電子實驗與電子制作之晶體管電路

一、單管無線話筒

電路原理

電路圖見圖22-11。電路用一只高頻三極管組成電容式振蕩電路，用駐極式話筒將聲音變成模擬電信號，控制三極管的基極，從而改變振蕩頻率，輸出按照聲音規(guī)律而變化的高頻振蕩信號，再由天線發(fā)射出去。高頻振蕩頻率在調(diào)頻廣播波段，所以可以使用調(diào)頻收音機作為接收器。為了小型化，電路采用一節(jié)5號電池供電。電路輸出功率很小，工作半徑約為十幾米。

圖22-11

制作要點

由于電路工作在100MHz，所以電路應(yīng)使用環(huán)氧樹脂的印刷板。如果使用普通絕緣紙印刷電路板，則電路不易起振。由于電路比較簡單，所以印刷電路板的設(shè)計也很容易。

學(xué)習、實驗與思考

1．三極管放大電路

三極管具有放大功能，在這個電路中，這個放大功能主要用來產(chǎn)生高頻振蕩。其工作原理簡單說是這樣的，對于高頻信號而言，基極接地，組成了共基極放大電路；從集電極輸出的高頻信號，通過電容分壓電路，反饋到發(fā)射極，再由共基極電路進行放大，從而維持高頻振蕩。

對于直流電壓和音頻信號而言，三極管組成了共發(fā)射極電路。這種電路具有電流放大倍數(shù)高的特點。在基極輸入很小的電流，就可以在集電極上獲得較大的電流輸出。這樣，改變基極電阻的阻值，就可以調(diào)整三極管的輸出電流大小，進而改變其工作點。電路工作時，由駐極體話筒輸出的音頻信號由三極管進行放大，在集電極上獲得較大的電流變化。由于三極管的集電極與發(fā)射極之間存在一定的電容，并且這個電容的大小可以根據(jù)集電極的電壓變化而變化，所以，當基極電流根據(jù)聲音信號產(chǎn)生變化時，其集電極電容也產(chǎn)生相應(yīng)的變化；這個電容是并聯(lián)在振蕩回路上的，從而振蕩的頻率也會隨著聲音信號的變化而改變。這樣，由天線發(fā)射出去的高頻信號是被聲音信號調(diào)制的變頻信號。這種調(diào)制方式叫做調(diào)頻。

2．共發(fā)射極電路工作點調(diào)整實驗

所謂三極管的工作點是指其集電極靜態(tài)電流的大小，它決定了三極管的工作狀態(tài)。它的大小可以改變了三極管的放大倍數(shù)、輸入阻抗和頻率特性。在本電路中，集電極電流一般在0.5～3mA之間為宜。

調(diào)整工作點的實驗可以用一個串聯(lián)在基極電阻的電位器，也可以用逐次改變基極電阻的方法來進行。電流表應(yīng)串聯(lián)在電源電路中進行測量，這樣得到的數(shù)據(jù)雖然不是集電極電流，但是也能夠基本反映出集電極電流的大小。為什么電流表不宜串聯(lián)在集電極電路中呢？因為這樣做電流表會影響到振蕩回路的性質(zhì)。

每次實驗要做好記錄，記錄下基極電阻的大小，對應(yīng)的基極電流，及在這個電流下，無線話筒的使用狀況，包括音質(zhì)、發(fā)射有效距離等。

實驗的主要目的是了解基極電阻與三極管工作點的關(guān)系，三極管工作點與其放大倍數(shù)的關(guān)系等，從而對共發(fā)射極電路有比較深刻的認識和理解。

3．頻率穩(wěn)定性實驗

所謂頻率穩(wěn)定性是指無線話筒在工作中發(fā)射頻率的穩(wěn)定。我們希望它在工作中，發(fā)射頻率保持不變。但是實際上，這個電路的穩(wěn)定性較差。有時工作了幾分鐘后，頻率就“跑”了；這時你會發(fā)現(xiàn)接收機需要重新調(diào)整才能收到信號。還有時用手靠近發(fā)射天線，也會改變發(fā)射頻率。為了檢驗電路的頻率穩(wěn)定性，同樣需要進行測試。具體的實驗步驟和方法讀者可自行設(shè)計。

4．駐極體話筒偏置電阻實驗

駐極體話筒工作時需要外加直流電壓，這個電壓是通過偏置電阻給出的。外加電壓的大小可以影響話筒的工作效率。由于電路的電源電壓不同，不同的電路中駐極體話筒的偏置電阻的大小也不同。一般這個電阻可在1k～10k之間選擇。通過實驗選擇適當?shù)钠秒娮?，可以使話筒獲得最佳的靈敏度。

