晶体管的工作原理

2021-04-27

晶体管的工作原理

晶体管就像电子开关一样工作。它可以打开和关闭电流。一种简单的思考方法是将晶体管视为没有任何活动部件的继电器。晶体管在某种意义上类似于继电器，您可以使用它来打开和关闭某物。

但是晶体管也可以部分导通，这对于构建放大器非常有用。

晶体管的工作原理（NPN型）

让我们从经典的NPN晶体管开始。它具有三条腿：

基数（b）

集电极（c）

发射极（e）

如果将其打开，则电流可以从集电极流到发射极。关闭时，没有电流流过。

在下面的示例电路中，晶体管处于截止状态。这意味着没有电流可以流过，因此发光二极管（LED）也处于关闭状态。

为了使晶体管导通，在基极和发射极之间需要大约0.7V的电压。

如果您有一个0.7V的电池，则可以将其连接在基极和发射极之间，并且晶体管将导通。

由于我们大多数人都没有0.7V电池，我们如何打开晶体管？

简单的！晶体管的基极-发射极部分就像二极管一样工作。二极管的正向电压会从可用电压中“捕获”。如果串联增加一个电阻，则其余的电压会在电阻两端下降。

因此，通过添加一个电阻器，您将自动获得0.7V左右的电压。

这与限制流经LED的电流以确保其不会爆裂的原理相同。

如果还添加一个按钮，则可以通过一个按钮控制晶体管，从而控制LED的ON和OFF：

选择组件值

要选择组件值，还需要了解晶体管的工作原理：

当电流从基极流向发射极时，晶体管导通，因此更大的电流可以从集电极流向发射极。

两种电流的大小之间存在联系。这称为晶体管的增益。

对于通用晶体管，例如BC547或2N3904，可能约为100。

这意味着，如果从基极流向发射极的电流为0.1 mA，则从集电极流向发射极的电流为10 mA（多于100倍）。

R1获得0.1mA电流需要什么电阻值？

如果电池的电压为9V，而晶体管的基极-发射极的电压为0.7V，则电阻两端还剩下8.3V。

您可以使用欧姆定律找到电阻值：

欧姆定律三角形

因此，您需要一个83kΩ的电阻。这不是一个标准值，但是是82kΩ，已经足够接近了。

R2用来限制流向LED的电流。如果将LED和电阻器直接连接到9V电池而不使用晶体管，则可以选择要选择的值。例如，1kΩ应该可以正常工作。

如何选择晶体管

NPN晶体管是双极结型晶体管（BJT）中最常见的晶体管。但是还有一个叫做PNP晶体管的晶体管以相同的方式工作，只是所有电流都在相反的方向上。

选择晶体管时，要记住的最重要的事情是晶体管可以支持多少电流。这称为集电极电流（IC）。

MOSFET晶体管的工作原理

MOSFET晶体管是另一种非常常见的晶体管。它还具有三个引脚：

门（g）

来源

排水（d）

MOSFET符号（N沟道）

MOSFET的工作原理类似于NPN晶体管，但有一个重要区别：

在NPN晶体管中，从基极到发射极的电流决定了从集电极到发射极的电流量。

在MOSFET晶体管中，栅极和源极之间的电压决定了多少电流可以从漏极流到源极。

示例：如何导通MOSFET

以下是用于导通MOSFET的示例电路。

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

要打开MOSFET晶体管，栅极和源极之间的电压必须高于晶体管的阈值电压。例如，BS170的栅源阈值电压为2.1V。

MOSFET的阈值电压实际上是它关断时的电压。因此，要正确导通晶体管，您需要的电压要比该电压高一点。

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

请注意，即使您使用足够高的电压以使1A电流流过，也并不意味着您将获得1A。这只是意味着如果您愿意，您可以流过1A电流。但是，只要您连接到它，就可以确定实际电流。

因此，只要确保不超过最大栅极-源极电压限制（对于BS170为20V），您就可以根据需要提高电压。

在上面的示例中，按下按钮时，栅极连接到9V。这将晶体管导通。

如何关断MOSFET？

了解MOSFET的一件重要事情是它的作用有点像电容器。即，栅极-源极部分。在栅极和源极之间施加电压时，该电压会一直保持在那里直到放电。

在上面的示例中，如果没有电阻（R1），晶体管将不会关闭。使用电阻器，栅极-源极电容器就有一条放电路径，从而使晶体管再次截止。

如何选择MOSFET晶体管

上面的示例使用了一个N沟道MOSFET。P沟道MOSFET的工作方式相同，只是电流沿相反的方向流动，并且栅极至源极的电压必须为负才能将其导通。

有成千上万种不同的MOSFET可供选择。但是，如果您要构建上面的示例电路并需要具体建议，BS170和IRF510是两个共同点。

选择MOSFET时要牢记两件事：

的栅极-源极阈值电压。您需要高于此电压的电压才能导通晶体管。

在连续漏电流。这是可以流过晶体管的最大电流量。

还有其他一些重要的参数要牢记，具体取决于您要进行的操作。但这超出了本文的范围。记住上面的两个参数，您将有一个很好的起点。

为什么需要晶体管？

我得到的一个常见问题是为什么我们需要晶体管？为什么不将LED和电阻器直接连接到电池？

晶体管的优点是可以使用较小的电流或电压来控制较大的电流和电压。

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，继电器等之类的东西，那将非常有用。这些板的输出引脚通常在5V时只能提供几毫安的电流。因此，如果您想控制110V室外露台灯，则不能直接通过引脚进行控制。

但是，即使继电器通常也需要比引脚可提供的电流更多的电流。因此，您需要一个晶体管来控制继电器：

将电阻器的左侧连接到输出引脚，以控制继电器

但是晶体管对于更简单的传感器电路（例如此光传感器电路，触摸传感器电路或H桥电路）也很有用。

我们几乎在所有电路中都使用晶体管。它实际上是电子产品中最重要的组件。

晶体管作为放大器

晶体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。

这意味着几乎没有能量的小信号可以控制晶体管，使其在晶体管的集电极-发射极（或漏极-源极）部分中产生更强的信号副本。从而，晶体管可以放大小信号。

下面是一个简单的放大器，用于驱动扬声器。输入电压越高，从基极到发射极的电流就越大，并且流经扬声器的电流就越大。

输入电压的变化会使扬声器中的电流发生变化，从而产生声音。

共射极放大器

通常，您将添加两个以上的电阻来偏置晶体管。否则您会产生很多失真。