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1、1三极管应用很多初学单片机的网友都问过我，关于如何确定数码管的限流电阻问题。我想这是对电路不理解造成的。因此在这就用最通俗的方法说说基础的电子知识。首先就说说三极管，实际上只要你了解了三极管的特性对你使用单片机就顺手很多了。大家其实也都知道三极管具有放大作用，但如何去真正理解它却是你以后会不会使用大部分电子电路和 IC的关键。我们一般所说的普通三极管是具有电流放大作用的器件。其它的三极管也都是在这个原理基础上功能延伸。三极管的符号如下图左边，我们就以 NPN 型三极管为例来说说它的工作原理。它就是一个以 b(基极)电流 Ib 来驱动流过 CE 的电流 Ic 的器件，它的工作原理很像一个可控制的
2、阀门。左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。如果放大倍数是 100，那么当蓝色小水流为 1 千克/小时，那么就允许大管子流过 100 千克/小时的水。三极管的原理也跟这个一样，放大倍数为 100 时，当 Ib(基极电流)为 1mA 时，就允许 100mA 的电流通过 Ice。我这么说大家能理解吗？这个原理大家可能也都知道，但是把它用在电路里的状况能理解，那单片机的运用就少了一大障碍了。最常用的连接如下图。2我们来分析一下这个电路，如果它的放大倍数是 100，基极电压我们不计。基极电流就是 10V10K
3、1mA，集电极电流就应该是 100mA。根据欧姆定律，这样 Rc 上的电压就是 0.1A505V。那么剩下的 5V 就吃在了三极管的 C、E 极上了。好！现在我们假如让 Rb 为 1K，那么基极电流就是 10V1K10mA，这样按照放大倍数 100 算，Ic 就是不是就为 1000mA 也就是 1A 了呢？假如真的为 1 安，那么 Rc 上的电压为 1A5050V。啊？50V！都超过电源电压了，三极管都成发电机了吗？其实不是这样的。见下图：我们还是用水管内流水来比喻电流，当这个控制电流为 10mA 时使主水管上的阀开大到能流过 1A的电流，但是不是就能有 1A 的电流流过呢？不是的，因为上面还
4、有个电阻，它就相当于是个固定开度的阀门，它串在这个主水管的上面，当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时，水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了，因此，下面的三极管再开大开度也没有用了。因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流 10V500.2A 也就是 200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大，当基极电流 Ib 增大到 2mA 时，集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时，集电极电流已不会再增大，就在 200mA 不动了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。下面我们来理解单片机内的 IO 的状况：3在单片机内有 P1P3 的 24
5、 个 IO 口的电路都如上图那样。平常我们用电子电路的目的是最终让目标器件工作，例如让发光二极管亮起来，让电机正常转起来，从根本上说就是让这些器件获得一定的电流让它做功。例如要让发光二极管亮一般就需要 1mA 以上的电流。但是，单片机是智能芯片，它可以通过检测各 IO 口的电压值来做出逻辑分析和判断，并能输出高或低电压作为结果信号，因此可以看出，单片机的各 IO 口注重的是所产生的电压而不是流过 R 和三极管的电流。那么单片机内 IO口的电压和电流的关系又是怎么样的呢？我们还是用水管流水的例子来说明。假设我们让 R 的这个阀开的较大，让下面那个控制阀全关，这时如图 1 所示可以看出 P 点的压
