关于三极管驱动数码管的讨论

小小白

关于三极管驱动数码管的讨论 [复制链接]

      这个是一个比较古老的话题，最初我接触这个问题，是我们原来的版主辛昕之前在模拟板块发的一个帖子，我现在把帖子的地址贴在下面，有兴趣的人看看，

                                        https://bbs.eeworld.com.cn/viewthread.php?tid=108451&extra=&page=1

我来这个帖子的目的是一方面做一个整理，另一方面起一个抛砖引玉的效果引导大家过来关注单片机的外围电路的设计。然后理解模拟电路在单片机上的运用，记得有一个大侠说过学好大学的电子技术基础，那么单片机就是小case，其实我也是这么认为的。我的水平有限有好多不懂得地方，还希望大家补充，最后我会把我们讨论的内容整理成为PDF供大家交流学习。

 

      首先是我在另一个论坛看到的一个帖子，我把帖子一些问题贴在下面：

 

   提问：刚学单片机，看到有的原理图用NPN驱动数码管时，在三极管基极加了一个限流电阻。三极管发射级是接地的，集电极接数码管。51高电平的输出电流好像只有几十 uA。 为什么要加限流电阻呢？而且。这几十uA能使三极管饱和吗？

 

   下面是几个群友的回答：

一楼：三极管有电流放大功能（等于什么都没有说。。。。）

 

二楼：谁说51的拉电流只有几十uA，没看数据手册乱说，你不加限流电阻那三极管B-E极就直接把IO拉到0.5V左右，如果单片机的拉电流>IBE0那你的三极管就完蛋了（具体的拉电流的大小我也没有查，因为stc的说明书太狗屎了乱的看不懂啊。。。有空再说。。。。）

 

三楼：51的准双向口有一个弱上拉,还有一个中等强度的上拉. 如果它的管脚是高电平,弱上拉和中等强度的上拉都会通,如果是低电平,则只有弱上拉通,中等强度的上拉关掉. 所以加限流电阻时驱动能力更好些.

 

四楼：我看了宏晶的89C52，写的弱上拉为160~230uA.这也不大 啊，楼上讲的把IO拉到0.5Ｖ，我知道。可是我想不明白，加了电阻三极管还能饱和吗？
      既然还有一个中等强度的上拉，为什么我看到好多就只讲一个弱上拉，只有几十到几百ｕＡ．

 

五楼：1 一般单片机弱上拉时高电平驱动外部电路时要接一个上拉电阻
      2 三极管基极串一个限流电阻不是为防止三极管饱和,主要是为了保护单片机IO口,这是一个良好习惯.
      3 51单片机IO口用低电平工作驱动能力比高电平强.

 

六楼：这里有个误区，所谓高电平输出电流不大，是指同时要保证高电平为额度值时输出电流不大，你说的情况其实并不要额度电压输出（这个电压对be结太大所以加了个电阻），按你的要求输出0.5ma（*100beta=50ma）还是可以的。这时测量输出电压，可能小于额定值了。

 

七楼：反正就是那个意思啦......我记的不是很清楚.....如果管脚是1,则大约有200uA的驱动能力,如果是0,则不到50uA.
即使是200uA电流经过三极管放大一次,通常还不够驱动数码管的共阴极(通常假定放大50倍的样子...10mA而驱动数码管的共阴极,大约要50mA左右)......一般来说,还需要一个上拉电阻,它要提供2mA以上的电流.....就是说,不要超过2K....

 

八楼：如果是STC,则又是另一回事.....STC的IO可以配置成推拉输出,它可给出20mA的电流,所以一定要限流电阻......

