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2．1．3 三極管
三極管可謂模擬電子電路中的“書膽”，衆英雄中的頭一號人物，說它貫穿起了整個模擬電子電路框架一點也不爲過，在你能見到的電子元件當中幾乎都能看到它的身影，所以，一定要好好學！
三極管的相關知識在模擬電路基礎一書中有細述，此處用簡單易懂的語言概括一下三極管的結構和特性，對掌握三極管的實際用法有所幫助。
2.1.3.1三極管的結構：
三極管是由兩個PN結形成（一個PN結形成一隻二極管，二極管的特性是“單向導電”，即在正極加正向電壓、負極加反向電壓導通，加反向電壓截止）。三極管常用於放大、開關等作用，應用範圍遠大於二極管。三極管按材料分有：硅管和鍺管；按導電性能分有：PNP和NPN。硅管的穩定性比鍺管的好，在手機電路中使用最多；並且NPN比PNP使用較多。三極管三個極的作用分別是：發射極（e）發射電荷，集電極（c）接收電荷，基極（b）控制電荷的數量。下圖爲NPN型和PNP型三極管的原理圖和三極管的實物圖。
NPN型三極管
PNP型三極管
三極管實物圖
2.1.3.2實際中判斷三極管三個電極的方法：
① 用指針式萬用表判斷基極 b 和三極管的類型:將萬用表歐姆擋置“R×100”或“R×lk”處,先假設三極管的某極爲“基極”,並把黑表筆接在假設的基極上,將紅表筆先後接在其餘兩個極上,如果兩次測得的電阻值都很小(或約爲幾百歐至幾千歐 ),則假設的基極是正確的,且被測三極管爲 NPN 型管；同上,如果兩次測得的電阻值都很大( 約爲幾千歐至幾十千歐 ), 則假設的基極是正確的,且被測三極管爲 PNP 型管。如果兩次測得的電阻值是一大一小,則原來假設的基極是錯誤的,這時必須重新假設另一電極爲“基極”，再重複上述測試。
② 判斷集電極c和發射極e:仍將指針式萬用表歐姆擋置 “R×100”或“R×1k”處,以NPN管爲例,把黑表筆接在假設的集電極c上,紅表筆接到假設的發射極e上,並用手捏住b和c極(不能使b、c直接接觸),通過人體, 相當b、c之間接入偏置電阻，讀出表頭所示的阻值,然後將兩表筆反接重測。若第一次測得的阻值比第二次小,說明原假設成立,因爲c、e間電阻值小說明通過萬用表的電流大,偏置正常。現在的指針萬用表都有測三極管放大倍數（Hfe）的接口。可以估測一下三極管的放大倍數。
2.1.3.3 三極管的三種工作狀態：
（1）截止狀態：當加在三極管發射結的電壓小於PN結的導通電壓，基極電流爲0，集電極電流和發射極電流都爲0，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發射機級之間相當開開關的斷開狀態，這就是三極管的截止狀態，特徵是發射結反偏或正向偏置電壓小於死區電壓。
（2）放大狀態：當加在三極管發射結的電壓大於PN結的導通電壓並處於某一恰當的值時，基極電流對集電極電流起着控制作用，使三極管具有電流放大作用，IC=βIB，這時的三極管處於放大狀態，特徵是發射結正向偏置，集電結反向偏置。
（3）導通狀態：當加在三極管發射結的電壓大於PN結的導通電壓，並當基極電流增大到一定程度時，集電極電流不在隨着基極電流的增大而增大，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發射極之間的電壓很小，相當於開關的導通狀態，這就是三極管的飽和導通狀態，它的特徵是發射結和集電結均正向偏置。
一定要注意，發射結和集電結均正偏是三極管導通的一個必然結果，而非直接條件。三極管導通的過程肯定是先經過放大區逐漸過渡到飽和導通區，以NPN型三極管爲例，一開始的狀態應該是發射結正偏，集電結反偏，三極管處於放大區，發射結加正向電壓，就是給發射極和基極這個PN結，按箭頭的指向（箭頭表示電流的方向）加上一個PN結電壓：硅管相差0.7V、鍺管0.2V左右。集電結加反向電壓，就是給集電極和基極這個PN結，按二極管的極性加反向電壓，在手機電路中，這個電壓爲1~3.6V左右。隨着基極電流的增大，終於有一天IC已經增大到了極限，再也不受Ib控制了，這會兒，你會發現集電結也會逐漸由反偏變爲正偏，三極管導通。導通後，發射極E和集電極C之間的電壓大概爲0.2~0.3V，就可以簡單的認爲用一個導線短路了E和C。
