晶体管作为开关工作

在这个晶体管教程中，我们将学习晶体管作为开关的工作原理。开关和放大是晶体管的两个应用领域，晶体管作为开关是许多数字电路的基础。我们将学习晶体管的不同工作模式(有源、饱和和截止)，晶体管如何作为开关工作(NPN和PNP)和一些使用晶体管作为开关的实际应用电路。

介绍

晶体管是一种三层、三端半导体器件，常用于信号放大和开关操作。晶体管作为一种重要的电子器件，在嵌入式系统、数字电路和控制系统等领域有着广泛的应用。

你可以在数字和模拟领域找到晶体管，因为它们广泛用于不同的应用用途，如开关电路，放大器电路，电源电路，数字逻辑电路，稳压器，振荡器电路等。

本文主要讨论了晶体管的开关作用，并对晶体管作为开关的作用作了简要的说明。

关于BJT的简介

晶体管有两个主要的家族:双极结晶体管(BJT)和场效应晶体管(fet)。双极结晶体管或简称BJT是一种三层、三端和两结半导体器件。它由两个PN结背对背耦合和一个共同的中间层组成。

每当我们说到“晶体管”这个词时，它通常指的是BJT。它是一个电流控制装置，输出电流由输入电流控制。双极是指在BJT中有两种载流子，即电子和空穴传导电流，空穴是正电荷载流子，电子是负电荷载流子。

晶体管有三个区域，即基极、发射极和集电极。发射极是一个重掺杂的终端，并将电子发射到基极。基极端被轻微掺杂并将射极注入的电子传递到集电极上。集电极端适度掺杂并从碱基收集电子。这个集热器比其他两个区域大，所以它可以散发更多的热量。

bjt有两种类型:NPN和PNP。这两个功能在相同的方式，但他们在偏压和电源极性方面不同。在PNP晶体管中，n型材料夹在两个p型材料之间，而在NPN晶体管中，p型材料夹在两个n型材料之间。

这两个晶体管可以配置成不同的类型，如共发射极，共集电极和共基极配置。

如果你在找工作MOSFET作为开关，然后先学习基本的场效应晶体管．

晶体管的工作模式

根据偏置条件，如正向或反向，晶体管有三种主要的工作模式，即截止区、有源区和饱和区。

主动模式

在这种模式下，晶体管通常被用作电流放大器。在有源模式下，两个结是不同的偏置，这意味着发射极-基极结是正向偏置，而集电极-基极结是反向偏置。在这种模式下，电流在发射极和集电极之间流动，电流的大小与基极电流成正比。

截止模式

在这种模式下，集电极基极结和发射极基极结都是反向偏置的。由于两个PN结都是反向偏置，除了小的泄漏电流(通常在几个纳安培或皮安培的顺序)几乎没有电流流动。在这种模式下BJT被切断，本质上是一个开路。

截止区主要用于开关和数字逻辑电路。

饱和状态

在这种工作模式下，发射极-基极和集电极-基极结都是正向偏置的。电流从集电极自由地流到发射极，电阻几乎为零。在这种模式下，晶体管完全接通，本质上是一个闭合电路。

饱和区也主要用于开关和数字逻辑电路。

下图显示了BJT的输出特性。在下图中，截止区具有集电极输出电流为零、基极输入电流为零和集电极最大电压的运行条件。这些参数导致一个大的耗尽层，进一步不允许电流流过晶体管。因此，晶体管完全处于OFF状态。

类似地，在饱和区，晶体管偏置的方式是施加最大基极电流，从而产生最大集电极电流和最小集电极-发射极电压。这导致耗尽层变小，并允许通过晶体管的最大电流。因此，晶体管完全处于ON状态。

因此，从上面的讨论可以看出，在截止和饱和区域工作晶体管可以使晶体管工作为ON/OFF固态开关。这种类型的开关应用程序用于控制led，电机，灯，螺线管等。

晶体管作为开关

晶体管可用于开关操作，以断开或闭合电路。与传统继电器相比，这种类型的固态开关提供了显著的可靠性和更低的成本。

NPN和PNP晶体管都可以用作开关。有些应用程序使用功率晶体管作为开关器件，这时可能需要使用另一个信号电平晶体管来驱动大功率晶体管。

作为开关的NPN晶体管

根据施加在晶体管基极端的电压，进行开关操作。当一个足够的电压(V_在在基极和发射极之间施加> 0.7 V)，集电极对发射极电压约等于0。因此，晶体管起到了短路的作用。集电极电流V_CC/ R_C流过晶体管。

类似地，当没有电压或零电压施加在输入，晶体管在截止区工作，作为开路。在这种开关连接中，负载(这里用一个LED作为负载)通过一个参考点连接到开关输出。因此，当晶体管接通时，电流将通过负载从电源流到地。

NPN晶体管作为开关的例子

考虑下面的例子，其中基电阻R_B= 50 KΩ，集电极电阻R_C= 0.7 kΩ， v_CC是5V, beta值是125。在基部，输入信号在0V和5V之间变化。我们将通过改变V来看到集电极的输出_我在0和5V两种状态下，如图所示。

