晶体管作为开关工作

在这个晶体管教程中,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应用领域,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(有源、饱和和截止),晶体管如何作为开关工作(NPN和PNP)和一些使用晶体管作为开关的实际应用电路。

介绍

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。晶体管作为一种重要的电子器件,在嵌入式系统、数字电路和控制系统等领域有着广泛的应用。

你可以在数字和模拟领域找到晶体管,因为它们广泛用于不同的应用用途,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。

本文主要讨论了晶体管的开关作用,并对晶体管作为开关的作用作了简要的说明。

关于BJT的简要说明

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。

每当我们说到“晶体管”这个词时,它通常指的是BJT。它是一个电流控制装置,输出电流由输入电流控制。双极是指在BJT中有两种载流子,即电子和空穴传导电流,空穴是正电荷载流子,电子是负电荷载流子。

NPN和PNP晶体管

晶体管有三个区域,即基极、发射极和集电极。发射极是一个重掺杂的终端,并将电子发射到基极。基极端被轻微掺杂并将射极注入的电子传递到集电极上。集电极端适度掺杂并从碱基收集电子。这个集热器比其他两个区域大,所以它可以散发更多的热量。

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。

如果您正在寻找工作MOSFET作为开关,然后先学习基本的Mosfet.

晶体管的工作模式

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,晶体管通常被用作电流放大器。在有源模式下,两个结是不同的偏置,这意味着发射极-基极结是正向偏置,而集电极-基极结是反向偏置。在这种模式下,电流在发射极和集电极之间流动,电流的大小与基极电流成正比。

截止模式

在此模式下,集电器基部结和发射极基部结是反向偏置的。由于PN结都是反向偏置的,除了小泄漏电流外几乎没有电流(通常按少纳米AMPS或Pico AMPS的顺序)。此模式下的BJT关闭,基本上是开路电路。

截止区主要用于开关和数字逻辑电路。

截止区域的BJT结构

饱和模式

在这种工作模式下,发射极-基极和集电极-基极结都是正向偏置的。电流从集电极自由地流到发射极,电阻几乎为零。在这种模式下,晶体管完全接通,本质上是一个闭合电路。

饱和区也主要用于开关和数字逻辑电路。

饱和区域的BJT结构

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。

晶体管特性曲线

类似地,在饱和区,晶体管偏置的方式是施加最大基极电流,从而产生最大集电极电流和最小集电极-发射极电压。这导致耗尽层变小,并允许通过晶体管的最大电流。因此,晶体管完全处于ON状态。

因此,从上面的讨论可以看出,在截止和饱和区域工作晶体管可以使晶体管工作为ON/OFF固态开关。这种类型的开关应用程序用于控制led,电机,灯,螺线管等。

晶体管作为开关

晶体管可用于切换操作以打开或关闭电路。与传统继电器相比,这种类型的固态开关提供了显着的可靠性和更低的成本。

NPN和PNP晶体管都可以用作开关。有些应用程序使用功率晶体管作为开关器件,这时可能需要使用另一个信号电平晶体管来驱动大功率晶体管。

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> 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VCC/ R.C流过晶体管。

类似地,当没有电压或零电压施加在输入,晶体管在截止区工作,作为开路。在这种开关连接中,负载(这里用一个LED作为负载)通过一个参考点连接到开关输出。因此,当晶体管接通时,电流将通过负载从电源流到地。

NPN晶体管作为开关

NPN晶体管作为开关的例子

考虑以下示例,其中基电阻rB=50kΩ,集电极电阻rC= 0.7 kΩ, vCC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在两个状态为0和5V,如图所示。

NPN晶体管的例子

C= V.CC/ R.C,当V.CE= 0.

C= 5v / 0.7 kΩ

C马= 7.1

基极电流我B= I.C

B= 7.1 mA / 125

B= 56.8µ

由上述计算可知,当电压为V时,电路中集电极电流的最大值或峰值为7.1mACE等于0。这个收集器电流对应的基电流为56.8µA。

因此,很明显,当基极电流增加到超过56.8微安时,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.= 0 v, IB= 0和我C= 0,

VC= V.CC- (一世C* R.C)

= 5V - 0

= 5 v

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.v = 5,

B=(V.- V.) / RB

对于硅晶体管,V= 0.7 V

因此,我B= (5v - 0.7v) / 50 kΩ

= 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。

作为开关的PNP晶体管

PNP晶体管的工作原理与NPN晶体管相同,但电流从基极流过。这种类型的开关用于负地配置。对于PNP晶体管,基极对发射极总是负偏置。

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。

在这个连接中,负载用一个参考点连接到晶体管开关输出。当晶体管接通时,电流从电源流过晶体管到负载,最后到地面。

作为开关的PNP晶体管

PNP晶体管作为开关的例子

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

PNP晶体管的示例

在该配置中,通过将基座连接在输入电源的正侧的负侧和发射器处,碱基总是相对于发射极偏置对发射极而偏压。所以,电压V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,对于晶体管的传导,发射极对于集电极和基极都必须是正的。换句话说,基极必须比发射极负得多。

为了计算基极和集电极电流,使用下列表达式。

C= I.E- 一世B

C= β * IB

B= I.C

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

最小基本电流=收集器电流/β

= 100 mA / 100

马= 1

因此,当基极电流为1毫安时,晶体管将完全打开。但实际上,要保证晶体管的饱和,需要增加30%的电流。所以,在这个例子中,所需的基电流是1.3mA。

作为开关的晶体管的实际示例

晶体管开关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)。

  • 当基极端的开关断开时,没有电流流过基极,因此晶体管处于截止状态。因此,晶体管作为开路和LED成为关。
  • 当开关关闭时,基电流开始流过晶体管,然后驱动到饱和度,这导致导致开启。
  • 设置电阻来限制通过底座和LED的电流。也可以通过改变基极电流路径中的电阻来改变LED的强度。

晶体管开关LED

晶体管操作继电器

还可以使用晶体管控制继电器操作。具有能够激励继电器的线圈的晶体管的小电路布置,使得连接到其外部负载。

  • 考虑下面的电路,以了解晶体管的操作,以激励继电器线圈。施加于基极的输入使晶体管进入饱和区,从而进一步导致电路短路。所以,继电器线圈被激活,继电器触点被操作。
  • 在电感式负载中,特别是电动机和电感器的开关,突然断电可以保持线圈的高电位。这种高电压会对其余电路造成相当大的损坏。因此,我们必须使用二极管与电感负载并联,以保护电路免受电感负载的感应电压。

晶体管操作继电器

晶体管驱动电动机

  • 晶体管也可以用来驱动和调节直流电机的速度在一个单向的方式,通过开关晶体管在有规律的时间间隔如下图所示。
  • 如上所述,直流电机也是一个感应负载,所以我们必须放置一个自由滚轮二极管跨越它来保护电路。
  • 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。
  • 也可以通过切换晶体管在可变频率从静止到全速调节电机的速度。我们可以从控制器件或单片机等集成电路中获得开关频率。

晶体管驱动电动机

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

一个使用晶体管作为开关的完整教程。学习双极结晶体管的基本知识,晶体管的工作区域,作为开关的NPN和PNP晶体管的工作,开关晶体管的实际应用。

15回应

  1. 喜欢很多……
    在这个中给出的更多信息我尚未理解当我的老师解释但我明白时,当我为这个信息换算时,我会被打开它......
    得经验
    非常好的解释...... ???

  2. O在晶体管上花了近两个月的时间,学习课堂笔记,但一无所获。今天我做到了。谢谢先生

发表评论

您的电子邮件地址不会被公开。必填字段被标记*