晶體管的工作原理

2021-04-27

晶體管的工作原理

晶體管就像電子開(kāi)關(guān)一樣工作。它可以打開(kāi)和關(guān)閉電流。一種簡(jiǎn)單的思考方法是將晶體管視為沒(méi)有任何活動(dòng)部件的繼電器。晶體管在某種意義上類(lèi)似于繼電器，您可以使用它來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉某物。

但是晶體管也可以部分導通，這對于構建放大器非常有用。

晶體管的工作原理（NPN型）

讓我們從經(jīng)典的NPN晶體管開(kāi)始。它具有三條腿：

基數（b）

集電極（c）

發(fā)射極（e）

如果將其打開(kāi)，則電流可以從集電極流到發(fā)射極。關(guān)閉時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)。

在下面的示例電路中，晶體管處于截止狀態(tài)。這意味著(zhù)沒(méi)有電流可以流過(guò)，因此發(fā)光二極管（LED）也處于關(guān)閉狀態(tài)。

為了使晶體管導通，在基極和發(fā)射極之間需要大約0.7V的電壓。

如果您有一個(gè)0.7V的電池，則可以將其連接在基極和發(fā)射極之間，并且晶體管將導通。

由于我們大多數人都沒(méi)有0.7V電池，我們如何打開(kāi)晶體管？

簡(jiǎn)單的！晶體管的基極-發(fā)射極部分就像二極管一樣工作。二極管的正向電壓會(huì )從可用電壓中“捕獲”。如果串聯(lián)增加一個(gè)電阻，則其余的電壓會(huì )在電阻兩端下降。

因此，通過(guò)添加一個(gè)電阻器，您將自動(dòng)獲得0.7V左右的電壓。

這與限制流經(jīng)LED的電流以確保其不會(huì )爆裂的原理相同。

如果還添加一個(gè)按鈕，則可以通過(guò)一個(gè)按鈕控制晶體管，從而控制LED的ON和OFF：

選擇組件值

要選擇組件值，還需要了解晶體管的工作原理：

當電流從基極流向發(fā)射極時(shí)，晶體管導通，因此更大的電流可以從集電極流向發(fā)射極。

兩種電流的大小之間存在聯(lián)系。這稱(chēng)為晶體管的增益。

對于通用晶體管，例如BC547或2N3904，可能約為100。

這意味著(zhù)，如果從基極流向發(fā)射極的電流為0.1 mA，則從集電極流向發(fā)射極的電流為10 mA（多于100倍）。

R1獲得0.1mA電流需要什么電阻值？

如果電池的電壓為9V，而晶體管的基極-發(fā)射極的電壓為0.7V，則電阻兩端還剩下8.3V。

您可以使用歐姆定律找到電阻值：

歐姆定律三角形

因此，您需要一個(gè)83kΩ的電阻。這不是一個(gè)標準值，但是是82kΩ，已經(jīng)足夠接近了。

R2用來(lái)限制流向LED的電流。如果將LED和電阻器直接連接到9V電池而不使用晶體管，則可以選擇要選擇的值。例如，1kΩ應該可以正常工作。

如何選擇晶體管

NPN晶體管是雙極結型晶體管（BJT）中最常見(jiàn)的晶體管。但是還有一個(gè)叫做PNP晶體管的晶體管以相同的方式工作，只是所有電流都在相反的方向上。

選擇晶體管時(shí)，要記住的最重要的事情是晶體管可以支持多少電流。這稱(chēng)為集電極電流（IC）。

MOSFET晶體管的工作原理

MOSFET晶體管是另一種非常常見(jiàn)的晶體管。它還具有三個(gè)引腳：

門(mén)（g）

來(lái)源

排水（d）

MOSFET符號（N溝道）

MOSFET的工作原理類(lèi)似于NPN晶體管，但有一個(gè)重要區別：

在NPN晶體管中，從基極到發(fā)射極的電流決定了從集電極到發(fā)射極的電流量。

在MOSFET晶體管中，柵極和源極之間的電壓決定了多少電流可以從漏極流到源極。

示例：如何導通MOSFET

以下是用于導通MOSFET的示例電路。

R1的值并不重要，但是大約10kΩ應該可以正常工作。R2設置LED的亮度。1kΩ對于大多數LED來(lái)說(shuō)應該可以正常工作。Q1幾乎可以是任何n溝道MOSFET，例如BS170。

