用晶体管构建非门——输出始终保持高电平

电器工程 晶体管 引领 面包板
2022-02-02 15:14:36

我正在按照本教程使用晶体管(使用略有不同的部件)构建一个非门。

我看到的问题如下:当没有电压施加到晶体管的基极时,电流通常会流过包括集电极在内的路径(应该如此)。但是,当向基极施加电压时电流仍会流过集电极的路径(不应该)。换句话说,无论如何,我总是得到高输出。

问题:我想知道我做错了什么,或者我(仍然非常有限)对电路应该如何工作的理解有什么问题。

教程内容摘要(以防链接稍后失效)

这是我们正在尝试构建的电路:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

这就是它应该如何工作(在我的理解中):

  • 如果SW打开,则电流如下所示:+6V -> R1 -> LED1 -> GND
  • 如果SW是闭合的,那么电流是这样流动的:(+6V -> SW -> R2 -> B->E -> GND换句话说,没有电流流过R1LED1)。

我建立的电路

我的电路略有不同,因为我有不同的部件(特别是,我还没有任何跨接电缆),还因为我添加了一些额外的 LED 来尝试“调试”问题。我意识到这些额外的 LED 会增加更多的电阻(之前我使用的是真正的电阻,教程中说要使用跨接电缆),但我不确定这是否重要。

这是我建立的电路(我认为):

示意图

模拟这个电路

这就是正在发生的事情:

  • 何时SW打开,然后仅LED3点亮(如预期的那样)
  • SW关闭时,所有三个 LED 都会亮起(应该亮起,但LED1不应该亮起)。也就是说:基极有电压(因为亮了),有电流流过(因为亮了)。但是,电流仍在流过(因为亮着——它不应该亮着)。LED2LED3LED1B->ELED2+9V -> R3 -> R4 -> LED3LED3

(注意:即使在添加额外的“调试”LED 之前,我也看到了同样的问题,即LED3始终亮着,与开关状态无关。)

板子的图片

打开开关:

打开开关

闭合开关:

闭合开关

研究

这个答案(对相关问题)似乎是相关的。

特别是:

您所做的是将发射极接地,集电极通过电阻接地。然后,您已向底座施加电压。

是的,我做了同样的事情,除了我通过一个电阻器将发射器连接到地(LED2由于缺少跨接电缆,我之前使用的或 220 Ω 电阻器 - 我不确定这是否重要,尽管)。

但是,在您的情况下,集电极的电位并不高于基极,而是处于较低的电位。[...] 您现在有电流从基极流向阴极,通过电阻器流向地,从而识别出神秘的电流流动。

这也是我的原因吗?我不知道如何计算集电极和底座的电势,但我将我的电路与教程中的电路进行了比较,这些是我的结论:

  • 在我的情况下,电池的电压更高(9 V vs 6 V),但我认为这并不重要。
  • 电阻较低(440 (=220+220) Ω vs 1 kΩ),但它们在两个分支上是相同的。(即:教程在集电极和基极上都有 1 kΩ,我在集电极和基极上都有 440 Ω)。
  • 此外,我尝试将集电极的电阻增加到 880 Ω(加上两个额外的电阻),结果仍然相同。

还有一件事:我很确定我以正确的方式连接了晶体管,但我也尝试了另一种方式,以防万一(结果相同)。

4个回答

如果 SW 闭合,则 ... 没有电流流过 R1 和 LED1。

不完全的。电流总是流过 R1,但是当晶体管开启时,所有电流都流过它,由于集电极电压现在小于 LED 的正向压降,所以没有电流流过 LED。

当您将 LED2 插入晶体管的发射极引线时,晶体管不可能将其集电极拉低到足以“短路”LED3。发射极电压现在等于 LED2 的正向压降,而集电极电压比它高几百 mV。

如果您取出 LED2 并将发射器再次接地,电路将按预期工作。

第1部分:

如果 SW 开路,则电流如下所示:+6V -> R1 -> LED1 -> GND。

正确的。

如果 SW 闭合,则电流如下所示:+6V -> SW -> R2 -> B->E -> GND(换句话说,没有电流流过 R1 和 LED1)。

不太对。将电流馈入基极将打开晶体管。电流将流过 R1,但将通过晶体管在 LED 周围分流。如果你打开晶体管“足够硬”(足够的基极电流),集电极 - 发射极电压将下降到大约 0.2 V,这不足以导致 LED 显着导通。

问题是(我认为)你的 LED2。在原始教程中,晶体管没有串联 LED,这使得电路工作如下:

  • 当 SW 开路时,Q1 不导通,LED1 必须导通,因为没有其他路径。
  • 当 SW 闭合时,Q1 开始导通并像二极管一样工作,正向电压为 0.2V。您的 LED 的正向电压为 1~3V(取决于颜色)。当两个二极管并联并且具有不同的正向电压时,只有一个具有较低正向电压的二极管会导通,因为电压变化不是瞬时的,而是随着时间的推移而上升(虽然很快)。当它达到 0.2V 时,Q1 开始导通,这将使 Q1 两端的电压差保持在 0.2V,这意味着 LED1 将永远不会导通。

现在,您添加了一个与 Q1 串联的 LED2,这使得它们的组合正向电压(是的串联二极管组合在一起)高于LED1,这意味着电子将始终通过 LED1,而与 Q1 无关。

以下是它的工作原理:

  • SW 开路,Q1 不导通。LED1 是唯一的路径。
  • SW闭合,Q1可以导通,但LED2的Vf与LED1相同,即LED2+Q1>LED1。因此,当电压上升到 LED1 的 Vf(假设为 3V)时,LED1 开始导通,但还不足以让 Q1 和 LED2 导通。当 LED1 导通时,它会保持 3V 的电压差,这意味着 Q1 和 LED2 永远不会开启。

TL;DR 移除 LED2 并重试。

您遇到的问题与 Q1 集电极的电压有关。

Q1 的目的是在 LED3 开启时将其短路。因此,当 LED2 开启时,LED3 应该关闭,反之亦然。

现在查看 Q1 导通时的电压。LED2 的正向电压通常约为 1.8V。Q1 将饱和,Vce 约为 0.2V(对于典型的小信号硅晶体管)。这些电压是串联的,最高可达 2.0V。

但是,Q1 集电极的电压施加到 LED3。2V 足以使 LED3 导通,因此它永远不会“熄灭”。实际上,一些电流可能从 LED3 转移,但不多。

添加一个与 LED3 串联的小信号二极管(例如 1N4148)会使包括 LED3 在内的路径的导通电压增加约 0.7V。这足以在 Q1 开启时停止 LED3 点亮。

移除 LED2 会产生类似的效果。