【導讀】本系列連載將介紹電力電子相關的基礎知識和各種小知識。本系列涉及到的內容很廣泛，涵蓋從基礎知識到應用部分的豐富內容，希望能夠幫到那些“至今不好意思問別人，但又拿不準自己是否已經理解了”的人。
第一個應該了解的要數“晶體管”了。“晶體管”在電子制作領域是非常常用的易用器件，尤其是在使用Arduino等微控制器控制LED和電機時，晶體管是不可或缺的重要器件。
但是，對于電子制作初學者來說，掌握晶體管的使用方法有點難。剛開始電子制作時使用的元器件，比如電池、LED、電阻器和開關等，幾乎都是兩個引腳，而晶體管卻有三個引腳。看到三個引腳就已經不知道應該接哪里、應該接什么了。一開始我也是這樣。
在本文中，我將以電子制作中常用的方法為例介紹晶體管，內容非常適合那些完全不知道如何使用晶體管的人。
目錄
1. 什么是晶體管？
2. 水流的比喻
3. 事物都是有極限的
4. 晶體管的基礎知識和選型方法
5. 實際試用晶體管
6. 引腳順序為“愛?酷?寶”
7. 嘗試增加負載
8. 用Arduino使LED閃爍
9. 總結
1. 什么是晶體管？
晶體管的作用是“放大”和“開關”。“放大”是指“把小信號放大成大信號”，比如對收音機等設備的天線接收到的微弱信號進行放大，并通過揚聲器播放出來的應用中會用到晶體管。如果您在初中或高中的技術課上焊接過收音機，可能您焊接的正是這里說的晶體管。
“開關”工作不是通過像無線電音頻信號那樣的平滑波（模擬信號），而是通過0或1（數字信號）來切換ON/OFF的。在電子制作中，多被用于打開/關閉LED和電機。
圖1.1 晶體管
2. 水流的比喻
用“放大”、“開關”這樣詞匯來表達，可能還有些人無法很直觀地理解。那我們將晶體管電路的工作機制比作水流，可能更容易理解。
晶體管用圖2.1左側的電路符號表示。引腳共有三個，分別是B（基極）、E（發射極）和C（集電極）。
* “NPN型”是晶體管的類型，還有“PNP型”晶體管，不過在這里我們不必嚴格劃分，只要了解“NPN型更常用”即可。
這次我們用圖2.1右側的水流模型來比擬左側的晶體管。B側的閥門可以對流過B側的水進行開和關，并且B側的細管和C側的粗管上的閥門開閉是聯動的。
圖2.1 用水流模型比擬晶體管
我們參考圖2.2，將晶體管的“開關”工作比作水流模型進行解說。如圖2.2左側所示，當B沒有水流時，細管的閥門是關閉的，C（粗管）的水也不會流動。而當水如右圖所示注入B時，閥門打開，C（粗管）中的水也會隨之流下。
圖2.2 將晶體管的工作原理比作水流模型
從這個模型可以看出，粗管閥門的開閉可以通過細管閥門的開閉來控制。
可能有人會問，“為什么要特意使用聯動的閥門呢？直接開閉粗管的閥門不就可以了嗎？”這里的重要之處在于“可以用小水流控制大水流（控制粗管閥門的開閉）。”能夠用少量的水流打開和關閉粗管的閥門，是讓人高興的事。
就像這種水流模型一樣，晶體管可以用小電流讓需要大電流的設備運行，也因此會被用在“放大”和“開關”應用中。
3. 事物都是有極限的
對于電子元器件而言，根據其種類和尺寸，會有“電流最大只能流過??A（安培）”和“電壓只能在這個范圍內使用”等限制，這種規格稱為“額定值”。
例如，在電子制作中經常使用的Arduino，標準型號Arduino UNO中使用的微控制器芯片是型號為“ATMEGA328P-PU”的微控制器。
圖3.1 黃框中的是ATMEGA328P-PU芯片
查看微控制器芯片ATMEGA328P-PU的技術規格書（見下圖），可以看到在“電氣特性-絕對最大額定值”項中顯示“每個輸入輸出引腳的直流電流最大為40.0mA”。
圖3.2 ATMEGA328P-PU電氣特性
【參考】摘自ATMEGA328P-PU技術規格書第205頁
https://avr.jp/user/DS/PDF/mega328P.pdf
這就是說，比如當通過Arduino點亮LED時，通常會連接一個通用輸入輸出引腳，此時“如果電流達到40mA以上，大概率會損壞”。
假設每個LED以10mA的電流點亮，那么并聯四個LED時大概率會造成損壞。如果“希望點亮10個LED！”而事實只能讓最多4個LED亮起來，是不是有點難過？在這種情況下，就需要晶體管大顯身手了。
4. 晶體管的基礎知識和選型方法
在電子制作中使用晶體管時，最重要的因素是集電極電流(Ic)的額定值。集電極電流是流入晶體管集電極引腳的電流額定值，是表示“這個晶體管最大允許流過這么大的電流”的指標。該值的大小決定了可以將多少安培電流施加給負載（LED或電機），因此這是一個非常重要的參數。
與各引腳相關的電流名稱如圖4.1所示，表示“該晶體管最大可以將電流放大幾倍”的電流放大系數h_FE用圖4.1中的公式表示。這是一個非常簡單的關系表達式，“輸出電流I_C等于h_FE乘以輸入電流I_B”。