電子維修人員在維修工作中，經常要拿多用電錶來測量三極管的各個管腳的電位，從而判別三極管的工作情況和工作狀態。
接下來介紹一些三極管實際應用電路。
例1：三極管開關電路
（1）三極管與單片機相連
好多人認爲，單片機的I/O管腳本身就能輸出高低電平，比如輸出一個高電平5V電壓，就完全可以直接加載到負載上。這種想法實際上是把電壓和功率的概念搞混了。驅動一個元器件從根本上來說還是看供電部分能不能提供足夠高的功率（也就是能量啦），即使它的輸出電壓再大，假如輸出電流小的話也不能驅動大功率器件，單片機的I/O管腳輸出電流就很小，所以你會看到有時候51單片機的I/O 口甚至都不能直接點亮一個燈（下文關於I/O口的驅動能力會有詳細介紹）。
三極管的開關電路就類似於中學學的繼電器原理，用小電量開關去控制大電量開關。如下圖所示，當Vin輸出高電平時，三極管導通，就相當於在負載Z上加了一個24V的電壓，而電源和三極管的輸出功率可以是很大的，這樣就實現了小電量控制大電量的效果。是不是很神奇？下文中會詳細提到單片機I/O口的驅動能力，敬請期待吧。
（2）三極管級聯電路
再看下面的一張電路圖，也是一個簡單的三極管開關電路。
圖中，電阻RC是LED（發光二極管）限流用電阻，以防止電壓過高燒壞LED，將輸入信號Vin從0調到最大，觀察並記錄對的Vout以及LED的亮度。當三極管工作在截止區是，三極管開關爲斷路，Vout=VCC=12V，LED不亮。當三極管工作在飽和區時，三極管開關爲通路，Vout=0.2V，LED發光。
但是，如果以上圖電路製作三極管開關，並非一個嚴謹和完善的思路。因爲這樣的電路存在一些問題，比如：三極管由截止區過度到飽和區需經過線性區，所以開關的效果不會有明確的界線。也就是說，三極管開關從斷路到通路，會經過一個LED從熄滅到越來越亮的過程，這樣的開關顯然不能應用於實際，所以我們可以對這個三極管開關電路加以改良。爲使三極管開關的效果明確，可串接兩三極管，電路如下圖。
顯然，當VIN爲0~0.7V這個很小的範圍內時，左側的三極管是截止的，這樣，VCC就把全部的電壓加在了右側三極管的基極上，易知右側三極管工作在飽和的狀態下，則集電極流過最大電流，LED燈發出亮光。當VIN大於0.7V時，左側三極管的基極只需流過一個很小的電流，就會引起集電極有大電流通過，也就是說，只需要給予左側三極管一個小電壓，它就很容易進入飽和區，使得它的集電極電壓VCE=0.2V，這樣，右側三極管截止，燈泡不發光。
（3）關於三極管開關電路的幾點“黃金”技巧說明
1、三極管的基極電壓注意是直接加到三極管基極上的電壓，而不是單片機I/O口輸出的電壓，一般來說單片機I/O口和基極之間往往會加一個限流電阻。這個常識錯誤好多人會犯，一定要注意啊。
2、“發射結正偏，集電結反偏”是三極管導通的初始激發條件，“發射結正偏，集電結也正偏”是三極管導通的必然結果。當三極管真正導通之後裏面的運行機制是非常複雜的，一般運行起來後集電結是正偏還是反偏並不影響三極管繼續導通，只是Ic電流有大小區分而已，可是發射結一定要確保正偏，否則三極管就不會繼續導通，下面有兩幅圖分別說明了NPN型和PNP型三極管開關電路的正誤連接方法。
上圖爲PNP型三極管的開關電路。不同之處僅僅是負載R2電阻的位置。
圖1爲正確接法。當P輸出低電平時，電流會從VCC通過發射級流向R1，此時發射結正偏，Ve=VCC假設爲5V，Vb=Ve-0.7=4.3V,一開始Vc=0V，所以集電極反偏，滿足三極管放大條件，但是通電瞬間，Ic受Ib控制會產生一個大電流，若Ib足夠大，三極管瞬間導通，此時Vc=Ve-0.2=4.8V。這時候你會發現，集電極也變回正偏了，所以發射結正偏和集電結正偏是三極管導通之後的必然結果。
