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原理。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)，晶体管如何作为一个开关(NPN和PNP)和一些实际应用电路使用晶体管作为一个开关。

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。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、稳压电路、振荡器电路等。

本文主要研究晶体管的开关作用，并简要说明晶体管作为开关的作用。

关于BJT的简要说明

有两个主要的晶体管：双极结晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。双极结晶体管或简单的BJT是三层，三个端子和两个结半导体器件。它由两个PN结组成，其与常见的中间层背面耦合。

每当我们说到“晶体管”这个术语时，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。“双极”这个名称表示有两种类型的载流子，即电子和空穴在BJT中导电，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。发射极是一个重掺杂的终端，并向基极发射电子。基端被轻微掺杂并将发射体注入的电子传递到集电极上。所述集电极端被适度掺杂并从基极收集电子。与其他两个区域相比，这个收集器很大，所以它可以散发更多的热量。

BJT是两种类型：NPN和PNP。这两种功能都以相同的方式，但它们在偏置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P型材料的情况下夹在两个n型材料之间。

这两个晶体管可以配置成不同类型，如公共发射器，公共集电器和公共基础配置。

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晶体管的工作模式

根据前向或反向的偏置条件，晶体管具有三种主要的操作模式，即截止，有源和饱和区域。

活动模式

在这种模式下，晶体管一般用作电流放大器。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，在发射极和集电极之间流过的电流和流过的电流量与基极电流成正比。

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。由于两个PN结都是反向偏置，几乎没有电流流动，除了小的泄漏电流(通常在几个纳安培或皮安培的顺序)。在这种模式下，BJT是关闭的，本质上是一个开路。

截止区主要用于开关和数字逻辑电路。

饱和模式

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。电流在集电极和发射极之间自由流动，电阻几乎为零。在这种模式下，晶体管是完全接通的，本质上是一个闭合电路。

饱和区也主要用于开关电路和数字逻辑电路。

下图显示了BJT的输出特性。在下图中，截止区域具有集电极输出电流为零、零基输入电流为零和集电极最大电压为工况。这些参数导致一个大的损耗层，这进一步不允许电流流过晶体管。因此，晶体管完全处于关闭状态。

类似地，在饱和区域，晶体管的偏置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。这导致耗尽层变得很小，并允许最大电流通过晶体管。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，晶体管可以作为ON/OFF固态开关工作，通过在截止区和饱和区操作晶体管。这种类型的开关应用用于控制led，电机，灯具，螺线管等。

晶体管作为开关

晶体管可用于开启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更低的成本。

NPN和PNP晶体管都可以用作开关。一些应用程序使用功率晶体管作为开关器件，那时可能需要使用另一个信号级晶体管来驱动高功率晶体管。

NPN晶体管作为开关

基于在执行晶体管切换操作的基本端子处施加的电压。当足够的电压（v_在> 0.7V）在基础和发射极之间施加，收集器到发射极电压大约等于0.因此，晶体管用作短路。收集器电流v_CC/ R._C流过晶体管。

类似地，当输入端不加电压或零电压时，晶体管工作在截止区，充当开路。在这种类型的开关连接中，负载(这里一个LED被用作负载)被连接到开关输出的参考点。因此，当晶体管接通时，电流将通过负载从源流到地。

NPN晶体管开关的例子

考虑以下示例，其中基电阻r_B=50kΩ，收集电阻r_C= 0.7 kΩ， v_CC是5V，β值为125.在基础上，给出0V和5V之间变化的输入信号。我们将通过改变V来看收集器的输出_我如图所示，在0和5V两种状态下。