 

九楼：所谓高电平输出电流不大，是指同时要保证高电平为额度值时输出电流不大.
如果它输出1ma的电流时，输出电压降到2V,还是会烧毁你的管子

小小白

上一个图吧，大家有什么想法回复吧。。。。

辛昕

拉电流 和 灌电流
http://bbs.ziwai.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1514
这里有个链接。

简单说，单片机向外输出 叫 拉电流，，单片机从外吸入，那叫灌电流。
我一直这么记忆，省的觉得别扭。

这拉电流 是 外部器件从单片机里拉取电流，灌电流是向单片机灌。

就是说，这是一个被动态，而不是主动态。

当然了，这只是省得每次说，为高时输出，为低时从外拉出电流......
如果你记不得不要紧，那你就 麻烦一点的说法就是了

辛昕

刚才查了查STC12C5A60S2的数据手册
STC的手册有多垃圾，我懒得说了，但是，仙猫大叔说过，这世界上只有pdf唯一会对一个器件负责，所以还是看吧。
下面是截图。
 首先说明白，这说的都是 IO输出的情况，跟输入没关系。
STC的IO口有四个模式，而一般的51只有一种弱上拉，弱上拉模式下，这个拉电流，最小是150uA,典型值是230uA。
 而强推挽模式下，可以达到 灌电流 的水平，最大去到20mA
——注意：这指的是单个IO引脚的最大水平，但不代表整体水平可以去到X*20mA!!
STC而言，这个值是55mA,而ATMEL的稍好，好像是去到80到90mA。 [ 本帖最后由 辛昕 于 2012-1-8 14:34 编辑 ]

辛昕

提问：刚学单片机，看到有的原理图用NPN驱动数码管时，在三极管基极加了一个限流电阻。三极管发射级是接地的，集电极接数码管。51高电平的输出电流好像只有几十 uA。 为什么要加限流电阻呢？而且。这几十uA能使三极管饱和吗？[/quote]
 51高电平的输出只有几十uA（就算是几百uA也一样）。
——这句话是有问题的，应该这么说就对了：
51高电平时，最多只能输出几十uA.
 这个问题，我换个角度来说。 你借了高利贷4万块钱，高利贷找你还钱，你说，对不起，我只有4千块钱，这四千块钱能让高利贷满意吗？

为了解释这个问题，我先来说一件类似的事情：
你可以马上试一试，拿一个普通电池，1.5V或者1.2V都成，然后给它连上一个电阻，找个小一点的，几十欧或者更小，你可以用万用表测测现在输出的电压还有没有1.5V或者1.2V。

为什么呢？
我来解释解释，我们一般只考虑了电压或者电流，却没有考虑功率。任何电源都有最大输出功率，一旦超出范围——比如我让你干的，一个几十欧的电阻，我们按1.5V计算，电流有上百毫安，那么功率有多大？
事实上，干电池是没办法这么大的功率的，所以这个时候，电压会远小于1.5V。
我们讨论这个的时候，一般会这么说：“哦，负载太重了，电源给拉低了”。

对于这个问题，情形也是一样的，只是不能完全等同。
[quote]在三极管基极加了一个限流电阻。三极管发射级是接地的，集电极接数码管

这是一个共集电极组态，输入回路从输入端经B，入E，下地。
假设没有这个限流电阻，我们来算一下会发生什么事情。
高电平，假设输出为4V，因为它比低高于0.7V，所以是导通的，一经导通，E是直接接地的。那就是0电位，反之，B极就是0.7V——
这是鸡生蛋和蛋生鸡的问题——
你会很奇怪，我明明从4V出发去推导，为什么最后会算出0.7V呢！！

理由很简单，因为从来没有人告诉过你，接上这个负载以后，IO口的输出还是4V。
这就好比，我们的常识是 干电池的电压是1.5V/1.2V。但是，为什么接上一个很小的电阻以后却只剩下0.几V呢？

是的，因为负载太重了，拉出的电流太大了，电压*电流=功率，但我们常常只想起了电压和电流，却忽略了功率——我自己也是在一次做一个小功放时碰到这个问题，被折腾了一番，所以才会常常多想功率这个量。

请回想一下我最开始说的那个比喻：
你欠了人家四万块，人家拿着刀强迫你还钱，你觉得你说，不行，我只有四千块钱，人家就会很高兴的拿了四千就走人吗？
这就好比，IO口经过三极管的BE两级下地，虽然IO口说，喂喂喂，我是高电平诶！我是4V诶，可是没办法，因为没有电阻挡住，那个BE极又是一个几乎等于导通的二极管，下面就是地了——水往低处走，电流也是往（电位）低处走的。
于是乎，就大江东去了~~
[ 本帖最后由 辛昕 于 2012-1-8 14:49 编辑 ]

小小白

我看了stc的资料在第125 页

灌电流20mA

拉电流230uA

小小白

你比我快啊。。。。。刚刚遇到圣心跟他聊了会天你就好了。。。。谢谢啊！！！

辛昕

三楼：51的准双向口有一个弱上拉,还有一个中等强度的上拉. 如果它的管脚是高电平,弱上拉和中等强度的上拉都会通,如果是低电平,则只有弱上拉通,中等强度的上拉关掉. 所以加限流电阻时驱动能力更好些.[/quote]

这个说法不太对头；
首先，不是所有51都有不同的IO口模式，标准8051，以AT系列为代表，它只有弱上拉。

另外，
[quote]如果是低电平,则只有弱上拉通,中等强度的上拉关掉. 所以加限流电阻时驱动能力更好些.

前半句说的是实情，但后半句的解释有点牵强。
没有加电阻，强推挽和弱上拉其实都是直接被地强行往下拉，弱上拉之所以能通——就是说电压没被彻底拉低，那是因为弱上拉的输出阻抗比强推挽的输出阻抗大得多（通俗的说，单片机允许从这个IO口流出的电流小得多），所以，得以保持IO口的高电平。

[ 本帖最后由 辛昕 于 2012-1-8 14:58 编辑 ]

辛昕

别的解释，我就不多说了.....
你自个看看我的解释够不够，如还有疑问，继续发帖。

小小白

对了数码管还有一个东西被我忽略了那就是数码管要求的是恒压驱动，他需要的驱动电流范围比较广，最大多少我没有测试，但是刚刚我测试过让一个数码管的一段和50K的电阻串联然后结在5V的电源上可以点亮，数码管的一段上的压降是1.6V左右，然后 大家就知道数码管的 驱动 电流其实 不大啊，呵呵 以上是我用我手头的数码管做的简单的测试，有可能不同的数码管会有不同的测试结果欢迎大家积极测试，及时回报组织啊。。。呵呵

小小白

引用：

“ 你可以马上试一试，拿一个普通电池，1.5V或者1.2V都成，然后给它连上一个电阻，找个小一点的，几十欧或者更小，你可以用万用表测测现在输出的电压还有没有1.5V或者1.2V。 为什么呢？我来解释解释，我们一般只考虑了电压或者电流，却没有考虑功率。任何电源都有最大输出功率，一旦超出范围——比如我让你干的，一个几十欧的电阻，我们按1.5V计算，电流有上百毫安，那么功率有多大？事实上，干电池是没办法这么大的功率的，所以这个时候，电压会远小于1.5V。我们讨论这个的时候，一般会这么说：“哦，负载太重了，电源给拉低了”。

我觉得还有一个角度可以解释：那就是内阻，当我们在电池的外面接一个大的电阻的时候我们可以忽略其内阻，所以我们几乎可以认为是输出电压就是电池电压，其准确数值就是电源在外接电阻上的分压，这个我们很简单用分压公式就可以算出来，但是当我们接入一个几欧的电阻的时候，我们会看到我们的内阻不能忽略，根据分压公式我们知道电池输出的电压不在是我们所认为的电源电压，所以会出现辛昕说说的电压被拉低的情况，其实是电源内阻在作怪。。。。

小小白

其实你的回答听生动的啊，呵呵但是仙猫大叔的回答感觉最好啊。。呵呵我来解释下吧，首先三级管肯定满足kcl所以三极管一定满足Ie=Ic+Ib当射级电压是5v基极是低电位的时候如果发射结的电压过高那么会导致基极的电流过大，那么会导致三极管饱和,那么势必会导致Ic减小那么我们就没有足够的电流去点亮数码管了，而在基极加入电阻的意义在于抬高基极电位使得发射结电压不要太高。。。。。

[ 本帖最后由 小小白 于 2012-1-8 21:40 编辑 ]

辛昕

那必然就是内阻的问题。
问题是，电池的内阻是动态变化的。
与其去说内阻，还不如去说功率。

一般电池都有一条 输出曲线。
看了就懂了

辛昕

不对。
饱和了，IC减小？
错误，IC只是没有继续线性增长。

应该说B级电压被拉低了，无法导通了。

电压必须要过PN结，不然再大电流也通不了。

这就好比水位没有到坝顶，再快的水再多的水也冲不过大坝——当然，还有一种情形可以冲过去，那就是把大把给冲垮了.....

