《嵌入式 - 嵌入式大杂烩》PNP与NPN三极管的原理与使用方法

Posted 2021-09-29 Bruceoxl

三极管是电子电路中最重要的器件，它最主要的功能是电流放大和开关作用。

三极管按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，

常见的三极管为9012、s8550、9013、s8050.单片机应用电路中三极管主要的作用就是开关作用。其中9012与8550为pnp型三极管，可以通用。其中9013与8050为npn型三极管，可以通用。

NPN型三极管，由2块N型半导体和1块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧。

PNP型三极管，是由2块P型半导体中间夹着1块N型半导体所组成的三极管，所以称为PNP型三极管。也可以描述成，电流从发射极E流入的三极管。

1 三极管的工作原理

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，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。

我们一般所说的普通三极管是具有电流放大作用的器件。其它的三极管也都是在这个原理基础上功能延伸。三极管的结构和符号如下图所示。

NPN和PNP主要是电流方向和电压正负不同。

这里以NPN型三极管为例来说说它的工作原理。

它就是一个以b（基极）电流Ib来驱动流过ce的电流Ic的器件，它的工作原理很像一个可控制的阀门。

左边细管子里蓝色的小水流冲动杠杆使大水管的阀门开大，就可允许较大红色的水流通过这个阀门。当蓝色水流越大，也就使大管中红色的水流更大。如果放大倍数是100，那么当蓝色小水流为1千克/小时，那么就允许大管子流过100千克/小时的水。同理，当三极管的放大倍数为100时，当Ib（基极电流）为1mA时，就允许100mA的电流通过Ice。

两种三极管的工作原理总结如下：

NPN的发射极(e)接地，集电极©接高电平，基极(b)接控制信号，用b-e的电流（Ib）控制c-e的电流（Ic），e极电位最低，且正常放大时通常c极电位最高，即Vc> Vb > Ve。三极管导通，电流从c极流向e极。

PNP的发射极(e)接高电平，集电极©接低电平，基极(b)接控制信号，用e-b的电流（Ib）控制e-c的电流（Ic），e极电位最高，且正常放大时通常c极电位最低，即Vc < Vb < Ve。三极管导通，即电流从e极流向c极。

2 三极管的使用用法

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 就可以导通三极管的 e 极和 c 极。这就是关于“导通电压顺箭头过，电压导通”的解释。

下面以一个常见的控制LED的电路为例来说明截止与饱和的工作状态。如下图所示，三极管基极通过一个 10K 的电阻接到了单片机的一个 IO口上，假定是 P1，发射极直接接到 5V 的电源上，集电极接了一个 LED ，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由我们的程序给一个高电平 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，LED也就不会亮。如果程序给 P1一个低电平 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。

【注】这里的P1口输出高电平是5V，不同的单片机的IO口高电平输出电压是不同的，有的单片机的IO输出是1.2V，这就需要三极管放大，以此驱动LED等工作。

这个时候，e 和 c 之间也会导通了，那么 LED 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。

前边讲过，三极管有截止，放大，饱和三个状态，截止就不用说了，只要 e 和 b 之间不导通即可。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，IO 口输入电流最大理论值是 25mA，我推荐不要超过 6mA，我们用电压和电流算一下，就可以算出来最小电阻值。

总结：箭头朝内 PNP，导通电压顺箭头过，电压导通，电流控制。

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