用電晶體打造簡易觸摸開關

五月 15, 2017
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Peter Strain繪

當時,大家都認為美國阿拉巴馬州牧師之子李‧德富雷斯特(Lee de Forest)會克紹箕裘,過著精神豐足、向當地子民繼續佈道的生活。 結果事情並非如此,德富雷斯特對神學並不感興趣,反而對科學非常著迷。他身懷發明家最重要的天賦──擅長使用工具,又對打造新東西充滿熱情。1899年,他從美國耶魯大學拿到博士學位後至芝加哥的西方電器公司(Western Electric Company)工作。他在工作上表現突出,但不久後就離開了公司,開始獨立著手其個人計畫。
德富雷斯特最大的成就是在1906年,發明出了第一個放大真空管。這個真空管有著全新又重要的功能:能增加無線電訊號的功率。過去的無線電訊號微弱,一定要使用耳機才能聽得見。如果無線電要變得普及,一定要讓聲音大到許多人都能聽見才行,也就是說,需要使用擴音器(請見我過去的專欄文章〈切斯特‧萊斯與動圈式音響〉。中文版收錄於《MAKE》國際中文版Vol.28),而擴音器就是由強大的電訊號驅動。
PARTS
  • 電晶體,NPN型,型號BC547(2)可在SparkFun、Amazon或Newark買到。
  • 電阻:100kΩ(1)與220Ω(1)
  • LED,2V~3V 
  • 電池座,4個三號電池,附導線
  • 三號電池(4)
  • 免焊麵包板
  • 跳線
  • 蜂鳴器,6V 非必要
TOOLS
  • 烙鐵(非必要)

開端

德富雷斯特當時將他的發明取名為 Audion,這種電子裝置可以將輸入端的微小電訊號放大,並從另一端輸出。
Audion是一種三極真空管,有三個接頭:陽極(Anode)、陰極(Cathode)和控制柵(control grid)。當電流通過燈絲(陰極)時會將之加熱,使得燈絲放出電子流。帶負電的電子會被Audion正極板(陽極)吸引。德富雷斯特的創舉便是在燈絲與正極板之間加入以電線做成的控制柵,會隨電壓大小而改變帶負電荷的多寡。當訊號通過柵格的強度改變,就能控制燈絲與正極之間通過的電子數。這就是真空管放大器放大訊號的原理──可以用較小的訊號來控制較大的電壓!

從真空管到電晶體

當工程師發現放大器有多好用後,就立刻將之運用到無線電、電話系統、科學儀器上等許多設備上。在接下來的五十年裡,有上千萬甚至上億支真空管被生產出來。然而,真空管有著許多缺點──又大、又貴、又燙。
因此,到了1945年,美國的貝爾實驗室集結了一群科學家,希望能找到能替代真空管的方案。這個研究團隊後來發明出了另一種放大器,也就是電晶體。和真空管相同,使用矽製作的固態電晶體放大器也有三個部分。中間部分的電流能控制上部分和下部分之間更大的電流。現代的放大器使用積體電路製作,在一個電子元件中就包含了大量的電晶體。

以放大器製作的觸摸開關

在這一期的〈再造歷史〉專題,我們要使用由李‧德富雷斯特做為先驅的電子放大器,打造一個觸摸開關。我們會使用一對簡單的固態電晶體(其實原則上,德富雷斯特的三極真空管也可以用在這個專題中)來放大流過你指尖的微小電流。
你的身體具有相當的電阻,因此你沒辦法直接用手抓住兩條電線,接上低電壓(6伏特)直流電源來形成足夠將LED點亮的電流。儘管如此,那並不表示完全沒有電流通過,只是因為你的皮膚有電阻(大約100,000歐姆,隨皮膚的清潔與乾燥程度而有所變化),所以通過身體的電流非常微小。不過,如果這樣微小的電流可以被偵測到,並透過放大器放大,那你就可以用手指當作開關來點亮LED或打開蜂鳴器。
圖片

請參考上面的電路圖來組裝你的觸摸開關。如果你用的是 免焊麵包板,這個專題就相對簡單,只要參考這裡的圖片就好。或者你也可以直接將元件焊接在一起。
1. 首先,請確定LED的正極,通常是比較長的那根接腳。
2. 將電晶體拿起來,平的面朝向你,腳朝下,左邊那支接腳是集極(collector)、中間那支接腳是基極(base)、右邊那支接腳則是射極(emitter)。
3. 將第一電晶體射極接上第二電晶體的基極,並將第二電晶體射極接上麵包板負極軌,第一電晶體基極用跳線接到麵包板上沒有用到的一排上(見下圖)。
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Anthony Lam攝

4. 在第一電晶體集極與麵包板正極軌之間加上100kΩ電阻。將LED正極接到麵包板正極軌,然後,請在LED負極和第二電晶體集極之間加上220Ω電阻(見下圖)。
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Anthony Lam攝

5. 接著,請將2條跳線垂直放在麵包板上來打造觸摸開關。一條放在麵包版正極軌,另一條垂直跳線接到第一電晶體基極上面的小跳線上。你也可以將LED與蜂鳴器並聯。最後,將6V電池座連接至麵包版的正極軌與負極軌上(如下圖)。
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Anthony Lam攝

放大吧!

在這個電路中,放大器彼此串聯放大訊號,將原本的電流放大了幾百倍。當你同時按住連接6V電軌的裸線和連接100K電阻的電晶體基極時,微小的電流會從電池流過你的手指,再流到電晶體基極。
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Hep Svadja攝

電流先由第一電晶體放大,接著再由第二電晶體放大,最後足夠將LED點亮並讓蜂鳴器響起。恭喜你,你完成了你的自製電流放大觸摸開關了!
(譯:花神)
原文
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