三極管在數(shù)字電路里的開關(guān)特性解析

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：一個是控制應(yīng)用，一個是驅(qū)動應(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 12V 的系統(tǒng)對接，如果 IO 直接接 12V電壓就會燒壞單片機(jī)，所以我們加一個三極管，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。

電壓轉(zhuǎn)換

圖 3-8 中，當(dāng) IO 口輸出高電平 5V 時，三極管導(dǎo)通，OUT 輸出低電平0V，當(dāng) IO 口輸出低電平時，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，這樣就實現(xiàn)了低電壓控制高電壓的工作原理。所謂的驅(qū)動，主要是指電流輸出能力。我們再來看如圖 3-9 中兩個電路之間的對比。

LED小燈控制方式對比

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，小燈熄滅，當(dāng) IO 口是低電平時，小燈點亮。那么下邊的電路呢，按照這種推理，IO 口是高電平的時候，應(yīng)該有電流流過并且點亮小燈，但實際上卻并非這么簡單。單片機(jī)主要是個控制器件，具備四兩撥千斤的特點。就如同杠桿必須有一個支點一樣，想要撐起整個地球必須有力量承受的支點。單片機(jī)的 IO 口可以輸出一個高電平，但是他的輸出電流卻很有限，普通 IO 口輸出高電平的時候，大概只有幾十到幾百 uA 的電流，達(dá)不到1mA，也就點不亮這個 LED 小燈或者是亮度很低，這個時候如果我們想用高電平點亮 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，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 中，當(dāng) IO 口是高電平，三極管導(dǎo)通，因為三極管的電流放大作用，c 極電流就可以達(dá)到 mA 以上了，就可以成功點亮 LED 小燈。雖然我們用了 IO 口的低電平可以直接點亮 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，不同型號不完全一樣，就 STC89C52 來說，官方手冊的 81 頁有對電氣特性的介紹，整個單片機(jī)的工作電流，不要超過 50mA，單個 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，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 LED 小燈這部分電路，如圖 3-11 所示。

這里我們要學(xué)會看電路圖的一個知識點，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，這個地方不是實際的完全連到一起，而是一種總線的畫法，畫了這種線以后，表示這是個總線結(jié)構(gòu)。而所有的名字一樣的節(jié)點是一一對應(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摘出來看，如圖 3-12 所示。

現(xiàn)在我們通過 3-12 的電路圖來計算一下，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如果全部同時點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，即使短時間可以承受，長時間工作就會不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致單片機(jī)燒毀。有的同學(xué)會提出來可以加大限流電阻的方式來降低這個電流。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，但因為我們同樣的電路接了數(shù)碼管，后邊我們要講數(shù)碼管還要動態(tài)顯示，如果數(shù)碼管亮度不夠的話，那視覺效果就會很差，所以降低電流的方法并不可取。其次，對于單片機(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較弱，P0 的 8 個口總電流也有一定限制，所以如果接一兩個 LED 小燈觀察，可以勉強(qiáng)直接用單片機(jī)的 IO 口來接，但是接多個小燈，從實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 LED 小燈該怎么辦呢？除了三極管之外，其實還有一些驅(qū)動 IC，這些驅(qū)動 IC 可以作為單片機(jī)的緩沖器，僅僅是電流驅(qū)動緩沖，不起到任何邏輯控制的效果，比如我們板子上用的 74HC245 這個芯片，這個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，74HC245 穩(wěn)定工作在 70mA 電流是沒有問題的，比單片機(jī)的 8 個 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。

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)會發(fā)現(xiàn)這里有個0.1uF 的去耦電容哦。74HC245 是個雙向緩沖器，1 引腳 DIR 是方向引腳，當(dāng)這個引腳接高電平的時候，右側(cè)所有的 B 編號的電壓都等于左側(cè) A 編號對應(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 編號的電壓都會等于右側(cè) B 編號對應(yīng)的電壓。因為我們這個地方控制端是左側(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，這個電阻的用法我們在后邊介紹。還有最后一個使能引腳 19 腳 OE，叫做輸出使能，這個引腳上邊有一橫，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。這個地方，有個別同學(xué)有個疑問，就是我們明明在電源 VCC 那地方加了一個三極管驅(qū)動了，為何還要再加 245 驅(qū)動芯片呢。這里大家要理解一個道理，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，電路中任何一個位置斷開，都不會有電流，器件也就不會參與工作了。其次，和水流一個道理，從電源正極到負(fù)極的電流水管的粗細(xì)都要滿足要求，任何一個位置的管子過細(xì)，都會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)，電流在整個通路中細(xì)管處會受到限制而降低，所以在電路通路的每個位置上，都要保證通道足夠暢通，這個 74HC245 的作用就是消除單片機(jī)IO 這一環(huán)節(jié)的瓶頸。