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儿童电子学(九):简单的晶体管实验

2022-09-28 18:01:29 Giovanni Di Maria 阅读:
在物理层面,晶体管的内部功能非常复杂,但是在实践中,在一些简单的实验中使用它却非常容易,每个人都可以负担得起。

在物理层面,晶体管的内部功能非常复杂,但是在实践中,在一些简单的实验中使用它却非常容易,每个人都可以负担得起。oJHednc

晶体管

可以使用晶体管创建非常简单却有用的设备,例如在天变黑时自动打开的灯,或者当容器中的水高度达到一定水平时发出声音的声学信号发生器。要使用晶体管,只需要使用几个合适数值的附加电阻器。oJHednc

它是所有电子设备中最重要的元器件之一,由三个端子组成:基极、集电极和发射极(B、C和E)。在最简单的操作中,它像开关一样工作。基极用于控制该开关,与此同时,电流则从集电极流向发射极。晶体管的端子并非都以相同的方式排列,并且它们因型号而异。oJHednc

与普通开关不同,晶体管需要一个非常低的信号来启动。这意味着可以毫不费力地启动非常大的负载(大功率灯或电机等)。图1说明了晶体管的工作原理。如果基极有小电流流过(蚂蚁),则集电极就有大电流流过(大象)。在实践中,晶体管能够放大信号。显然,这种能量不是凭空产生的,而是直接来自于电池。oJHednc

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图1:晶体管符号及其工作原理的一些示例。oJHednc

换句话说,如果晶体管的基极有一点电流流过,它就会设法使集电极和发射极彼此“连接”,就好像它是一个闭合开关一样。这样,就可以有大电流流过。有不同类型的晶体管,但市场上任何类型的器件都可以用于我们的通用符号表示。在任何情况下,在每个接线图中,都会显示待使用器件的代码,或者还会显示具有相同特性的替代代码。oJHednc

用手传导电流实验

此实验展示了为什么手的皮肤能让电流通过,但却不足以使LED二极管点亮。事实上,人体能根据其湿度状态传导电流:oJHednc

完全干燥的人体能传导的电流很小,其电阻约为2MΩ;oJHednc

中等干燥的人体具有约500kΩ的电阻;非常潮湿的人体能传导大量的电流,其电阻约为100kΩ;oJHednc

如果将液体与食盐混合,则电阻会下降得更多,下降到小于20kΩ。oJHednc

因此,不应用湿手触摸电器。对于此实验(其接线图和实际接线如图2所示),我们需要:oJHednc

  • 一个9V电池;
  • 一个任何颜色的LED二极管;
  • 一个100Ω电阻(棕黑棕),它作为保护LED二极管的预防措施;
  • 一个2N3904晶体管;
  • 两个测试引线(可选)。

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图2:晶体管可以将在两个手之间流动的弱电流放大而使LED二极管点亮。oJHednc

电路的工作原理非常简单。晶体管作为一种开关工作。如果用两只湿手触摸测试引线,则会有弱电流从电池正极直接穿过人体流向晶体管的基极(基极发射极电流)。这个小电流被晶体管放大,晶体管将以更强的电流(集电极发射极电流)使LED二极管点亮。oJHednc

如果没有晶体管,LED二极管就不会亮起

我们可能会自发地想到一个问题:“你能用手在电池和LED二极管之间建立直接连接吗?答案显然是否定的,因为两只手之间流过的电流非常微弱,不足以将发光二极管打开。图3仅展示了这个概念。如前所述,人体就像具有高欧姆值的电阻,因此通过它传达的电子不足以将LED二极管直接打开。oJHednc

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图3:通过两只手的微弱电流不足以将LED二极管直接点亮。oJHednc

晶体管的基本参数之一是其增益。它表示晶体管能够在输入信号上执行的放大倍数。例如,如果流过两只手的电流为0.000041A(也即41mA),流经LED二极管的电流为0.012A(也即12mA),则晶体管增益由以下两个值之间的除法给定:oJHednc

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换句话说,在这个电路中,对于这个晶体管,基极电流被放大了292.68倍。就像放大镜放大图像或“汽车千斤顶”一样,用几公斤的手臂力量就能举起一辆非常重的汽车。oJHednc

总结

用该实验的其他变化版本来研究电路也很有趣。两三个孩子手牵着手组成圆圈,也可以干预LED二极管的开关。只有链条两端的儿童能够触摸电路的引线。令人惊讶的是,我们会看到LED无论如何都会亮起。oJHednc

另请阅读:

儿童电子学(一):LED oJHednc

儿童电子学(二):电容器oJHednc

儿童电子学(三):电气测量oJHednc

儿童电子学(四):连接电路oJHednc

儿童电子学(五):生产清洁能源oJHednc

儿童电子学(六):降低电源电压oJHednc

儿童电子学(七):电位器oJHednc

儿童电子学(八):七段LED显示器oJHednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Electronics for Kids: Part 9 – Simple Transistor Experiments,由Franklin Zhao编译。)oJHednc

责编:Franklin
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