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= I._C/β

我_B= 7.1 mA / 125

我_B= 56.8µ

由上述计算可知，当V_CE等于0。该集电极电流对应的基电流为56.8µA。

因此，很明显，当基极电流增加超过56.8微安，然后晶体管进入饱和模式。

考虑在输入时施加零伏的情况。这使得贱电流为零并且随着发射器接地，发射极基结不正向偏置。因此，晶体管处于关闭状态，集电器输出电压等于5V。

当V._我= 0 v, I_B= 0和我_C= 0，

V_C= V._CC- （一世_C* R_C）

= 5v - 0

= 5 v

考虑施加的输入电压是5伏，然后通过应用Kirchhoff的电压法确定基极电流。

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

= 86 μ A，大于56.8 μ A

因此，随着基本电流大于56.8微安培电流，晶体管将被驱动到饱和度I.，当在输入处施加5V时，它完全打开。因此，收集器的输出变为大约为零。

作为开关的PNP晶体管

PNP晶体管的工作原理与NPN晶体管的开关工作原理相同，但电流从基极流出。这种类型的开关用于负接地配置。对于PNP晶体管，基极端总是相对发射极负偏置。

在该切换中，当基极电压更负时，基极电流流动。简单地，低电压或更高的负电压使晶体管变为短路，否则将是开路的。

在这种连接中，负载连接到晶体管开关输出的参考点。当晶体管接通时，电流从源端流过晶体管到负载，最后到达地面。

PNP晶体管开关的例子

类似于NPN晶体管开关电路，PNP电路的输入也是base，但是发射极连接到恒压，集电极通过负载连接到地，如图所示。

在这种配置中，通过在输入电源的负侧连接基极和正侧连接发射极，基极始终相对于发射极负偏置。所以，电压V_是是负的，并且发射极电源电压相对于收集器是阳性的（V_CE积极的)。

因此，对于晶体管发射器的传导必须更积极，相对于彼此集电体和基部更积极。换句话说，基地相对于发射器必须更负。

为了计算基极和集电极电流，使用以下表达式。

我_C= I._E- 一世_B

我_C= β * I_B

我_B= I._C/β

考虑上述示例，负载需要100毫米安培电流，并且晶体管具有100的β值。然后晶体管饱和所需的电流是

最小基极电流=集电极电流/ β

= 100ma / 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，需要多出30%的电流。所以，在这个例子中，所需的基极电流是1.3毫安。

作为开关的晶体管的实际示例

晶体管切换LED

如前所述，晶体管可以用作开关。下面的示意图显示了如何使用晶体管来切换发光二极管（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，晶体管作为开路和LED成为OFF。
• 当开关闭合时，基极电流开始流过晶体管，然后驱动进入饱和，这导致LED打开。
• 电阻被放置来限制通过底座和LED的电流。也可以通过改变基电流路径中的电阻来改变LED的强度。

晶体管操作继电器

也可以使用晶体管来控制继电器操作。晶体管的一个小电路安排能够激励继电器的线圈，以便控制连接到它的外部负载。

• 考虑下面的电路，以了解晶体管的工作，以激励继电器线圈。在基极处施加的输入导致驱动晶体管进入饱和区域，这进一步导致电路短路。因此，继电器线圈通电，继电器触点被操作。
• 在感性负载，特别是开关电机和电感器，突然去除电力可以保持一个高的电势线圈。这种高电压会对其余电路造成相当大的损害。因此，我们必须使用二极管并联感性负载，以保护电路从感性负载的感应电压。

晶体管驱动电动机

• 晶体管也可以用来驱动和调节直流电机的速度单向的方式，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性负载，所以我们必须放置一个自由旋转二极管，以保护电路。
• 通过在截止和饱和区域中切换晶体管，我们可以反复开启和关闭电机。
• 也有可能通过切换可变频率的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芯片如微控制器得到开关频率。

您是否明确了解晶体管如何用作开关？我们希望具有相关图像和示例的家具信息阐明了整个晶体管开关概念。此外，如果您对任何疑问，建议和评论，您可以在下面写入。

结论

一个关于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，晶体管的操作区域，NPN和PNP晶体管作为开关的工作，开关晶体管的实际应用。