晶体管 及其在电路中的使用方法

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晶体管 及其在电路中的使用方法

pwm amplifier

晶体管 是一种三引脚的电子元件,其主要功能是将两个引脚的电流按照另一个引脚传递(并具有电流放大作用)。 晶体管有不同的类型,但我们将在这里检查 双极型

电流通过的两个引脚称为发射极(E)和集电极(C),允许电流通过的引脚称为基极(B)。 在下图中,您可以看到常见双极晶体管的外观,但引脚排列可能有所不同。

bipolar transistor

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双极晶体管分为两类:PNP 和 NPN。

这两类的区别在于,PNP 晶体管的电流输入是从发射极,电流输出是从集电极,基极控制电流输出,而 NPN 晶体管,电流是从集电极进入,从发射极出来 ,基极控制电流输入。

NPN 晶体管的平面是黑色的,有时 PNP 是银色的(大多数尝试从名称来识别晶体管的类型)。 下面是这两种晶体管的原理图。

npn transistor schema
pnp transistor schema

下面讨论这两类晶体管的一般操作及其相关计算。

  • 检查晶体管的结构非常复杂,需要有关量子物理的信息,而且其概述无法理解; 因此,目前最好接受晶体管的现状。

NPN 晶体管 及相关计算

如前所述,这种类型晶体管中的电流进入集电极并从发射极退出(就像其架构一样)。

基极根据进入其的电流决定通过集电极的最大电流量。

根据以下电路的最大电流量可通过以下关系获得:

npn transistor schematic 晶体管
npn transistor calculation 晶体管

上式中,IB为基极电流,
IC是流经集电极的电流,
IE 为发射极电流,
RB 为基极内阻,
RC 为集电极-基极电阻,
RE 是发射极-基极电阻,
β为基极和集电极电流强度之间的系数,也用hFE表示,
R是整个电路的电阻,
R4是基极和集电极电流分开处之前和电源正极(电源输入)之后的电阻之和,
R1是集电极之前和R4之后的电阻之和,
R2是基极之前和R4之后的电阻之和,
R3是发射极之后的电阻之和。

  • 为了计算晶体管的电阻,集电极和基极的电阻被认为是并联的,并且这两个电阻的结果被认为是与发射极电阻串联的。

您可以通过改变R2的大小来控制集电极输入,但集电极本身对基极输入没有影响。 通过改变R3,基极的输入和集电极的输入都会改变。

当电路中集电极不工作时,可以将基极-发射极用作二极管。

  • 晶体管数据表文件中定义了引脚的 β 系数和电阻。 您可以通过 Google 中的零件号搜索数据表文件。

由于偏置率,电压和电流越高,计算误差百分比就越小。

  • 注意每个晶体管只接受有限的电流和电压,否则会丢失。 您可以从晶体管的数据表文件中找到所有这些规定值。

PNP 晶体管 及相关计算

在这种类型的晶体管中,电流进入发射极(从其示意图中可以看出)并从集电极退出。

基极根据从集电极流出的电流来确定通过集电极的最大电流量。

根据以下电路的最大电流量可通过以下关系获得:

pnp transistor shematic 晶体管
npn transistor calculation 晶体管

上式中,IB为基极电流,
IE 为发射极电流,
RB 为基极电阻,
RC 为集电极-基极电阻,
RE 是发射极-基极电阻,
β 是基极和集电极电流强度 (hFE) 之间的系数,
R是电路的总电阻,
R4为基极和集电极电流分开处之前和电源正极之后的电阻之和,
R1是集电极之前和R4之后的电阻之和,
R2是基极之前和R4之后的电阻之和,
R3是发射极之后的电阻之和。

您可以通过改变R2来控制集电极的输出。

  • 集电极的输出对基极的输出没有影响,改变R3,基极和集电极的输出都会改变。
  • 二极管 D 用于防止电流进入基极,因为电流返回基极会扰乱从集电极输出电流并输入到发射极。

