51c嵌入式分享~三极管相关1

一、PNP与NPN两种三极管使用方法

    分享这篇文章总结下关于NPN和PNP两种型号三极管的使用和连接方法。

    在单片机应用电路中三极管主要的作用就是开关作用。

    上图中，横向左侧的引脚叫做基极b，有一个箭头的是发射极e，剩下的一个引脚就是集电极 c。 

    首先来说一下NPN型，这种型号的三极管在用于开关状态时，大都是发射极接地，集电极接高电平，基极接控制信号。

    其次对于PNP型的三极管，用于开关状态时，一般都是发射极接高电平，基极接控制信号。三极管导通时，电流从发射极流向集电极。

三极管的开关原理

    三极管有截止、放大、饱和三种工作状态。

    放大状态主要应用于模拟电路中，且用法和计算方法也比较复杂，我们暂时用不到。

    而数字电路主要使用的是三极管的开关特性，只用到了截止与饱和两种状态。

    三极管的用法特点，关键点在于 b 极（基极）和 e 级（发射极）之间的电压情况，对于PNP 而言，e 极电压只要高于 b 级 0.7V 以上，这个三极管 e 级和 c 级之间就可以顺利导通。

    同理，NPN 型三极管的导通条件是 b 极比 e 极电压高 0.7V。

    总之是箭头的始端比末端高 0.7V 就可以导通三极管的 e 极和 c 极。

    以上图PNP三极管为例，基极通过一个 10K 的电阻接到了单片机的一个 IO口上，假定是 P1.0，发射极直接接到 5V 的电源上，集电极接了一个 LED 小灯，并且串联了一个 1K 的限流电阻最终接到了电源负极 GND 上。

    如果 P1.0 由我们的程序给一个高电平 1，那么e到 b 不会产生一个 0.7V 的压降，这个时候，发射极和集电极也就不会导通，那么竖着看这个电路在三极管处是断开的，没有电流通过，LED2 小灯也就不会亮。

    如果程序给 P1.0 一个低电平 0，这时 e 极还是 5V，于是 e 和 b 之间产生了压差，三极管 e 和 b 之间也就导通了，三极管 e 和 b 之间大概有 0.7V 的压降，那还有（5-0.7）V 的电压会在电阻 R47 上。这个时候，e 和 c 之间也会导通了，那么 LED 小灯本身有 2V 的压降，三极管本身 e 和 c 之间大概有 0.2V的压降，我们忽略不计。那么在 R41 上就会有大概 3V 的压降，可以计算出来，这条支路的电流大概是 3mA，可以成功点亮 LED。

三极管饱和状态

    最后一个概念，电流控制。前边讲过，三极管有截止，放大，饱和三个状态。我们要让这个三极管处于饱和状态，就是我们所谓的开关特性，必须要满足一个条件。三极管都有一个放大倍数β，要想处于饱和状态，b 极电流就必须大于 e 和 c 之间电流值除以β。这个β，对于常用的三极管大概可以认为是 100。

    那么上边的 R47 的阻值我们必须要来计算一下了。刚才我们算过了，e 和 c 之间的电流是 3mA，那么 b 极电流最小就是 3mA 除以 100 等于30uA，大概有 4.3V 电压会落在基极电阻上，那么基极电阻最大值就是 4.3V/30uA = 143K。电阻值只要比这个值小就可以，当然也不能太小，太小会导致单片机的 IO 口电流过大烧坏三极管或者单片机。

二、三极管的应用电路

 三极管有三个工作状态：截止、放大、饱和，放大状态很有学问也很复杂，多用于集成芯片，比如运放，现在不讨论。

    其实，对信号的放大我们通常用运放处理，三极管更多的是当做一个开关管来使用，且只有截止、饱和两个状态。

    截止状态看作是关，饱和状态看作是开。

    Ib≥1mA时，完全可以保证三极管工作在饱和状态，对于小功率的三极管此时Ic为几十到几百mA，驱动继电器、蜂鸣器等功率器件绰绰有余。

三极管电路举例

    把三极管箭头理解成一个开关，如下图为NPN型三极管，按下开关S1，约1mA的Ib流过箭头，三极管工作在饱和状态，c极到e极完全导通，c极电平接近0V(GND)，负载RL两端压降接近5V。

    Ib与Ic电流都流入e极，根据电流方向，e极为低电平，应接地，c极接负载和电源。

    如下图为PNP型三极管，按下开关S2，约1mA的Ib流过箭头，三极管工作在饱和状态，e极到c极完全导通，c极电平接近5V，负载RL两端压降接近5V。

    Ib与Ic电流都流出e极，根据电流方向，e极为高电平，应接电源，c极接负载和地。

    如下图NPN三极管，对于NPN三极管更应该在b极加一个下拉电阻，一是为了保证b、e极间电容加速放电，加快三极管截止；二是为了保证给三极管b极一个已知逻辑状态，防止控制输入端悬空或高阻态时对三极管工作状态的不确定。

    如下图是PNP三极端，对于PNP三极管，更应该在b极加一个上拉电阻，原理同上。

    下图NPN三极管，对于感性负载，必须在负载两端并联一个反向续流二极管，因为三极管在关断时，线圈会自感产生很高的反向电动势，而续流二极管提供的续流通路，同时钳位反向电动势，防止击穿三极管。

