晶体管作为开关的工作原理

在这个晶体管教程中，我们将学习晶体管作为开关的工作。开关和放大是晶体管的两个应用领域，而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)和使用晶体管作为开关的一些实际应用电路。

简介

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。作为一种重要的电子器件，晶体管在嵌入式系统、数字电路和控制系统等领域有着广泛的应用。

你可以在两者中找到晶体管数字和模拟它们广泛应用于不同的应用领域，如开关电路、放大电路、电源电路、数字逻辑电路、稳压器、振荡器电路等。

这篇文章主要集中于晶体管的开关作用，并简要解释晶体管作为开关。

关于BJT的简要说明

晶体管主要有两大类: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、三端和两结的半导体器件。它由两个PN结和一个共同的中间层背靠背耦合而成。

每当我们说到“晶体管”这个词时，它通常指的是BJT。它是一种电流控制装置，输出电流由输入电流控制。名称双极表明两种类型的载流子，即电子和空穴在BJT中传导电流，其中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。发射器是一个重度掺杂的终端，并向基极发射电子。基端被轻微掺杂，并将发射注入的电子传递到集电极上。集电极端被适度掺杂并从基底收集电子。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。两者功能相同，但它们在偏置和电源极性方面有所不同。在PNP型晶体管中，n型材料夹在两个p型材料之间，而在NPN型晶体管中，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，如公共发射极，公共集电极和公共基极配置。

如果你正在寻找工作MOSFET作为开关，那么首先学习的基础场效应晶体管．

晶体管工作模式

根据正向或反向的偏置条件，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，晶体管通常用作电流放大器。在有源模式下，两个结具有不同的偏置，即发射极-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，发射极和集电极之间的电流流动和电流流量与基极电流成正比。

截止模式

在这种模式下，集电极基结和发射极基结都是反向偏置的。由于两个PN结都是反向偏置的，除了小的泄漏电流(通常在几纳安培或微安量级)外，几乎没有电流流动。这种模式下的BJT被关闭，本质上是一个开路。

截止区主要用于开关和数字逻辑电路中。

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向前偏置的。电流从集电极自由流动到发射极，几乎没有电阻。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。下图中，截止区域有输出集电极电流为零、基极输入电流为零、集电极电压最大时的工作情况。这些参数导致一个大的损耗层，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。

同样，在饱和区，晶体管偏置的方式是施加最大的基极电流，从而产生最大的集电极电流和最小的集电极-发射极电压。这导致损耗层变得小，并允许最大的电流通过晶体管。因此，晶体管完全处于ON状态。

因此，从上面的讨论，我们可以说，通过在截止区和饱和区操作晶体管，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

晶体管可用于打开或关闭电路的开关操作。与传统继电器相比，这种类型的固态开关具有显著的可靠性和较低的成本。

NPN和PNP晶体管都可以用作开关。有些应用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级晶体管来驱动大功率晶体管。

NPN晶体管作为开关

根据施加在晶体管基端上的电压，进行开关操作。当电压(V_在> 0.7 V)应用于基极和发射极之间，集电极到发射极的电压大约等于0。因此，晶体管起着短路的作用。集电极电流V_CC/ R_C流过晶体管。

同样，当输入端没有电压或电压为零时，晶体管在截止区工作，充当开路电路。在这种类型的开关连接中，负载(这里用一个LED作为负载)通过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_CC是5V, beta值是125。在基底处，输入信号在0V到5V之间变化。我们将通过改变V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

由以上计算可知，当V_CE等于零。该集电极电流对应的基极电流为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特的情况。这导致基极电流为零，并且当发射极接地时，发射极基极结不向前偏置。因此，晶体管处于OFF状态，集电极输出电压为5V。

当V_我= 0 v, I_B= 0和I_C= 0,

V_C= V_CC(我_C* R_C）

= 5v - 0

= 5 v

假设输入电压为5伏，则基极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，即当在输入端施加5V时，晶体管将完全打开。因此，集电极的输出近似为零。

PNP晶体管作为开关

对于开关操作，PNP晶体管的工作原理与NPN相同，但电流来自基极。这种类型的开关用于负接地配置。对于PNP型晶体管，基极端总是相对于发射极负偏置。

在这种开关中，当基极电压较负时，基极电流流动。简单地说，一个低电压或更多的负电压使晶体管短路，否则，它将是开路。

在这种连接中，负载通过参考点连接到晶体管开关输出。当晶体管打开时，电流从源流过晶体管到负载，最后到达地面。

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，但发射极连接恒压，集电极通过负载接地，如图所示。

在这种配置中，通过连接位于输入电源负侧的基极和位于输入电源正侧的发射极，基极总是相对于发射极负偏置。电压V_是为负，发射极电源电压相对于集电极为正(V_CE积极的)。

因此，对于晶体管的导通，发射极必须相对于集电极和基极都具有更大的正极。换句话说，基极相对于发射体一定是负的。

用于计算基极电流和集电极电流的表达式如下。

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，而晶体管的beta值为100。那么晶体管饱和所需的电流为

最小基极电流=集电极电流/ β

= 100 mA / 100

马= 1

因此，当基极电流为1ma时，晶体管将完全接通。但实际上需要30%以上的电流才能保证晶体管的饱和。所以，在这个例子中，所需的基极电流是1.3mA。

晶体管作为开关的实例

晶体管切换LED

如前所述，晶体管可用作开关。下面的示意图显示了如何使用晶体管切换发光二极管(LED)。

• 当基极端的开关打开时，没有电流流过基极，因此晶体管处于截止状态。因此，晶体管作为一个开路和LED变成OFF。
• 当开关关闭时，基极电流开始流经晶体管，然后驱动到饱和，这导致LED打开。
• 放置电阻以限制通过底座和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。

操作继电器的晶体管

也可以使用晶体管来控制继电器的操作。通过晶体管的小电路排列，可以给继电器的线圈通电，从而控制连接到它的外部负载。

• 考虑下面的电路，以了解一个晶体管的操作，以激励继电器线圈。应用于基极的输入导致驱动晶体管进入饱和区，从而进一步导致电路短路。因此，继电器线圈被激活，继电器触点被操作。
• 在感应负载中，特别是开关电机和电感器，突然去除电源可以保持高的线圈电位。这种高电压会对其余电路造成相当大的损坏。因此，我们必须将二极管与感性负载并联使用，以保护电路不受感性负载的感应电压影响。

晶体管驱动电机

• 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，通过在固定的时间间隔切换晶体管，如下图所示。
• 如上所述，直流电动机也是一个感性负载，所以我们必须放置一个自由二极管通过它来保护电路。
• 通过开关晶体管在截止和饱和区域，我们可以打开和关闭电机重复。
• 也可以通过在可变频率下切换晶体管来调节电机从静止到全速的速度。我们可以从控制装置或单片机等集成电路中获取开关频率。

你清楚地知道如何把晶体管用作开关了吗?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的概念。此外，如果您有任何疑问、建议和意见，可以在下面留言。

结论

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