妙趣橫生的電子小知識(shí)：初識(shí)晶體管

本系列連載將介紹電力電子相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和各種小知識(shí)。本系列涉及到的內(nèi)容很廣泛，涵蓋從基礎(chǔ)知識(shí)到應(yīng)用部分的豐富內(nèi)容，希望能夠幫到那些“至今不好意思問別人，但又拿不準(zhǔn)自己是否已經(jīng)理解了”的人。

第一個(gè)應(yīng)該了解的要數(shù)“晶體管”了。“晶體管”在電子制作領(lǐng)域是非常常用的易用器件，尤其是在使用Arduino等微控制器控制LED和電機(jī)時(shí)，晶體管是不可或缺的重要器件。

但是，對(duì)于電子制作初學(xué)者來說，掌握晶體管的使用方法有點(diǎn)難。剛開始電子制作時(shí)使用的元器件，比如電池、LED、電阻器和開關(guān)等，幾乎都是兩個(gè)引腳，而晶體管卻有三個(gè)引腳?？吹饺齻€(gè)引腳就已經(jīng)不知道應(yīng)該接哪里、應(yīng)該接什么了。一開始我也是這樣。

在本文中，我將以電子制作中常用的方法為例介紹晶體管，內(nèi)容非常適合那些完全不知道如何使用晶體管的人。

1. 什么是晶體管？

晶體管的作用是“放大”和“開關(guān)”。“放大”是指“把小信號(hào)放大成大信號(hào)”，比如對(duì)收音機(jī)等設(shè)備的天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，并通過揚(yáng)聲器播放出來的應(yīng)用中會(huì)用到晶體管。如果您在初中或高中的技術(shù)課上焊接過收音機(jī)，可能您焊接的正是這里說的晶體管。

“開關(guān)”工作不是通過像無線電音頻信號(hào)那樣的平滑波（模擬信號(hào)），而是通過0或1（數(shù)字信號(hào)）來切換ON/OFF的。在電子制作中，多被用于打開/關(guān)閉LED和電機(jī)。

圖1.1 晶體管

2. 水流的比喻

用“放大”、“開關(guān)”這樣詞匯來表達(dá)，可能還有些人無法很直觀地理解。那我們將晶體管電路的工作機(jī)制比作水流，可能更容易理解。

晶體管用圖2.1左側(cè)的電路符號(hào)表示。引腳共有三個(gè)，分別是B（基極）、E（發(fā)射極）和C（集電極）。
* “NPN型”是晶體管的類型，還有“PNP型”晶體管，不過在這里我們不必嚴(yán)格劃分，只要了解“NPN型更常用”即可。

這次我們用圖2.1右側(cè)的水流模型來比擬左側(cè)的晶體管。B側(cè)的閥門可以對(duì)流過B側(cè)的水進(jìn)行開和關(guān)，并且B側(cè)的細(xì)管和C側(cè)的粗管上的閥門開閉是聯(lián)動(dòng)的。

圖2.1 用水流模型比擬晶體管

我們參考圖2.2，將晶體管的“開關(guān)”工作比作水流模型進(jìn)行解說。如圖2.2左側(cè)所示，當(dāng)B沒有水流時(shí)，細(xì)管的閥門是關(guān)閉的，C（粗管）的水也不會(huì)流動(dòng)。而當(dāng)水如右圖所示注入B時(shí)，閥門打開，C（粗管）中的水也會(huì)隨之流下。

圖2.2 將晶體管的工作原理比作水流模型

從這個(gè)模型可以看出，粗管閥門的開閉可以通過細(xì)管閥門的開閉來控制。

可能有人會(huì)問，“為什么要特意使用聯(lián)動(dòng)的閥門呢？直接開閉粗管的閥門不就可以了嗎？”這里的重要之處在于“可以用小水流控制大水流（控制粗管閥門的開閉）?！蹦軌蛴蒙倭康乃鞔蜷_和關(guān)閉粗管的閥門，是讓人高興的事。