二、頻率穩(wěn)定的無線話筒

電路原理

電路圖見圖22-21。這個電路在單管無線話筒的基礎(chǔ)上，增加了一級輸出隔離電路，以提高發(fā)射頻率的穩(wěn)定性。單管電路的主要缺點就是工作頻率不穩(wěn)定，尤其易受發(fā)射天線的干擾；使用時如果發(fā)射天線周圍環(huán)境改變了，頻率就會隨之變化，影響無線話筒的正常工作。分析造成這一現(xiàn)象的原因就是天線直接接在振蕩回路上，由于天線本身與周圍環(huán)境形成一個電容，所以天線改變，就會引起振蕩回路的電容變化，導(dǎo)致振蕩頻率漂移。針對這一缺點，在原來高頻振蕩器與發(fā)射天線之間，用一級共集電極放大電路來傳輸高頻信號。由于共集電極電路具有較大的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，所以可以提高發(fā)射電路的頻率穩(wěn)定性。另一方面，天線對振蕩回路不會產(chǎn)生直接影響，從而消除了由于天線產(chǎn)生的頻率漂移。

圖22-21

制作要點

由于共集電極電路輸入阻抗較高，高頻信號輸入電容C6只要10個pF，甚至可以不用，只要將這級三極管的基極靠近高頻振蕩電路的集電極即可。

學(xué)習、體驗與思考

1．調(diào)整共集電極電路工作點實驗

在一定范圍調(diào)整共集電極電路的工作點，可以改變輸出功率。

2．頻率穩(wěn)定性實驗

設(shè)計的目標是獲得頻率穩(wěn)定的電路，應(yīng)該做到即使用手觸摸天線，發(fā)射頻率也不會改變。可通過實驗檢驗電路是否達到預(yù)期的目標。實驗應(yīng)該與單管無線話筒對比進行。

三、1.5V電壓多諧振蕩器LED閃燈

在通常的電路中，發(fā)光二極管LED的電源電壓一般在3V以上，通過限流電阻保持LED的正常工作。本電路采用1.5V電源可驅(qū)動工作電壓在1.7V以上的LED發(fā)光。而且，當電池電壓降至1.2V時仍可驅(qū)動發(fā)光二極管工作。

電路原理

電路圖見圖22-31。用兩個三極管組成多諧振蕩器，然后用倍壓整流電路將多諧振蕩器輸出的脈沖電壓升高，驅(qū)動LED閃亮。

圖22-31

制作要點

為了方便地進行實驗，可在面包電路板上進行制作。有關(guān)面包板的使用方法，請參閱第一章有關(guān)內(nèi)容。

學(xué)習、體驗與思考

1．發(fā)光二極管的工作電壓

發(fā)光二極管俗稱LED，它的工作電壓是多少？也許有人覺得太簡單了——1.7V，書本上早有答案。其實我們應(yīng)該通過實驗更進一步認識LED的工作電壓。如果我們多收集一些各種型號的LED，就會有一些新發(fā)現(xiàn)。

普通LED，紅、綠、橙三種顏色各若干。

高亮度LED，紅、綠、橙三種顏色各若干。

然后通過測量就會發(fā)現(xiàn)，普通亮度的LED工作電壓在1.7～2.1V之間，而高亮度LED工作電壓在1.4～1.8V之間。而且型號不同，工作電壓也不同。紅色的工作電壓最低。一種藍色LED，工作電壓在2.8V以上，在相同的電流下，比紅色的LED亮上百倍。與此同時，研制白色LED的工作也取得了進展，相信在不久的將來，利用白色發(fā)光二極管做照明光源的時代就會到來。

2．三極管多諧振蕩器

多諧振蕩器也叫自激多諧振蕩器，是一種產(chǎn)生矩形脈沖的單元電路。所謂多諧振蕩器，是由于矩形波含有脈沖頻率各種整數(shù)倍數(shù)的高次諧波；例如頻率為6Hz的矩形脈沖，除了含有6Hz的基波，還包含12Hz、18Hz、……等諧波成分。典型的多諧振蕩器的電路結(jié)構(gòu)也是對稱的，即位置對稱的電阻、電容、三極管的型號和參數(shù)相同。