圖4.1 晶體管基礎
當您打開網上銷售晶體管的網店頁面時，會發現出來很多晶體管。選擇晶體管時，需要注意類型（結的結構是NPN還是PNP）、集電極電流額定值和電流放大系數。
本次使用的晶體管是“2SC1740S”。它是NPN型晶體管，集電極電流額定值為150mA。這次的作品每個LED通過10mA的電流，10個LED并聯，總共需要進行100mA電流的開關，在“2SC1740S”的額定范圍內。
圖4.2 晶體管 2SC1740S
【參考】秋月電子通商 晶體管 2SC1740S
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-11858/
5. 實際試用晶體管
現在，讓我們把晶體管安裝在面包板上試用一下吧！首先，我們嘗試只讓一個LED開關。
圖5.1 開關電路圖（使用晶體管）
圖5.2 開關電路外觀（使用晶體管）
當我們實際按下開關讓基極流過電流時，集電極也流過電流并且LED亮起。
6. 引腳順序為“愛?酷?寶”
晶體管有3個引腳，分別為基極(B)、發射極(E)、集電極(C)，但引腳名稱并沒有標在器件主體上。因此，在使用之前，一定要確認“技術規格書”，里面記載有引腳分配。技術規格書可以通過搜索產型號獲取，或通過產品銷售頁面下載，但每次都去找有點太麻煩了，所以在這里為您介紹一種可以記住引腳順序的方法。
晶體管引腳從左到右的方向以面向刻有產品型號的一面為基準（本次使用的“2SC1740S”為標有“C1740”的一面）。電子制作中經常用到的晶體管，按照這個方向從左到右大多數依次是發射極（E）、集電極（C）、基極（B）。這個“E、C、B”的順序可以取其諧音“愛、酷、寶”，如果您想省去查看技術規格書的麻煩，通常可以按照這樣的引腳順序進行接線。
圖6.3 晶體管引腳順序的記憶方法
但是需要注意的是，這個“愛酷寶”的順序并不適用于所有的晶體管。即使晶體管的外觀相同，引腳的順序也可能偶爾有不一樣的，表面貼裝型晶體管的引腳順序也可能不同，所以在開始組裝電路時，或使用從未使用過的晶體管型號時，一定要確認一下技術規格書。
7. 嘗試增加負載
現在，使用了晶體管的開關電路已經可以用了。機會難得，讓我們借此機會嘗試將LED的數量從1個逐漸增加到10個！組裝電路圖如圖7.1所示。
圖7.1 開關電路圖（LED×10個）
圖7.2 10個LED
讓10個LED閃爍時，表現如下：
8. 用Arduino使LED閃爍
最后，我們通過將前面使用了晶體管的開關電路的按鈕開關部分替換為Arduino的通用輸入輸出端口，實現無需手指按按鈕而使LED自動閃爍。在這種通過微控制器控制的情況下，晶體管可以大顯身手。
*使用USB數據線從電腦向Arduino供電。
圖8.1 開關電路圖（使用Arduino和晶體管）
圖8.2 開關電路外觀（使用Arduino和晶體管）
Arduino程序并不需要做什么特別的事，只需在Arduino IDE中寫入作為示例程序的“blink.ino”并執行即可。源代碼中的“LED_BUITIN”是為了使用安裝在Arduino UNO板上的LED時的引腳編號，由于也連接到引腳13，所以只要將引腳13與面包板上的晶體管的基極引腳相連接即可實現聯動。
接線時請一定要連接面包板的GND（電池的負極）和Arduino的GND，如果不連接，電路將無法正常工作。在面包板上進行實驗時，忘記接GND是一個常見的錯誤，所以請務必好好確認。
Arduino示例程序blink.ino（僅摘錄了setup()、loop()部分）
void setup() {
// initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
delay(1000); // wait for a second
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW
delay(1000); // wait for a second
}
下面的視頻為使用Arduino進行LED開關的表現。
我曾經提到過每個Arduino端口的絕對最大額定電流是40mA，但是通過像這次這樣使用晶體管，就可以控制超出該范圍的負載開關。
9. 總結
在本文中，我們學習了晶體管的基本使用方法，同時，還嘗試了通過按鈕開關和Arduino讓晶體管發揮開關作用。毫不夸張地說，不僅控制LED和電機的時候要用到晶體管，在傳感器和放大器等相關電子制作中，幾乎都會用得到晶體管。如果您能夠熟練使用晶體管，那么您將能夠在更寬廣的電子制作世界中享受其中的妙趣，所以，歡迎大家積極挑戰各種電路的制作！
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