日志正文
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首先就说说三极管,实际上只要你了解了三极管的特性对你使用单片机就顺手很多了。大家其实也都知道三极管具有放大作用,但如何去真正理解它却是你以后会不会使用大部分电子电路和IC的关键。 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。三极管的原理也跟这个一样,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。我这么说大家能理解吗? 我们来分析一下这个电路,如果它的放大倍数是100,基极电压我们不计。基极电流就是10V÷10K=1mA,集电极电流就应该是100mA。根据欧姆定律,这样Rc上的电压就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V就吃在了三极管的C、E极上了。好!现在我们假如让Rb为1K,那么基极电流就是10V÷1K=10mA,这样按照放大倍数100算,Ic就是不是就为1000mA也就是1A了呢?假如真的为1安,那么Rc上的电压为1A×50Ω=50V。啊?50V!都超过电源电压了,三极管都成发电机了吗?其实不是这样的。见下图: 我们还是用水管内流水来比喻电流,当这个控制电流为10mA时使主水管上的阀开大到能流过1A的电流,但是不是就能有1A的电流流过呢?不是的,因为上面还有个电阻,它就相当于是个固定开度的阀门,它串在这个主水管的上面,当下面那个可控制的阀开度到大于上面那个固定电阻的开度时,水流就不会再增大而是等于通过上面那个固定阀开度的水流了,因此,下面的三极管再开大开度也没有用了。因此我们可以计算出那个固定电阻的最大电流10V÷50Ω=0.2A也就是200mA。就是说在电路中三极管基极电流增大集电极的电流也增大,当基极电流Ib增大到2mA时,集电极电流就增大到了200mA。当基极电流再增大时,集电极电流已不会再增大,就在200mA不动了。此时上面那个电阻也就是起限流作用了。下面我们来理解单片机内的IO的状况: 在单片机内有P1-P3的24个IO口的电路都如上图那样。平常我们用电子电路的目的是最终让目标器件工作,例如让发光二极管亮起来,让电机正常转起来,从根本上说就是让这些器件获得一定的电流让它做功。例如要让发光二极管亮一般就需要1mA以上的电流。但是,单片机是智能芯片,它可以通过检测各IO口的电压值来做出逻辑分析和判断,并能输出高或低电压作为结果信号,因此可以看出,单片机的各IO口注重的是所产生的电压而不是流过R和三极管的电流。那么单片机内IO口的电压和电流的关系又是怎么样的呢?我们还是用水管流水的例子来说明。 假设我们让R的这个阀开的较大,让下面那个控制阀全关,这时如图1所示可以看出P点的压力就是水箱的压力。当我们将下面的控制阀全开,如图2所示,则水将以很大的水流流过管线,而此时P点的压力为0。这个原理和电子电路很相似。通过三极管的关闭或开大来使输出点P测得的逻辑量为1(电源电压)或0(0电位)。但这个过程有一个问题,就是当需要P点输出为0时,三极管将开得很大,流过的电流很大,单片机上有32个IO口,这样消耗的电能就很多。有没有办法改进呢?有!见下图:
我们先来看看接TTL器件的情况,当P1.0接到74HC373的一个输入脚上时,因为TTL器件的输入阻抗很高,大约几百K到M欧姆级。这就相当于P1.0接了个500K(我们假设为500K)的电阻到地。这样当三极管导通时,P1.0点为低电平,0.1mA的电流经Rc然后流过三极管一地,Ri上没有电流流过。而当三极管截止后,电流就由Rc流过再通过Ri流到地。由于电阻分压的作用,在Rc和Ri上各有部分电压,P1.0点的电压为Rc和Ri的分压。总电流=5V÷(50K+500K)=0.009mA,则P1.0点的电压=0.009mA×500K=4.5V。TTL规定输出2.4-5V为高电平;输出0.4-0为低电平。因此这样接是正确的。下面我们再来看看用S51来驱动发光管的情况。 先来看看图7的情况,很显然,发光管的方向为上正下负,只有P1.0为高电位才能点亮发光管,要让S51的P1.0为高电位,就必须使三极管截止。当三极管截止后,电流经Rc流到发光管再从发光管流到地。要让发光管导通必须要在发光管两端有超过2.1V的门坎电压。因此流过发光管的电流=(5V-2.1V)÷50K=0.058mA的电流,你们说发光管能亮吗? 先看图9,在P1.0端和Vcc间接上个电阻Ri。当三极管导通时有两路电流都要从它的CE极流过,一路是内部R上的0.1mA电流,另一路就是Ri上的电流,为了不让三极管过流而烧坏我们就要确定它的电阻值。Ri=5V÷15mA=0.333K,就大约是330欧姆。这时流过三极管的电流就大约为15mA,此时发光管是不亮的。当三极管截止后,这两路电流就都要从发光管流过了,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,很小我们可以忽略不计了。流过Ri上的电流为(5V-2.1V)÷330Ω=0.0087A,也就是8.7mA。已经能让发光管比较亮了。这样驱动是可以的,但发现没有,发光管不亮时所消耗的电流比发光管点亮时消耗的电流还要大。如果用许多个IO口去点亮很多发光管的话这样的电路就不经济了。好!这就是P1.0高电平直接驱动发光管的状况。
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