艾默生資深工程師分享趣味橫生的電晶體入門

2021-02-18 電子工程師時間

本文作者王瑋(Albert),86年的,跟隨父親1999年開始接觸家電維修,家庭薰陶培養了我的興趣,成為一名電子愛好者。大學是陝西理工學院04級電子信息工程專業,目前在艾默生網絡能源有限公司從事ups(交流不間斷電源)技術支持,工作8年,最近研究sql資料庫,旨在配合北美總部一起減輕一線工程師文檔壓力,同時將設備全生命周期運行數據存放在資料庫中,方便大數據分析。

電晶體(本文特指雙極型三極體,下同)是電子愛好者入門門檻之一,作為經典的有源器件,今天Albert結合自身電子技能成長曆程,向大家展示一個與眾不同,趣味橫生的電晶體入門世界。

1.不尋常的電晶體極性判別

如下圖,對比圖1的實物和圖2中的Q1,你有沒有發現什麼關聯?什麼,沒發現,嗯,也正常,想必你也看也千百遍了。但是,發揮你的空間立體想像力,把圖1 的三極體引腳朝自己(即垂直紙面向外),塑料封裝的平面向左,再對比圖2中Q1的元器件符號圖,有沒有發現什麼?什麼,還是沒發現?好吧,我來告訴你,二者有一個共同點,引腳從上到下都是C-B-E,有沒有恍然大悟的感覺?電氣符號裡的豎線和實物封裝的平面之間的關聯,沒想到吧?別高興的太早,準確度只有90%左右,而且幾乎只針對這一種封裝(一些大功率帶金屬散熱片的塑料封裝三極體,一般跟散熱片直通的是集電極)。

也別沮喪,你是不是又想到了拿起萬用表,用電阻R×1K檔來進行經典的極性判別?當然,這個是保底的基本功,但也不是沒有捷徑的。看看萬用表上的hFE檔對應的插孔(圖3中的「三極體插孔」),有沒有想起什麼?沒錯,直接拿起三極體,按你猜想的引腳順序,直接插入hFE測試插孔,讀數最大的那一次(一般大於20),管腳順序就是對的,實際管腳順序與三極體插孔上標示的管腳標識一致。

圖1常見外觀及引腳排布


圖2入門級電壓放大電路


圖3 淘寶上不到20元的DT830B型數字萬用表

2.電晶體典型應用電路


圖4典型7管收音機電路圖

圖2和圖4是電晶體典型應用電路,圖2是一個電壓放大電路,原理就是那個公式「ΔIc=β*ΔIb」,這裡集電極電阻把電流變化轉換成對應的電壓變化,UB=Vcc-UR2,在三極體線性工作區內,A點注入信號,在B點得到了放大後的信號,理解了這個,算是找到入門的鑰匙了。到後續學習到數字電路時,圖2還是一個典型的「非門」,還可以做控制晶片外圍的電壓接口電路,所以,基礎電路很重要。

模型電路和實用電路之間還有一段路要走,典型的歷程是裝配或維修一個傳統的電晶體收音機(沒有晶片的那種),我當年就是修好了一個N個師傅沒修好的收音機,才走完了這段路,用了一個月時間,修了三個地方,換了兩個二極體,一個三極體,一個中周(中頻變壓器,相當於圖4 中的T5)才修好,也基本完全了解了收音機原理了。回顧一下,收音機至少包含了電晶體振蕩電路、中頻465KHz(或455KHz)放大電路、功放電路,這也是電晶體最常用的幾種單元電路,其中還牽涉到調諧放大器,正反饋(振蕩器),負反饋(AGC、信號放大電路),混頻、檢波、濾波、前置放大等等,在裝配好後的統調過程中,會牽涉到調整各三極體直流工作點、各中周諧振頻率的問題,整個項目做下來,再給別人講解一遍,就基本完成了電晶體電路的學習。其它單元電路,在這些基礎上再去理解,也很容易(例如我後來看到的用電晶體做的單穩態電路,雙穩態電路,無穩態振蕩器,倍頻電路,滯回比較器等等)。下圖是一管多用的單管收音機,風靡於上世紀六七十年代,經典值得回味。至於礦石收音機,只能在博物館裡見到了(想想家裡收藏的那臺電子管收音機,還能用,真的驚嘆)。


圖5極客型單管收音機

3.電晶體電路和集成電路的對比

我見過全分立式的黑白電視機(只有電晶體和無源器件,沒有晶片,屏幕一般只有9英寸),對比後期集成電路黑白電視機那手掌大小非常簡潔的主板,看看全分立黑白電視機比A4紙還大上面密密麻麻元器件的主板(密集恐懼症者遠離),瞬間覺得集成電路太好了。我一直認為集成電路能完全替代掉電晶體,這個想法在我腦海中存在了好幾年。直到有一天,我想做一個數字頻率計,想做一個超聲波測距儀,看到頻率計量程只有10MHz不到,看到LM324在38KHz的頻率下無力地驅動著超聲波探頭,讓我懷念起了三極體。即使最常見的三極體(如9014),應對幾十MHz的頻率也是遊刃有餘的,對比LM324,成本更低,電路更簡潔,隨便搭個單管甲類放大器,放大效果都更好。看看典型的節能型日光燈電路,兩個13007,解決了日光燈高頻點燈負阻工作問題,簡潔高效低成本。

所以,總結起來,低頻小信號處理,集成電路有優勢;高頻信號處理,高電壓工作,三極體有優勢。在民用電子電器裡,為了降成本,也用了大量的三極體電路替代了集成電路。從維修角度說,換三極體比換晶片更容易。所以,時代的發展增加了選擇的多樣性,電晶體電路永遠要學,永遠不過時,至少要入門,最好活學活用。

現在有了一種全新的方式學習電晶體,我們將《電晶體電路設計(上冊)》中的電路做成了電路實驗板,針對每一章節內容中的電路,都有相應的電路實驗板,你只要焊接上元器件,接上相應的信號源,用示波器測試電壓波形,書上內容活靈活現的展現在了眼前。透徹理解電晶體,這一切都變得簡單了很多。有沒有心動!

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