晶體管的工作原理

2021-04-27

晶體管的工作原理

晶體管就像電子開關一樣工作。它可以打開和關閉電流。一種簡單的思考方法是將晶體管視為沒有任何活動部件的繼電器。晶體管在某種意義上類似于繼電器，您可以使用它來打開和關閉某物。

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）

讓我們從經典的NPN晶體管開始。它具有三條腿：

基數（b）

集電極（c）

發射極（e）

如果將其打開，則電流可以從集電極流到發射極。關閉時，沒有電流流過。

在下面的示例電路中，晶體管處于截止狀態。這意味著沒有電流可以流過，因此發光二極管（LED）也處于關閉狀態。

為了使晶體管導通，在基極和發射極之間需要大約0.7V的電壓。

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

由于我們大多數人都沒有0.7V電池，我們如何打開晶體管？

簡單的！晶體管的基極-發射極部分就像二極管一樣工作。二極管的正向電壓會從可用電壓中“捕獲”。如果串聯增加一個電阻，則其余的電壓會在電阻兩端下降。

因此，通過添加一個電阻器，您將自動獲得0.7V左右的電壓。

這與限制流經LED的電流以確保其不會爆裂的原理相同。

如果還添加一個按鈕，則可以通過一個按鈕控制晶體管，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射極時，晶體管導通，因此更大的電流可以從集電極流向發射極。

兩種電流的大小之間存在聯系。這稱為晶體管的增益。

對于通用晶體管，例如BC547或2N3904，可能約為100。

這意味著，如果從基極流向發射極的電流為0.1 mA，則從集電極流向發射極的電流為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83kΩ的電阻。這不是一個標準值，但是是82kΩ，已經足夠接近了。

R2用來限制流向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）中最常見的晶體管。但是還有一個叫做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，要記住的最重要的事情是晶體管可以支持多少電流。這稱為集電極電流（IC）。

MOSFET晶體管的工作原理

MOSFET晶體管是另一種非常常見的晶體管。它還具有三個引腳：

門（g）

來源

排水（d）

MOSFET符號（N溝道）

MOSFET的工作原理類似于NPN晶體管，但有一個重要區別：

在NPN晶體管中，從基極到發射極的電流決定了從集電極到發射極的電流量。

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來說應該可以正常工作。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的閾值電壓實際上是它關斷時的電壓。因此，要正確導通晶體管，您需要的電壓要比該電壓高一點。

高多少取決于您要流多少電流（您會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LED等低電流事件來說已經足夠了。

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

因此，只要確保不超過最大柵極-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，柵極連接到9V。這將晶體管導通。

如何關斷MOSFET？

了解MOSFET的一件重要事情是它的作用有點像電容器。即，柵極-源極部分。在柵極和源極之間施加電壓時，該電壓會一直保持在那里直到放電。

在上面的示例中，如果沒有電阻（R1），晶體管將不會關閉。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，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是兩個共同點。

選擇MOSFET時要牢記兩件事：

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，具體取決于您要進行的操作。但這超出了本文的范圍。記住上面的兩個參數，您將有一個很好的起點。

為什么需要晶體管？

我得到的一個常見問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？

晶體管的優點是可以使用較小的電流或電壓來控制較大的電流和電壓。

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

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，您需要一個晶體管來控制繼電器：

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。它實際上是電子產品中最重要的組件。

晶體管作為放大器

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

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

下面是一個簡單的放大器，用于驅動揚聲器。輸入電壓越高，從基極到發射極的電流就越大，并且流經揚聲器的電流就越大。

輸入電壓的變化會使揚聲器中的電流發生變化，從而產生聲音。

共射極放大器

通常，您將添加兩個以上的電阻來偏置晶體管。否則您會產生很多失真。