多諧振蕩器電路的兩個三極管互相接成正反饋電路，可產(chǎn)生矩形波振蕩。其振蕩過程如下。電源接通后，左右兩個晶體管分別通過自己的基極電阻得到正向電壓，它們都趨向?qū)в谕?；但是兩個晶體管的參數(shù)不可能完全相同，總會有一個通過的電流強一些。不妨設(shè)左邊的集電極電流強些，則由于集電極電阻的降壓作用，導(dǎo)致左邊晶體管的集電極電位下降；這樣，電容C2充電，引起右邊的三極管基極電流減小，進而導(dǎo)致右邊三極管集電極電流減小；這樣右邊的集電極電位升高，引起左邊的三極管電流進一步變強；由于這種強烈的正反饋，最終導(dǎo)致左邊三極管飽和，右邊三極管截止。但這是一個暫穩(wěn)狀態(tài)。進入暫穩(wěn)狀態(tài)后，C2上的電壓逐漸升高，當這個電壓達到右邊三極管基極導(dǎo)通電壓時，右邊三極管開始導(dǎo)通，右邊三極管進入放大區(qū)，集電極電流變大；這樣右邊三極管集電極電位變低，這樣，電容C1充電，引起左邊的三極管基極電流減小，導(dǎo)致左邊三極管電流減小；最后到達右邊三極管飽和，左邊三極管截止的暫穩(wěn)狀態(tài)。如此完成了多諧振蕩器的一個脈沖周期。脈沖寬度約為暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，即

d=0.7Rb1*C1=0.7Rb2*C2

3．改變多諧振蕩器頻率實驗

從上面可以看出，電容C1和C2的大小可以影響振蕩頻率。事實上多諧振蕩器的頻率還與外接的基極電阻和集電極電阻有關(guān)，也與電源電壓有關(guān)。但是它們對頻率的影響是不同的。電容是最主要的因素，振蕩頻率與電容成反比。至于其他元件對頻率的影響，可以通過實驗來認識。做實驗要注意，每次只改變一種元件，并且做好記錄。

實驗的目的是弄清楚這個電路中，影響頻率的主要因素和次要因素。

在本電路中，通過實驗，采用了非對稱的電容器，以取得滿意的燈光效果。

4．硅晶體管與鍺晶體管實驗

將導(dǎo)通二極管D1分別用硅管和鍺管接入，其他不變，可以看出，用鍺管時，LED的亮度明顯大于用硅管時的亮度。從這個對比實驗可以認識到，鍺管的正向?qū)妷旱拇_比硅管的要小。

5．一種更簡單的1.5V發(fā)光二極管驅(qū)動電路

電路圖見圖22-32。這個電路采用晶體管直接耦合放大電路，因而只需1只電容器；電路具有電路簡單，節(jié)省元件的優(yōu)點。其驅(qū)動發(fā)光二極管的原理與前面的電路不同。電路通過電容器反饋產(chǎn)生振蕩。由于電路采用獨特的設(shè)計，左邊的三極管對交流信號來說是共基極放大電路，右邊的三極管對交流信號來說是共集電極放大電路；共基極電路的特點是輸入電阻小，共集電極電路的特點是輸出電阻小，發(fā)光二極管接在振蕩電路的輸出端可以獲得超過電源電壓的驅(qū)動。共基極電路的電流放大系數(shù)小于1，其電壓放大系數(shù)取決于輸出電阻與輸入電阻之比；共集電極電路的電壓放大系數(shù)小于1，所以整個電路的電壓放大系數(shù)和電流放大系數(shù)相當于1個共發(fā)射極三極管的放大系數(shù)。由于整個電路的放大系數(shù)較低，所以電路產(chǎn)生振蕩的條件比較苛刻。通過實驗可知，電路對外接的電阻數(shù)值要求比較嚴格，稍有偏離，電路不易起振；它的振蕩頻率范圍窄，需細心調(diào)整才能成功。

