晶體管可以充當電子開關來控制電路中的電流。它使用小信號來打開或關閉較大的負載，使其在許多電子系統中非常有用。本文詳細解釋了 BJT 和 MOSFET 電晶體如何用於開關，包括低側和高側控制、基極和柵極電阻、電感負載保護和微控制器接口。
電晶體開關概述
電晶體是一種半導體器件，可以充當電子開關來控制電路中的電流。與物理打開或關閉路徑的機械開關不同，晶體管使用施加到其基極 （BJT） 或柵極 （FET） 的控制信號以電子方式執行開關。在開關應用中，晶體管僅在兩個主要區域工作：截止區域（OFF 狀態），其中沒有電流流動，晶體管的行為類似於開路開關，以及飽和區域（ON 狀態），其中最大電流流動，兩端的壓降最小，就像一個閉合開關。
電晶體開關狀態
| 地區 | 切換狀態 | 產品描述 | 在交換中的應用 |
|---|---|---|---|
| 截止時間 | 關閉 | 無電流流動（開路） | 二手 |
| 活躍 | 線性 | 部分傳導 | 避免（放大器） |
| 飽和度 | 開啟 | 最大電流（封閉路徑） | 二手 |
電晶體在開關電路中的應用
繼電器和電磁閥控制
電晶體透過提供微控制器無法直接提供的所需線圈電流來驅動繼電器和螺線管。反激式二極管用於防止電壓尖峰。
LED和燈開關
電晶體使用低控制訊號切換 LED 和小燈，同時保護控制電路免受過電流的影響。它們用於指示燈、顯示器和照明控制。
馬達驅動器
電晶體透過充當大電流開關來驅動直流馬達。功率 BJT 或 MOSFET 用於機器人、風扇、泵浦和自動化系統的可靠控制。
電源管理電路
電晶體用於電子電源開關、保護和調節。它們出現在電池充電器、直流轉換器和自動電源控制電路中。
微控制器接口
電晶體將微控制器與高功率負載連接起來。它們放大微弱的邏輯訊號，並能夠控制繼電器、馬達、蜂鳴器和大電流 LED。
NPN 電晶體作為開關
NPN 電晶體可用作電子開關，使用來自感測器或微控制器等裝置的低功率訊號來控制 LED、繼電器和小型馬達等負載。當晶體管作為開關工作時，它在兩個區域工作：截止（OFF 狀態）和飽和（ON 狀態）。在截止區，沒有基極電流流動，晶體管阻斷集電極側的電流，因此負載保持關閉狀態。在飽和區域，有足夠的基極電流流動以完全導通電晶體，從而允許電流從集電極傳遞到發射極並為負載供電。
要使用 NPN 晶體管作為開關，需要一個基極電阻器 （RB） 來限制進入基極的電流。基本電流是使用以下方式計算的：
其中 IC 是通過負載的電流，βforced 是用於安全開關的降低增益值，為 β/10。然後使用以下方法計算基極電阻：
其中 VIN 是控制電壓，VBE 是基極-發射極電壓（矽晶體管約為 0.7V）。這些公式有助於確保晶體管接收到足夠的基極電流以正確切換而不會損壞。
PNP 晶體管作為開關
PNP 晶體管也可以用作開關，但它應用於高側開關，其中負載接地，晶體管控制與正電源電壓的連接。在這種配置中，PNP晶體管的發射極連接到+VCC，集電極連接到負載，負載接地。當基極拉低（低於發射極電壓）時，晶體管導通，當基極拉高（接近 +VCC）時，晶體管關閉。這使得 PNP 電晶體適用於負載必須直接連接到正軌的開關電路，例如汽車佈線和配電系統。
為了限制流入基極的電流，需要基極電阻 （RB）。基本電流是使用以下方式計算的：
其中 IC 是集電極電流，β 強制被視為晶體管典型增益的十分之一，以實現可靠的開關。然後使用以下方法計算基極電阻器的值：
在 PNP 晶體管中，正向偏置時 VBE 約為 -0.7V。控制信號必須拉得足夠低，以正向偏置基極-發射極結並導通晶體管。
BJT開關中的基極電阻
當使用 BJT 晶體管作為開關時，需要一個基極電阻器 （RB） 來控制進入基極的電流。電阻器可保護電晶體和控制源（例如微控制器引腳）免受過大電流的影響。如果沒有這個電阻器，基極-發射極結可能會消耗過多的電流並損壞晶體管。基極電阻器還確保晶體管在 OFF 和 ON 狀態之間正確切換。
要完全開啟電晶體（飽和模式），必須提供足夠的基極電流。基極電流 IB 是使用集電極電流 IC 和稱為強制 beta 的安全增益值計算的：
為了安全起見，不使用晶體管的正常增益 （beta），而是使用稱為強制 beta 的較低值：
計算基極電流後，使用歐姆定律求出基極電阻值：
這裡，VIN 是控制電壓，VBE 是基極-發射極電壓，矽 BJT 約為 0.7V。
邏輯電平控制中的 MOSFET 開關
MOSFET 在現代電路中用作電子開關，因為與 BJT 相比，它們具有更高的效率和更低的功率損耗。MOSFET 透過向其閘極端子施加電壓來運作，閘極端子控制漏極和源極之間的電流流動。與需要連續基極電流的 BJT 不同，MOSFET 是電壓驅動的，在柵極處幾乎不消耗電流，因此適用於電池供電和基於微控制器的系統。
