三极管在单片机中的应用以及工作原理

三极管在单片机中的应用主要包括控制应用和驱动应用‌。

控制应用

三极管在单片机中常用于控制电路的通断。例如，单片机可以通过控制三极管的基极来间接控制外部设备的开关状态。例如，单片机控制一个小灯的亮灭，可以通过三极管来实现。此外，三极管还可以用于不同电压之间的转换控制。例如，单片机的IO口电压为5V，而某些设备需要12V电压才能工作，通过三极管可以实现5V的IO口控制12V的设备，从而避免直接连接导致的电压不匹配问题‌。

驱动应用

三极管在驱动应用中主要用于增强单片机的电流输出能力。单片机的IO口输出电流有限，通常只有几十到几百微安，无法直接驱动一些需要较大电流的设备，如LED灯。通过使用三极管，可以利用其电流放大作用，使三极管的集电极电流达到毫安级别，从而成功点亮LED灯。例如，当单片机的IO口输出高电平时，三极管导通，通过其电流放大作用，可以点亮LED灯‌。

工作原理

三极管的基本工作原理是通过控制基极电流来操控集电极电流。例如，NPN型三极管通过基极电流Ib来控制集电极电流Ic。当基极电流较小时，集电极电流可以放大到较大的值。这种电流放大作用使得三极管在电路中具有重要作用，特别是在需要大电流驱动的场合‌。

单片机中三极管的应用

单片机中的三极管广泛应用于电路中，主要起到放大、开关和稳压等功能。其中，放大电路主要是将微弱的信号放大到适合于后续处理的电平，开关电路则是通过控制三极管的导通和截止来实现电路的开关，而稳压电路则是通过三极管的调节来保证电路的稳定性。

单片机中三极管的工作原理

三极管是一种半导体器件，由基极、发射极和集电极组成。当三极管的基极接收到控制信号时，会导致基极电流的变化，从而改变发射极和集电极之间的电流关系。在放大电路中，三极管的放大作用主要是由于基极电流的小变化会引起集电极电流的大变化，从而实现信号的放大。在开关电路中，三极管的开关作用则是由于基极电流的变化会导致三极管的导通和截止，从而实现电路的开关控制。在稳压电路中，三极管的稳压作用则是通过调节三极管的电流来控制电路的稳定性。

单片机中三极管常见问题的解决方案

在单片机电路中，由于三极管的应用范围广泛，常见的问题也较为复杂，例如三极管的热失效、反向漏电等问题。针对这些问题，我们可以采取一些常见的解决方案，例如增加散热器、加入保护电路等，来保证电路的稳定性和安全性。

我们首先探讨接TTL器件时的情形。当P1.0与74HC373的一个输入引脚相连时，由于TTL器件的输入阻抗相当高，通常在几百千欧到兆欧姆范围内。这相当于在P1.0与地之间接入了大约500K的电阻(此处我们假设阻值为500K)。在三极管导通的情况下，P1.0点呈现低电平，此时0.1mA的电流会经过Rc，再流过三极管和地，而Ri上则无电流通过。一旦三极管截止，电流便会通过Rc和Ri流向地。由于电阻的分压作用，Rc和Ri上会产生一定的电压，从而使得P1.0点的电压为两者分压之和。

计算表明，总电流为5V除以(50K+500K)，即0.009mA。因此，P1.0点的电压为0.009mA乘以500K，等于4.5V。根据TTL的规定，输出电压在2.4至5V之间被定义为高电平，而0.4至0V之间则被定义为低电平。因此，上述连接方式是恰当的。

接下来，我们将探讨使用S51来驱动发光管的情况。

光管需要上正下负的方向才能点亮，这意味着只有当P1.0为高电平时，发光管才会被点亮。为了使S51的P1.0达到高电平，我们需要确保三极管处于截止状态。在这种状态下，电流会通过Rc流向发光管，再由发光管流向地。

为了使发光管能够导通，其两端必须达到超过2.1V的门槛电压。根据计算，流过发光管的电流为(5V-2.1V)÷50K = 0.058mA。这样的电流量足以驱动发光管吗?

要想点亮发光管，P1.0必须处于低电平状态。这意味着P1.0口的三极管必须导通。一旦三极管导通，电流会通过Rc流向三极管，再由三极管流向地。同时，发光管上的电压降为2.1V。由于三极管的导通电阻非常小，几乎无阻力地流过，而IO口的三极管最大电流限制为15mA，超过此限制将可能烧坏三极管。因此，这种接法是不正确的。

那么，如何设计一种接法，既能满足两种不同情形下的驱动需求呢?请看下图：

我们在P1.0端和Vcc间接上了一个电阻Ri。当三极管导通时，有两路电流都会经过它的CE极，一路是内部R上的0.1mA电流，另一路则是Ri上的电流。为了防止三极管因过流而烧坏，我们需要确定合适的电阻值。

经过计算，Ri的电阻值为5V÷15mA=0.333K，大约等于330欧姆。这样，流过三极管的电流大约为15mA，此时发光管是不亮的。

当三极管截止后，这两路电流都会转而经过发光管。这时，流过发光管的电流是多少呢?S51的内部电阻上流过的电流为(5V-2.1V)÷50K=0.06mA，这个电流非常小，可以忽略不计。而流过Ri上的电流为(5V-2.1V)÷330Ω=0.0087A，也就是8.7mA，这个电流已经足够驱动发光管使其较亮。

然而，这种驱动方式有一个问题：当发光管不亮时，所消耗的电流反而比发光管点亮时还要大。这对于需要驱动多个发光管的电路来说可能并不经济。

这里我们在Vcc和P1.0之间与发光管串联了一个电阻Ri。当三极管导通时，同样有两路电流通过三极管的CE极。为了确保三极管的CE极不超过15mA的电流限制，我们需要确定合适的电阻值。经过计算，这个电阻值大约为200欧姆。这样，流过发光管的电流大约为15mA，发光管较亮。

当三极管截止后，由于电阻Ri的阻断作用，这两路电流的通路被切断，因此不消耗电流。这个电路设计在发光管点亮时消耗15mA的电流，而熄灭时则不消耗任何电流，因此非常适合使用。实际上，S51直接驱动数码管时也常采用这种电路设计。