晶體管開關(guān)可用于通過使用處于飽和或截止?fàn)顟B(tài)的晶體管來接通或斷開低壓直流設(shè)備（例如LED）

當(dāng)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(nèi)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(guān)工作。

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

如果電路使用雙極晶體管作為開關(guān)，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(cè)操作晶體管。

晶體管開關(guān)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(guān)閉”（截止）和“完全關(guān)閉”之間來回驅(qū)動晶體管作為開關(guān)。 ON“（飽和度）區(qū)域如下所示。

經(jīng)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(cè)的藍(lán)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(dǎo)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(guān)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(dāng)使用雙極晶體管作為開關(guān)時，兩個結(jié)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(fù)。

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(dǎo)致最小集電極發(fā)射極電壓降，這導(dǎo)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(dāng)使用雙極晶體管作為開關(guān)時，兩個結(jié)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(guān)工作。當(dāng)零信號施加到晶體管的基極時，它變?yōu)椤瓣P(guān)”，其作用類似于開路開關(guān)和零集電極電流。當(dāng)一個正信號施加到晶體管的基極時，它變?yōu)椤敖油ā保拖耖]合開關(guān)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(dāng)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(fù)載。

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

基本NPN晶體管開關(guān)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(guān)操作時，晶體管需要完全“關(guān)閉”（截止）或完全“開啟”（飽和）。當(dāng)轉(zhuǎn)向“完全關(guān)閉”時，理想的晶體管開關(guān)在集電極和發(fā)射極之間將具有無限的電路電阻，導(dǎo)致流過它的零電流和當(dāng)“完全接通”時集電極和發(fā)射極之間的零電阻，從而產(chǎn)生最大電流。

實際上，當(dāng)晶體管“關(guān)閉”時，小漏電流流過晶體管，當(dāng)完全“導(dǎo)通”時，器件的電阻值較低，導(dǎo)致飽和電壓較小（ V CE ）。盡管晶體管不是完美的開關(guān)，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(jìn)而控制流經(jīng)晶體管的集電極電流量，如前所述。

當(dāng)最大集電極電流流過時，晶體管稱為飽和。基極電阻的值決定了需要多少輸入電壓和相應(yīng)的基極電流來完全“接通”晶體管。

晶體管作為開關(guān)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(zhǔn)電阻值（ Rb ）當(dāng)輸入端電壓超過 2.5v 時，將負(fù)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(guān)始終飽和。

晶體管作為開關(guān)示例No2

再次使用相同的值，找到當(dāng)輸入電壓增加時需要 200mA 電流的負(fù)載使晶體管“完全導(dǎo)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(guān)用于各種應(yīng)用，如將大電流或高壓設(shè)備（如電機(jī)，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(shè)備可能需要12伏或甚至24伏的電源。或者，諸如DC電機(jī)之類的負(fù)載可能需要使用一系列脈沖（脈沖寬度調(diào)制）來控制其速度。與傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)相比，晶體管開關(guān)可以更快，更輕松地完成這項工作。

數(shù)字邏輯晶體管開關(guān)

需要基極電阻 Rb 來限制邏輯門的輸出電流。

PNP晶體管開關(guān)

我們也可以使用PNP晶體管作為開關(guān)，這次的不同之處在于負(fù)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(guān)“ON”工作，Base端子接地或零電壓（LOW），如圖所示。

PNP晶體管開關(guān)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(guān)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(dá)林頓晶體管開關(guān)

有時候雙極晶體管的DC電流增益太低而不能直接切換負(fù)載電流或電壓，因此使用多個開關(guān)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(fù)合配置”連接，或者更常稱為“達(dá)林頓配置”，放大因子是兩個單獨晶體管的乘積。

達(dá)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(chǎn)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(dá)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(guān)相比，具有非常高的β值和高集電極電流的達(dá)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(guān)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(fù)載電流 200mA ，則達(dá)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(dá)林頓晶體管配置的例子。

達(dá)林頓晶體管配置

上述NPN達(dá)林頓晶體管開關(guān)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(dǎo)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(jìn)行放大，并用它來驅(qū)動第二個較大的“輸出”晶體管。第二晶體管再次放大信號，導(dǎo)致非常高的電流增益。與單雙極晶體管相比，達(dá)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(guān)能力外，“另一個優(yōu)點是”達(dá)林頓晶體管開關(guān)“具有高開關(guān)速度，非常適合用于逆變器電路，照明電路和直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)控制應(yīng)用。

使用達(dá)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(guān)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(jié)的連接。

晶體管作為開關(guān)摘要

然后總結(jié)使用晶體管作為開關(guān)時，以下條件適用：

晶體管開關(guān)可用于切換和控制燈，繼電器甚至電機(jī)。

使用雙極晶體管時一個開關(guān)，它們必須是“完全關(guān)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(guān)閉”的晶體管據(jù)說位于截止區(qū)域。

當(dāng)使用晶體管作為開關(guān)時，較小的基極電流可控制更大的集電極負(fù)載電流。

使用晶體管切換感應(yīng)負(fù)載（如繼電器和螺線管）時，”飛輪“使用二極管。

當(dāng)需要控制大電流或電壓時，可以使用達(dá)林頓晶體管。

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