妙趣橫生的電子小知識　第1篇：初識晶體管

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

第一個應該了解的要數(shù)“晶體管”了?！熬w管”在電子制作領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和電機時，晶體管是不可或缺的重要器件。

但是，對于電子制作初學者來說，掌握晶體管的使用方法有點難。剛開始電子制作時使用的元器件，比如電池、LED、電阻器和開關等，幾乎都是兩個引腳，而晶體管卻有三個引腳?？吹饺齻€引腳就已經(jīng)不知道應該接哪里、應該接什么了。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。

目錄

1. 什么是晶體管？

2. 水流的比喻

3. 事物都是有極限的

4. 晶體管的基礎知識和選型方法

5. 實際試用晶體管

6. 引腳順序為“愛?酷?寶”

7. 嘗試增加負載

8. 用Arduino使LED閃爍

9. 總結

1. 什么是晶體管？

晶體管的作用是“放大”和“開關”?！胺糯蟆笔侵浮鞍研⌒盘柗糯蟪纱笮盘枴保热鐚κ找魴C等設備的天線接收到的微弱信號進行放大，并通過揚聲器播放出來的應用中會用到晶體管。如果您在初中或高中的技術課上焊接過收音機，可能您焊接的正是這里說的晶體管。

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

圖1.1 晶體管

2. 水流的比喻

用“放大”、“開關”這樣詞匯來表達，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)的電路符號表示。引腳共有三個，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)的閥門可以對流過B側(cè)的水進行開和關，并且B側(cè)的細管和C側(cè)的粗管上的閥門開閉是聯(lián)動的。

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”工作比作水流模型進行解說。如圖2.2左側(cè)所示，當B沒有水流時，細管的閥門是關閉的，C（粗管）的水也不會流動。而當水如右圖所示注入B時，閥門打開，C（粗管）中的水也會隨之流下。

圖2.2 將晶體管的工作原理比作水流模型

從這個模型可以看出，粗管閥門的開閉可以通過細管閥門的開閉來控制。

可能有人會問，“為什么要特意使用聯(lián)動的閥門呢？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）。”能夠用少量的水流打開和關閉粗管的閥門，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備運行，也因此會被用在“放大”和“開關”應用中。

3. 事物都是有極限的

對于電子元器件而言，根據(jù)其種類和尺寸，會有“電流最大只能流過??A（安培）”和“電壓只能在這個范圍內(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，標準型號Arduino UNO中使用的微控制器芯片是型號為“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的技術規(guī)格書（見下圖），可以看到在“電氣特性-絕對最大額定值”項中顯示“每個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

【參考】摘自ATMEGA328P-PU技術規(guī)格書第205頁

https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf

這就是說，比如當通過Arduino點亮LED時，通常會連接一個通用輸入輸出引腳，此時“如果電流達到40mA以上，大概率會損壞”。

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

4. 晶體管的基礎知識和選型方法

在電子制作中使用晶體管時，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“這個晶體管最大允許流過這么大的電流”的指標。該值的大小決定了可以將多少安培電流施加給負載（LED或電機），因此這是一個非常重要的參數(shù)。

與各引腳相關的電流名稱如圖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。這是一個非常簡單的關系表達式，“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

當您打開網(wǎng)上銷售晶體管的網(wǎng)店頁面時，會發(fā)現(xiàn)出來很多晶體管。選擇晶體管時，需要注意類型（結的結構是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LED通過10mA的電流，10個LED并聯(lián)，總共需要進行100mA電流的開關，在“2SC1740S”的額定范圍內(nèi)。

圖4.2 晶體管　2SC1740S

【參考】秋月電子通商　晶體管　2SC1740S

https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-11858/

5. 實際試用晶體管

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LED開關。

圖5.1 開關電路圖（使用晶體管）

圖5.2 開關電路外觀（使用晶體管）

當我們實際按下開關讓基極流過電流時，集電極也流過電流并且LED亮起。

6. 引腳順序為“愛?酷?寶”

晶體管有3個引腳，分別為基極(B)、發(fā)射極(E)、集電極(C)，但引腳名稱并沒有標在器件主體上。因此，在使用之前，一定要確認“技術規(guī)格書”，里面記載有引腳分配。技術規(guī)格書可以通過搜索產(chǎn)型號獲取，或通過產(chǎn)品銷售頁面下載，但每次都去找有點太麻煩了，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)品型號的一面為基準（本次使用的“2SC1740S”為標有“C1740”的一面）。電子制作中經(jīng)常用到的晶體管，按照這個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“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規(guī)格書的麻煩，通?？梢园凑者@樣的引腳順序進行接線。

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“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，或使用從未使用過的晶體管型號時，一定要確認一下技術規(guī)格書。

7. 嘗試增加負載

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

圖7.1 開關電路圖（LED×10個）

圖7.2 10個LED

讓10個LED閃爍時，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電路的按鈕開關部分替換為Arduino的通用輸入輸出端口，實現(xiàn)無需手指按按鈕而使LED自動閃爍。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 開關電路圖（使用Arduino和晶體管）

圖8.2 開關電路外觀（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時的引腳編號，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現(xiàn)聯(lián)動。

接線時請一定要連接面包板的GND（電池的負極）和Arduino的GND，如果不連接，電路將無法正常工作。在面包板上進行實驗時，忘記接GND是一個常見的錯誤，所以請務必好好確認。

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進行LED開關的表現(xiàn)。

我曾經(jīng)提到過每個Arduino端口的絕對最大額定電流是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載開關。

9. 總結

在本文中，我們學習了晶體管的基本使用方法，同時，還嘗試了通過按鈕開關和Arduino讓晶體管發(fā)揮開關作用。毫不夸張地說，不僅控制LED和電機的時候要用到晶體管，在傳感器和放大器等相關電子制作中，幾乎都會用得到晶體管。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！