单片机外围电路设计之五：三极管
单片机外围电路设计之五：三极管
三级管是一起数字键电路的基础，在数字电路中三极管一般工作在开关状态，所以，在这里，我们将谈谈，三极管工作在开关状态的一些问题，至于放大电路的应用，这里就不在说明了。
1概述
半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。 对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β= △Ic/△Ib。式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
2三极管工作原理
掌握三极管的工作原理，在理解电路上是非常重要的。但是在不能设计三极管电路的技术人员中，大部分都是对三极管的工作电路没有形象的认识。所以，如何形象认识三极管的工作原理，成为使用和设计电路的关键。
由于三极管大多工作在放大状态，这也是三极管应用的基础，下面我们将从三极管放大开始，逐步了解三极管的工作原理。
何为放大？
三极管是只具有“放大”的单功能器件，这个“放大”功能是非常有用的，在初学者看来三极管的放大工作原理应该是如下图所示：
实际上不是这样的，从能量守恒可以知道，信号是不可能无缘无故被放大的，放大的信号也必定有来源。输入小的信号，要变成放大的信号，这个能量只能来源于电源供电，即由电源输出一个被放大的形状相同的信号。所以，在外部看来，可以看成输入信号被“放大”了，这就是三极管的放大原理。
工作原理
三极管的内部工作原理其实很简单，如下图所示，基极与发射极之间流过的电流进行不断地监视，并控制集电极与发射极之间放大的电流。也就是说，三极管用基极电流来控制集电极和发射极之间的电流。
不管什么样的三极管，其实其工作原理是完全一致的，从外部看来，因为在基极输入了一个小电流被变化而出现在集电极和发射极之间就出现了一个被放大的电流。
三极管实际上可以这样理解，在三极管的基极和发射极之间加入了二极管，当三极管工作时，基极与发射极之间的二极管的正向压降为0.6~0.7V。反过来可以这样理解，要让三极管工作，实际上可以让三极管里边的二极管工作，当这个二极管工作了，那么三极管以就工作了。
而且从上图可以看出，由箭头可以看出PN极的方向，同时由这个PN结就可以确定管子的类型为NPN，还是PNP了。例如上图的第一个三极管基极的PN结的P，发射极是PN结的N，故集电极应该为N，所以，第1个三极管为NPN型，同样的方法可以确定第2个三极管为PNP。
两种类型的晶体管
实际上三极管的NPN和PNP都是由两PN结构成。所以，我们可以认为，三极管的基极和发射机间与基极和集电极之间连接2个二极管。在一般的放大电路中，使基极和发射极之间的二极管导通，使基极和集电极之间的二极管截止来设置三极管各端电位。
3三极管开关电路
三极管可以工作在三种状态：截止、放大、饱和。在模拟电路中，一般比较常用的是放大状态，而在单片机外围电路中，我们比较常用的还是其开关状态，即工作在截止和饱和状态。
实际上三极管的开关电路可以从放大电路逐步演变而来。如下图所示：
上图左边是正常的放大电路，右边是我们需要的开关电路。从这两个波形不难看出，其状态很像，只是一个是正弦波，一个是方波。如果我们把放大倍数调大，或者把输入信号增大，那么会导致什么现象呢？这一点不难想象，输入输出信号的增大，放大波形的上下均会被切掉。切掉后的正弦波是不是很像我们的方波呢？由此可以看出，我们只需要修改这个放大电路，让其进入两个极端就可以得到开关电路了。
从放大电路到开关电路
从发射极放大电路演变掉开关电路的示意图如下：
从图中可以看出，电路（a）去掉输入输出两个耦合电容后得到了电路（b），由于放大倍数是有Rc和Re两个电阻决定的，所以去掉Re后，得到了电路（c），同时，基极偏置电路也没有什么必要，当输入信号为0V时三极管处于截止状态，如图（d）。
