晶体管作为开关电路案例及摘要

晶体管开关可用于通过使用处于饱和或截止状态的晶体管来接通或断开低压直流设备（例如LED）

当用作交流信号时放大器，晶体管基极偏置电压的施加方式使其始终在其“有源”区域内工作，即使用输出特性曲线的线性部分。

然而，NPN和放大器都是如此; PNP型双极晶体管通过偏置晶体管Base端子与信号放大器的不同，可以作为“ON / OFF”型固态开关工作。

固态开关是主要的应用之一。使用晶体管将DC输出切换为“ON”或“OFF”。某些输出设备（例如LED）在逻辑电平DC电压下仅需要几毫安，因此可以由逻辑门的输出直接驱动。然而，诸如电动机，螺线管或灯之类的高功率设备通常需要比普通逻辑门提供的功率更多的功率，因此使用晶体管开关。

如果电路使用双极晶体管作为开关，然后晶体管的偏置，NPN或PNP被安排在我们之前看到的“IV”特性曲线的两侧操作晶体管。

晶体管开关称为饱和区和截止区。这意味着我们可以忽略放大所需的工作Q点偏置和分压器电路，并通过在“完全关闭”（截止）和“完全关闭”之间来回驱动晶体管作为开关。 ON“（饱和度）区域如下所示。

经营区域

粉红色曲线底部的阴影区域表示“截止”区域，而左侧的蓝色区域表示晶体管的“饱和”区域。这两个晶体管区域定义为：

1.Cut-off Region

这里晶体管的工作条件为零输入基极电流（ I B ），零输出集电极电流（ I C ）和最大集电极电压（ V CE ）导致大的耗尽层，没有电流流过器件。因此，晶体管切换为“完全关闭”。

截止特性

•输入和Base接地（0v） •Base-Emitter电压 V BE <0.7v •Base-Emitter交叉点反向偏向 •Base-Collector结点反向偏置 •晶体管“完全关闭”（截止区域） •没有收集器电流（ I C = 0 ） V OUT = V CE = V CC =“1” •晶体管作为”打开开关“运行

然后我们可以定义”截止“区域“或”O FF模式“当使用双极晶体管作为开关时，两个结反向偏置， V B <0.7v 和 I C = 0 。对于PNP晶体管，发射极电位相对于基极必须为负。

2.饱和区

这里晶体管将被偏置，以便最大基极电流量为施加最大集电极电流导致最小集电极发射极电压降，这导致耗尽层尽可能小并且流过晶体管的最大电流。因此，晶体管切换为“全开”。

饱和度特征

•输入和Base连接至 V CC •基极 - 发射极电压 V BE > 0.7v •Base-Emitter junction正向偏置 •Base-收集器连接正向偏置 •晶体管“完全开启”（饱和区域） 最大收集器电流（ I C = Vcc / R L ） • V CE = 0 （理想饱和度） V OUT = V CE =“0” •晶体管作为“闭合开关”运行

然后我们可以定义“饱和区”或“ON模式”，当使用双极晶体管作为开关时，两个结正向偏置， V B > 0.7v 和 I C =最大。对于PNP晶体管，发射极电位必须相对于基极为正。

然后晶体管作为“单刀单掷”（SPST）固态开关工作。当零信号施加到晶体管的基极时，它变为“关”，其作用类似于开路开关和零集电极电流。当一个正信号施加到晶体管的基极时，它变为“接通”，就像闭合开关一样，最大电路电流流过器件。

切换中等功率到高功率的最简单方法是使用具有集电极开路输出的晶体管，晶体管发射极端子直接接地。当以这种方式使用时，晶体管开路集电极输出因此可以将外部提供的电压“吸收”到地，从而控制任何连接的负载。

作为用于操作继电器的开关的NPN晶体管的示例如下。利用诸如继电器或螺线管之类的感应负载，在晶体管切换“关闭”时，在负载两端放置续流二极管以耗散由感性负载产生的反电动势，从而保护晶体管免受损坏。如果负载具有非常高的电流或电压特性，例如电动机，加热器等，那么可以通过合适的继电器控制负载电流，如图所示。

基本NPN晶体管开关电路

该电路类似于我们在前面的教程中看到的 Common Emitter 电路。这次的不同之处在于，将晶体管作为开关操作时，晶体管需要完全“关闭”（截止）或完全“开启”（饱和）。当转向“完全关闭”时，理想的晶体管开关在集电极和发射极之间将具有无限的电路电阻，导致流过它的零电流和当“完全接通”时集电极和发射极之间的零电阻，从而产生最大电流。

实际上，当晶体管“关闭”时，小漏电流流过晶体管，当完全“导通”时，器件的电阻值较低，导致饱和电压较小（ V CE ）。尽管晶体管不是完美的开关，但在截止和饱和区域，晶体管消耗的功率都处于最小值。

为了使基极电流流动，基极输入端子通过将其增加到硅器件所需的0.7伏以上，必须使其比发射器更正。通过改变该基极 - 发射极电压 V BE ，基极电流也会改变，进而控制流经晶体管的集电极电流量，如前所述。

