晶體管作為開關(guān)電路案例及摘要

晶體管開關(guān)可用于通過使用處于飽和或截止?fàn)顟B(tài)的晶體管來接通或斷開低壓直流設(shè)備（例如LED）

當(dāng)用作交流信號(hào)時(shí)放大器，晶體管基極偏置電壓的施加方式使其始終在其“有源”區(qū)域內(nèi)工作，即使用輸出特性曲線的線性部分。

然而，NPN和放大器都是如此; PNP型雙極晶體管通過偏置晶體管Base端子與信號(hào)放大器的不同，可以作為“ON / OFF”型固態(tài)開關(guān)工作。

固態(tài)開關(guān)是主要的應(yīng)用之一。使用晶體管將DC輸出切換為“ON”或“OFF”。某些輸出設(shè)備（例如LED）在邏輯電平DC電壓下僅需要幾毫安，因此可以由邏輯門的輸出直接驅(qū)動(dòng)。然而，諸如電動(dòng)機(jī)，螺線管或燈之類的高功率設(shè)備通常需要比普通邏輯門提供的功率更多的功率，因此使用晶體管開關(guān)。

如果電路使用雙極晶體管作為開關(guān)，然后晶體管的偏置，NPN或PNP被安排在我們之前看到的“IV”特性曲線的兩側(cè)操作晶體管。

晶體管開關(guān)稱為飽和區(qū)和截止區(qū)。這意味著我們可以忽略放大所需的工作Q點(diǎn)偏置和分壓器電路，并通過在“完全關(guān)閉”（截止）和“完全關(guān)閉”之間來回驅(qū)動(dòng)晶體管作為開關(guān)。 ON“（飽和度）區(qū)域如下所示。

經(jīng)營(yíng)區(qū)域

粉紅色曲線底部的陰影區(qū)域表示“截止”區(qū)域，而左側(cè)的藍(lán)色區(qū)域表示晶體管的“飽和”區(qū)域。這兩個(gè)晶體管區(qū)域定義為：

1.Cut-off Region

這里晶體管的工作條件為零輸入基極電流（ I B ），零輸出集電極電流（ I C ）和最大集電極電壓（ V CE ）導(dǎo)致大的耗盡層，沒有電流流過器件。因此，晶體管切換為“完全關(guān)閉”。

截止特性

然后我們可以定義”截止“區(qū)域“或”O(jiān) FF模式“當(dāng)使用雙極晶體管作為開關(guān)時(shí)，兩個(gè)結(jié)反向偏置， V B <0.7v 和 I C = 0 。對(duì)于PNP晶體管，發(fā)射極電位相對(duì)于基極必須為負(fù)。

2.飽和區(qū)

這里晶體管將被偏置，以便最大基極電流量為施加最大集電極電流導(dǎo)致最小集電極發(fā)射極電壓降，這導(dǎo)致耗盡層盡可能小并且流過晶體管的最大電流。因此，晶體管切換為“全開”。

飽和度特征

然后我們可以定義“飽和區(qū)”或“ON模式”，當(dāng)使用雙極晶體管作為開關(guān)時(shí)，兩個(gè)結(jié)正向偏置， V B > 0.7v 和 I C =最大。對(duì)于PNP晶體管，發(fā)射極電位必須相對(duì)于基極為正。

然后晶體管作為“單刀單擲”（SPST）固態(tài)開關(guān)工作。當(dāng)零信號(hào)施加到晶體管的基極時(shí)，它變?yōu)椤瓣P(guān)”，其作用類似于開路開關(guān)和零集電極電流。當(dāng)一個(gè)正信號(hào)施加到晶體管的基極時(shí)，它變?yōu)椤敖油ā?，就像閉合開關(guān)一樣，最大電路電流流過器件。

切換中等功率到高功率的最簡(jiǎn)單方法是使用具有集電極開路輸出的晶體管，晶體管發(fā)射極端子直接接地。當(dāng)以這種方式使用時(shí)，晶體管開路集電極輸出因此可以將外部提供的電壓“吸收”到地，從而控制任何連接的負(fù)載。

