三極管在數(shù)字電路里的控制應(yīng)用與驅(qū)動(dòng)應(yīng)用詳解

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，我們可以通過單片機(jī)控制三極管的基極來間接控制后邊的小燈的亮滅，用法大家基本熟悉了。還有一個(gè)控制就是進(jìn)行不同電壓之間的轉(zhuǎn)換控制，比如我們的單片機(jī)是 5V 系統(tǒng)，它現(xiàn)在要跟一個(gè) 12V 的系統(tǒng)對(duì)接，如果 IO 直接接 12V電壓就會(huì)燒壞單片機(jī)，所以我們加一個(gè)三極管，三極管的工作電壓高于單片機(jī)的 IO 口電壓，用 5V 的 IO 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) IO 口輸出高電平 5V 時(shí)，三極管導(dǎo)通，OUT 輸出低電平 0V，當(dāng) IO 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。我們?cè)賮砜慈鐖D 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 LED 燈，和我們第二課講過的 LED 燈是一樣的，當(dāng) IO 口是高電平時(shí)，小燈熄滅，當(dāng) IO 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，IO 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 IO 口可以輸出一個(gè)高電平，但是他的輸出電流卻很有限，普通 IO 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)候如果我們想用高電平點(diǎn)亮 LED，就可以用上三極管來處理了，我們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) IO 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。

雖然我們用了 IO 口的低電平可以直接點(diǎn)亮 LED，但是單片機(jī)的 IO 口作為低電平，輸入電流就可以很大嗎？這個(gè)我想大家都能猜出來，當(dāng)然不可以。單片機(jī)的 IO 口電流承受能力，不同型號(hào)不完全一樣，就 STC89C52 來說，官方手冊(cè)的 81 頁有對(duì)電氣特性的介紹，整個(gè)單片機(jī)的工作電流，不要超過 50mA，單個(gè) IO 口總電流不要超過 6mA。即使一些增強(qiáng)型 51 的IO 口承受電流大一點(diǎn)，可以到 25mA，但是還要受到總電流 50mA 的限制。那我們來看電路圖的 8 個(gè) LED 小燈這部分電路，如圖 3-11 所示。

圖 3-11 LED 電路圖（一）

這里我們要學(xué)會(huì)看電路圖的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，電路圖右側(cè)所有的 LED 下側(cè)的線最終都連到一根黑色的粗線上去了，大家注意，這個(gè)地方不是實(shí)際的完全連到一起，而是一種總線的畫法，畫了這種線以后，表示這是個(gè)總線結(jié)構(gòu)。而所有的名字一樣的節(jié)點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的連接到一起，其他名字不一樣的，是不連在一起的。比如左側(cè)的 DB0 和右側(cè)的最右邊的 LED2 小燈下邊的DB0 是連在一起的，而和 DB1 等其他線不是連在一起的。

那么我們把圖 3-11 中現(xiàn)在需要講解的這部分單獨(dú)摘出來看，如圖 3-12 所示。

圖 3-12 LED 電路圖（二）

現(xiàn)在我們通過 3-12 的電路圖來計(jì)算一下，5V 的電壓減去 LED 本身的壓降，減掉三極管e 和 c 之間的壓降，限流電阻用的是 330 歐，那么每條支路的電流大概是 8mA，那么 8 路 LED如果全部同時(shí)點(diǎn)亮的話電流總和就是 64mA。這樣如果直接接到單片機(jī)的 IO 口，那單片機(jī)肯定是承受不了的，即使短時(shí)間可以承受，長時(shí)間工作就會(huì)不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致單片機(jī)燒毀。

