兒童電子學(IX):簡單的電晶體實驗

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb特約作者

從實體層面來看,電晶體的內部功能非常複雜,但是在實務上,在一些簡單的實驗中使用它卻非常容易,每個人都可以負擔得起...

從實體層面來看,電晶體的內部功能非常複雜,但是在實務上,在一些簡單的實驗中使用它卻非常容易,每個人都可以負擔得起。

電晶體

可以使用電晶體創建非常簡單卻有用的裝置,例如在天變黑時自動打開的燈,或者當容器中的水高度達到一定程度時發出聲音的聲學訊號產生器。要使用電晶體,只需要使用幾個合適數值的附加電阻器。

它是所有電子裝置中最重要的元件之一,由三個端子組成:基極、集電極和發射極(B、C和E)。在最簡單的操作中,它像開關一樣工作。基極用於控制該開關,與此同時,電流則從集電極流向發射極。電晶體的端子並非都以相同的方式排列,並且它們因型號而異。

與普通開關不同,電晶體需要一個非常低的訊號來啟動。這意味著可以毫不費力地啟動非常大的負載(大功率燈或馬達等)。1說明電晶體的工作原理。如果基極有小電流流過(螞蟻),則集電極就有大電流流過(大象)。在實踐中,電晶體能夠放大訊號。顯然,這種能量不是憑空產生的,而是直接來自於電池。

Transistor symbol and operating principle.

圖1:電晶體符號及其工作原理的一些示例。

換句話說,如果電晶體的基極有一點電流流過,它就會設法使集電極和發射極彼此「連接」,就好像它是一個閉合開關一樣。這樣,就可以有大電流流過。有不同類型的電晶體,但市場上任何類型的元件都可以用於我們的通用符號表示。在任何情況下,在每個接線圖中,都會顯示待使用元件的程式碼,或者還會顯示具有相同特性的替代程式碼。

用手傳導電流的實驗

此實驗展示了為什麼手的皮膚能讓電流通過,但卻不足以使LED二極體點亮。事實上,人體能根據其濕度狀態傳導電流:

  • 完全乾燥的人體能傳導的電流很小,其電阻約為2MΩ;
  • 中等乾燥的人體具有約500kΩ的電阻;非常潮濕的人體能傳導大量的電流,其電阻約為100kΩ;
  • 如果將液體與食鹽混合,則電阻會下降得更多,下降到小於20kΩ。

因此,不應用濕手觸摸電器。對於此實驗(其接線圖和實際接線如2所示),我們需要:

  • 一個9V電池;
  • 一個任何顏色的LED二極體;
  • 一個100Ω電阻(棕-黑-棕),作為保護LED二極體的預防措施;
  • 一個2N3904電晶體;
  • 兩根測試導線(可選)。

Figure 2: the transistor can amplify the weak current that flows between the hands and illuminates the LED diode

圖2:電晶體可以將在雙手之間流動的弱電流放大而點亮LED二極體。

電路的工作原理非常簡單。電晶體作為一種開關工作。如果用兩隻濕手觸摸測試導線,則會有弱電流從電池正極直接穿過人體流向電晶體的基極(基極發射極電流)。這個小電流被電晶體放大,電晶體將以更強的電流(集電極發射極電流)使LED二極體點亮。

如果沒有電晶體,LED二極體就不會亮起…

我們可能會自發地想到一個問題:「你能用手在電池和LED二極體之間建立直接連接嗎?」答案顯然是否定的,因為兩隻手之間流過的電流非常微弱,不足以將發光二極體打開。3僅展示了這個概念。如前所述,人體就像具有高歐姆值的電阻,因此通過它傳達的電子不足以直接打開LED二極體。

 weak current passing through the hands

圖3:通過雙手的微弱電流不足以直接點亮LED二極體。

電晶體的基本參數之一是其增益。它表示電晶體能夠在輸入訊號上執行的放大倍數。例如,如果流過雙手的電流為0.000041A (也即41mA),流經LED二極體的電流為0.012A (也即12mA),則電晶體增益由以下兩個值之間的除法給定:

gain formula.

換句話說,在這個電路中,對於這個電晶體,基極電流被放大了292.68倍。就像放大鏡放大圖像或「汽車千斤頂」一樣,用幾公斤的手臂力量就能舉起一輛非常重的汽車。

總結

用該實驗的其他變化版本來研究電路也很有趣。兩三個孩子手牽著手組成圓圈,也可以干預LED二極體的開關。只有鏈條兩端的兒童能夠觸摸電路的導線。令人驚訝的是,我們會看到LED無論如何都會亮起。

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編譯:Franklin

(參考原文:Electronics for Kids: Part 9 – Simple Transistor Experiments,by Giovanni Di Maria)

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