作為用于操作繼電器的開關(guān)的NPN晶體管的示例如下。利用諸如繼電器或螺線管之類的感應(yīng)負(fù)載，在晶體管切換“關(guān)閉”時(shí)，在負(fù)載兩端放置續(xù)流二極管以耗散由感性負(fù)載產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，從而保護(hù)晶體管免受損壞。如果負(fù)載具有非常高的電流或電壓特性，例如電動(dòng)機(jī)，加熱器等，那么可以通過合適的繼電器控制負(fù)載電流，如圖所示。

基本NPN晶體管開關(guān)電路

該電路類似于我們?cè)谇懊娴?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">教程中看到的 Common Emitter 電路。這次的不同之處在于，將晶體管作為開關(guān)操作時(shí)，晶體管需要完全“關(guān)閉”（截止）或完全“開啟”（飽和）。當(dāng)轉(zhuǎn)向“完全關(guān)閉”時(shí)，理想的晶體管開關(guān)在集電極和發(fā)射極之間將具有無限的電路電阻，導(dǎo)致流過它的零電流和當(dāng)“完全接通”時(shí)集電極和發(fā)射極之間的零電阻，從而產(chǎn)生最大電流。

實(shí)際上，當(dāng)晶體管“關(guān)閉”時(shí)，小漏電流流過晶體管，當(dāng)完全“導(dǎo)通”時(shí)，器件的電阻值較低，導(dǎo)致飽和電壓較?。?V CE ）。盡管晶體管不是完美的開關(guān)，但在截止和飽和區(qū)域，晶體管消耗的功率都處于最小值。

為了使基極電流流動(dòng)，基極輸入端子通過將其增加到硅器件所需的0.7伏以上，必須使其比發(fā)射器更正。通過改變?cè)摶鶚O - 發(fā)射極電壓 V BE ，基極電流也會(huì)改變，進(jìn)而控制流經(jīng)晶體管的集電極電流量，如前所述。

當(dāng)最大集電極電流流過時(shí)，晶體管稱為飽和。基極電阻的值決定了需要多少輸入電壓和相應(yīng)的基極電流來完全“接通”晶體管。

晶體管作為開關(guān)示例No1

使用晶體管值從前面的教程：β= 200，Ic = 4mA 和 Ib = 20uA ，找到所需的基準(zhǔn)電阻值（ Rb ）當(dāng)輸入端電壓超過 2.5v 時(shí)，將負(fù)載完全切換為“ON”。

下一個(gè)最低優(yōu)先值是：82kΩ，這可確保晶體管開關(guān)始終飽和。

晶體管作為開關(guān)示例No2

再次使用相同的值，找到當(dāng)輸入電壓增加時(shí)需要 200mA 電流的負(fù)載使晶體管“完全導(dǎo)通”（飽和）所需的最小基極電流到5.0V。同時(shí)計(jì)算 Rb 的新值。

晶體管基極電流：

晶體管基極電阻：

晶體管開關(guān)用于各種應(yīng)用，如將大電流或高壓設(shè)備（如電機(jī)，繼電器或燈）連接到低壓數(shù)字IC或邏輯門，如 AND 門或 OR 門。這里，數(shù)字邏輯門的輸出僅為+ 5v，但要控制的設(shè)備可能需要12伏或甚至24伏的電源?；蛘撸T如DC電機(jī)之類的負(fù)載可能需要使用一系列脈沖（脈沖寬度調(diào)制）來控制其速度。與傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)相比，晶體管開關(guān)可以更快，更輕松地完成這項(xiàng)工作。

數(shù)字邏輯晶體管開關(guān)

需要基極電阻 Rb 來限制邏輯門的輸出電流。

PNP晶體管開關(guān)

我們也可以使用PNP晶體管作為開關(guān)，這次的不同之處在于負(fù)載接地（0v）并且PNP晶體管將電源切換到它。要將PNP晶體管作為開關(guān)“ON”工作，Base端子接地或零電壓（LOW），如圖所示。

PNP晶體管開關(guān)電路

計(jì)算基極電阻，集電極電流和電壓的公式與之前的NPN晶體管開關(guān)完全相同。這次的不同之處在于我們用PNP晶體管（源電流）切換功率，而不是用NPN晶體管（吸收電流）切換接地。

達(dá)林頓晶體管開關(guān)

