1.8晶体管作为开关

在本晶体管教程中，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主要应用领域，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（放大区、饱和区和截止区）、晶体管如何作为开关工作（包括NPN和PNP），以及一些使用晶体管作为开关的实际应用电路。

晶体管

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。作为重要的电子器件之一，晶体管在嵌入式系统、数字电路和控制系统等众多领域都有广泛应用。

你可以在数字和模拟领域中找到晶体管，因为它们被广泛用于不同的应用场景，如开关电路、放大器电路、电源电路、数字逻辑电路、稳压器、振荡器电路等。

本文主要关注晶体管的开关作用，并简要解释晶体管作为开关的原理。

关于BJT的简要说明

晶体管主要有两大类：双极型晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET）。双极型晶体管（BJT）是一种三层、三端、两个结的半导体器件。它由两个背靠背连接的PN结组成，中间有一个公共层。

当我们提到“晶体管”时，通常指的是BJT。它是一种电流控制器件，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流子，即电子和空穴，在BJT中传导电流，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。发射极是重掺杂端，向基极发射电子。基极是轻掺杂的，将发射极注入的电子传递到集电极。集电极端是中等掺杂的，从基极收集电子。集电极比其他两个区域大，因此可以散发更多的热量。

BJT有两种类型：NPN和PNP。它们的工作原理相同，但在偏置和电源极性方面有所不同。在PNP晶体管中，N型材料夹在两个P型材料之间，而在NPN晶体管中，P型材料夹在两个N型材料之间。

这两种晶体管可以配置成不同类型，如共发射极、共集电极和共基极配置。

如果你想了解MOSFET作为开关的工作原理，那么首先要学习MOSFET的基础知识。

晶体管的工作模式

根据偏置条件（正向或反向），晶体管有三种主要工作模式：截止区、放大区和饱和区。

放大区

在这种模式下，晶体管通常用作电流放大器。在放大区，两个结的偏置不同，即发射结正向偏置，集电结反向偏置。在这种模式下，电流在发射极和集电极之间流动，电流量与基极电流成正比。

截止区

在这种模式下，集电结和发射结都反向偏置。由于两个PN结都反向偏置，几乎没有电流流动，除了小的漏电流（通常在纳安或皮安量级）。BJT在这种模式下关闭，本质上是开路。

截止区主要用于开关和数字逻辑电路。

饱和区

在这种工作模式下，发射结和集电结都正向偏置。电流几乎无阻力地从集电极流向发射极。在这种模式下，晶体管完全导通，本质上是闭合电路。

饱和区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，当输出集电极电流为零、基极输入电流为零且集电极电压最大时，截止区具有工作条件。这些参数导致大的耗尽层，进一步阻止电流通过晶体管。因此，晶体管完全处于关闭状态。

类似地，在饱和区，晶体管的偏置方式是施加最大的基极电流，导致最大的集电极电流和最小的集电极-发射极电压。这导致耗尽层变小，允许最大的电流通过晶体管。因此，晶体管完全处于导通状态。

因此，从上面的讨论中，我们可以说，通过在截止区和饱和区操作晶体管，可以使晶体管作为开关工作。这种类型的开关应用用于控制LED、电机、灯、电磁阀等。

晶体管作为开关

晶体管可以用于开关操作，以打开或关闭电路。与传统的继电器相比，这种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。一些应用使用功率晶体管作为开关器件，此时可能需要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

晶体管的开关操作基于施加在基极端的电压。当在基极和发射极之间施加足够的电压（$V_{IN} > 0.7\,\text{V}$）时，集电极到发射极的电压近似等于0。因此，晶体管表现为短路。集电极电流 $V_{CC} / R_C$ 通过晶体管流动。

类似地，当没有电压或零电压施加在输入端时，晶体管在截止区工作，表现为开路。在这种类型的开关连接中，负载（这里使用LED作为负载）连接到开关输出，并有一个参考点。因此，当晶体管导通时，电流将从源极流向地，通过负载。

NPN晶体管作为开关示例

考虑下面的示例，其中基极电阻 $R_B = 50\,\text{k}\Omega$，集电极电阻 $R_C = 0.7\,\text{k}\Omega$，$V_{CC} = 5\,\text{V}$，$\beta$ 值为125。在基极，输入信号在 $0\,\text{V}$ 和 $5\,\text{V}$之间变化。我们将通过改变 $V_I$ 的两种状态（即 $0\,\text{V}$ 和 $5\,\text{V}$）来观察集电极的输出，如图所示。

$I_C = \frac{V_{CC}}{R_C}, \quad \text{当 } V_{CE} = 0$ $I_C = \frac{5\,\text{V}}{0.7\,\text{k}\Omega} = 7.1\,\text{mA}$ $I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{7.1\,\text{mA}}{125} = 56.8\,\mu\text{A}$