MOSFET 是開關應用的首選，因為它們支持更快的開關速度、更高的電流處理和極低的導通電阻 RDS（on），從而最大限度地減少發熱和能量損失。它們通常用於馬達驅動器、LED 燈條、繼電器、電源轉換器和自動化系統。邏輯級 MOSFET 經過專門設計，可在 5V 或 3.3V 低柵極電壓下完全導通，非常適合直接連接 Arduino、ESP32 和 Raspberry Pi 等微控制器，無需柵極驅動電路。
常用的邏輯級 MOSFET 包括：
• IRLZ44N – 適用於切換直流馬達、繼電器、LED燈帶等高功率負載。
• AO3400 – 緊湊型 SMD MOSFET，適用於低功率數位開關應用。
• IRLZ34N – 用於機器人和自動化中的中高電流負載。
低側和高側切換
低側開關
在低側開關中，晶體管放置在負載和地之間。當晶體管導通時，它完成接地路徑並允許電流流過負載。這種方法簡單易用，這就是為什麼它在數字和基於微控制器的電路中很常見。低側開關是使用 NPN 電晶體或 N 通道 MOSFET 完成的，因為它們很容易在以接地為基準的控制訊號下驅動。此方法用於開關 LED、繼電器和小型馬達等任務。
高側開關
在高側開關中，晶體管放置在電源和負載之間。當晶體管導通時，它將負載連接到正電壓電源。當負載出於安全或信號參考原因必須保持對地連接時使用此方法。高側開關是使用 PNP 電晶體或 P 溝道 MOSFET 完成的。然而，控制起來稍微困難一些，因為必須將基極或柵極驅動到比電源更低的電壓才能將其打開。高側開關通常用於汽車電路、電池供電系統和電源控制應用。
感性負載切換保護
當電晶體用於控制馬達、繼電器、螺線管或線圈等電感負載時，它需要防止電壓尖峰。這些負載在磁場中積累能量，同時電流流過它們。當晶體管關閉時，磁場就會崩潰並釋放該能量，形成突然的高壓尖峰。如果沒有保護，這種尖峰會損壞晶體管並影響整個電路。
為了防止這種情況發生，在負載上添加了保護組件。最常見的一種是反激式二極管，例如 1N4007，反向連接在線圈上。當晶體管關閉時，該二極管為電流提供了一條安全的流動路徑，從而阻止了電壓尖峰。在必須控制電噪聲的電路中，使用 RC 緩衝器（串聯的電阻器和電容器）來減少尖銳脈衝。對於處理較高電壓的電路，TVS（瞬態電壓抑制）二極體用於限制危險尖峰並保護電子部件。
微控制器接口與晶體管開關
Arduino、ESP32 和 STM32 等微控制器只能從其 GPIO 引腳提供較小的輸出電流。該電流限制在 20-40 mA 左右，不足以為電機、繼電器、螺線管或高功率 LED 等設備供電。為了控制這些較高電流的負載，在微控制器和負載之間使用了晶體管。晶體管充當電子開關，讓來自微控制器的小信號控制來自外部電源的更大電流。
選擇電晶體時，請確保它可以在微控制器的輸出電壓下完全導通。邏輯位準 MOSFET 是較大負載的不錯選擇，因為它們具有低導通電阻並在操作期間保持涼爽。2N2222 等 BJT 適用於較小的負載。
| 微控制器 | 輸出電壓 | 推薦電晶體 |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5伏 | 2N2222 （BJT） 或 IRLZ44N （N-MOSFET） |
| ESP32 的 | 3.3伏特 | AO3400 （N-MOSFET） |
| STM32 型號 | 3.3伏特 | IRLZ34N （N-MOSFET） |
結論
電晶體是可靠的電子開關，用於控制 LED、繼電器、馬達和電源電路。透過使用正確的基極或閘極電阻器、為電感負載添加反激式保護以及選擇正確的開關方法，電路變得安全高效。了解電晶體開關有助於設計具有適當控制和保護的穩定電子系統。
常見問題 [常見問題]
為什麼選擇MOSFET而不是BJT進行開關？
MOSFET 的開關速度更快，功率損耗更低，並且不需要連續的柵極電流。
是什麼導致電晶體在開關電路中過熱？
熱量是由開關過程中的功率損耗引起的，如果晶體管未完全導通，則計算為 P = V × I。
MOSFET中的RDS（on）是什麼？
它是漏極和源極之間的導通電阻。較低的 RDS（on） 意味著更低的熱量和更高的效率。
晶體管可以切換交流負載嗎？
不是直接的。單個晶體管僅適用於直流電。對於交流負載，使用 SCR、TRIAC 或繼電器。
為什麼大門或底座不應該浮動？
浮閘或底座會拾取噪音並導致隨機切換，導致運作不穩定。
如何保護MOSFET閘極免受高壓影響？
在柵極和源極之間使用齊納二極管來箝位額外的電壓並防止柵極損壞。