晶体管的工作原理

来源 | 巧学数电模电单片机

晶体管是一个简单的组件，可以用来构建许多有趣的电路。在本文中，我将带您了解晶体管是如何工作的，以便您可以在以下电路设计中使用它们。

一旦了解了晶体管的基本知识，其实挺容易的。我们将重点讨论两种最常见的晶体管:BJT和MOSFET。

晶体管的工作原理就像一个电子开关，它可以打开和关闭电流。一个简单的想法是把晶体管看作是一个没有任何动作部件的开关，它类似于继电器，因为你可以用它来打开或关闭一些东西。当然，晶体管也可以部分打开，这对放大器的设计非常有用。

1 晶体管BJT的工作原理

让我们从经典开始NPN晶体管开始。

下图为双极结晶管(BJT)，三个引脚：

• 基极(B)

• 集电极(C)

• 发射极(E)

如果你打开它，电流可以通过它从集电极到发射极。当它关闭时，没有电流流过。

晶体管在以下示例电路中关闭。这意味着没有电流可以通过，因此发光二极管也被关闭。

打开晶体管，基极和发射极之间的电压约为0.7V。

假如你有0.7V您可以将电池连接到基极和发射极之间，晶体管将打开。

既然我们大多数人没有0.7V如何打开晶体管？

很简单！晶体管基极到发射极部分的工作原理是二极管。二极管有一个正电压，它将从可用电压中捕获这部分电压。如果您在串联中添加电阻，其余电压将在电阻上分离。

因此，添加电阻器会自动获得0.7V左右。这和你通过LED同样的原理是限制电流，确保它不会爆炸。

如果添加了按键开关，晶体管可以通过按键开关进行控制LED：

1.1 选择元件的值

要选择组件的值，还需要了解晶体管的工作原理：当电流从基极流向发射极时，晶体管打开，使更大的电流从集电极流向发射极。

这两种电流的大小是相关的，称为晶体管的增益。

对于一般用途的晶体管，如BC547或2N3904，可能在100左右。

这意味着如果你有0，.1mA从集电极到发射极，你可以有10毫安(100倍以上)。

你需要什么电阻值？R1才能得到0.1mA的电流？

如果电池是9V，晶体管的基极到发射极达到0.7V，电阻器上还有8个.3V。

你可以用欧姆定律找到电阻值：

所以你需要一个83 kΩ电阻。不一定是这个标准值，82 kΩ也可以，够了。

R可限制电流LED上，可以选择没有晶体管时连接LED和电阻直接到9V电池中使用的电阻值。例如，1kΩ应能满足正常工作。

1.2 晶体管怎样选择？

NPN晶体管是最常见的双极晶体管(BJT)。但还有一个叫做PNP晶体管的工作方式与其相同，但所有电流都在相反的方向。

在选择晶体管时，最重要的是记住晶体管能承受多少电流。这被称为集电极电流(iC).

2 MOSFET的工作原理

MOSFET晶体管是另一种常见的晶体管。

还有三个引脚：

• GateG)

• Source(S)

• Drain(D)

MOSFET符号(N通道)

MOS类似于工作原理BJT晶体管，但有一个重要的区别：

• 对于BJT从一个基极到另一个发射极，晶体管的电流决定了从集电极到发射极的电流。

• 对于MOSFET电压栅极和源极之间的电流决定了从漏极流向另一个源极的电流量。

2.1 如何打开MOSFET

以下是打开MOSFET电路示例。

如果要打开MOSFET晶体管在栅极和源极之间的电压高于晶体管的阈值电压。BS170有一个栅源阈值电压2.1V。(Datasheet中有注明)

