将晶体管作为开关工作

在该晶体管教程中，我们将学习晶体管作为开关的工作。切换和放大是晶体管和晶体管的两个应用领域，因为开关是许多数字电路的基础。我们将学习晶体管的不同操作模式（有效，饱和和截止），晶体管如何用作开关（均NPN和PNP）和一些使用晶体管作为开关的实用应用电路。

介绍

晶体管是三层，三末端半导体器件，其通常用于信号放大和切换操作。作为其中一个重要的电子设备之一，晶体管已在巨大的应用中使用，例如嵌入式系统，数字电路和控制系统。

您可以在数字和模拟域中找到晶体管，因为它们广泛用于不同的应用程序使用，如开关电路，放大器电路，电源电路，数字逻辑电路，电压调节器，振荡器电路等。

本文主要集中在晶体管的开关动作上，并介绍晶体管作为开关的简要说明。

关于BJT的简介

有两种主要的晶体管系列：双极连接晶体管（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，其与共同的中间层背面耦合。

每当我们说术语“晶体管”时，它通常都指的是BJT。它是一个电流控制的装置，其中输出电流由输入电流控制。名称双极表示两种类型的电荷载体I.，电子和孔在BJT中传导电流，其中孔是正电荷载体，电子是负电荷载体。

晶体管具有三个区域，即碱基，发射极和集电极。发射器是一个重掺杂的终端，并将电子发射到基座中。基站被轻微掺杂并将发射器注入的电子通向收集器。收集器端子被中度掺杂并从基部收集电子。与其他两个区域相比，该收集器很大，因此它可以消散更多的热量。

BJT有两种类型：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本配置。

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操作模式晶体管

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，晶体管通常用作电流放大器。在活动模式下，两个连接点不同偏置，表示发射极基结是向前偏置的，而集电极基结是反向偏置的。在这种模式下，发射器和收集器之间的电流流动，并且电流量与基极电流成比例。

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。

截止区域主要用于交换和数字逻辑电路。

饱和模式

在这种操作模式下，发射器基础和集电极基准连接都是正向偏置的。电流从收集器自由流到具有几乎零电阻的发射器。在这种模式下，晶体管完全接通并且基本上是近电路。

饱和区域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，截止区域具有当输出集电极电流为零时的操作条件，零基输入电流和最大集电极电压。这些参数导致大的耗尽层，进一步不允许电流流过晶体管。因此，晶体管完全截止状态。

类似地，在饱和区域中，晶体管以这样的方式偏置，即施加最大基电流，从而导致最大集电极电流和最小集电极 - 发射极电压。这使得耗尽层变小并且允许最大电流流过晶体管。因此，晶体管完全处于条件下。

因此，从上面的讨论来看，我们可以说晶体管可以通过在截止和饱和区域中操作晶体管作为开/关固态开关来工作。这种类型的开关应用用于控制LED，电动机，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。一些应用程序使用功率晶体管作为开关装置，此时可能需要使用另一个信号电平晶体管来驱动高功率晶体管。

NPN晶体管作为开关

基于施加在晶体管切换操作的基本端子处的电压。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，当输入处没有电压或零电压时，晶体管在截止区域中操作并且用作开路。在这种类型的切换连接中，负载（这里使用LED作为负载）连接到具有参考点的开关输出。因此，当晶体管接通时，电流将通过负载从源流到地。

NPN晶体管作为开关的示例

考虑以下示例，其中基电阻r_B.=50kΩ，集电极电阻r_C=0.7kΩ，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来看收集器上的输出_一世在0和5V两种状态下，如图所示。

一世_C= V._CC./ R._C，当V._ce= 0.

一世_C= 5V /0.7kΩ

一世_C= 7.1 ma.

基准电流I._B.= I._C/β.

一世_B.= 7.1 mA / 125

一世_B.=56.8μA

从上述计算，电路中的集电极电流的最大值或峰值为7.1mA时V._ce等于零。该集电器电流的相应基极电流为56.8μA。

因此，很明显，当基极电流超过56.8微安培时，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，并且当发射器接地时，发射极基结不正向偏置。因此，晶体管处于关闭状态，并且集电极输出电压等于5V。

当V._一世= 0V，我_B.= 0和我_C= 0，

V._C= V._CC.- （一世_C* R_C）

= 5v - 0

= 5V.

考虑施加的输入电压是5伏，然后可以通过应用Kirchhoff的电压法来确定基极电流。

当V._一世= 5V，

一世_B.= (V_一世- - - - - - V_是）/ R._B.

对于硅晶体管，v_是= 0.7 V.

因此，我_B.=（5V - 0.7V）/50kΩ

=86μA，大于56.8μA

因此，当基电流大于56.8微安培电流时，晶体管将被驱动到饱和度I.，当输入5V时，它完全打开。因此，收集器处的输出变为近似为零。

PNP晶体管作为开关

PNP晶体管与NPN相同，用于切换操作，但电流从基座流动。这种类型的切换用于负面配置。对于PNP晶体管，基站总是相对于发射极偏压。

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，否则将是开路电路。

在这种连接中，负载连接到具有参考点的晶体管开关输出。当晶体管接通时，电流从源极通过晶体管流到负载并且最后到地面。

PNP晶体管作为开关的示例

与NPN晶体管开关电路类似，PNP电路输入也是基部，但发射器连接到恒定电压，收集器通过负载连接到接地，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，并且相对于收集器的发射极电源电压为正（V._ce积极的）。

因此，对于晶体管发射器的传导相对于彼此集电极和基部的传导必须更积极。换句话说，碱必须与发射器相对于发射器更负。

为了计算使用表达式的基础和收集器电流。

一世_C= I._E.- 一世_B.

一世_C=β* i_B.

一世_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

最小基电流=集电极电流/ β

= 100 mA / 100

= 1ma.

因此，当基极电流为1 mA时，晶体管将完全打开。但实际上，晶体管的保证饱和需要30％的电流。因此，在该示例中，所需的基本电流为1.3mA。

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）。

• 当基端部的开关打开时，没有电流流过底座，使晶体管处于截止状态。因此，晶体管用作开路，并且LED变为OFF。
• 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。
• 放置电阻以通过基座和LED限制电流。还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。

• 考虑以下电路以知道晶体管的操作以激励继电器线圈。在基础上施加的输入导致将晶体管驱动到饱和区域，进一步使得电路变为短路。因此，继电器线圈通电，继电器触点得到操作。
• 在电感负载中，特别是电动机和电感器的切换，突然移除功率可以保持在线圈上的高潜力。该高压可能对其余电路造成相当大的损坏。因此，我们必须与电感负载并联使用二极管以保护电路免受感应负载的感应电压。

晶体管驱动电动机

• 晶体管还可用于通过以规则的时间间隔切换晶体管以单向方式驱动和调节直流电动机的速度，如下图所示。
• 如上所述，DC电动机也是电感负载，因此我们必须将续流二极管放置在其上以保护电路。
• 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。
• 通过在可变频率下切换晶体管，还可以通过切换晶体管来调节电动机的速度至全速。我们可以从控制设备或IC等切换频率如微控制器。

有没有清楚地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，如果您有任何疑问，建议和评论，您可以在下面写入。

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，晶体管的操作区域，NPN和PNP晶体管的工作区域作为开关，切换晶体管的实际应用。