    续流二极管的选型必须是快恢复二极管或肖特基二极管，两者响应速度快。

    如下图的NPN三极管，对于某些控制信号为低电平时，可能并不是真正的0V，一般在1V以内，为保证三极管完全截止，不得不在三极管b极加一个反向稳压管或正向二极管，以提高三极管导通的阈值电压。

    根据个人经验，推挽输出的数字信号不用加，OC输出、二极管输出以及延时控制有必要加，通常稳压管正常的工作电流≥1mA。

    下图是用三极管实现继电器的延时控制的例子。

    为三极管延时导通，快速关断的一个仿真电路，D1、R2、C1、D2构成延时导通Q2的回路，C1的电压为12V的时候Q2导通，R3、Q1、R4、R1构成快速关断Q2的回路，C1通过R3和Q1快速放电。

要点

• 对于NPN三极管，在不考虑三极管的情况下，b极电阻与下拉电阻的分压必须大于0.7V，PNP同理。
• b极电流必须≥1mA可保证三极管处于饱和状态，此时Ic满足三极管最大的驱动能力。
• 另外，对于三极管的放大倍数β，指的是输出电流的驱动能力放大了β，比如100倍，并不是把输出电流真正的放大了100倍。

三、玩转三极管

 三极管的管型及管脚的判别是电子技术初学者的一项基本功，为了帮助读者迅速掌握测判方法，笔者总结出四句口诀：“三颠倒，找基极；PN结，定管型；顺箭头，偏转大；测不准，动嘴巴。”下面让我们逐句进行解释吧。

1 三颠倒，找基极

    我们知道，三极管内部有两个PN结，三极管是PNP型还是NPN型的区别就是两个PN结的连接方式不同。

    如图1所示是三极管及等效电路。

图1：三极管及等效电路

    测量三极管是要使用万用表的欧姆档，档位的选择可以是Rx100档位，也可以是Rx1k档位。

    我们知道，万用表在欧姆档时红表笔在万用表内接的是电池的负极，黑表笔连接着表内电池的正极。

    下面的测量都是基于三极管没有损坏的情况下测试的，如果三极管已损坏，下面的测试方法就不合适了。

     在我们不知道被测三极管是什么类型的时候（PNP型还是NPN型），这个时候一般也不会知道各管脚是什么电极。测试的第一步是先找出来这个三极管的基极。我们先任取三极管三个引脚中的两个（例如取1脚和2脚），用万用表两只表笔测量一下这两脚之间的电阻（正向电阻），然后将表笔翻转再测量一下两脚之间的电阻（反向电阻）；接下来依次测量1脚、3脚之间的正、反向电阻，以及2、3脚之间的正、反向电阻。比较这三次测量出来的正、反向电阻，一定有两次的测量结果接近：即两次测量的正向电阻接近、负向电阻也接近；那么剩下的一次必然是正、反向电阻都较大，于是，可以得出结论，正、反向电阻都偏大的那一次，未测量的那个引脚就是这只三极管的基极（图2）。

图2：NPN型和PNP型三极管结构

    三极管B,C,E极之间的有没有电流以及电流的方向取决于B,E极，C,Ｅ极之间的电压偏置。

    根据偏置电压的方向和大小，一般三极管有三种工作状态：截止状态，放大状态以及饱和导通状态。

    截止状态下，B,E极之间，C,E极之间都没有电流流过。

    放大状态或者饱和导通状态下，如果是NPN型的三极管，电流从B极以及C极流向E极，如果是PNP型的三极管，电流从E极流向B极以及C极。不管是NPN不容小觑是PNP，E极电流的方向和三极管电气符号所标的箭头方向是一致的。

2 PN结，定管型

    找出这只三极管的基极引脚之后，就可以根据基极与另外两个电极之间PN结的方向来确定该只三极管是PNP型还是NPN型。

     将万用表的黑表笔连接到该只三极管的基极，红表笔连接到另外两个电极中的任何一个，如果表头指针偏转角度很大，则说明这只三极管是NPN型三极管，如果表头指针偏转角度很小，说明这只三极管为PNP型三极管。

3 顺箭头，偏转大

    从上面两个步骤我们已经找出了这只三极管的基极，以及这只三极管是那种类型的三极管，接下来就要判断哪个引脚是集电极，哪个引脚是发射极了。

     这时我们可以用测试穿透电流的方法来确定集电极和发射极。 

1、对于NPN型三极管，用万用表的黑表笔、红表笔颠倒测量两个电极之间的正、反向电阻，虽然两次测量中万用表偏转角度都很小，但仔细观察，总能判别出哪一次的偏转稍大，哪一次的偏转稍小，偏转角度稍大的电流流向是：黑表笔-集电极-基极-发射极-红表笔，电流流向正好与三极管电路符号中的箭头方向一致（这就是我们这一步骤的口诀“顺箭头”）。由此可以判断，此时黑表笔接的是集电极，红表笔接的是发射极（图3）。 

2、对于PNP型三极管，道理类似。

图3：测试穿透电流的⽅法来确定集电极和发射极

4 测不准，动嘴巴

    如果在“顺箭头，偏转大”的测量过程中，由于颠倒前后两次测量指针偏转角度都很小，实在难以区分，就要“动嘴巴”了，具体方法是，在“顺箭头，偏转大”的判别方法的两次测量中，用两只手分别捏住两表笔与管脚的结合部位，用嘴巴含住基极，仍用“顺箭头，偏转大”的判别方法即可区分出来集电极和发射极，其中原理是由于人体起到直流偏置电阻的作用，湿测量效果更加明显。