就像這種水流模型一樣，晶體管可以用小電流讓需要大電流的設(shè)備運(yùn)行，也因此會(huì)被用在“放大”和“開關(guān)”應(yīng)用中。

3. 事物都是有極限的

對(duì)于電子元器件而言，根據(jù)其種類和尺寸，會(huì)有“電流最大只能流過??A（安培）”和“電壓只能在這個(gè)范圍內(nèi)使用”等限制，這種規(guī)格稱為“額定值”。

例如，在電子制作中經(jīng)常使用的Arduino，標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)Arduino UNO中使用的微控制器芯片是型號(hào)為“ATMEGA328P-PU”的微控制器。

圖3.1 黃框中的是ATMEGA328P-PU芯片

查看微控制器芯片ATMEGA328P-PU的技術(shù)規(guī)格書（見下圖），可以看到在“電氣特性-絕對(duì)最大額定值”項(xiàng)中顯示“每個(gè)輸入輸出引腳的直流電流最大為40.0mA”。

圖3.2 ATMEGA328P-PU電氣特性

這就是說，比如當(dāng)通過Arduino點(diǎn)亮LED時(shí)，通常會(huì)連接一個(gè)通用輸入輸出引腳，此時(shí)“如果電流達(dá)到40mA以上，大概率會(huì)損壞”。

假設(shè)每個(gè)LED以10mA的電流點(diǎn)亮，那么并聯(lián)四個(gè)LED時(shí)大概率會(huì)造成損壞。如果“希望點(diǎn)亮10個(gè)LED！”而事實(shí)只能讓最多4個(gè)LED亮起來，是不是有點(diǎn)難過？在這種情況下，就需要晶體管大顯身手了。

4. 晶體管的基礎(chǔ)知識(shí)和選型方法

在電子制作中使用晶體管時(shí)，最重要的因素是集電極電流(Ic)的額定值。集電極電流是流入晶體管集電極引腳的電流額定值，是表示“這個(gè)晶體管最大允許流過這么大的電流”的指標(biāo)。該值的大小決定了可以將多少安培電流施加給負(fù)載（LED或電機(jī)），因此這是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

與各引腳相關(guān)的電流名稱如圖4.1所示，表示“該晶體管最大可以將電流放大幾倍”的電流放大系數(shù)h_FE用圖4.1中的公式表示。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的關(guān)系表達(dá)式，“輸出電流I_C等于h_FE乘以輸入電流I_B”。

圖4.1 晶體管基礎(chǔ)

當(dāng)您打開網(wǎng)上銷售晶體管的網(wǎng)店頁面時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)出來很多晶體管。選擇晶體管時(shí)，需要注意類型（結(jié)的結(jié)構(gòu)是NPN還是PNP）、集電極電流額定值和電流放大系數(shù)。

本次使用的晶體管是“2SC1740S”。它是NPN型晶體管，集電極電流額定值為150mA。這次的作品每個(gè)LED通過10mA的電流，10個(gè)LED并聯(lián)，總共需要進(jìn)行100mA電流的開關(guān)，在“2SC1740S”的額定范圍內(nèi)。

圖4.2 晶體管　2SC1740S

5. 實(shí)際試用晶體管

現(xiàn)在，讓我們把晶體管安裝在面包板上試用一下吧！首先，我們嘗試只讓一個(gè)LED開關(guān)。

圖5.1 開關(guān)電路圖（使用晶體管）

圖5.2 開關(guān)電路外觀（使用晶體管）

當(dāng)我們實(shí)際按下開關(guān)讓基極流過電流時(shí)，集電極也流過電流并且LED亮起。

6. 引腳順序?yàn)椤皭?酷?寶”

晶體管有3個(gè)引腳，分別為基極(B)、發(fā)射極(E)、集電極(C)，但引腳名稱并沒有標(biāo)在器件主體上。因此，在使用之前，一定要確認(rèn)“技術(shù)規(guī)格書”，里面記載有引腳分配。技術(shù)規(guī)格書可以通過搜索產(chǎn)型號(hào)獲取，或通過產(chǎn)品銷售頁面下載，但每次都去找有點(diǎn)太麻煩了，所以在這里為您介紹一種可以記住引腳順序的方法。

