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双极结型晶体管(BJT)作为开关

第四章-双极结型晶体管

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双极结型晶体管(也称为BJTs)可以用作放大器、滤波器、整流器、振荡器,甚至是开关,我们将在第一节中介绍一个示例。如果晶体管偏置到线性区域,晶体管将作为放大器或其他线性电路工作。如果在饱和和截止区域有偏置,晶体管可以用作开关。这就允许电流在电路的其他部分流动(或不流动)。

因为一个晶体管它的集电极电流受到基极电流的比例限制,可以作为一种电流控制开关。通过晶体管基极的一个相对较小的电子流有能力控制通过集电极的一个大得多的电子流。

以BJT作为交换机为例

假设我们有一盏灯,我们想用一个开关打开和关闭它。这种电路将非常简单,如下图(a)所示。

为了便于说明,让我们插入一个晶体管来代替开关,以显示它如何控制电子通过灯的流动。记住,通过晶体管的可控电流必须通过集电极和发射极之间。

因为我们要控制的是通过灯的电流,所以我们必须把晶体管的集电极和发射极放在开关的两个触点所在的位置。我们还必须确保灯的电流会移动发射极箭头符号的方向,以确保晶体管的结偏置正确,如下图(b)所示。

(a)机械开关,(b) NPN晶体管开关,(c) PNP晶体管开关。

也可以选择PNP晶体管来完成这项工作。其应用如上图(c)所示。

NPN和PNP之间的选择是任意的。重要的是为了正确的结偏置(电子流动)而维持适当的电流方向晶体管符号的箭头)。

在上面的图中,无论是BJT的基极没有连接到一个合适的电压,没有电流流过基极。结果,晶体管开不了。也许,最简单的方法就是在晶体管的基极线和集电极线之间连接一个开关,如图(a)所示。

晶体管:(a)截止,灯关;(b)饱和,开灯。

截止晶体管与饱和晶体管

如果开关像图(a)那样打开,晶体管的基极线将“漂浮”(没有连接到任何东西),将没有电流通过它。在这种状态下,晶体管就称为晶体管截止

如果开关像图(b)中那样闭合,电流将能够通过开关从晶体管的基极流向发射极。这个基极电流将使更大的电流从集电极流向发射极,从而照亮灯。在这种电路电流最大的状态下,晶体管就称为晶体管饱和

当然,用这种能力的晶体管来控制灯似乎是毫无意义的。一个普通的开关代替晶体管就能满足这个功能。

为什么要用晶体管来控制电流?

这里可以提出两点。首先,当以这种方式使用时,开关触点只需要处理打开晶体管所需的很小的基极电流;晶体管本身处理灯的大部分电流。如果开关额定电流小,这可能是一个重要的优点:一个小的开关可以用来控制一个相对大的电流负载。

更重要的是,晶体管的current-controlling行为使我们能够使用一些完全不同的开启或关闭灯。考虑下图,一双太阳能电池提供了1 V克服晶体管的基极发射极电压0.7 V导致基极电流流动,进而控制灯。

太阳能电池作为光传感器。

或者,我们也可以使用热电偶(许多热电偶串联在一起)来提供必要的基极电流,以便在下面的图中打开晶体管。

单个热电偶的电流小于40毫伏。许多串联可以产生超过0.7 V的晶体管使基极电流和随之产生的集电极电流流向灯。

即使一个麦克风(见下图)有足够的电压和电流(来自放大器)输出可以打开晶体管,如果它的输出从交流整流到直流,使晶体管的发射极-基极PN结将永远是前偏的:

放大的传声器信号被整流为直流电,使晶体管基极偏置,从而提供更大的集电极电流。

这一点现在应该很明显了。任何足够的直流电源都可以用来打开晶体管,而这个电流源只需是点亮灯所需电流的一小部分。

这里我们看到晶体管的功能不仅是开关,而且是一个true放大器:使用相对低功率的信号来控制相对较大的功率。请注意,照亮灯的实际电源来自示意图右侧的电池。这不是像小信号电流从太阳能电池,热电偶,或麦克风被神奇地转化成更大的能量。相反,这些小电源只是控制电池的能量来点亮灯。

BJT as Switch回顾:

  • 晶体管可用作开关元件来控制直流功率到负载。开关(控制)电流进入发射极和集电极之间;控制电流通过发射极和基极之间。
  • 当晶体管有零电流通过时,就说它处于状态截止(完全不导电)。
  • 当晶体管有最大电流通过时,就说它处于一种状态饱和(完全进行)。

相关工作表: