晶體(tǐ)管的工作原理(lǐ)

2021-04-27

晶體(tǐ)管的工作原理(lǐ)

晶體(tǐ)管就像電(diàn)子开关一样工作。它可(kě)以打开和关闭電(diàn)流。一种简单的思考方法是将晶體(tǐ)管视為(wèi)没有(yǒu)任何活动部件的继電(diàn)器。晶體(tǐ)管在某种意义上类似于继電(diàn)器，您可(kě)以使用(yòng)它来打开和关闭某物(wù)。

但是晶體(tǐ)管也可(kě)以部分(fēn)导通，这对于构建放大器非常有(yǒu)用(yòng)。

晶體(tǐ)管的工作原理(lǐ)（NPN型）

让我们从经典的NPN晶體(tǐ)管开始。它具有(yǒu)三条腿：

基数（b）

集電(diàn)极（c）

发射极（e）

如果将其打开，则電(diàn)流可(kě)以从集電(diàn)极流到发射极。关闭时，没有(yǒu)電(diàn)流流过。

在下面的示例電(diàn)路中，晶體(tǐ)管处于截止状态。这意味着没有(yǒu)電(diàn)流可(kě)以流过，因此发光二极管（LED）也处于关闭状态。

為(wèi)了使晶體(tǐ)管导通，在基极和发射极之间需要大约0.7V的電(diàn)压。

如果您有(yǒu)一个0.7V的電(diàn)池，则可(kě)以将其连接在基极和发射极之间，并且晶體(tǐ)管将导通。

由于我们大多(duō)数人都没有(yǒu)0.7V電(diàn)池，我们如何打开晶體(tǐ)管？

简单的！晶體(tǐ)管的基极-发射极部分(fēn)就像二极管一样工作。二极管的正向電(diàn)压会从可(kě)用(yòng)電(diàn)压中“捕获”。如果串联增加一个電(diàn)阻，则其余的電(diàn)压会在電(diàn)阻两端下降。

因此，通过添加一个電(diàn)阻器，您将自动获得0.7V左右的電(diàn)压。

这与限制流经LED的電(diàn)流以确保其不会爆裂的原理(lǐ)相同。

如果还添加一个按钮，则可(kě)以通过一个按钮控制晶體(tǐ)管，从而控制LED的ON和OFF：

选择组件值

要选择组件值，还需要了解晶體(tǐ)管的工作原理(lǐ)：

当電(diàn)流从基极流向发射极时，晶體(tǐ)管导通，因此更大的電(diàn)流可(kě)以从集電(diàn)极流向发射极。

两种電(diàn)流的大小(xiǎo)之间存在联系。这称為(wèi)晶體(tǐ)管的增益。

对于通用(yòng)晶體(tǐ)管，例如BC547或2N3904，可(kě)能(néng)约為(wèi)100。

这意味着，如果从基极流向发射极的電(diàn)流為(wèi)0.1 mA，则从集電(diàn)极流向发射极的電(diàn)流為(wèi)10 mA（多(duō)于100倍）。

R1获得0.1mA電(diàn)流需要什么電(diàn)阻值？

如果電(diàn)池的電(diàn)压為(wèi)9V，而晶體(tǐ)管的基极-发射极的電(diàn)压為(wèi)0.7V，则電(diàn)阻两端还剩下8.3V。

您可(kě)以使用(yòng)欧姆定律找到電(diàn)阻值：

欧姆定律三角形

因此，您需要一个83kΩ的電(diàn)阻。这不是一个标准值，但是是82kΩ，已经足够接近了。

R2用(yòng)来限制流向LED的電(diàn)流。如果将LED和電(diàn)阻器直接连接到9V電(diàn)池而不使用(yòng)晶體(tǐ)管，则可(kě)以选择要选择的值。例如，1kΩ应该可(kě)以正常工作。

如何选择晶體(tǐ)管

NPN晶體(tǐ)管是双极结型晶體(tǐ)管（BJT）中最常见的晶體(tǐ)管。但是还有(yǒu)一个叫做PNP晶體(tǐ)管的晶體(tǐ)管以相同的方式工作，只是所有(yǒu)電(diàn)流都在相反的方向上。

选择晶體(tǐ)管时，要记住的最重要的事情是晶體(tǐ)管可(kě)以支持多(duō)少電(diàn)流。这称為(wèi)集電(diàn)极電(diàn)流（IC）。

MOSFET晶體(tǐ)管的工作原理(lǐ)

MOSFET晶體(tǐ)管是另一种非常常见的晶體(tǐ)管。它还具有(yǒu)三个引脚：

门（g）

来源

排水（d）

MOSFET符号（N沟道）

MOSFET的工作原理(lǐ)类似于NPN晶體(tǐ)管，但有(yǒu)一个重要區(qū)别：

在NPN晶體(tǐ)管中，从基极到发射极的電(diàn)流决定了从集電(diàn)极到发射极的電(diàn)流量。

在MOSFET晶體(tǐ)管中，栅极和源极之间的電(diàn)压决定了多(duō)少電(diàn)流可(kě)以从漏极流到源极。

示例：如何导通MOSFET

以下是用(yòng)于导通MOSFET的示例電(diàn)路。

R1的值并不重要，但是大约10kΩ应该可(kě)以正常工作。R2设置LED的亮度。1kΩ对于大多(duō)数LED来说应该可(kě)以正常工作。Q1几乎可(kě)以是任何n沟道MOSFET，例如BS170。

要打开MOSFET晶體(tǐ)管，栅极和源极之间的電(diàn)压必须高于晶體(tǐ)管的阈值電(diàn)压。例如，BS170的栅源阈值電(diàn)压為(wèi)2.1V。

MOSFET的阈值電(diàn)压实际上是它关断时的電(diàn)压。因此，要正确导通晶體(tǐ)管，您需要的電(diàn)压要比该電(diàn)压高一点。

高多(duō)少取决于您要流多(duō)少電(diàn)流（您会在数据表中找到该信息）。如果您将電(diàn)压升至高于阈值的几伏，通常对于打开LED等低電(diàn)流事件来说已经足够了。

请注意，即使您使用(yòng)足够高的電(diàn)压以使1A電(diàn)流流过，也并不意味着您将获得1A。这只是意味着如果您愿意，您可(kě)以流过1A電(diàn)流。但是，只要您连接到它，就可(kě)以确定实际電(diàn)流。

因此，只要确保不超过最大栅极-源极電(diàn)压限制（对于BS170為(wèi)20V），您就可(kě)以根据需要提高電(diàn)压。

在上面的示例中，按下按钮时，栅极连接到9V。这将晶體(tǐ)管导通。

如何关断MOSFET？

了解MOSFET的一件重要事情是它的作用(yòng)有(yǒu)点像電(diàn)容器。即，栅极-源极部分(fēn)。在栅极和源极之间施加電(diàn)压时，该電(diàn)压会一直保持在那里直到放電(diàn)。

在上面的示例中，如果没有(yǒu)電(diàn)阻（R1），晶體(tǐ)管将不会关闭。使用(yòng)電(diàn)阻器，栅极-源极電(diàn)容器就有(yǒu)一条放電(diàn)路径，从而使晶體(tǐ)管再次截止。

如何选择MOSFET晶體(tǐ)管

上面的示例使用(yòng)了一个N沟道MOSFET。P沟道MOSFET的工作方式相同，只是電(diàn)流沿相反的方向流动，并且栅极至源极的電(diàn)压必须為(wèi)负才能(néng)将其导通。

有(yǒu)成千上万种不同的MOSFET可(kě)供选择。但是，如果您要构建上面的示例電(diàn)路并需要具體(tǐ)建议，BS170和IRF510是两个共同点。

选择MOSFET时要牢记两件事：

的栅极-源极阈值電(diàn)压。您需要高于此電(diàn)压的電(diàn)压才能(néng)导通晶體(tǐ)管。

在连续漏電(diàn)流。这是可(kě)以流过晶體(tǐ)管的最大電(diàn)流量。

还有(yǒu)其他(tā)一些重要的参数要牢记，具體(tǐ)取决于您要进行的操作。但这超出了本文(wén)的范围。记住上面的两个参数，您将有(yǒu)一个很(hěn)好的起点。

為(wèi)什么需要晶體(tǐ)管？

我得到的一个常见问题是為(wèi)什么我们需要晶體(tǐ)管？為(wèi)什么不将LED和電(diàn)阻器直接连接到電(diàn)池？

晶體(tǐ)管的优点是可(kě)以使用(yòng)较小(xiǎo)的電(diàn)流或電(diàn)压来控制较大的電(diàn)流和電(diàn)压。

如果您想通过Raspberry Pi / Arduino /微控制器控制诸如马达，大功率LED，扬声器，继電(diàn)器等之类的东西，那将非常有(yǒu)用(yòng)。这些板的输出引脚通常在5V时只能(néng)提供几毫安的電(diàn)流。因此，如果您想控制110V室外露台灯，则不能(néng)直接通过引脚进行控制。

但是，即使继電(diàn)器通常也需要比引脚可(kě)提供的電(diàn)流更多(duō)的電(diàn)流。因此，您需要一个晶體(tǐ)管来控制继電(diàn)器：

将電(diàn)阻器的左侧连接到输出引脚，以控制继電(diàn)器

但是晶體(tǐ)管对于更简单的传感器電(diàn)路（例如此光传感器電(diàn)路，触摸传感器電(diàn)路或H桥電(diàn)路）也很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。

我们几乎在所有(yǒu)電(diàn)路中都使用(yòng)晶體(tǐ)管。它实际上是電(diàn)子产品中最重要的组件。

晶體(tǐ)管作為(wèi)放大器

晶體(tǐ)管也是使放大器工作的原因。不仅仅是两个状态（ON / OFF），它还可(kě)以在“完全打开”和“完全关闭”之间的任何位置。

这意味着几乎没有(yǒu)能(néng)量的小(xiǎo)信号可(kě)以控制晶體(tǐ)管，使其在晶體(tǐ)管的集電(diàn)极-发射极（或漏极-源极）部分(fēn)中产生更强的信号副本。从而，晶體(tǐ)管可(kě)以放大小(xiǎo)信号。

下面是一个简单的放大器，用(yòng)于驱动扬声器。输入電(diàn)压越高，从基极到发射极的電(diàn)流就越大，并且流经扬声器的電(diàn)流就越大。

输入電(diàn)压的变化会使扬声器中的電(diàn)流发生变化，从而产生声音。

共射极放大器

通常，您将添加两个以上的電(diàn)阻来偏置晶體(tǐ)管。否则您会产生很(hěn)多(duō)失真。