杏彩体育平台app·笔记：由灌电流、拉电流、上拉电阻和下阻所引出的

时间：2024-04-17 08:16:45 来源：杏彩体育官网app 作者：杏彩体育官网登录入口

　　PIN脚LED1与单片机的GPIO相连。我们知道，当LED1输出为低电平时，LED灯RUN才会亮；针对上图，我们一般会有下面两个疑问：

　　问题1要从LED灯RUN开始说起。发光二极管是消耗功率的器件，以亿光的一种红色贴片发光二极管为例，查看手册，可以看到其部分参数说明如下图：

　　由上图②可知这款发光二极管的最大功耗为60mW，又P=UI，且极限条件下IF=25mA，可算得U=2.4V，即发光二极管的极限电压为2.4V；由上图③可知，这款发光二极管正常工作状态下VF取值范围为1.7V~2.2V，如果直接用3.3V的电压给到发光二极管时极有可能会把二极管烧坏，因此串联一个电阻可以分压，电阻分掉电源加在二极管上的电压，电压小了，发光二极管的电流也就小了，即该电阻实际上起到限流作用。

　　单片机的GPIO口对灌电流和拉电流有明确的要求，这里以STM32G030C8T6为例，查看数据手册，如下图：

　　通过手册我们可以了解到，STM32G030C8T6这款单片机GPIO口的输出电流为±6mA,灌入电流为±15mA(对于STM32F系列的芯片，输出电流一般能达到±8mA,灌入电流一般能达到20mA)。因此，如果灌入单片机IO口的电流超过最大灌入电流允许值，会烧坏单片机的IO口。

　　对于问题2，由于该电路是串联电路，满足公式：VCC=I*R6+UF，VCC即3.3V，UF的取值范围为1.7~2.2V，IF取典型值5mA（IF要小于单片机能承受的最大灌入电流），综上就可以算出R6的取值范围在220R-320R之间（实际电路中IF较小，R6的取值需根据实际的电流计算）。

　　上图所示的电路是利用三极管来控制发光二极管WHITE1的亮灭，电路中CTRL连接单片机的GPIO，我们知道：当CTRL输出高电平时，三极管导通，形成完整回路，发光二极管点亮。由上图引出三个问题：

　　对于问题1，从三极管的一些基本知识说起。三极管内部结构有集电区、基区和发射区这三个区域，包含集电结和发射结两个PN结。从对应的区域引出的电极分别称为集电极(c)、基极(b)、发射极(e)。从结构上可以分为NPN型三极管和PNP型三极管。

　　正向偏置：假设在PN结上外加一个正向电压，即电源的正极接P区，电源的负极接N区，称为正向偏置；反向偏置则相反。当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态，当PN结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于0，PN结处于截至状态。正向偏置时，只要在PN结两端加上一个很小的正向电压，就可得到较大的正向电流，为防止回路中电流过大，一般可以串联一个电阻。

　　当输入回路中的电流iB不变时，输出回路中的电流Ic与电压Uce之间的关系称为输出特性曲线，在输出特性曲线上可以划分为截止区、放大区和饱和区。NPN型三极管的输出特性如下图所示：

　　一般将ib≤0的区域称为截止区。在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，对于NPN型三极管来说，Ube0，Ubc0。在放大区，当iB的值一定时，ic的值基本不随Uce而变化。当基极电流有一个较小的变化量Δib时，相应地集电极电流将产生较大的变化量Δic，即有如下关系：Δic=βΔib，体现三极管的电流放大作用。

　　在放大区，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，对于NPN型三极管来说，Ube0，Ubc0。当uce较小时，管子的集电极电流ic基本不随基极电流ib而变化，这种现象称为饱和。在饱和区，三极管失去放大作用，发射结和集电结都处于正向偏置状态，对于NPN型三极管来说，Uce0，Ubc0。

