电子学：第011课——实验 10：晶体管开关
时间：2022-08-17 02:00:00
实验 十、晶体管开关
既然你已经了解了电容器的特性，我将解释另一个基本元素：晶体管。在学习了晶体管的工作原理后，您可以探索电容器和晶体管是如何工作的。
需要的物品
- 面包板、连接线、剪线钳、剥线钳、万用表
- 2N2222 晶体管 1 个
- 9 V 电池和连接器 1 个
- 电阻器：470 Ω 2 个、1 MΩ 1 个
- 500 kΩ 微调电位器 1 个
- 通用 LED 1 个
手指实验
我将使用 2N2222 晶体管一直是应用最广泛的半导体元件(由摩托罗拉制成) 1962 年发明后，发展出多种风格，至今仍在生产中)。
摩托罗拉 2N2222 晶体管的专利已经到期很久了，所以任何公司都可以生产自己的晶体管。有些晶体管用黑色塑料包裹，而其他晶体管则用小金属罐包裹。我在图 2-23 这两种晶体管在中间显示。这两种晶体管都可以达到我们的目的。但请注意我之前提出的部件编号注意事项(参考本章必要工具:晶体管一节)。编号同为 2N2222 晶体管不同，需要使用正确的型号。
将晶体管、LED 和一个 470 Ω 插入面包板的电阻器如图所示 2-93 所示。确定 LED 长引脚向左，遵循 数字指示。然后确定晶体管的平面朝右。如果你很少使用金属罐晶体管，金属罐伸出的引脚应该指向下面和左边。
请注意，图中的绿色和黄色导线去除了更多的绝缘层。如果您使用预切割连接线，则需要拉直每个连接线的一端，以便它们可以平整地铺在面包板表面。
以下是有趣的部分。如图所示 2-94 将手指按在绿色和黄色导线的裸露金属芯上，同时观察 LED。假如什么都没发生，就稍微弄湿手指，再试一次。按得越用力，LED 晶体管放大了流过你手指的小电流。
注：不要双手并用
如果电流只流过你的手指，指尖开关演示实验是安全的。你甚至感觉不到电流，因为它只是一个小电池提供的 9 V 直流电。但如果你用一只手的手指按住一根电线，另一只手的手指按住另一根电线，那就不好了。这样，电流就会流过你的身体。电流很小，不会伤害你，但你不能养成让电流从一只手流向另一只手的习惯。而且，当你触摸电线时，不要让它刺穿皮肤。这意味着你不能在任何刺穿皮肤的珠宝上加电压。
手指实验的秘密
看看图 2-95，画出面包板内部的连接线，省略了未连接到电路的连接线。请注意，晶体管底部的引线通过面包板和 LED 然后通过470连接 Ω 电阻器连接到负极总线。因此，晶体管流出足够的电流，可以点亮 LED。
这个电流是从哪里来的？确实有一些电流通过你手指的皮肤流入晶体管中心的引脚，但是电流太小，不够亮 LED。
只剩下另一个解释了。晶体管顶部有第三个引脚，与正极总线相连，电流通过引脚进入晶体管。然后，这种电流由通过手指流入晶体管中间的小电流控制。
图 2-96 说明这个原理。
顺便说一句，这种现象与上一次实验中电容器的响应大不相同。电容器只通过短电流脉冲，晶体管控制稳定电流。
基础知识：晶体管
在本实验中，您使用的元件是双极晶体管。它有两种类型，分别是 NPN 型和 PNP 型。你使用的 NPN 晶体管包括三层硅，其中两层 N 层包含过多的负电荷载流子。第三层硅——P 层夹在两个N 层之间，包含过剩的正电荷载流子。我不会在原子层面详细解释晶体管的工作原理，因为在这本书中，我更感兴趣的是晶体管的功能，而不是其工作原理的理论。您可以在任何技术教程或网络资源中找到相关信息。
NPN 三双极晶体管的三个引脚分别称为集电极、基极和射极，如图所示 2-97 所示。
- 当 NPN 当晶体管的基极电压略高于射极电压时，晶体管允许正电流从集电极流出。
- 这样，从晶体管基极流入的非常小的电流就可以控制通过集电极流入的大电流。
PNP 晶体管的功能及 NPN 型晶体管相反。当基极电压略低于射极时，它允许负电流从集电极流入，从射极流出。电路中，PNP 晶体管有时更方便，但用途不广。我不会在这本书里用它们。
