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单片机中三极管的应用

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zerorobert|  楼主 | 2023-12-23 12:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
三极管在数字电路里的开关特性,最常见的应用有2个:一个是控制应用,一个是驱动应用。所谓的控制就是如图3-7里边介绍的,我们可以通过单片机控制三极管的基极来间接控制后边的小灯的亮灭,用法大家基本熟悉了。
还有一个控制就是进行不同电压之间的转换控制,比如我们的单片机是 5 V 系统,它现在要跟一个 12 V 的系统对接,如果 IO 直接接 12 V电压就会烧坏单片机,所以我们加一个三极管,三极管的工作电压高于单片机的 IO 口电压,用 5 V 的 IO 口来控制 12 V 的电路,如图3-8所示。

图3-8 三极管实现电压转换
图3-8 中,当 IO 口输出高电平 5 V 时,三极管导通,OUT 输出低电平 0 V,当 IO 口输出低电平时,三极管截止,OUT 则由于上拉电阻 R2 的作用而输出 12 V 的高电平,这样就实现了低电压控制高电压的工作原理。
所谓的驱动,主要是指电流输出能力。我们再来看如图3-9中两个电路之间的对比。


图3-9 LED 小灯控制方式对比
图3-9中上边的 LED 灯,和我们第二课讲过的 LED 灯是一样的,当 IO 口是高电平时,小灯熄灭,当 IO 口是低电平时,小灯点亮。那么下边的电路呢,按照这种推理,IO 口是高电平的时候,应该有电流流过并且点亮小灯,但实际上却并非这么简单。
单片机主要是个控制器件,具备四两拨千斤的特点。就如同杠杆必须有一个支点一样,想要撑起整个地球必须有力量承受的支点。单片机的 IO 口可以输出一个高电平,但是他的输出电流却很有限,普通 IO 口输出高电平的时候,大概只有几十到几百 uA 的电流,达不到 1 mA,也就点不亮这个 LED 小灯或者是亮度很低,这个时候如果我们想用高电平点亮 LED,就可以用上三极管来处理了,我们板上的这种三极管型号,可以通过 500 mA 的电流,有的三极管通过的电流还更大一些,如图3-10所示。


图3-10 三极管驱动 LED 小灯
图3-10中,当 IO 口是高电平,三极管导通,因为三极管的电流放大作用,c 极电流就可以达到 mA 以上了,就可以成功点亮 LED 小灯。
虽然我们用了 IO 口的低电平可以直接点亮 LED,但是单片机的 IO 口作为低电平,输入电流就可以很大吗?这个我想大家都能猜出来,当然不可以。单片机的 IO 口电流承受能力,不同型号不完全一样,就 STC89C52 来说,官方手册的81页有对电气特性的介绍,整个单片机的工作电流,不要超过 50 mA,单个 IO 口总电流不要超过 6 mA。即使一些增强型51的 IO 口承受电流大一点,可以到 25 mA,但是还要受到总电流 50 mA 的限制。那我们来看电路图的8个 LED 小灯这部分电路,如图3-11所示。


图3-11 LED 电路图(一)
这里我们要学会看电路图的一个知识点,电路图右侧所有的 LED 下侧的线最终都连到一根黑色的粗线上去了,大家注意,这个地方不是实际的完全连到一起,而是一种总线的画法,画了这种线以后,表示这是个总线结构。而所有的名字一样的节点是一一对应的连接到一起,其他名字不一样的,是不连在一起的。比如左侧的 DB0 和右侧的最右边的 LED2 小灯下边的 DB0 是连在一起的,而和 DB1 等其他线不是连在一起的。
那么我们把图3-11中现在需要讲解的这部分单独摘出来看,如图3-12所示。


图3-12 LED 电路图(二)
现在我们通过3-12的电路图来计算一下,5 V 的电压减去 LED 本身的压降,减掉三极管 e 和 c 之间的压降,限流电阻用的是330欧,那么每条支路的电流大概是 8 mA,那么8路 LED 如果全部同时点亮的话电流总和就是 64 mA。
这样如果直接接到单片机的 IO 口,那单片机肯定是承受不了的,即使短时间可以承受,长时间工作就会不稳定,甚至导致单片机烧毁。
有的同学会提出来可以加大限流电阻的方式来降低这个电流。比如改到 1 K,那么电流不到 3 mA,8路总的电流就是 20 mA 左右。
首先,降低电流会导致 LED 小灯亮度变暗,小灯的亮度可能关系还不大,但因为我们同样的电路接了数码管,后边我们要讲数码管还要动态显示,如果数码管亮度不够的话,那视觉效果就会很差,所以降低电流的方法并不可取。其次,对于单片机来说,他主要是起到控制作用,电流输入和输出的能力相对较弱,P0 的8个口总电流也有一定限制,所以如果接一两个 LED 小灯观察,可以勉强直接用单片机的 IO 口来接,但是接多个小灯,从实际工程的角度去考虑,就不推荐直接接 IO 口了。那么我们如果要用单片机控制多个 LED 小灯该怎么办呢?
除了三极管之外,其实还有一些驱动 IC,这些驱动 IC 可以作为单片机的缓冲器,仅仅是电流驱动缓冲,不起到任何逻辑控制的效果,比如我们板子上用的 74HC245 这个芯片,这个芯片在逻辑上起不到什么别的作用,就是当做电流缓冲器的,我们通过查看其数据手册,74HC245 稳定工作在 70 mA 电流是没有问题的,比单片机的8个 IO 口大多了,所以我们可以把他接在小灯和 IO 口之间做缓冲,如图3-13所示。


