晶体管开关

我们前面说, 继电器是一个开关, 更具体的讲, 是一个可由开关控制的开关. 同理, 晶体管同样可以视作是一个开关, 而且它也是一个可由开关控制的开关.

添加晶体管

在模拟器上上选择 菜单--绘制--有源元件--添加 NPN 双极型晶体管, 拖动就可以绘制出一个晶体管:

具体讲, 这是一个 NPN 双极型晶体管, 前面说过, 晶体管其实还可以细分为好多种小类的. 比如, 除了双极型, 还有所谓 "场效应管" 等等.

鼠标移上去可以看到它有三个端 C, B, E. 我们暂时不关心这三端具体名字的含义(下文会提到).

因为它有三个端, 相对于二极管, 有时也称它为 三极管.

把它连成下述样子, 并增加一个类似的继电器作为对比, 当两个控制开关都是断开状态时, 可以看到 LED 灯都没有亮; 而当闭合两个控制开关, 可以看到 LED 灯现在都亮了:

所以, 结论很明显, 继电器和晶体管从功能上讲, 都是由开关控制的开关. 不同之处在于, 对于继电器, 你可以清晰地看到开关的通断; 而对于晶体管, 则并没有一个机械的可以动的部件, 它的一切都是电子式的.

它的通断与内部一些半导体的导电特性有关.

另外一点不同则在于控制回路上, 可以看到继电器有一个分开的控制回路, 从控制开关经过线圈再到接地, 是一个独立的回路; 而晶体管则没有这样一个相对独立的回路.

以上的示例电路是一种简化的模型, 如果你要在真实世界里使用电路箱等去做真正的实验, 请仔细参考实验手册的建议. 你需要选取正确的电压值, 以及配置上相关的电阻, 以避免烧毁晶体管或电路箱.

在软件的模拟器上, 为了便利, 有时也为了简化突出重点, 常常会省略许多配置, 电压源也一律选择 5V.(毕竟这里也不会烧毁什么~)

晶体管内部的一个原理可以由下面这个动图的类比去理解:

可以看到, 前面说到的三个端:

C 指 集电极(Collector),

B 指 基极(Base),

E 指 发射极(Emitter).

这里以水流来类比电流. 当控制端, 也即基极 B 处施加一个电压时, 就形成了一股小的电流, 在图上就是横向的那股水流(这里以水流比喻电流).

这股横向的小水流冲击那个小阀门, 而小阀门又联动控制着大阀门, 最终带动大阀门打开, 于是纵向的水流就开始从集电极 C 端向下流动至发射极 E 端, 最终驱动 LED 灯点亮的电流主要来自与此.

因为这个杠杆特性, 晶体管在最初时, 常常是作为一种 放大器件 去使用的, 正是靠这种小电流控制大电流的特性.

前面说, 继电器开始也是用于中继的, 但现在我们都把它们作为开关使用.

当然, 以上的示意图只是一种比喻, 如果你想真正了解晶体管的底层的工作原理, 你可以自行去找相关书籍了解. 在这里, 在功能上理解了晶体管的作用就足够了.

从功能上看, 它就如同继电器, 只是它实现通断的原理不是利用电磁感应去控制开关, 而是利用半导体的某些特性, 如果你觉得这些半导体特性不好理解, 你就想想上图水流控制的阀门, 或者把它想象成内部就是一个线圈控制的开关也行:

注意第三个图中, 故意把一个继电器画得像似一个晶体管(添加了一些额外的修饰性的导线)

忽略这些内部实现上的区别, 它在行为上与继电器没有太大区别, 至少在用于间接控制方面, 两者的行为是一致的.

如果说, 晶体管和继电器在用作为开关时的功能逻辑是一致的, 那有时就没必要去强调这种具体器件上的差异. 在模拟器里, 就有这样一种称为 模拟开关(Analog Switch) 的组件.

通过 菜单--绘制--有源集成电路--添加模拟开关(第一个) 可以添加一个模拟开关, 它有三个端, 类似于晶体管的三个端, 位于开关之下的就是控制端:

注: 模拟开关实际有两种, 这里是第一种.

第二种更像继电器, 有两个输出触点, 总共四个端, 控制端位于上面.(位于 菜单--绘制--有源集成电路--添加模拟开关(第二个))

往控制端施加一个电压, 就可以控制开关的断开或是闭合:

最后, 它与晶体管以及继电器在功能上的一个对比:

可以认为, 一个模拟开关就是对晶体管以及继电器的开关功能的抽象, 是它们的简化. 作为用户, 你只关心它的功能逻辑, 而不需要关心它底层的原理.

在后续的电路绘制过程中, 你也可以选用这种开关.