当最大集电极电流流过时，晶体管称为饱和。基极电阻的值决定了需要多少输入电压和相应的基极电流来完全“接通”晶体管。

晶体管作为开关示例No1

使用晶体管值从前面的教程：β= 200，Ic = 4mA 和 Ib = 20uA ，找到所需的基准电阻值（ Rb ）当输入端电压超过 2.5v 时，将负载完全切换为“ON”。

下一个最低优先值是：82kΩ，这可确保晶体管开关始终饱和。

晶体管作为开关示例No2

再次使用相同的值，找到当输入电压增加时需要 200mA 电流的负载使晶体管“完全导通”（饱和）所需的最小基极电流到5.0V。同时计算 Rb 的新值。

晶体管基极电流：

晶体管基极电阻：

晶体管开关用于各种应用，如将大电流或高压设备（如电机，继电器或灯）连接到低压数字IC或逻辑门，如 AND 门或 OR 门。这里，数字逻辑门的输出仅为+ 5v，但要控制的设备可能需要12伏或甚至24伏的电源。或者，诸如DC电机之类的负载可能需要使用一系列脉冲（脉冲宽度调制）来控制其速度。与传统的机械开关相比，晶体管开关可以更快，更轻松地完成这项工作。

数字逻辑晶体管开关

需要基极电阻 Rb 来限制逻辑门的输出电流。

PNP晶体管开关

我们也可以使用PNP晶体管作为开关，这次的不同之处在于负载接地（0v）并且PNP晶体管将电源切换到它。要将PNP晶体管作为开关“ON”工作，Base端子接地或零电压（LOW），如图所示。

PNP晶体管开关电路

计算基极电阻，集电极电流和电压的公式与之前的NPN晶体管开关完全相同。这次的不同之处在于我们用PNP晶体管（源电流）切换功率，而不是用NPN晶体管（吸收电流）切换接地。

达林顿晶体管开关

有时候双极晶体管的DC电流增益太低而不能直接切换负载电流或电压，因此使用多个开关晶体管。这里，一个小输入晶体管用于将大得多的电流处理输出晶体管“接通”或“断开”。为了最大化信号增益，两个晶体管以“互补增益复合配置”连接，或者更常称为“达林顿配置”，放大因子是两个单独晶体管的乘积。

达林顿晶体管只需包含两个连接在一起的单极双极NPN或PNP型晶体管，使第一个晶体管的电流增益乘以第二个晶体管的电流增益。产生一个像单个晶体管一样的器件，具有非常高的电流增益，用于小得多的基极电流。达林顿器件的总电流增益 Beta（β）或 hfe 值是晶体管两个单独增益的乘积，给出如下：

因此，与单晶体管开关相比，具有非常高的β值和高集电极电流的达林顿晶体管是可能的。例如，如果第一输入晶体管具有100的电流增益并且第二开关晶体管具有50的电流增益，则总电流增益将是100 * 50 = 5000。因此，例如，如果我们的负载电流 200mA ，则达林顿基极电流仅 200mA / 5000 = 40uA 。单个晶体管的先前 1mA 大幅减少。

下面给出了两种基本类型达林顿晶体管配置的例子。

达林顿晶体管配置

上述NPN达林顿晶体管开关配置显示两个晶体管的集电极与发射极连接在一起因此，第一个晶体管连接到第二个晶体管的基极，第一个晶体管的发射极电流变为第二个晶体管的基极电流，使其“导通”。

第一个或“输入”晶体管接收其基地的输入信号。该晶体管以通常的方式对其进行放大，并用它来驱动第二个较大的“输出”晶体管。第二晶体管再次放大信号，导致非常高的电流增益。与单双极晶体管相比，达林顿晶体管的主要特性之一是它们的高电流增益。

除了其高增加的电流和电压开关能力外，“另一个优点是”达林顿晶体管开关“具有高开关速度，非常适合用于逆变器电路，照明电路和直流电机或步进电机控制应用。

使用达林顿晶体管优于传统单极双极性时需要考虑的一个区别使用晶体管作为开关时的类型是，由于该系列，硅器件的基极 - 发射极输入电压（ V BE ）需要在1.4v左右更高两个PN结的连接。

晶体管作为开关摘要

然后总结使用晶体管作为开关时，以下条件适用：

晶体管开关可用于切换和控制灯，继电器甚至电机。

使用双极晶体管时一个开关，它们必须是“完全关闭”或“完全开启”。

完全“开启”的晶体管据说处于饱和度region。

完全“关闭”的晶体管据说位于截止区域。

当使用晶体管作为开关时，较小的基极电流可控制更大的集电极负载电流。

使用晶体管切换感应负载（如继电器和螺线管）时，”飞轮“使用二极管。

当需要控制大电流或电压时，可以使用达林顿晶体管。

在下一个关于晶体管的教程中，我们将看一下通常称为JFET的结型场效应晶体管的操作。我们还将绘制通常与JFET放大器电路相关的输出特性曲线，作为源极电压与栅极电压的函数。