路正是這樣做的，它上面的電阻R大約為50K，最大電流是5V÷50K＝0.1mA。也就是說，當P輸出1時，不消耗電流，當P輸出0時消耗的電流為0.1mA。正因為它的上拉電阻R很大，因此對于初學者來說，要它直接驅動發(fā)光管或其它的負載就要有一定的方法技巧了。這里我再和大家一起分析一下IO口外接負載時的各種情況。

我們先來看看接TTL器件的情況，當P1.0接到74HC373的一個輸入腳上時，因為TTL器件的輸入阻抗很高，大約幾百K到M歐姆級。這就相當于P1.0接了個500K（我們假設為500K）的電阻到地。這樣當三極管導通時，P1.0點為低電平，0.1mA的電流經(jīng)Rc然后流過三極管一地，Ri上沒有電流流過。而當三極管截止后，電流就由Rc流過再通過Ri流到地。由于電阻分壓的作用，在Rc和Ri上各有部分電壓，P1.0點的電壓為Rc和Ri的分壓。總電流＝5V÷（50K＋500K）＝0.009mA，則P1.0點的電壓＝0.009mA×500K=4.5V。TTL規(guī)定輸出2.4－5V為高電平；輸出0.4－0為低電平。因此這樣接是正確的。下面我們再來看看用S51來驅動發(fā)光管的情況。

先來看看圖7的情況，很顯然，發(fā)光管的方向為上正下負，只有P1.0為高電位才能點亮發(fā)光管，要讓S51的P1.0為高電位，就必須使三極管截止。當三極管截止后，電流經(jīng)Rc流到發(fā)光管再從發(fā)光管流到地。要讓發(fā)光管導通必須要在發(fā)光管兩端有超過2.1V的門坎電壓。因此流過發(fā)光管的電流＝（5V－2.1V）÷50K＝0.058mA的電流，你們說發(fā)光管能亮嗎？?

再來看圖8。由圖可以看出，要想讓發(fā)光管導通P1.0就必須為低電位。那P1.0口的三極管必須得導通。當三極管一導通后，電流一路流過Rc到三極管再從三極管流到地。另一路在發(fā)光管上消耗掉2.1V的電壓。然后一路幾乎沒有阻力地流過三極管，而IO口的三極管最大電流不能超過15mA，超了就會燒壞三極管，因此這個接法不正確。那么如何才能讓這兩種接法都可以驅動發(fā)光管呢。見下圖：

先看圖9，在P1.0端和Vcc間接上個電阻Ri。當三極管導通時有兩路電流都要從它的CE極流過，一路是內部R上的0.1mA電流，另一路就是Ri上的電流，為了不讓三極管過流而燒壞我們就要確定它的電阻值。Ri=5V÷15mA＝0.333K，就大約是330歐姆。這時流過三極管的電流就大約為15mA，此時發(fā)光管是不亮的。當三極管截止后，這兩路電流就都要從發(fā)光管流過了，這時流過發(fā)光管的電流是多少呢。S51的內部電阻上流過的電流為（5V－2.1V）÷50K＝0.06mA，很小我們可以忽略不計了。流過Ri上的電流為（5V－2.1V）÷330Ω＝0.0087A，也就是8.7mA。已經(jīng)能讓發(fā)光管比較亮了。這樣驅動是可以的，但發(fā)現(xiàn)沒有，發(fā)光管不亮時所消耗的電流比發(fā)光管點亮時消耗的電流還要大。如果用許多個IO口去點亮很多發(fā)光管的話這樣的電路就不經(jīng)濟了。好！這就是P1.0高電平直接驅動發(fā)光管的狀況。?

再來看圖10，在和發(fā)光管串聯(lián)一個電阻后接在Vcc和P1.0之間。當三極管導通時，也是兩路電流都匯合后從三極管的CE流過，內部電阻上的電流仍為0.1mA，發(fā)光管上的電流就要由電阻Ri和發(fā)光管共同來保證不讓三極管的CE超過15mA，則電阻的確定為（5V－2.1V）÷15mA＝0.193K，大約是200歐姆。這樣流過發(fā)光管的電流就約為15mA，發(fā)光管比較亮了。當三極管截止后，就阻斷了這兩路電流的通路，因此不消耗電流。這個電路是P1.0低電平直接驅動發(fā)光管的狀況，可以看出這個電路當發(fā)光管被點亮時消耗15mA的電流，而熄滅時就不消耗電流，因此這個電路是最適合用的。S51直接驅動數(shù)碼管一般也都是采用這個電路原理。?

下面是數(shù)碼管的原理圖：

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