圖22-32

6．面包板使用技巧

為了更方便地進行電子實驗活動，通常在面包板上進行電路的設(shè)計和開發(fā)。使用時把電路中各種元器件插到面包板上，再按照電路圖用插線將電路組裝好，就可以看到電路的效果了。在面包板上組裝電路，可以方便快速地修改設(shè)計，不但可以做到心中有數(shù)，使得作品的完成更順利，還可以進行各種實驗，通過實驗直接體驗到電路的性能，學(xué)到許多書本上沒有的知識和技能，開發(fā)出更多更好的作品。使用面包板組裝電路要用大量長短不同的接線。在面包板上有一種專用插線，但是這種專用插線的接頭很容易損壞?？捎弥睆綖?mm的硬絕緣銅線自制面包連接線。根據(jù)所需連線的長度，剪裁電線并將電線兩端的絕緣皮剝離，再插入面包板。使用自制插線有幾點好處：價格便宜、長度合適、接線牢固、使用方便，可謂物美價廉。另外，在頻繁地將電子元器件插入面包板的過程中，遇到的一個困難是插孔太緊，導(dǎo)致用力過大而將元器件的引線損壞。為解決這個問題，可以制作一個專用的錐子，在每次插入零件之前，先用它來插入孔內(nèi)一次，再將零件的引線插入，就十分容易了。這種錐子可用大頭針制作。取一枚大頭針，將頭部折彎，然后用電熱塑槍打出一團塑膠將大頭針的頭部及中間部分包裹起來，留出約８毫米的針尖。等到塑膠冷卻后，一個方便的小工具就制作成功了（見圖13-14）。還要提醒大家，不用時別亂放，要把這個錐子插到面包板上。

7．思考

①設(shè)計一種在多諧振蕩器驅(qū)動電路上帶動2只LED發(fā)光的電路。

②回答：可使電路正常工作的電源電壓是多少？使用的LED啟動電壓是多少？兩者相差多少？

四、電話通話燈光顯示器

把它接在電話線上，沒有通話時，它不發(fā)出燈光；當電話摘機后，會發(fā)出燈光提示。把顯示器放在明顯的地方，可以減少發(fā)生電話聽筒沒有放置在正確的位置的情況。

電路原理

電路圖見圖22-41。電路由整流電路、電壓識別電路、燈光顯示驅(qū)動電路組成。整流電路可使顯示器接入電話線路時不必考慮電話線路的正負極。電壓識別電路用來識別電話的工作狀態(tài)。在沒有摘機時，電話處于待機狀態(tài)，電話線路的電壓約為50V的直流電壓；當電話摘機時，線路電壓降低到10V以下。50V的較高電壓可擊穿電路的12V穩(wěn)壓管，使三極管V1導(dǎo)通；V1的集電極與三極管V2的基極并聯(lián)，V1導(dǎo)通后，使V2基極電位變低，V2截止，接在V2集電極的發(fā)光二極管不亮。當線路電壓降低到10V以下時，穩(wěn)壓管截止，三極管V1截止，使V2基極電壓升高，V2導(dǎo)通；接在V2集電極的發(fā)光二極管被點亮，顯示電話在使用中。為了防止電路對來電振鈴電壓產(chǎn)生影響，電路中設(shè)置了時間延遲電路。

圖22-41

制作要點

為了盡量減少電路對電話線路的影響，電路工作時使用的電流要盡可能的小，所以要使用高亮度的發(fā)光二極管。

學(xué)習、體驗與思考

1．評價電路對電話線路的影響

首先進行理論分析，計算或者估算電路在沒有摘機時最大消耗電流是多少，然后再用電流表進行測量，驗證理論分析。如果出現(xiàn)很大出入，一定要找出導(dǎo)致非正?，F(xiàn)象的原因。按照電路給出的數(shù)據(jù)可知，電路靜態(tài)消耗電流約為200微安，不會對線路產(chǎn)生不利影響。

2．9014晶體三極管

電路采用了2只9014型三極管。9014是一種小功率低頻硅三極管，常用來進行低頻電壓放大；它在90系列三極管中的特點是電流放大倍數(shù)高，β值在200以上，最高的達1000倍。在如此高的放大倍數(shù)工作，三極管的工作狀態(tài)還十分穩(wěn)定，這是其他任何三極管所達不到的。電流放大倍數(shù)越高，基極所需的電流就越??；此外它的集電極—發(fā)射極反相擊穿電壓也比較高，因此特別適合使用在這個電路中。

3．來電振鈴燈光顯示實驗

為了確保電路不影響振鈴信號，電路用積分電路對信號進行延遲，可通過實驗測定延遲時間。根據(jù)實驗可知，電路延遲時間約為半秒鐘，也就是摘機后約過半秒鐘燈光才亮。這樣，對振鈴信號也起到了過濾作用，在電話響鈴時燈光不亮。如果取消電容器C1，則可觀察到振鈴時燈光也在閃亮。

4．電器電源電壓過低提醒電路設(shè)計

很多電器設(shè)備上都有電池電壓過低提醒電路。利用本電路的原理，可以設(shè)計這樣的電路。例如采用3V電壓的電器，當電源電壓降到2.5V時就不能正常工作，設(shè)計這樣的電路，使得電源電壓高于2.5V顯示燈不亮，當電壓降至2.5V顯示燈亮，以提醒使用者注意。