至此,晶体管的所有工作都已被检验完毕。 再考虑一下引脚之间的影响; 仔细思考公式和比例; 这让您对晶体管有一个完整的了解。 了解晶体管是了解先进电子和数字技术的入门课程。

晶体管 作为与门的应用 (And gate)

可以使用晶体管制作的电路的一个示例是与门电路。 与门是另一种数字逻辑门,如果所有输入电流都连通,则输出电流也连通。

下面的电路就是该门的电路,由两个 NPN 晶体管和一个 PNP 晶体管组成,有2个输入和1个输出。

logic and gate 晶体管
  • 上面的原理图仅为模拟器而设计。

该电路分析如下:

1) 两个按键都关闭:很明显,输出(AM1)电流将为零。

2)开关1(SW1)接通,开关2(SW2)断开:

此时,电流从电源正极进入电路,经过SW1后,进入T1的发射极,从发射极流向基极,直到基极电流到达电流输出时, 电流不通过集电极流出。

当T1的基极电流到达T2的集电极时,由于SW2截止,没有电流到达T2的基极,因此T2的发射极没有电流流出。

因此输出将为零。

3)SW1断开,SW2接通:

在这种情况下,电流经过SW2后到达T2的基极,并通过同一晶体管的发射极离开并到达T3的集电极,但由于没有电流进入T3的基极,因此几乎没有电流从T3的基极漏出。 T1的集电极连接到T3的基极,因此没有电流到达输出。

4) 两个按键均已连接:

电流从SW1进入,然后流向T1的发射极。 在T1中,大部分电流进入基极,极少量(由于晶体管材料中存在杂质,称为EC泄漏)进入集电极。

T1的基极电流流向T2的集电极,并且由于SW2已连接,因此进入T2的基极和集电极的电流进入T2的发射极。

电流从T2的发射极流向T3的集电极。

当少量电流通过T1的集电极流入T3的基极(第一时刻)时,T3的集电极电流通过其发射极流出。

在接下来的时刻,根据T1晶体管的hFE,电流离开同一晶体管的集电极并进入T3的基极,结果,电流离开T3的发射极并到达输出。

与门的真实表如下。

SW10101
SW20011
output0001

晶体管 放大器

在这里,我们将研究三种类型的晶体管放大器。

之前,我们研究了一种电流放大器,这里有三种类型的放大器可以利用晶体管特性制成:

amplifiers 晶体管

在 1 号电路中,RL 是消耗器,放置在发射极之后。

根据电流与晶体管结构之间的关系,消耗端的电阻对基极输入电流和集电极接受的电流有效,因此我们可以得出基极电流可以通过以下公式计算: VG电压和消费者的电阻。

  • VG 可以是产生正波信号的电路(因为我们在示例中使用 NPN 晶体管)。

根据集电极可接受的电流,将基极电流乘以 hFE 即可计算出电流。

在电路2中,用电设备位于集电极之前,发射极之后没有电阻,因此在计算中我们只考虑VG中的产生电流。

放大器的最佳模式是这种布置,因为在这种情况下,如果消耗电阻可变,则不会对基极-发射极电流产生任何影响。

在电路3中,随着晶体管基极电压的升高,RL两端的电位差减小。

  • 请务必注意所使用的晶体管的特性,并在计算后在集电极之前或发射极之后放置必要的 电阻器
  • 检查这三种类型放大器的增益比,并尝试用 PNP 型晶体管构建这三种类型的放大器。

拖鞋 (Flip-Flop)

触发器通常是由两个开关和两个灯组成的电路,最初其中一个灯亮,如果我们切断该灯的开关,另一个灯就会亮并保持亮着,即使 开关状态再次改变。

由于晶体管使用这种操作的方法很重要并且在很多情况下都会使用,因此晶体管触发器的示例如下:

transistor flip-flop 晶体管

在上述触发器电路中,当电源接通时,两个LED中的一个会亮,另一个会灭。 在上述电路中,LED2 亮。 当您断开并连接其 LED 亮起的晶体管的基极(在上面的电路中通过 SW2 连接和断开)时,另一个晶体管的 LED 将打开并保持亮起状态,如果您再次执行此操作(这 与 SW1 的时间)同样的事情发生,LED2 打开,LED1 关闭。

对上述电路分析如下:

来自电源正极的电流进入两个电阻R3和R4,经过每个LED后分为两路。

LED2之后进入R2的电流流向T1的基极,导致T1集电极的电流流向发射极,从而导致电流耗尽。

电流以同样的方式流入 T2。 从这部分可以得出结论,两个LED一开始都亮,但都不会一直亮,因为根据电阻的误差百分比,如果连接到其中一个晶体管基极的电阻更大, 导致消耗更少的电流。

根据输入电流,大部分电流流向电阻较低的基极,只有很小的电流流过另一个晶体管的基极; 结果,只有一个 LED 保持亮起。

如果进入其 LED 开启的晶体管基极的电流被中断,则电流将流向另一个晶体管的基极并被吸引到另一个 LED。

现在,如果再次连接开关,LED 将保持关闭状态,因为大部分电流流向另一个晶体管的 LED。

同样,如果 SW2 被切断,LED2 会关闭,而 LED1 会保持开启状态,并且由于 LED1 消耗大部分电流,因此我们得出结论,即使再次关闭 SW2,LED2 也不会开启。

频率产生(振荡)

为了产生直流电流(例如 VG 电路)的频率,我们可以利用 电容器 和晶体管的特性。

我们首先要知道“直流振荡”是什么意思? 如前所述,直流信号的图形就像一条水平线,而交流信号的图形是波浪的形式。 产生频率的行为是指通过反复接通和断开直流电来产生交流信号。

将直流电转换为交流电的方法有很多种,其中之一是使用继电器,如电容部分的“单LED闪烁电路”。

我们可以使用万用表测量频率(借助电感器构建正弦波)。 万用表根据一秒钟内电压升高(LED 点亮)的次数来测量频率。

使用继电器的方法噪音太大、耗时、有限且不准确。 其他频率生成方法是使用 IC 和晶体管。 这是一种使用晶体管产生频率的简单方法。

用晶体管产生频率的最简单方法之一是使用触发器方法。

触发器振荡器

如果我们将万用表(在频率模式下并借助电感器)连接到下面电路中 LED 的两个引脚,它将显示频率为 LED 在一秒钟内打开的次数:

flip flop oscilator 晶体管

当频率较高(例如 10Hz)时,LED 看起来会持续亮起。 该电路中的频率取决于 R2 和 R3,这些电阻越低,频率越高。

实际上,如果我们对 R1 和 R4 使用 0.33 uF 电容器和 4.7K 电阻,对 R2 和 R3 以及 C945 晶体管使用 47K,则电路可以产生大约 650Hz 的频率。

精确调节频率的最佳方法是使用IC,我们将在下面的文章中讨论。

晶体管 电路示例

两颗 LED 闪烁电路:

所需设备:两个1KΩ电阻,两个33KΩ电阻,两个56μF电容,两个BC107三极管,两个LED,12V电源。

two led flashing transistor 晶体管

如果您根据原理图制作该电路,您将看到一个 LED 亮起,大约 1 秒后它熄灭,另一个 LED 亮起,如此重复。

电路分析:

上述电路是采用触发器的方法制作的。 电流进入电路后,LED 点亮并保持点亮状态,直到连接到 LED 晶体管基极的电容器充满电为止。 然后 LED 会关闭,因为其晶体管的基极没有接收到足够的偏置电流。

因此,另一个 LED 会亮起,直到其电容器充电且另一个电容器放电。 R3和R4电阻用于对充电的电容器进行放电。

反向门(逆变器 – Inverter):

下图所示为逆变器电路:

inverter gate 晶体管

“逆变器”是另一种数字逻辑门。

如果SW1闭合,LED1将关闭,否则LED1将打开。

 

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