但是一旦过了坝顶，水留走了，如果没有一个东东蓄水，保持住水位，水哗啦啦流完了，水位往下掉，水就又流不动了。

辛昕

发射结的电压从头到尾就是PN的结的导通电压，它不可能被提高也不可能被降低。
一种情况例外：它被毁了。
当然，这个值并非恒定的常熟，它在一个微小的范围内有所波动。
一般的硅管是0.7V。

jishuaihu

你们讨论的很深奥，我插不上了。说一下楼主的问题吧，单片机的输出电流只有几十uA，这个输出电流是指IO口的输出能力，并不是在任意条件下都是这个值，也就是说IO口不是恒流源，他输出的电流是根据负载变化的，当负载过大时，结果只有一个，就是烧毁IO口。举个简单的例子，你能举起100斤的东西，现在拿一个1000斤的东西压你身上结果只有一个，压趴下呗。

 

至于说拉低电平这一现象，我认为功率是现象，内阻是本质。因为欧姆定律是基本的东西，输出功率的大小是和电源内阻有关的。不过这个就看个人理解了，怎么理解方便就怎么理解呗

[ 本帖最后由 jishuaihu 于 2012-1-9 21:31 编辑 ]

chenzhufly

小小白

是的，现在想想辛昕上面的回帖我觉得他的解释是对的，我明天起来之后有问题再请教……

飞言走笔

原帖由 小小白 于 2012-1-8 20:43 发表
引用：
“ 你可以马上试一试，拿一个普通电池，1.5V或者1.2V都成，然后给它连上一个电阻，找个小一点的，几十欧或者更小，你可以用万用表测测现在输出的电压还有没有1.5V或者1.2V。 为什么呢？我来解释解释，我们一 ...

这个解释是比较恰当的~~

辛昕

所谓电池的内阻，其实是用来描述电池对外带负载的能力。
而功率，是一个用 电压与电流的乘积，衡量单位时间内做功的多少。

两者并不是完全独立的，虽然我不知道有哪条公式可以把它们直接联系起来，但往下分析其实是一回事。

在电磁的领域里，有四个最基本量，电流，电压，磁通，还有一个我忘了——不是阻抗，也不是功率，因为 阻抗为电压和电流的比值，功率是电流和电压的乘积。

分析问题的时候，很多东西，正反都能想明白，但是有些时候，很多量之间相互影响。
就像我们说的这个问题。
我们知道电阻（电池两端的电阻），我们用欧姆电流，三个必须知道两个，但这里我们只知道电阻，干电池的那1.5V不再适用。
从内阻的角度分析并不是不可以，但是，电池的内阻是一个很复杂的量——记住，我只说过电池的内阻是动态的，我没说过，电源的内阻是动态的。

而功率却是恒定的。

我的意思是，分析问题，要抓住几个量中间那个不变的量来分析，不然你就会陷入，既然没有鸡，又怎么会把蛋生下来 这样的怪圈里——具体的例子我一时举不出来，但印象深刻的是中学物理算类似于“一个220V 50W的灯泡在什么什么情况下，电流电压功率是多少多少”的问题时，我经常发现当我选一个量，电流或者电压作为一个参考去计算其他量时，经常惊呼：“完了，电流又变了，完了，电压也变了”
——当然，这跟我智商有关系。
又比如大三时做一道简单的电阻四口还是三口网络分析。
我自己做的时候做的头晕脑胀，讲解时，老师圈出了几个并联的电阻，说，并联会怎样？
圈出几条单纯的支路，说，串联会怎样？
我立马就知道怎么回事，从而，我设的未知量瞬间减少了4个。