从上面的计算中，当 $V_{CE}$ 等于零时，电路中集电极电流的最大值或峰值为 $7.1\,\text{mA}$。对于该集电极电流，相应的基极电流为 $56.8\,\mu\text{A}$。

因此，很明显，当基极电流超过 $56.8\,\mu\text{A}$ 时，晶体管进入饱和模式。

考虑输入端施加零电压的情况。这导致基极电流为零，并且由于发射极接地，发射结没有正向偏置。因此，晶体管处于关闭状态，集电极输出电压等于 $5\,\text{V}$。

$\text{当 } V_I = 0\,\text{V}, \quad I_B = 0, \quad I_C = 0$ $V_C = V_{CC} - (I_C \cdot R_C) = 5\,\text{V} - 0 = 5\,\text{V}$

假设输入电压为 $5\,\text{V}$，则可以通过应用基尔霍夫电压定律来确定基极电流。

$\text{当 } V_I = 5\,\text{V}$ $I_B = \frac{V_I - V_{BE}}{R_B}$

对于硅晶体管，$V_{BE} = 0.7\,\text{V}$

$I_B = \frac{5\,\text{V} - 0.7\,\text{V}}{50\,\text{k}\Omega} = 86\,\mu\text{A} > 56.8\,\mu\text{A}$

因此，由于基极电流大于 $56.8\,\mu\text{A}$，当输入端施加 $5\,\text{V}$ 时，晶体管将被驱动到饱和状态，即完全导通。因此，集电极的输出近似为零。

PNP晶体管作为开关

PNP晶体管在开关操作方面与NPN相同，但电流从基极流动。这种类型的开关用于负接地配置。对于PNP晶体管，基极端始终相对于发射极负偏置。

在这种开关中，当基极电压更负时，基极电流流动。简单地说，低电压或更负的电压使晶体管短路，否则将开路。

在这种连接中，负载连接到晶体管开关输出，并有一个参考点。当晶体管导通时，电流从源极通过晶体管流向负载，最后流向地。

PNP晶体管作为开关示例

与NPN晶体管开关电路类似，PNP电路的输入也是基极，但发射极连接到恒定电压，集电极通过负载连接到地，如图所示。

在这种配置中，基极始终相对于发射极负偏置，通过将基极连接到输入电源的负端，发射极连接到正端。因此，电压 $V_{BE}$ 为负，发射极电源电压相对于集电极为正（$V_{CE}$ 为正）。

因此，为了使晶体管导通，发射极必须相对于集电极和基极更正。换句话说，基极必须相对于发射极更负。

用于计算基极和集电极电流的表达式如下：

$I_C = I_E - I_B$ $I_C = \beta \cdot I_B$ $I_B = \frac{I_C}{\beta}$

考虑上面的示例，负载需要 $100\,\text{mA}$ 的电流，晶体管的 $\beta$ 值为 $100$。那么，使晶体管饱和所需的电流为：

$\text{最小基极电流} = \frac{I_C}{\beta} = \frac{100\,\text{mA}}{100} = 1\,\text{mA}$

因此，当基极电流为 $1\,\text{mA}$ 时，晶体管将完全导通。但实际上，为了确保晶体管饱和，需要多 $30\%$ 的电流。因此，在此示例中，所需的基极电流为 $1.3\,\text{mA}$。

晶体管作为开关的实际示例

晶体管控制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开关发光二极管（LED）。

当基极端的开关断开时，没有电流通过基极，因此晶体管处于截止状态。因此，晶体管表现为开路，LED 熄灭。

当开关闭合时，基极电流开始通过晶体管流动，然后驱动晶体管进入饱和状态，导致 LED 点亮。

电阻用于限制基极和 LED 的电流。通过改变基极电流路径中的电阻，也可以改变 LED 的亮度。

晶体管控制继电器

也可以使用晶体管控制继电器的操作。通过晶体管的小电路布置能够激励继电器的线圈，从而控制连接到它的外部负载。

考虑下面的电路，了解晶体管激励继电器线圈的操作。施加在基极的输入使晶体管进入饱和区，进一步导致电路短路。因此，继电器线圈被激励，继电器触点被操作。

在感性负载中，特别是电机和电感器的开关，突然断电可能会在线圈上保持高电位。这种高电压可能对电路的其余部分造成相当大的损害。因此，我们必须在感性负载两端并联使用二极管，以保护电路免受感性负载的感应电压的影响。

晶体管驱动电机

晶体管还可以通过按固定时间间隔开关晶体管来单向驱动和调节直流电机的速度，如下图所示。

如上所述，直流电机也是感性负载，因此我们必须在其两端放置一个续流二极管以保护电路。

通过在截止区和饱和区开关晶体管，我们可以反复打开和关闭电机。

通过以可变频率开关晶体管，还可以将电机的速度从静止调节到全速。我们可以从控制设备或微控制器等 IC 获取开关频率。