图 2-98 展示了 NPN 电路图上型晶体管的四种表示方法。它们的功能是一样的。 C、B、E提醒您，这些连接对应的集电极、基极和射极。
图 2-99 展示了 PNP 型晶体管的四种电路图表示方法。它们的作用都相同。
PNP 型和 NPN 晶体管很容易混淆，但有一种简单的方法来区分它们。NPN 符号中的箭头向外指，永不向内。所以，你可以把它拿走 NPN 想象为 never pointing in缩写(永不向内指)。
增加电位器
为了更深入地了解晶体管的工作模式，我们需要一个比指尖更可控的部件。我认为电位器可以满足这一要求，但它不是你以前使用过的大型电位器。如图所示，建议使用微调电位器 2-22 所示。虽然电位器的形状和大小不同，但它们都有三个引脚。这些引脚的功能与你以前使用过的大型电位器的三个引脚相同。中间的引脚总是与电位器内的滑动片相连，而另外两个引脚则与电位器内的电阻轨道两端相连。以下是您必须遵循的基本规则：
将电位器插入面包板时，每个引脚必须与面包板上的一排单孔相连。
图 2-100 澄清这个规则。在图片上方，我画了三个电位器的俯视图，包括多转电位器。虽然我不推荐，但有一天你可能会用它们。引脚从上面看不见。我画了它们的位置，就像你可以通过元件看到它们一样。引脚的位置不同，但总有三个。它们在垂直方向上的距离应该是 1/10 英寸。
图下，两个 Yes 的例子能正常工作，因为每根引脚都与面包板上不同的一排引脚相连接。两个 No 例子不能工作，因为一对引脚会被面包板内的导线短接。
了解电位器的基本知识，你应该能够在晶体管电路中添加一个 500 kΩ 如图所示 2-101显示。连接电源，用小螺丝刀沿顺时针旋转电位器，然后沿逆时针旋转。请注意，如果一开始 LED 它完全熄灭了，所以你必须稍微转动电位器上的螺钉，这样它才能亮起来。
看一看图 2-102 在电路图中，其电路连接与面包板相同，但其布局更简单易懂。
图 2-103 显示每个元件的值。
电位器连接到正极总线和负极总线之间。从这个角度来看，我们称之为分压器。当滑动片位于轨道的一端时，它直接连接到电源的正极。在轨道的另一端，它直接接地（负极）。在中间，它划分了电压。这通常是电位器提供各种电压值的方法。
正如我刚才所说，当负极向正极移动电位器的滑动片时，LED 没有点亮。这只是因为 LED 没有足够的电能吗？不完全是。
双极晶体管扣除部分电能体管扣除了部分电能。基极电压高于射极电压(通常约 0.7 V），它会做出反应。在这种模式下，晶体管呈正偏置。
图 2-104 解释这个一般概念。
电压和电流
你已经知道双极晶体管基极的电压可以控制晶体管的输出。这是否意味着晶体管放大了电压？
你可以自己探索一下。取出万用表，将其设置为测量电压，用测试线固定黑表笔和面包板上的负极总线，如图所示 2-105 所示。用红表笔触摸晶体管的射极引脚，记录电压，然后用红表笔触摸基极引脚。我保证射极上的电压低于基极上的电压。
将电位器调整到不同的位置，再次测量。无论你如何改变基极引脚上的电压，射极引脚上的电压总是更低。
这是因为 470 Ω 晶体管的射极和负极总线之间是否没有提供足够的电阻？
让我们一起找出答案。 LED 和 470 Ω 晶体管射极和负极之间连接电阻器 1 MΩ电阻器。大电阻影响不大，射极上的电压仍将低于基极上的电压。
如果你有耐心测量流入基极和流出射极的电流，你会发现它们有很大的不同。您必须将万用表设置为测量毫安电流，并将其连接到电路中的每个测量位置。记住，电流必须流过万用表才能测量。
我想告诉你会发现什么：晶体管放大流入基极的电流，放大倍数大于 200.这个因素叫晶体管 ? 因此，我们得到了一个基本事实：
双极晶体管放大电流，不放大电压。
下面我将总结双极晶体管的相关知识，供您今后参考。
基础知识：NPN 型和 PNP 总结型晶体管的知识
晶体管是在导体和绝缘体之间的半导体器件。其有效的内阻会根据施加到基极上的电压而变化。
所有双极晶体管都有三个引脚：集电极、基极和射极，简写在制造商的数据表上 C、B 和E，这些引脚是为你标注的。