我_C= V_CC/ R_C,当V_CE= 0

我_C= 5v / 0.7 kΩ

我_C马= 7.1

基极电流我_B=我_C/β

我_B= 7.1 mA / 125

我_B= 56.8µ

由上述计算可知，当电压为V时，电路中集电极电流的最大值或峰值为7.1mA_CE等于0。这个收集器电流对应的基电流为56.8µA。

因此，很明显，当基极电流增加到超过56.8微安时，晶体管进入饱和模式。

考虑在输入端施加零伏电压的情况。这导致基极电流为零，并且由于发射极接地，发射极基极结不正向偏置。因此，晶体管处于OFF状态，集电极输出电压等于5V。

当V_我= 0 v, I_B= 0 and I_C= 0,

V_C= V_CC(我_C* R_C）

= 5v - 0

= 5 v

假设输入电压为5伏，则基电流可由基尔霍夫电压定律确定。

当V_我v = 5,

我_B= (V_我- - - - - - V_是) / R_B

对于硅晶体管，V_是= 0.7 V

因此,我_B= (5v - 0.7v) / 50 kΩ

= 86µA，大于56.8µA

因此，当基极电流大于56.8微安电流时，晶体管将被驱动到饱和状态，即当输入端施加5V时，晶体管处于完全ON状态。因此，集电极处的输出近似为零。

作为开关的PNP晶体管

PNP晶体管的工作原理与NPN晶体管相同，但电流从基极流过。这种类型的开关用于负地配置。对于PNP晶体管，基极对发射极总是负偏置。

在这个开关中，当基极电压更负时，基极电流流动。简单地说，一个低电压或更多的负电压会使晶体管短路，否则，它将是开路。

在这个连接中，负载用一个参考点连接到晶体管开关输出。当晶体管接通时，电流从电源流过晶体管到负载，最后到地面。

PNP晶体管作为开关的例子

与NPN晶体管开关电路类似，PNP电路输入也是基极，但发射极连接到恒压，集电极通过负载连接到地，如图所示。

在此配置中，通过将基极连接在输入电源的负极和发射极连接在输入电源的正极，基极始终对发射极有负偏置。所以，电压V_是是负的，发射极电源电压相对于集电极是正的(V_CE积极的)。

因此，对于晶体管的传导，发射极对于集电极和基极都必须是正的。换句话说，基极必须比发射极负得多。

为了计算基极和集电极电流，使用下列表达式。

我_C=我_E——我_B

我_C= β * I_B

我_B=我_C/β

考虑上面的例子，负载需要100毫安电流，晶体管的贝塔值为100。那么晶体管饱和所需的电流为

最小基电流=集电极电流/ β

= 100 mA / 100

马= 1

因此，当基极电流为1毫安时，晶体管将完全打开。但实际上，要保证晶体管的饱和，需要增加30%的电流。所以，在这个例子中，所需的基电流是1.3mA。

晶体管作为开关的实例

晶体管开关LED

如前所述，晶体管可以用作开关。下面的原理图显示了如何使用晶体管切换发光二极管(LED)。

• 当基极端的开关断开时，没有电流流过基极，因此晶体管处于截止状态。因此，晶体管作为开路和LED成为关。
• 当开关关闭时，基极电流开始流过晶体管，然后驱动进入饱和状态，导致LED打开。
• 设置电阻来限制通过底座和LED的电流。也可以通过改变基极电流路径中的电阻来改变LED的强度。

晶体管操作继电器

也可以用晶体管来控制继电器的操作。用一个晶体管的小电路安排，能够激励继电器的线圈，以便控制外部负载连接到它。

• 考虑下面的电路，以了解晶体管的操作，以激励继电器线圈。施加于基极的输入使晶体管进入饱和区，从而进一步导致电路短路。所以，继电器线圈被激活，继电器触点被操作。
• 在电感式负载中，特别是电动机和电感器的开关，突然断电可以保持线圈的高电位。这种高电压会对其余电路造成相当大的损坏。因此，我们必须使用二极管与电感负载并联，以保护电路免受电感负载的感应电压。

驱动电机的晶体管

• 晶体管也可以用来驱动和调节直流电机的速度在一个单向的方式，通过开关晶体管在有规律的时间间隔如下图所示。
• 如上所述，直流电机也是一个感应负载，所以我们必须放置一个自由滚轮二极管跨越它来保护电路。
• 通过在截止和饱和区切换晶体管，我们可以重复地打开和关闭电机。
• 也可以通过切换晶体管在可变频率从静止到全速调节电机的速度。我们可以从控制器件或单片机等集成电路中获得开关频率。

你清楚晶体管是如何被用作开关的吗?我们希望提供的信息与相关的图像和例子澄清整个晶体管开关概念。此外，如果你有任何疑问、建议和评论，你可以写在下面。

结论

一个使用晶体管作为开关的完整教程。学习双极结晶体管的基本知识，晶体管的工作区域，作为开关的NPN和PNP晶体管的工作，开关晶体管的实际应用。