第3章 硬件基础知识学习（3.3 3.4）

3.3 三极管在数字电路中的应用

三极管在数字电路和模拟电路中都有大量的应用，在Kingst51开发板上也用了多个三极管。在板子上的LED小灯部分，就有这个三极管的应用了，图3-5的LED电路中的 Q16就是一个PNP型的三极管。

图3-5 LED电路

3.3.1 三极管的初步认识

三极管是一种常用的控制和驱动器件，常用的三极管根据材料分有硅管和锗管两种，原理相同，压降略有不同，硅管用的较普遍，而锗管应用较少，本书采用硅管的参数来进行讲解。三极管有2种类型，分别是PNP型和NPN型，如图3-6所示。

图3-6 三极管示意图

三极管一共有3个极，从图3-6来看，横向左侧的引脚叫做基极(base)，中间有一个箭头，一头连接基极，另外一头连接的是发射极e(emitter)，剩下的一个引脚就是集电极c(collector)了。这是必须要记住的内容，死记硬背即可。

3.3.2 三极管的原理

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，所以重点讲这两种用法。三极管的类型和用法作者给大家总结了一句口诀：箭头朝内PNP，导通电压顺箭头过，电压导通，电流控制。

解析一下这个口诀。如图3-6所示，三极管有2种类型，箭头朝内就是PNP，那箭头朝外的自然就是NPN了，在实际应用中，要根据实际电路的需求来选择到底用哪种类型。

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。也就是说，控制端在b和e之间，被控制端是e和c之间。同理，NPN型三极管的导通电压是b极比e极高0.7V，总之是箭头的始端比末端高0.7V就可以让三极管的e极和c极导通。这就是关于“导通电压顺箭头过，电压导通”的解释。

图3-7 三极管的用法

以图3-7为例，三极管基极通过一个10kΩ的电阻接到了单片机的一个I/O口上，假定是P1.0，发射极接到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由程序给一个高电平1，那么基极b和发射极e都是5V，也就是说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，忽略不计。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。

电流控制是什么意思呢？前边讲过，三极管有截止、放大以及饱和三个状态。截止，就是e和b之间不导通。而要让这个三极管处于饱和状态，就是所谓的开关特性，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。那么图3-7中的R47的阻值必须要来计算一下了。

刚才算过了，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，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I/O口电流过大烧坏三极管或者单片机，STC89C52的I/O口输入电流最大理论值是25mA，推荐不要超过6mA，用电压和电流算一下，就可以算出来最小电阻值，图3-7取的是经验值。

3.3.3 三极管的应用

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，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。还有一个控制就是进行不同电压之间的转换控制，比如Kingst51单片机是5V系统，现在要跟一个12V的系统对接，如果I/O直接接12V电压就会烧坏单片机，所以加一个三极管，三极管的工作电压高于单片机的I/O口电压，用5V的I/O口来控制12V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I/O口输出高电平5V时，三极管导通，OUT输出低电平0V，当I/O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12V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。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中上边的的LED灯，和第二课讲过的LED灯是一样的，当I/O口是高电平时，小灯熄灭，当I/O口是低电平时，小灯点亮。那么下边的电路呢，按照这种推理，I/O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I/O口可以输出一个高电平，但是它的输出电流却很有限，普通I/O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1mA，也就点不亮这个LED小灯或者是亮度很低，这个时候如果想用高电平点亮LED，就可以用上三极管来处理了，板上的这种三极管型号，可以通过500mA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I/O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。

3.4 74HC138三八译码器的应用

在设计单片机电路的时候，单片机的I/O口数量是有限的，有时满足不了产品需求，比如STC89C52一共有32个I/O口，但是为了控制更多的器件，就可以使用一些外围的数字芯片，这类数字芯片由简单的输入逻辑来控制输出逻辑，比如74HC138这个三八译码器，图3-11是74HC138在Kingst51开发板上的一个应用。

图3-11 74HC138应用原理图

从名字来分析，三八译码器就是把3种输入状态翻译成8种输出状态。从图3-11能看出，74HC138的1～6一共是6个输入引脚，但是其中4、5、6这三个引脚是使能引脚。这三个引脚如果不符合芯片规定的输入要求，不管输入的1、2、3引脚是什么电平状态，7到15引脚总是输出高电平。所以根据器件使用手册说明，要想让74HC138正常工作，ENLED接的4脚和5脚必须输入低电平，ADDR3接的6脚必须输入高电平，这两个位置都是使能控制端口。不知道是否记得前边点亮LED程序有这么两条控制74HC138使能的语句：

ENLED = 0；ADDR3 = 1；

这类逻辑芯片，大多都是有使能引脚的，使能符合要求的前提下，就可以研究控制逻辑了。对于数字器件的引脚，如果一个引脚输入的时候，有0和1两种状态；对于两个引脚输入的时候，就会有00、01、10、11这四种状态了，那么对于3个输入的时候，就会出现8种状态了，大家可以看下边的这个真值表——图3-12，其中输入是A2、A1、A0的顺序，输出是从Y7、Y6……Y0的顺序。

图3-12 74HC138真值表

从图3-12可以看出，任一输入状态下，只有一个输出引脚是低电平，其他的引脚都是高电平。在前面的电路中已经看到，8个LED小灯的总开关三极管Q16基极的控制端是LEDS6，也就是Y6输出一个低电平的时候，可以开通三极管Q16，从右侧的希望LEDS5输出低电平这样的结果，可以推导出左侧输入端A2、A1、A0的输入状态应该是110，如图3-13。

图3-13 LED小灯整体电路图

那么再整体捋一遍点亮LED小灯的过程，首先看74HC138，要让LEDS6为低电平才能导通三极管Q16，所以

ENLED = 0;ADDR3 = 1; 保证74HC138使能。

ADDR2 = 1; ADDR1 = 1; ADDR0 = 0; 保证了三极管Q16这个开关开通，5V电源加到LED上。

通过P0口控制，让P0.0引脚等于0，就是DB0等于0，那么这样在这一排共8个LED小灯当中，只有最右侧的小灯和5V之间有压差，有压差就会有电流通过，LED2就会发光了。

从原理图左上角P0口总线可以看出，74HC138的ADDR0 、ADDR1、ADDR2、 ADDR3和ENLED接在P1.0到P1.3引脚上，如图3-14所示。

图3-14 单片机引脚图

审核编辑 黄宇