- NPN 基极相对于射极的正电压激励型晶体管
- PNP 型晶体管由基极相对于射极的负向电压激励。
无源状态下，两种晶体管都阻碍电流在集电极和射极之间流动，就像断开的单极单掷开关一样。（实际上晶体管允许很小的电流流过，称为泄漏电流。）
电路图中，晶体管的方向可能各不相同。射极可能在顶端，集电极在下方，或者相反。基极可能在左侧，也可能在右侧，这取决于电路图绘制人员怎么画方便。一定要注意观察晶体管符号的箭头，看它朝向哪个方向，该晶体管是 NPN 还是 PNP 型晶体管。如果连接错误，你就会损坏晶体管。
晶体管有很多种尺寸和结构。很多晶体管的构造都让人难以判断，哪一根导线连接到了射极、集电极或基极。你可能需要查阅一下生产商的数据表。
如果你忘记了晶体管的引脚各是哪根，很多万用表都能帮助你分辨射极、集电极和基极。万用表上通常有四个孔，分别标着 E、B、C 和 E。当你把晶体管的射极引脚插入 E 孔，基极引脚插入 B孔，集电极引脚插入 C 孔，万用表就会显示晶体管的 β 值。如果按照其他方向插入，万用表的读数就会不稳定或无示数，或读数为零，或远小于预计值（几乎总是小于 50，且通常小于 5）。
注意：脆弱的元件！
晶体管很容易损坏，儿且一旦损坏就不可恢复。
- 一定不要在晶体管的任意两引脚间直接连入电源，否则晶体管会被过大的电流烧毁。
- 一定要利用电阻器等其他元件限制晶体管集电极和射极之间的电流，按照同样的方法也可以 保护 LED。
- 不要施加反向电压。NPN 晶体管的集电极电压一定要高于基极电压，而基极电压要高于射极电压。
背景知识：晶体管的起源
虽然有的历史学家把晶体管的起源追溯到二极管的发明（二极管允许电流向一个方向流动，而阻碍反向电流流通），但是第一个功能完备的实用晶体管是 1948 年由贝尔实验室的约翰 • 巴丁（John Bardeen）、威廉 • 肖克利（William Shockley）和沃尔特 • 布拉坦（Walter Brattain）开发出来的。
肖克利是团队的领导者，他具有远见卓识，预见了固态开关的潜在重要性。巴丁是理论家，而巴丁实际上是晶体管的发明者。在成功之前，这是一个非常高产的合作团队。晶体管发明出来后，肖克利就开始耍手腕，把晶体管的专利权完全归到自己名下。他把这个消息通知给团队成员时，很自然，大家都极不高兴。
有一张广为流传的宣传照还帮了倒忙。照片中，肖克利坐在中间的一台显微镜前，似乎是他完成了制造工作，而另两位成员站在他身后，暗示着他们的角色比较次要。这张照片的一个副本出现在了 Electronics 杂志的封面上（见图 2-106）。实际上，肖克利作为监督人，很少出现在发明晶体管的实验室里。
这个高产的合作团队很快解体了。布拉坦请求转到美国电话电报公司（AT&T）的实验室去。巴丁去了伊利诺伊大学研究理论物理。肖克利最终离开了贝尔实验室，创建了肖克利半导体公司，这家公司是硅谷的前身，但是他的雄心壮志超出了他所在时代的技术。他的公司从未制造出一件盈利的产品。
肖克利的八名员工最后背叛了他，他们离开了公司，建立了自己的企业——仙童半导体公司（Fairchild）。这家公司在晶体管和后来的集成电路芯片制造方面取得了巨大的成功。
基础知识：晶体管和继电器
NPN 型和 PNP 型晶体管的一个局限是：它们需要在电能供应下实现自身功能，而继电器则不同，它不需要任何电能输入就可以开关。
继电器还提供了更多的开关选项。不同继电器的状态可以为常开、常关，或者在任意位置闭锁。
继电器内可能包含双掷开关，有两个开关可以选择；也可能包含双极开关，它能形成（或断开）两个完全独立的连接。单晶体管器件不能提供双掷或双极开关的功能，但是你也可以设计更复杂的电路来对该功能进行仿真。
图 2-107 比较了晶体管和继电器的特性。
使用继电器还是晶体管将取决于每个具体的应用。
理论部分介绍完了。现在，我们能用一个有趣、有用，或是两者兼备的晶体管来做些什么呢？
我们可以做实验 11 《光和声》！