有時(shí)候雙極晶體管的DC電流增益太低而不能直接切換負(fù)載電流或電壓，因此使用多個(gè)開關(guān)晶體管。這里，一個(gè)小輸入晶體管用于將大得多的電流處理輸出晶體管“接通”或“斷開”。為了最大化信號(hào)增益，兩個(gè)晶體管以“互補(bǔ)增益復(fù)合配置”連接，或者更常稱為“達(dá)林頓配置”，放大因子是兩個(gè)單獨(dú)晶體管的乘積。

達(dá)林頓晶體管只需包含兩個(gè)連接在一起的單極雙極NPN或PNP型晶體管，使第一個(gè)晶體管的電流增益乘以第二個(gè)晶體管的電流增益。產(chǎn)生一個(gè)像單個(gè)晶體管一樣的器件，具有非常高的電流增益，用于小得多的基極電流。達(dá)林頓器件的總電流增益 Beta（β）或 hfe 值是晶體管兩個(gè)單獨(dú)增益的乘積，給出如下：

因此，與單晶體管開關(guān)相比，具有非常高的β值和高集電極電流的達(dá)林頓晶體管是可能的。例如，如果第一輸入晶體管具有100的電流增益并且第二開關(guān)晶體管具有50的電流增益，則總電流增益將是100 * 50 = 5000。因此，例如，如果我們的負(fù)載電流 200mA ，則達(dá)林頓基極電流僅 200mA / 5000 = 40uA 。單個(gè)晶體管的先前 1mA 大幅減少。

下面給出了兩種基本類型達(dá)林頓晶體管配置的例子。

達(dá)林頓晶體管配置

上述NPN達(dá)林頓晶體管開關(guān)配置顯示兩個(gè)晶體管的集電極與發(fā)射極連接在一起因此，第一個(gè)晶體管連接到第二個(gè)晶體管的基極，第一個(gè)晶體管的發(fā)射極電流變?yōu)榈诙€(gè)晶體管的基極電流，使其“導(dǎo)通”。

第一個(gè)或“輸入”晶體管接收其基地的輸入信號(hào)。該晶體管以通常的方式對(duì)其進(jìn)行放大，并用它來驅(qū)動(dòng)第二個(gè)較大的“輸出”晶體管。第二晶體管再次放大信號(hào)，導(dǎo)致非常高的電流增益。與單雙極晶體管相比，達(dá)林頓晶體管的主要特性之一是它們的高電流增益。

除了其高增加的電流和電壓開關(guān)能力外，“另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是”達(dá)林頓晶體管開關(guān)“具有高開關(guān)速度，非常適合用于逆變器電路，照明電路和直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)控制應(yīng)用。

使用達(dá)林頓晶體管優(yōu)于傳統(tǒng)單極雙極性時(shí)需要考慮的一個(gè)區(qū)別使用晶體管作為開關(guān)時(shí)的類型是，由于該系列，硅器件的基極 - 發(fā)射極輸入電壓（ V BE ）需要在1.4v左右更高兩個(gè)PN結(jié)的連接。

晶體管作為開關(guān)摘要

然后總結(jié)使用晶體管作為開關(guān)時(shí)，以下條件適用：

晶體管開關(guān)可用于切換和控制燈，繼電器甚至電機(jī)。

使用雙極晶體管時(shí)一個(gè)開關(guān)，它們必須是“完全關(guān)閉”或“完全開啟”。

完全“開啟”的晶體管據(jù)說處于飽和度region。

完全“關(guān)閉”的晶體管據(jù)說位于截止區(qū)域。

當(dāng)使用晶體管作為開關(guān)時(shí)，較小的基極電流可控制更大的集電極負(fù)載電流。

使用晶體管切換感應(yīng)負(fù)載（如繼電器和螺線管）時(shí)，”飛輪“使用二極管。

當(dāng)需要控制大電流或電壓時(shí)，可以使用達(dá)林頓晶體管。

在下一個(gè)關(guān)于晶體管的教程中，我們將看一下通常稱為JFET的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的操作。我們還將繪制通常與JFET放大器電路相關(guān)的輸出特性曲線，作為源極電壓與柵極電壓的函數(shù)。