为了确保在没有任何信号输入时，三极管处于截止状态，这里加上了下拉电阻R2。我们知道，如果在电路中输入信号超过0.6V时，三极管的基极和发射极之间的二极管将导通，开始为电路提高基极电流，在这种状态下，由于没有限制电流的大小，可能会损害单片机端口和三极管，为此还需要在基极上添加一个限流电阻。至此一个开关电路就这样演变而来。
负载放置
开关电路完成了，那么负载应该放在什么地方呢？对于这个电路，负载的放置有两种方式：
上图上边是开路集电极电路，跟负载使用电源没有关系，只要基极有电压，电路就能工作；而上图下边的是开路发射极，基极电压与负载电源是有关系的，输出电压要比输入电压低0.6V。所以，这两种开关电路各有优缺点。上边电路的开关速度不够高，还必须通过添加其他器件来提高其开关速度。而下边电路的开关速度却非常快，但输入电源和输出电源有关联。所以，在实际的应用中，比较常用的还是左边的那种方式，本人也建议尽量采用上边的（b）图，而尽量不要应用右边的这两种方式。
4如何提高开关速度
上面提到开路集电极电路的最大缺点就是开关速度不够快，在需要快速开关时，达不到我们的要求，为此下面我们看看怎么来提高其开关速度。
加速电容
如上图所示，由于基极限流电路的作用，导致其开关速度受限。为此给限流电阻R1并联一个小容量的电容器。这样，当输入信号上升、下降时能够使R1电阻瞬间被旁路并提供基极电流，从而消除开关时间滞后。
肖特基箍位
提高三极管开关速度的另外一种方法是添加肖特基二极管箍位。这里利用的是这种二极管是采用金属与半导体接触形成具有整流作用，这种二极管的开关速度很快。
5三极管的应用
三级管的开关应用非常多，常见的有控制继电器、控制LED、控制LCD背光、控制光耦等，一切开关电路几乎都可以使用三极管或者需要三极管协助完成。
继电器控制
继电器是磁性机械开关元件，是用逻辑信号开关各种信号时使用的元件。继电器工作电流相对比较大，直接使用单片机的I/O端口控制是无法实现的，在这种情况下，一般需要使用三极管来驱动控制。在选择三极管时，可以使用NPN，也可以使用PNP。对于这两种三级管来说，唯一不同的就是驱动电平而已，其他完全一致。
上图是继电器驱动常见电路，这里使用的是NPN三极管，高电平控制。为保证没有控制信号时，三极管处于截止状态，继电器不工作，这里加了一个10K的下拉电阻。为了限制基极的输入电流，这里使用了4.3K的限流电阻，保证在单片机控制下，最大输入电流Ib=（5-0.6）/4.3K=1mA。同时，我们再次强调，在继电器端必须并联一个续流二极管，否则开关继电器的同时可能会损坏三极管，这一点我们在讲述二极管时已经说明。
LED驱动
对于需要提供大电流才工作的LED电路，我们也必须考虑使用三极管来驱动，有时甚至会需要多个三极管同时才能驱动。
对于上图来说，每一路LED的显示和每一个LED数码管的驱动，都会使用大的电流。7段数码管的每一段LED需要打电流大概是30mA，而其电流的控制由其串联的限流电阻确定。我们之前也说过，一般LED的工作压降为2V，所以LED的工作电流I=5-2-0.6/82=30mA。
由于7段数码管是共阴的，当7段同时工作时输出电流有210mA的电流，为保证其能够正常工作，这里采用两个三极管驱动控制。
6总结：
虽然说在三极管的基极和发射极之间只要有0.6V的工作电压，三极管就可以导通，但是并不意味着三极管导通就可以在集电极和发射极之间通过任何电流。这里所谓的开关状态是指，在集电极和发射极之间可以有电流通过。但是，在任何情况下三极管都没有绝对的导通，导通只是相对的，基极电流越大，开关控制的输出电流也越大。由于受到三极管本身的限制，能够通过的电流是由限的。为此大家一定要认识到，需要控制不同电流导通时，应该采用不同的基极电流或者不同的三极管。
本文纯属学习记录，摘自张飞实战电子，大家可以去张飞实战电子学习提高，一起加油！！！！