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)。圖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。
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圖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)。
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。圖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。
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：
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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