有的同學(xué)會(huì)提出來可以加大限流電阻的方式來降低這個(gè)電流。比如改到 1K，那么電流不到 3mA，8 路總的電流就是 20mA 左右。首先，降低電流會(huì)導(dǎo)致 LED 小燈亮度變暗，小燈的亮度可能關(guān)系還不大，但因?yàn)槲覀兺瑯拥碾娐方恿?a target="_blank">數(shù)碼管，后邊我們要講數(shù)碼管還要?jiǎng)討B(tài)顯示，如果數(shù)碼管亮度不夠的話，那視覺效果就會(huì)很差，所以降低電流的方法并不可取。其次，對(duì)于單片機(jī)來說，他主要是起到控制作用，電流輸入和輸出的能力相對(duì)較弱，P0 的 8 個(gè)口總電流也有一定限制，所以如果接一兩個(gè) LED 小燈觀察，可以勉強(qiáng)直接用單片機(jī)的 IO 口來接，但是接多個(gè)小燈，從實(shí)際工程的角度去考慮，就不推薦直接接 IO 口了。那么我們?nèi)绻脝纹瑱C(jī)控制多個(gè) LED 小燈該怎么辦呢？

除了三極管之外，其實(shí)還有一些驅(qū)動(dòng) IC，這些驅(qū)動(dòng) IC 可以作為單片機(jī)的緩沖器，僅僅是電流驅(qū)動(dòng)緩沖，不起到任何邏輯控制的效果，比如我們板子上用的 74HC245 這個(gè)芯片，這個(gè)芯片在邏輯上起不到什么別的作用，就是當(dāng)做電流緩沖器的，我們通過查看其數(shù)據(jù)手冊(cè)，74HC245 穩(wěn)定工作在 70mA 電流是沒有問題的，比單片機(jī)的 8 個(gè) IO 口大多了，所以我們可以把他接在小燈和 IO 口之間做緩沖，如圖 3-13 所示。

圖 3-13 74HC245 功能圖

從圖 3-13 我們來分析，其中 VCC 和 GND 就不用多說了，細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)這里有個(gè)0.1uF 的去耦電容哦。

74HC245 是個(gè)雙向緩沖器，1 引腳 DIR 是方向引腳，當(dāng)這個(gè)引腳接高電平的時(shí)候，右側(cè)所有的 B 編號(hào)的電壓都等于左側(cè) A 編號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓。比如 A1 是高電平，那么 B1 就是高電平，A2 是低電平，B2 就是低電平等等。如果 DIR 引腳接低電平，得到的效果是左側(cè) A 編號(hào)的電壓都會(huì)等于右側(cè) B 編號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓。因?yàn)槲覀冞@個(gè)地方控制端是左側(cè)接的是 P0 口，我們要求 B 等于 A 的狀態(tài)，所以 1 腳我們直接接的 5V 電源，即高電平。圖 3-13 中還有一排電阻 R10 到 R17 是上拉電阻，這個(gè)電阻的用法我們?cè)诤筮吔榻B。

還有最后一個(gè)使能引腳 19 腳 OE，叫做輸出使能，這個(gè)引腳上邊有一橫，表明是低電平有效，當(dāng)接了低電平后，74HC245 就會(huì)按照剛才上邊說的起到雙向緩沖器的作用，如果 OE接了高電平，那么無論 DIR 怎么接，A 和 B 的引腳是沒有關(guān)系的，也就是 74HC245 功能不能實(shí)現(xiàn)出來。

從下面的圖 3-14 可以看出來，單片機(jī)的 P0 口和 74HC245 的 A 端是直接接起來的。這個(gè)地方，有個(gè)別同學(xué)有個(gè)疑問，就是我們明明在電源 VCC 那地方加了一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)了，為何還要再加 245 驅(qū)動(dòng)芯片呢。這里大家要理解一個(gè)道理，電路上從正極經(jīng)過器件到地，首先必須有電流才能正常工作，電路中任何一個(gè)位置斷開，都不會(huì)有電流，器件也就不會(huì)參與工作了。其次，和水流一個(gè)道理，從電源正極到負(fù)極的電流水管的粗細(xì)都要滿足要求，任何一個(gè)位置的管子過細(xì)，都會(huì)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)，電流在整個(gè)通路中細(xì)管處會(huì)受到限制而降低，所以在電路通路的每個(gè)位置上，都要保證通道足夠暢通，這個(gè) 74HC245 的作用就是消除單片機(jī)IO 這一環(huán)節(jié)的瓶頸。

圖 3-14 單片機(jī)與 74HC245 的連接