晶體管作為開關電路案例及摘要

晶體管開關可用于通過使用處于飽和或截止狀態(tài)的晶體管來接通或斷開低壓直流設備（例如LED）

當用作交流信號時放大器，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端子與信號放大器的不同，可以作為“ON / OFF”型固態(tài)開關工作。

固態(tài)開關是主要的應用之一。使用晶體管將DC輸出切換為“ON”或“OFF”。某些輸出設備（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動。然而，諸如電動機，螺線管或燈之類的高功率設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。

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

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

經營區(qū)域

粉紅色曲線底部的陰影區(qū)域表示“截止”區(qū)域，而左側的藍色區(qū)域表示晶體管的“飽和”區(qū)域。這兩個晶體管區(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“當使用雙極晶體管作為開關時，兩個結反向偏置， V B <0.7v 和 I C = 0 。對于PNP晶體管，發(fā)射極電位相對于基極必須為負。

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致最小集電極發(fā)射極電壓降，這導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”，當使用雙極晶體管作為開關時，兩個結正向偏置， V B > 0.7v 和 I C =最大。對于PNP晶體管，發(fā)射極電位必須相對于基極為正。

然后晶體管作為“單刀單擲”（SPST）固態(tài)開關工作。當零信號施加到晶體管的基極時，它變?yōu)椤瓣P”，其作用類似于開路開關和零集電極電流。當一個正信號施加到晶體管的基極時，它變?yōu)椤敖油ā?，就像閉合開關一樣，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。當以這種方式使用時，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載。

作為用于操作繼電器的開關的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負載，在晶體管切換“關閉”時，在負載兩端放置續(xù)流二極管以耗散由感性負載產生的反電動勢，從而保護晶體管免受損壞。如果負載具有非常高的電流或電壓特性，例如電動機，加熱器等，那么可以通過合適的繼電器控制負載電流，如圖所示。

基本NPN晶體管開關電路

該電路類似于我們在前面的教程中看到的 Common Emitter 電路。這次的不同之處在于，將晶體管作為開關操作時，晶體管需要完全“關閉”（截止）或完全“開啟”（飽和）。當轉向“完全關閉”時，理想的晶體管開關在集電極和發(fā)射極之間將具有無限的電路電阻，導致流過它的零電流和當“完全接通”時集電極和發(fā)射極之間的零電阻，從而產生最大電流。

實際上，當晶體管“關閉”時，小漏電流流過晶體管，當完全“導通”時，器件的電阻值較低，導致飽和電壓較?。?V CE ）。盡管晶體管不是完美的開關，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，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。通過改變該基極 - 發(fā)射極電壓 V BE ，基極電流也會改變，進而控制流經晶體管的集電極電流量，如前所述。

當最大集電極電流流過時，晶體管稱為飽和?；鶚O電阻的值決定了需要多少輸入電壓和相應的基極電流來完全“接通”晶體管。

晶體管作為開關示例No1

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

下一個最低優(yōu)先值是：82kΩ，這可確保晶體管開關始終飽和。

晶體管作為開關示例No2

再次使用相同的值，找到當輸入電壓增加時需要 200mA 電流的負載使晶體管“完全導通”（飽和）所需的最小基極電流到5.0V。同時計算 Rb 的新值。

晶體管基極電流：

晶體管基極電阻：

晶體管開關用于各種應用，如將大電流或高壓設備（如電機，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，但要控制的設備可能需要12伏或甚至24伏的電源?；蛘?，諸如DC電機之類的負載可能需要使用一系列脈沖（脈沖寬度調制）來控制其速度。與傳統(tǒng)的機械開關相比，晶體管開關可以更快，更輕松地完成這項工作。

數(shù)字邏輯晶體管開關

需要基極電阻 Rb 來限制邏輯門的輸出電流。

PNP晶體管開關

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

PNP晶體管開關電路

計算基極電阻，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。

達林頓晶體管開關

有時候雙極晶體管的DC電流增益太低而不能直接切換負載電流或電壓，因此使用多個開關晶體管。這里，一個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”。為了最大化信號增益，兩個晶體管以“互補增益復合配置”連接，或者更常稱為“達林頓配置”，放大因子是兩個單獨晶體管的乘積。

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

因此，與單晶體管開關相比，具有非常高的β值和高集電極電流的達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，如果我們的負載電流 200mA ，則達林頓基極電流僅 200mA / 5000 = 40uA 。單個晶體管的先前 1mA 大幅減少。

下面給出了兩種基本類型達林頓晶體管配置的例子。

達林頓晶體管配置

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

第一個或“輸入”晶體管接收其基地的輸入信號。該晶體管以通常的方式對其進行放大，并用它來驅動第二個較大的“輸出”晶體管。第二晶體管再次放大信號，導致非常高的電流增益。與單雙極晶體管相比，達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能力外，“另一個優(yōu)點是”達林頓晶體管開關“具有高開關速度，非常適合用于逆變器電路，照明電路和直流電機或步進電機控制應用。

使用達林頓晶體管優(yōu)于傳統(tǒng)單極雙極性時需要考慮的一個區(qū)別使用晶體管作為開關時的類型是，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PN結的連接。

晶體管作為開關摘要

然后總結使用晶體管作為開關時，以下條件適用：

晶體管開關可用于切換和控制燈，繼電器甚至電機。

使用雙極晶體管時一個開關，它們必須是“完全關閉”或“完全開啟”。

完全“開啟”的晶體管據(jù)說處于飽和度region。

完全“關閉”的晶體管據(jù)說位于截止區(qū)域。

當使用晶體管作為開關時，較小的基極電流可控制更大的集電極負載電流。

使用晶體管切換感應負載（如繼電器和螺線管）時，”飛輪“使用二極管。

當需要控制大電流或電壓時，可以使用達林頓晶體管。

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