開關二極體的導通和截止條件

2021-02-23 電子工程專輯

三極體在我們數字電路和模擬電路中都有大量的應用，在我們開發板上也用了多個三極體。在我們板子上的 LED 小燈部分，就有這個三極體的應用了，圖 3-5 的 LED 電路中的 Q16就是一個 PNP 型的三極體。

圖 3-5  LED 電路

三極體的初步認識
三極體是一種很常用的控制和驅動器件，常用的三極體根據材料分有矽管和鍺管兩種，原理相同，壓降略有不同，矽管用的較普遍，而鍺管應用較少，本課程就用矽管的參數來進行講解。三極體有 2 種類型，分別是 PNP 型和 NPN 型。先來認識一下，如圖 3-6。

圖 3-6  三極體示意圖


三極體一共有 3 個極，從圖 3-6 來看，橫向左側的引腳叫做基極(base)，中間有一個箭頭，一頭連接基極，另外一頭連接的是發射極 e(emitter)，那剩下的一個引腳就是集電極 c(collector)了。這是必須要記住的內容，死記硬背即可，後邊慢慢用的多了，每次死記硬背一次，多次以後就會深入腦海了。

三極體的原理
三極體有截止、放大、飽和三種工作狀態。放大狀態主要應用於模擬電路中，且用法和計算方法也比較複雜，我們暫時用不到。而數字電路主要使用的是三極體的開關特性，只用到了截止與飽和兩種狀態，所以我們也只來講解這兩種用法。三極體的類型和用法我給大家總結了一句口訣，大家要把這句口訣記牢了：箭頭朝內 PNP，導通電壓順箭頭過，電壓導通，電流控制。

下面我們一句一句來解析口訣。大家可以看圖 3-6，三極體有 2 種類型，箭頭朝內就是PNP，那箭頭朝外的自然就是 NPN 了，在實際應用中，要根據實際電路的需求來選擇到底用哪種類型，大家多用幾次也就會了，很簡單。

三極體的用法特點，關鍵點在於 b 極（基極）和 e 級（發射極）之間的電壓情況，對於PNP 而言，e 極電壓只要高於 b 級 0.7V 以上，這個三極體 e 級和 c 級之間就可以順利導通。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 型三極體的導通電壓是 b 極比 e 極高 0.7V，總之是箭頭的始端比末端高 0.7V 就可以導通三極體的 e 極和 c 極。這就是關於「導通電壓順箭頭過，電壓導通」的解釋，我們來看圖 3-7。

圖 3-7  三極體的用法


我們以圖 3-7 為例介紹一下。三極體基極通過一個 10K 的電阻接到了單片機的一個 IO口上，假定是 P1.0，發射極直接接到 5V 的電源上，集電極接了一個 LED 小燈，並且串聯了一個 1K 的限流電阻最終接到了電源負極 GND 上。

如果 P1.0 由我們的程序給一個高電平 1，那麼基極 b 和發射極 e 都是 5V，也就是說 e到 b 不會產生一個 0.7V 的壓降，這個時候，發射極和集電極也就不會導通，那麼豎著看這個電路在三極體處是斷開的，沒有電流通過，LED2 小燈也就不會亮。如果程序給 P1.0 一個低電平 0，這時 e 極還是 5V，於是 e 和 b 之間產生了壓差，三極體 e 和 b 之間也就導通了，三極體 e 和 b 之間大概有 0.7V 的壓降，那還有(5-0.7)V 的電壓會在電阻 R47 上。這個時候，e 和 c 之間也會導通了，那麼 LED 小燈本身有 2V 的壓降，三極體本身 e 和 c 之間大概有 0.2V的壓降，我們忽略不計。那麼在 R41 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，可以成功點亮 LED。

最後一個概念，電流控制。前邊講過，三極體有截止，放大，飽和三個狀態，截止就不用說了，只要 e 和 b 之間不導通即可。我們要讓這個三極體處於飽和狀態，就是我們所謂的開關特性，必須要滿足一個條件。三極體都有一個放大倍數β，要想處於飽和狀態，b 極電流就必須大於 e 和 c 之間電流值除以β。這個β，對於常用的三極體大概可以認為是 100。那麼上邊的 R47 的阻值我們必須要來計算一下了。

剛才我們算過了，e 和 c 之間的電流是 3mA，那麼 b 極電流最小就是 3mA 除以 100 等於30uA，大概有 4.3V 電壓會落在基極電阻上，那麼基極電阻最大值就是 4.3V/30uA = 143K。電阻值只要比這個值小就可以，當然也不能太小，太小會導致單片機的 IO 口電流過大燒壞三極體或者單片機，STC89C52 的 IO 口輸入電流最大理論值是 25mA，我推薦不要超過 6mA，我們用電壓和電流算一下，就可以算出來最小電阻值，我們圖 3-7 取的是經驗值

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