圖2爲錯誤接法。當P輸出低電平時，電流會從VCC通過R2、發射級流向R1，此時發射級正偏Vb=Ve-0.7=4.3V，此時Vc=0V，所以集電極反偏，滿足三極管放大條件。假設三極管導通，則Ve=Vc+0.2=0.2V <Vb=4.3V，也就是說此時的發射級不在滿足正偏條件，也就是沒有電流流過了，相矛盾了，此時三極管肯定不會導通。
下圖爲NPN型三極管的兩種連接方式，其中圖1爲錯誤接法，圖2爲正確接法，分析方法和上面PNP型三極管接法類似。不再贅述。
例2：關於單片機I/O口的驅動能力
第一章中，我們提到了P0口爲何要加排阻的問題，涉及到了一些單片機管腳和三極管驅動的知識，這次我們詳細來看一下。
首先，51單片機I/O口是連接在一個三極管的集電極，它的輸出電流十分有限，所以如果要驅動一個功率較高的電路，一般不能以單片機直接驅動，應該設計一個專門的驅動電路。爲什麼I/O口連接三極管集電極，它的驅動能力就低呢，下面用一個通俗易懂的比喻介紹它的驅動原理，加深對三極管使用和單片機驅動的瞭解。
我們就以NPN型三極管爲例來說說它的載流能力。
上圖即爲NPN三極管，我們將它看爲一個可控制的閥門。如下圖所示：
左邊細管子裏的小水流衝動槓桿使大水管的閥門開大，就可允許上邊較大的水流通過這個閥門。當左邊管子中水流越大，也就使大管中的水流更大。假設放大倍數是80，那麼當小水流爲1千克/小時，那麼就允許大管子流過80千克/小時的水。三極管的原理也跟這個一樣，放大倍數爲80時，當基極電流爲1mA時，就允許80mA的電流通過集電極。
但是，三極管不可能在基極電流很大的情況下依然保持這樣的放大倍數。當集電極電流大到使得Rc兩端的電壓接近VCC，VCC就不再有能力支持Rc兩段電壓上升，此時即使基極電流繼續加大，集電極電流也停止增加，即三極管進入飽和區。下面用一幅圖便於理解。
還是用水管內流水來比喻電流，圖中R即爲集電極電阻，我們幫它當成是個固定開度的閥門，它安裝在這個主水管的上面，當下面那個可控制的閥開度到大於上面那個固定電阻的開度時，水流就不會再增大而是等於通過上面那個固定閥開度的水流了，因此，下面的三極管再開大開度也沒有用了。此時上面那個電阻也就是起限流作用了。
接着我們來理解單片機內的I/O口的狀況：
在單片機內有P1－P3的24個I/O口的電路都如上圖那樣。我們使用單片機的目的，就是讓它控制元器件的工作狀態。例如要讓發光二極管亮一般就需要1mA以上的電流。我們知道，單片機的輸出狀態有兩種：高電平和低電平。那麼，輸出高電平的時候，它是否有能力驅動所有的元器件呢？單片機內I/O口的電壓和電流的關係又是怎麼樣的呢？我們還是用水管流水的例子來說明。
假設我們讓R的這個閥開的較大，讓下面那個控制閥全關，這時如圖1所示可以看出P點的壓力就是水箱的壓力。當我們將下面的控制閥全開，如圖2所示，則水將以很大的水流流過管線，而此時P點的壓力爲0。這個原理和電子電路很相似。通過三極管的關閉或開大來使輸出點P測得的邏輯量爲1（電源電壓）或0（0電位）。但這個過程有一個問題，就是當需要P點輸出爲0時，三極管將開得很大，流過的電流很大，單片機上有32個I/O口，這樣消耗的電能就很多。必須將這樣的設計改進。如下圖：
見圖3，如果我們將上面那個閥門R關得很小，將下面的控制閥全關，這時P點的壓力仍舊會是水箱的壓力，和上面圖1是一樣的。但當我們將控制閥開大時，如圖4，P點的壓力雖然也同樣爲0，但這時通過的水流就大大減少了。這樣我們既能輸出1或者0。但消耗的水卻很少。單片機裏的電路正是這樣做的，它上面的電阻R大約爲50K，最大電流是5V÷50K＝0.1mA。也就是說，當P輸出1時，不消耗電流，當P輸出0時消耗的電流爲0.1mA。正因爲它的上拉電阻R很大，因此對於初學者來說，要它直接驅動發光管或其它的負載就要有一定的方法技巧了。