MOSFET阈值电压实际上是它关闭的电压。因此，要正确打开晶体管，你需要稍微高一点的电压。

电压多高取决于你想要通过多大的电流(在datasheet会有注意)。如果你比阈值高几伏，通常对于低电流的东西够了，比如打开一个LED。

请注意，即使你使用足够高的电压，也可以使1A通过电流并不意味着你会得到1A。这意味着你想要1A能通过，实际的电路连接特性才决定了实际的电流。

因此，只要你确保你不超过最大栅极源电压限制，你就可以达到你想要的电流大小(BS170是20V)。

在上面的例子中，当你按下按钮时，门连接到9V，这打开了晶体管。

2.2 选择元件的值

R1值不重要，但10左右kΩ应能正常工作，其目的是关闭MOSFET。

R2用来设置LED的亮度。对于大多数LED来说，1kΩ工作应该很好。

Q几乎可以是任何N沟MOSFET，例如BS170。

2.3 如何关闭MOSFET

关于MOSFET一个重要的特点是，它的功能有点像电容器。也就是说，当你在栅极和源极之间施加电压时，这个电压会一直保持到放电。

如果没有上面例子中的电阻(R1)晶体管不会关闭。R1.格栅极源极电容器有一个放电闭环电路，使晶体管再次关闭。

2.4 如何选择MOSFET晶体管

以上示例使用N通道MOSFET和P通道MOSFET工作方式是一样的，只有电流朝相反的方向流动，网极到电源电压必须是负值才能打开。

千种不同MOSFET可供选择。但如果您想建立上述示例电路并提出具体建议，BS 170和IRF 510是两种常用的。

在选择MOSFET记住两件事：

• 打开晶体管需要更高的电压。

• 连续泄漏电流。这是流经晶体管的最大电流。

还有其他重要的参数需要记住，但这取决于你在做什么。但这不在本文的范围内。记住以上两个参数，你有一个很好的开始。

2.5 MOSFET栅电流

假如你想控制一个MOSFET，例如，单片机，Arduino或Raspberry PI，还有一件事你需要记住:当你打开晶体管时，流入栅极的电流。

如前所述，MOSFET格栅到源充当电容器，这意味着一旦充电，就不会有更多的电流流过。因此，当MOSFET打开时，没有电流流过栅极。

但是当MOSFET刚打开的时候有电流，就像你给电容器充电的时候一样。在很短的时间内，可能会有大量的电流流动。

为了保护单片机不受过多电流的影响，需要添加一个MOSFET栅极电阻:

对此，通常是10000Ω这是一个很好的价值。结合你的具体情况，使用欧姆定律。

3 为什么需要晶体管？

一个常见的问题是，为什么我们需要晶体管？为什么不呢？LED与电阻直接连接到电池？

晶体管的优点是可以用较小的电流或电压来控制较大的电流和电压。

如果你想控制电机、大功率等超级有用的东西LED，扬声器、继电器和更多的覆盆子PI/Arduino/微控制器V。所以，如果你想控制你的110 V室外露台灯，你不能直接从引脚供电。

相反，你可以使用继电器。然而，即使继电器通常需要比引脚更多的电流。因此，您需要一个晶体管来控制继电器：

将电阻器左侧连接到输出引脚(从Arduino开始)控制继电器。

但晶体管对更简单的传感器电路也很有用，如光传感器电路、触摸传感器电路或H桥电路。

我们几乎都是路中都使用晶体管。它确实是电子学中最重要的部件。

4 晶体管作为放大器

晶体管也是使放大器工作的原因。它不只是两个状态(开/关)，它也可以在“完全打开”和“完全关闭”之间的任何位置。

这意味着一个几乎没有能量的小信号可以控制晶体管，在晶体管的集电极发射极(或漏源)部分产生更强的信号。因此，晶体管可以放大小信号。

下面是一个简单的放大器用来驱动扬声器。输入电压越高，从基极到发射极的电流越高，通过扬声器的电流越高。

不同的输入电压使扬声器中的电流发生变化，从而产生声音的高低。

------------ END ------------

后台回复『电子基础』『元器件』阅读更多相关文章。

欢迎关注我的公众号，回复“加群”按规则加入技术交流群，回复“1024”查看更多内容。

欢迎关注我的视频号：

点击“阅读原文”查看更多分享，欢迎点分享、收藏、点赞、在看。