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双极连接晶体管(BJT)作为开关

2020年11月22日经过罗伯特·凯
该视频教程演示了双极连接晶体管如何允许低压信号来控制大功率负载。
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晶体管是可以执行切换和放大的有源器件。这两个操作在两种情况下没有基本上不同 - 在这两种情况下,流过设备的相对大的电流由施加到输入端子的小幅度或低功率信号来调节。

但是,术语“开关”和“放大器”帮助我们简明地传达了衍生的差异使用晶体管的方式电路设计人员的目的。在本教程中,我们将专注于交换,并在下一个教程中,我们将检查BJT小信号放大器。

开关的目的

电子系统通常负责控制电动机,电磁阀,加热器和其他类型的高电源设备。被控制的东西被称为加载并且通过“受控”我们的意思是简单地打开并关闭 - 电子设备的目的是根据由例如比较器电路产生的命令来向负载供电,从负载下移除电源互连的逻辑门,或人工操作员。


如今,控制电子交换机的命令将经常来自微控制器。例如,机电系统可以包括几种需要单独启动和以根据环境条件改变的精确序列停止的多个DC电动机。

由微控制器监视器传感器执行的指令,实现所需的序列,并为每个电动机产生旨在的数字信号;逻辑高信号表示电机应该旋转,逻辑低信号表示应停止电机。逻辑低信号将非常接近0 V,常见的逻辑高电平为3.3 V.

我们不能使用微控制器直接控制电机,因为微处理器和其他类型的数字IC产生的信号不能提供驱动大功率负载所需的大量电流。

另一方面,离散晶体管,能够提供大量的电流。因此,如果我们在微控制器和电机之间插入BJT开关,我们通过低功耗数字信号具有控制高功率负载的有效方法。


截止和饱和度

当我们使用BJT作为基本的“低端”开关时,目标是转动负载离开经过预防电流流动并转动负载经过允许电流从电源电压自由流动,通过负载,通过BJT的收集器和发射器,以接地。防止电流容易足够易于:逻辑低控制信号不会转发偏置NE接合,因此晶体管将处于截止状态。

但是,我们如何导致电流通过负载自由流动?我们是否希望在状态晶体管开关中以前进主动模式或饱和模式操作?正如我们在下一个教程中看到的,前进活动模式提供高获得,意味着输入电压的非常小的变化可以产生大型和输出电流的成比例变化。

在开关电路中,目标不是在输出电流中提供比例变化;相反,我们只是想将晶体管驱动成全部传导。因此,在截止模式和饱和模式之间的BJT开关转换。我们不限制输入电压或输入电流,试图将晶体管保持在前向主动模式。

最大电流

以下情节与我们在上一个教程中看到的剧情相同,除了标签已经改变,有助于我们理解饱和模式为开关负载提供最大电流。

集电极电压(V.col)在正向主动操作期间减少,并且当晶体管进入饱和时截止。我们将饱和模式集电极电压近似为常数V.CE(SAT)= 0.2 v,我们想到vCE(SAT)作为最低集电极电压在正常操作期间是可能的。

如果我们想象负载是在电源电压和集电极电压之间放置的电阻,则当负载的电压最大化时,通过负载的电流将是最大的,并且由于电源电压是固定的,因此负载上的电压最大化当集电极电压达到v时CE(SAT)

结论

本教程提供了基于晶体管的开关电路的基本示例,并解释了我们在执行BJT切换时利用截止和饱和模式的原因。在下一个教程中,我们将使用简单的电路来探索BJT放大,该电路增加正弦输入信号的幅度。