晶體管引腳從左到右的方向以面向刻有產(chǎn)品型號(hào)的一面為基準(zhǔn)（本次使用的“2SC1740S”為標(biāo)有“C1740”的一面）。電子制作中經(jīng)常用到的晶體管，按照這個(gè)方向從左到右大多數(shù)依次是發(fā)射極（E）、集電極（C）、基極（B）。這個(gè)“E、C、B”的順序可以取其諧音“愛、酷、寶”，如果您想省去查看技術(shù)規(guī)格書的麻煩，通常可以按照這樣的引腳順序進(jìn)行接線。

圖6.3 晶體管引腳順序的記憶方法

但是需要注意的是，這個(gè)“愛酷寶”的順序并不適用于所有的晶體管。即使晶體管的外觀相同，引腳的順序也可能偶爾有不一樣的，表面貼裝型晶體管的引腳順序也可能不同，所以在開始組裝電路時(shí)，或使用從未使用過的晶體管型號(hào)時(shí)，一定要確認(rèn)一下技術(shù)規(guī)格書。

7. 嘗試增加負(fù)載

現(xiàn)在，使用了晶體管的開關(guān)電路已經(jīng)可以用了。機(jī)會(huì)難得，讓我們借此機(jī)會(huì)嘗試將LED的數(shù)量從1個(gè)逐漸增加到10個(gè)！組裝電路圖如圖7.1所示。

圖7.1 開關(guān)電路圖（LED×10個(gè)）

圖7.2 10個(gè)LED

讓10個(gè)LED閃爍時(shí)，表現(xiàn)如下：

8. 用Arduino使LED閃爍

最后，我們通過將前面使用了晶體管的開關(guān)電路的按鈕開關(guān)部分替換為Arduino的通用輸入輸出端口，實(shí)現(xiàn)無需手指按按鈕而使LED自動(dòng)閃爍。在這種通過微控制器控制的情況下，晶體管可以大顯身手。
*使用USB數(shù)據(jù)線從電腦向Arduino供電。

圖8.1 開關(guān)電路圖（使用Arduino和晶體管）

圖8.2 開關(guān)電路外觀（使用Arduino和晶體管）

Arduino程序并不需要做什么特別的事，只需在Arduino IDE中寫入作為示例程序的“blink.ino”并執(zhí)行即可。源代碼中的“LED_BUITIN”是為了使用安裝在Arduino UNO板上的LED時(shí)的引腳編號(hào)，由于也連接到引腳13，所以只要將引腳13與面包板上的晶體管的基極引腳相連接即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

接線時(shí)請(qǐng)一定要連接面包板的GND（電池的負(fù)極）和Arduino的GND，如果不連接，電路將無法正常工作。在面包板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，忘記接GND是一個(gè)常見的錯(cuò)誤，所以請(qǐng)務(wù)必好好確認(rèn)。

Arduino示例程序blink.ino（僅摘錄了setup()、loop()部分）

void setup() {
  // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
 
// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                       // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                       // wait for a second
}

下面的視頻為使用Arduino進(jìn)行LED開關(guān)的表現(xiàn)。

我曾經(jīng)提到過每個(gè)Arduino端口的絕對(duì)最大額定電流是40mA，但是通過像這次這樣使用晶體管，就可以控制超出該范圍的負(fù)載開關(guān)。

9. 總結(jié)

在本文中，我們學(xué)習(xí)了晶體管的基本使用方法，同時(shí)，還嘗試了通過按鈕開關(guān)和Arduino讓晶體管發(fā)揮開關(guān)作用。毫不夸張地說，不僅控制LED和電機(jī)的時(shí)候要用到晶體管，在傳感器和放大器等相關(guān)電子制作中，幾乎都會(huì)用得到晶體管。如果您能夠熟練使用晶體管，那么您將能夠在更寬廣的電子制作世界中享受其中的妙趣，所以，歡迎大家積極挑戰(zhàn)各種電路的制作！

　　審核編輯：湯梓紅

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