6、力就是水箱的压力。当我们将下面的控制阀全开，如图 2 所示，则水将以很大的水流流过管线，而此时P 点的压力为 0。这个原理和电子电路很相似。通过三极管的关闭或开大来使输出点 P 测得的逻辑量为 1（电源电压）或 0（0 电位）。但这个过程有一个问题，就是当需要 P 点输出为 0 时，三极管将开得很大，流过的电流很大，单片机上有 32 个 IO 口，这样消耗的电能就很多。有没有办法改进呢？有！见下图：4见图 3，如果我们将上面那个阀门 R 关得很小，将下面的控制阀全关，这时 P 点的压力仍旧会是水箱的压力，和上面图 1 是一样的。但当我们将控制阀开大时，如图 4，P 点的压力虽然也同样为 0，但
7、这时通过的水流就大大减少了。这样我们既能输出 1 或者 0。但消耗的水却很少。单片机里的电路正是这样做的，它上面的电阻 R 大约为 50K，最大电流是 5V50K0.1mA。也就是说，当P 输出 1 时，不消耗电流，当 P 输出 0 时消耗的电流为 0.1mA。正因为它的上拉电阻 R 很大，因此对于初学者来说，要它直接驱动发光管或其它的负载就要有一定的方法技巧了。这里我再和大家一起分析一下 IO 口外接负载时的各种情况。我们先来看看接 TTL 器件的情况，当 P1.0 接到 74HC373 的一个输入脚上时，因为 TTL 器件的输入阻抗很高，大约几百 K 到 M 欧姆级。这就相当于 P1.0
8、接了个 500K（我们假设为 500K）的电阻到地。这样当三极管导通时，P1.0 点为低电平，0.1mA 的电流经 Rc 然后流过三极管一地，Ri 上没有电流流过。而当三极管截止后，电流就由 Rc 流过再通过 Ri 流到地。由于电阻分压的作用，在 Rc 和 Ri 上各有部分电压，P1.0 点的电压为 Rc 和 Ri 的分压。总电流5V（50K500K）0.009mA，则 P1.0 点的5电压0.009mA500K=4.5V。TTL 规定输出 2.45V 为高电平；输出 0.40 为低电平。因此这样接是正确的。下面我们再来看看用 S51 来驱动发光管的情况。先来看看图 7 的情况，很显然，发光管
9、的方向为上正下负，只有 P1.0 为高电位才能点亮发光管，要让 S51 的 P1.0 为高电位，就必须使三极管截止。当三极管截止后，电流经 Rc 流到发光管再从发光管流到地。要让发光管导通必须要在发光管两端有超过 2.1V 的门坎电压。因此流过发光管的电流（5V2.1V）50K0.058mA 的电流，你们说发光管能亮吗？再来看图 8。由图可以看出，要想让发光管导通 P1.0 就必须为低电位。那 P1.0 口的三极管必须得导通。当三极管一导通后，电流一路流过 Rc 到三极管再从三极管流到地。另一路在发光管上消耗掉 2.1V 的电压。然后一路几乎没有阻力地流过三极管，而 IO 口的三极管最大电流不
10、能超过 15mA，超了就会烧坏三极管，因此这个接法不正确。那么如何才能让这两种接法都可以驱动发光管呢。见下图：先看图 9，在 P1.0 端和 Vcc 间接上个电阻 Ri。当三极管导通时有两路电流都要从它的 CE 极流过，一路是内部 R 上的 0.1mA 电流，另一路就是 Ri 上的电流，为了不让三极管过流而烧坏我们就要确定它的电阻值。Ri=5V15mA0.333K，就大约是 330 欧姆。这时流过三极管的电流就大约为 15mA，此时发光管是不亮的。当三极管截止后，这两路电流就都要从发光管流过了，这时流过发光管的电流是6多少呢。S51 的内部电阻上流过的电流为（5V2.1V）50K0.06mA，
11、很小我们可以忽略不计了。流过 Ri 上的电流为（5V2.1V）3300.0087A，也就是 8.7mA。已经能让发光管比较亮了。这样驱动是可以的，但发现没有，发光管不亮时所消耗的电流比发光管点亮时消耗的电流还要大。如果用许多个 IO 口去点亮很多发光管的话这样的电路就不经济了。好！这就是 P1.0 高电平直接驱动发光管的状况。再来看图 10，在和发光管串联一个电阻后接在 Vcc 和 P1.0 之间。当三极管导通时，也是两路电流都汇合后从三极管的 CE 流过，内部电阻上的电流仍为 0.1mA，发光管上的电流就要由电阻 Ri 和发光管共同来保证不让三极管的 CE 超过 15mA，则电阻的确定为（5V2.1V）15mA0.193K，大约是200 欧姆。这样流过发光管的电流就约为 15mA，发光管比较亮了。当三极管截止后，就阻断了这两路电流的通路，因此不消耗电流。这个电路是 P1.0 低电平直接驱动发光管的状况，可以看出这个电路当发光管被点亮时消耗 15mA 的电流，而熄灭时就不消耗电流，因此这个电路是最适合用的。S51 直接驱动数码管一般也都是采用这个电路原理。下面是数码管的原理图：下图是数码管的电路图。