　　回到问题上，判断三极管的作用，应该从需求出发。我们需要用端口CTRL控制发光二极管的亮灭，则需要三极管在此处充当开关作用。当三极管做“关”作用时，ib≤0，可以认为三极管工作在截止区；当三极管做“开”作用时，需要有电压从集电极到发射极，即uce0，当三极管充当开关作用时，我们希望三极管的压降尽可能地小，以至于能通过更大的电压，由三极管的输出特性曲线可知，三极管“开”作用应该工作在饱和区。

　　当uce=ube，即ucb=0时，三极管到达临界饱和状态，通常对于硅管而言，临界饱和时三极管的集电极和发射极之间的饱和压降Uces=0.7V。三极管临界饱和时基极应注入的电流为：Ibs=(VCC-Uces)/βRc，可通过对比基极偏置电流Ib与Ibs的大小关系来判断三极管处于何种状态：当Ib≥Ibs时，三极管处于饱和状态，当0IbIbs时，三极管处于放大状态。

　　集电极最大允许电流ICM：规定三极管电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流称为ICM，当三极管的集电极电流超过一定数值时，其电流放大系数β将下降，因此在使用时应使ICM大于实际最大工作电流icmax的两倍以上；

　　BVCEO是三极管基极开路时，集电极-发射极反向击穿电压：如果在使用中加载集电极和发射极之间的电压超过这个数值时，将可能使三极管产生很大的集电电流，这种现象称为击穿；小功率三极管BVCEO的选择可以根据电路中电源电压决定，一般情况下要求三极管的BVCEO大于电路中的电源最高电压即可；

　　PCM是三极管最大允许耗散功率；三极管工作时，管子两端的压降为uCE，集电极流过的电流为ic，损耗的瞬时功率为pc=IcUce,集电极电流在集电结上会产生热量而使三极管发热，若耗散功耗过大，三极管性能会下降。

　　反向饱和电流ICBO和穿透电流ICEO：实际选用三极管时，要求三极管的ICBO和ICEO尽可能小一些，这两个反向电流的值越小，表明三极管的质量越高。

　　对于问题3，先明确各电阻的作用。R4的作用是限流，当三极管导通时电路有以下关系：5V=IR4+VF+Uces，其中发光二极管VF的工作电压约为1.7V，三极管饱和压降Uces约为0.7V，电路中的工作电流可根据流过发光二极管的电流大约估算（参考图二取5mA），这样就可以大约确定R4的值。

　　R6的作用同样是限流，我们先忽略R7，根据发光二极管中正向电压VF，在确定三极管型号后，可以知道其放大倍数，由ic=βib可以算出R6的电流，这里取单片机输出3.3V电压，二极管的VF即ic取5mA、三极管的β为100且导通时Vbe为0.7V，则加在基极的限流电阻Rb=(3.3V-0.7V)/(ic/β)=52K，也就是说只要Rb52K，三极管就能工作在饱和状态。

　　R7的作用是下拉，因为单片机上电瞬间GPIO口的电平是不确定的，添加下拉电阻是防止单片机在上电瞬间出现误操作，从而偏离预设。

　　单片机在上电瞬间引脚的电平是不确定的，上拉和下拉电阻是为了防止其在上电瞬间发生误动作，提高电路的稳定性。在单片机输出高电平时，受其他外围电路的影响单片机在输出高电平时不足以达到VCC状态，因此会影响整个系统的正常工作，因此上拉电阻能提高输出管脚的带负载能力。

　　TTL驱动CMOS：标准的TTL电平的VOHmax(高电平输出最大值)为2.4V，而CMOS的VIHmin（高电平输入最小值）为3.5V，当TTL驱动CMOS时，TTL输出高电平时CMOS可能无法有效识别高电平，因此可在TTL输出上加上一个上拉电阻，将TTL的输出高电平提高到5V，使CMOS有效识别；TTL低电平驱动CMOS时，TTL的VOLmax（低电平输出最大值）为0.5V，小于CMOS的VILmax（低电平输入最大值）的1.5V，因此TTL的低电平可以正常被CMOS识别。