图3-13 74HC245 功能图
从图3-13我们来分析,其中 VCC 和 GND 就不用多说了,细心的同学会发现这里有个 0.1 uF 的去耦电容哦。
74HC245 是个双向缓冲器,1引脚 DIR 是方向引脚,当这个引脚接高电平的时候,右侧所有的 B 编号的电压都等于左侧 A 编号对应的电压。比如 A1 是高电平,那么 B1 就是高电平,A2 是低电平,B2 就是低电平等等。
如果 DIR 引脚接低电平,得到的效果是左侧 A 编号的电压都会等于右侧 B 编号对应的电压。因为我们这个地方控制端是左侧接的是 P0 口,我们要求 B 等于 A 的状态,所以1脚我们直接接的 5 V 电源,即高电平。
图3-13中还有一排电阻 R10 到 R17 是上拉电阻,这个电阻的用法我们在后边介绍。
还有最后一个使能引脚19脚 OE,叫做输出使能,这个引脚上边有一横,表明是低电平有效,当接了低电平后,74HC245 就会按照刚才上边说的起到双向缓冲器的作用,如果 OE接了高电平,那么无论 DIR 怎么接,A 和 B 的引脚是没有关系的,也就是 74HC245 功能不能实现出来。
从下面的图3-14可以看出来,单片机的 P0 口和 74HC245 的 A 端是直接接起来的。这个地方,有个别同学有个疑问,就是我们明明在电源 VCC 那地方加了一个三极管驱动了,为何还要再加245驱动芯片呢。
这里大家要理解一个道理,电路上从正极经过器件到地,首先必须有电流才能正常工作,电路中任何一个位置断开,都不会有电流,器件也就不会参与工作了。
其次,和水流一个道理,从电源正极到负极的电流水管的粗细都要满足要求,任何一个位置的管子过细,都会出现瓶颈效应,电流在整个通路中细管处会受到限制而降低,所以在电路通路的每个位置上,都要保证通道足够畅通,这个 74HC245 的作用就是消除单片机 IO 这一环节的瓶颈。

图3-14 单片机与 74HC245 的连接

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nomomy| | 2024-1-3 12:00 | 显示全部楼层
三极管还广泛应用于电压转换控制。

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kmzuaz| | 2024-1-3 12:20 | 显示全部楼层
在电源管理电路中,三极管可以用来控制电源的开关,以实现节能或保护电路。

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elsaflower| | 2024-1-3 12:48 | 显示全部楼层
三极管的电流控制特性,可以实现对输出电压的调整。

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saservice| | 2024-1-3 13:05 | 显示全部楼层
三极管可以作为开关使用,通过控制基极的电压来控制集电极和发射极之间的导通和截止。在单片机控制系统中,可以利用三极管的开关特性来控制负载的通断,如LED灯、继电器、电机等。

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vivilyly| | 2024-1-3 15:08 | 显示全部楼层
在串行通信接口中,三极管可以用来驱动晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平的信号。

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claretttt| | 2024-1-3 15:36 | 显示全部楼层
当单片机的输出电流不足以直接驱动较大负载时,可以利用三极管进行电流放大。基极输入小电流信号,集电极输出大电流信号,以此来驱动需要更高电流的器件。

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eefas| | 2024-1-3 15:59 | 显示全部楼层
在单片机中,通常通过改变三极管的基极电压来控制三极管的工作状态。需要确保基极电压在合适的范围内,以防止三极管损坏。

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sdlls| | 2024-1-3 16:19 | 显示全部楼层
三极管可以作为放大器使用,用于放大微弱的模拟信号。在单片机的传感器接口电路中,可以利用三极管的放大特性来提高传感器信号的幅值,以便单片机进行准确的AD转换。

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wengh2016| | 2024-1-3 17:38 | 显示全部楼层
可以加一个工作电压高于单片机IO口电压的三极管,用5V的IO口来控制12V的电路,实现电压转换。

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wangdezhi| | 2024-1-3 18:38 | 显示全部楼层
模拟电路中,三极管可以用来放大信号。

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vivilyly| | 2024-1-3 19:24 | 显示全部楼层
通过控制三极管的通断,可以实现对脉冲宽度调制(PWM)信号的产生。

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wangdezhi| | 2024-1-3 20:10 | 显示全部楼层
三极管可以用来构建各种逻辑门电路,如与门、或门、非门等。

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juliestephen| | 2024-1-4 10:09 | 显示全部楼层
三极管在单片机系统中的应用非常灵活,设计师可以根据具体的需求选择合适的三极管型号和电路配置,以实现最佳的性能和功能。

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uiint| | 2024-1-4 10:40 | 显示全部楼层
在单片机与其他电路或外部设备连接时,三极管可以用来隔离电压或信号。

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sdCAD| | 2024-1-4 11:11 | 显示全部楼层
可以使用单片机的IO口(通常是5V)来控制12V的电路,从而保护单片机不受高电压的损害。

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beacherblack| | 2024-1-4 13:27 | 显示全部楼层
三极管在单片机应用中具有广泛的应用,可以用于开关电路、模拟信号放大、直流电源稳压、脉冲调制电路、晶体振荡器和信号调制解调等方面。

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pentruman| | 2024-1-4 16:21 | 显示全部楼层
可以通过三极管实现不同电压之间的转换控制,例如当单片机是5V系统,但要对接一个12V系统时,可以用三极管进行电压转换。

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belindagraham| | 2024-1-4 16:56 | 显示全部楼层
单片机的IO口通常只能提供较小的电流,不足以直接驱动LED或其他负载。

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rosemoore| | 2024-1-4 17:46 | 显示全部楼层
三极管可以作为电子开关,实现低电压控制高电压的目的。

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