要打開(kāi)MOSFET晶體管，柵極和源極之間的電壓必須高于晶體管的閾值電壓。例如，BS170的柵源閾值電壓為2.1V。

MOSFET的閾值電壓實(shí)際上是它關(guān)斷時(shí)的電壓。因此，要正確導通晶體管，您需要的電壓要比該電壓高一點(diǎn)。

高多少取決于您要流多少電流（您會(huì )在數據表中找到該信息）。如果您將電壓升至高于閾值的幾伏，通常對于打開(kāi)LED等低電流事件來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。

請注意，即使您使用足夠高的電壓以使1A電流流過(guò)，也并不意味著(zhù)您將獲得1A。這只是意味著(zhù)如果您愿意，您可以流過(guò)1A電流。但是，只要您連接到它，就可以確定實(shí)際電流。

因此，只要確保不超過(guò)最大柵極-源極電壓限制（對于BS170為20V），您就可以根據需要提高電壓。

在上面的示例中，按下按鈕時(shí)，柵極連接到9V。這將晶體管導通。

如何關(guān)斷MOSFET？

了解MOSFET的一件重要事情是它的作用有點(diǎn)像電容器。即，柵極-源極部分。在柵極和源極之間施加電壓時(shí)，該電壓會(huì )一直保持在那里直到放電。

在上面的示例中，如果沒(méi)有電阻（R1），晶體管將不會(huì )關(guān)閉。使用電阻器，柵極-源極電容器就有一條放電路徑，從而使晶體管再次截止。

如何選擇MOSFET晶體管

上面的示例使用了一個(gè)N溝道MOSFET。P溝道MOSFET的工作方式相同，只是電流沿相反的方向流動(dòng)，并且柵極至源極的電壓必須為負才能將其導通。

有成千上萬(wàn)種不同的MOSFET可供選擇。但是，如果您要構建上面的示例電路并需要具體建議，BS170和IRF510是兩個(gè)共同點(diǎn)。

選擇MOSFET時(shí)要牢記兩件事：

的柵極-源極閾值電壓。您需要高于此電壓的電壓才能導通晶體管。

在連續漏電流。這是可以流過(guò)晶體管的最大電流量。

還有其他一些重要的參數要牢記，具體取決于您要進(jìn)行的操作。但這超出了本文的范圍。記住上面的兩個(gè)參數，您將有一個(gè)很好的起點(diǎn)。

為什么需要晶體管？

我得到的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是為什么我們需要晶體管？為什么不將LED和電阻器直接連接到電池？

晶體管的優(yōu)點(diǎn)是可以使用較小的電流或電壓來(lái)控制較大的電流和電壓。

如果您想通過(guò)Raspberry Pi / Arduino /微控制器控制諸如馬達，大功率LED，揚聲器，繼電器等之類(lèi)的東西，那將非常有用。這些板的輸出引腳通常在5V時(shí)只能提供幾毫安的電流。因此，如果您想控制110V室外露臺燈，則不能直接通過(guò)引腳進(jìn)行控制。

但是，即使繼電器通常也需要比引腳可提供的電流更多的電流。因此，您需要一個(gè)晶體管來(lái)控制繼電器：

將電阻器的左側連接到輸出引腳，以控制繼電器

但是晶體管對于更簡(jiǎn)單的傳感器電路（例如此光傳感器電路，觸摸傳感器電路或H橋電路）也很有用。

我們幾乎在所有電路中都使用晶體管。它實(shí)際上是電子產(chǎn)品中最重要的組件。

晶體管作為放大器

晶體管也是使放大器工作的原因。不僅僅是兩個(gè)狀態(tài)（ON / OFF），它還可以在“完全打開(kāi)”和“完全關(guān)閉”之間的任何位置。

這意味著(zhù)幾乎沒(méi)有能量的小信號可以控制晶體管，使其在晶體管的集電極-發(fā)射極（或漏極-源極）部分中產(chǎn)生更強的信號副本。從而，晶體管可以放大小信號。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的放大器，用于驅動(dòng)揚聲器。輸入電壓越高，從基極到發(fā)射極的電流就越大，并且流經(jīng)揚聲器的電流就越大。

輸入電壓的變化會(huì )使揚聲器中的電流發(fā)生變化，從而產(chǎn)生聲音。

共射極放大器

通常，您將添加兩個(gè)以上的電阻來(lái)偏置晶體管。否則您會(huì )產(chǎn)生很多失真。