上圖爲TTL(邏輯門電路)器件連接的情況，當P1.0接到74HC373的一個輸入腳上時，因爲TTL器件的輸入阻抗很高，大約幾百K到M歐姆級。也就是說，我們可以把它看成是單片機的I/O口接了個很大的電阻到GND(地)。這樣當三極管導通時，P1.0點爲低電平，0.1mA的電流經Rc然後流過三極管到地，Ri上沒有電流流過。而當三極管截止後，電流就由Rc流過再通過Ri流到地。由於電阻分壓的作用，在Rc和Ri上各有部分電壓，P1.0點的電壓爲Rc和Ri的分壓。假設Ri阻值爲500K，則總電流＝5V÷（50K＋500K）＝0.009mA，則P1.0點的電壓＝0.009mA×500K=4.5V。顯而易見此時爲高電平，因此這樣的解法是對的。可以得出結論，51單片機可以直接驅動類似TTL的大阻抗器件。
下面我們再來看看用S51來驅動LED燈的情況。先來上面左圖的情況，很顯然，LED的方向爲上正下負，只有P1.0爲高電位才能點亮LED，要讓S51的P1.0爲高電位，就必須使三極管截止。當三極管截止後，電流經Rc流到LED再從LED流到要讓LED導通必須要在LED兩端有超過2.1V的門坎電壓（LED發光特性）。因此流過LED的電流＝（5V－2.1V）÷50K＝0.058mA的電流，這麼小的電流遠遠不足以讓LED發光。
再來看右圖。從圖中可以看出，要想讓發光管導通P1.0就必須爲低電位。那P1.0口的三極管必須得導通。當三極管一導通後，電流一路流過Rc到三極管再從三極管流到地。另一路在LED上消耗掉2.1V的電壓。然後一路幾乎沒有阻力地流過三極管，而I/O口的三極管最大電流不能超過15mA（三極管的工作能力要求），超了就會燒壞三極管，因此這個接法也不正確。當然，這兩種接法都能改進。
先看上圖中左圖，在P1.0端和Vcc間接上個電阻Ri。當三極管導通時有兩路電流都要從它的CE極流過，一路是內部R上的0.1mA電流，另一路就是Ri上的電流，因爲三極管有最大工作電流的限制，所以我們必須限定Ri的阻值。當三極管工作在最大電流左右時，Ri=5V÷15mA＝0.333K，就大約是330歐姆。這時流過三極管的電流就大約爲15mA，此時LED是不亮的。當三極管截止後，這兩路電流就都從發光管流過，我們計算一下流過LED的電流。S51的內部電阻上流過的電流爲（5V－2.1V）÷50K＝0.06mA，這個數值相當小，可忽略不計。流過Ri上的電流爲（5V－2.1V）÷330Ω＝0.0087A，也就是8.7mA。這個電流可以讓LED發出較亮的光。所以這樣驅動沒有錯，但細心可以發現，LED不亮時所消耗的電流比LED點亮時消耗的電流還要大。如果用多個I/O口同時控制多個LED的話，可想而知電流消耗量多麼大。這就是P1.0高電平直接驅動LED的狀況。這種接法雖然不能說錯誤，但不是最明智的選擇。
再來看右圖，在和LED串聯一個電阻後接在Vcc和P1.0之間。當三極管導通時，也是兩路電流都匯合後從三極管的CE流過，內部電阻上的電流仍爲0.1mA，LED上的電流就要由電阻Ri和LED共同來保證不讓三極管的CE超過15mA，則電阻的確定爲（5V－2.1V）÷15mA＝0.193K，大約是200歐姆。這樣流過LED的電流就約爲15mA，LED已經可以發出較高的亮度。當三極管截止後，就阻斷了這兩路電流的通路，因此不消耗電流。這個電路是P1.0低電平直接驅動LED的狀況，可以看出這個電路當LED被點亮時消耗15mA的電流，而熄滅時就不消耗電流，因此這個電路是最適合用的。S51直接驅動數碼管一般也都是採用這個電路原理。
可以得出一個結論，當想使用單片機直接驅動一個元器件時，一般要求這個元器件輸入阻抗較高，使得單片機I/O口上的輸入電流穩定在一個較小值保證I/O口輸出的是高電平，當要驅動一個耗電量大的元器件時，就必須要設計如上面例子所示的一個驅動電路了。
未完待續。。。