脉冲电路 - 晶体管作为开关

晶体管通过驱动饱和或截止来用作电子开关。这两者之间的区域是线性区域。晶体管在该区域充当线性放大器。饱和状态和截止状态是这方面的重要考虑因素。

晶体管的开和关状态

晶体管的工作有两个主要区域，我们可以将其视为导通状态和截止状态。它们是饱和状态和截止状态。让我们看看晶体管在这两种状态下的Behave。

截止状态下运行

下图显示了截止区域中的晶体管。

当晶体管的基极为负时，晶体管进入截止状态。没有集电极电流。因此_IC = 0。

施加在集电极上的电压V _{CC出现在集电极电阻R}_C两端。所以，

VCE = _VCC_{_}

工作在饱和区

下图显示了处于饱和区的晶体管。

当基极电压为正且晶体管进入饱和状态时，IC_流过R _C。

然后 V _CC下降到 R _C上。输出将为零。

$$I_C = I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC}}{R_C} \: 和 \: V_{CE} = 0$$

事实上，这是最理想的状态。实际上，会产生一些漏电流。因此，我们可以理解，晶体管在饱和时充当开关，并通过向基极施加正负电压来截止区域。

下图给出了更好的解释。

_{观察连接 I C}和 V _CC的直流负载线。如果晶体管被驱动至饱和，则 I _C完全流动且 V _CE = 0，如点A所示。

如果晶体管被驱动到截止状态，IC_将为零，V _CE = V _CC，由点 B 表示。连接饱和点 A 和截止点 B 的线称为负载线。由于此处施加的电压为直流，因此称为直流负载线。

实际考虑

尽管上述条件都令人信服，但要实现这样的结果还存在一些实际限制。

切断状态期间

理想晶体管的 V _CE = V _CC且 I _C = 0。

但实际上，流经集电极的漏电流较小。

因此 I _C将为几μA。

这称为集电极漏电流，当然可以忽略不计。

饱和状态期间

理想晶体管的 V _CE = 0 且 I _C = I _C(sat)。

但实际上，V _CE会降低到某个称为拐点电压的值。

当V _CE下降超过拐点电压时，β 急剧下降。

由于 I _C = βI _B这会降低集电极电流。

因此，将 V _{CE维持在拐点电压的最大电流 I}_C称为饱和集电极电流。

饱和集电极电流 = $I_{C(sat)} \: = \: \frac{V_{CC} - V_{knee}}{R_C}$

仅出于开关目的而制造的晶体管称为开关晶体管。这适用于饱和度或截止区域。在饱和状态下，集电极饱和电流流过负载；在截止状态下，集电极漏电流流过负载。

晶体管的开关动作

晶体管具有三个工作区域。为了了解运行效率，需要考虑实际损失。因此，让我们尝试了解晶体管作为开关的工作效率如何。

切断 (OFF) 状态期间

基极电流 IB ₌ 0

集电极电流IC ₌ I _CEO（集电极漏电流）

功率损耗 = 输出电压 × 输出电流

$$= V_{CC} \times I_{CEO}$$

由于I _CEO规模很小，V _CC也很低，因此损失价值非常低。因此，晶体管在关断状态下充当高效开关。

饱和（ON）状态期间

正如前面所讨论的，

$$I_{C(sat)} = \frac{V_{CC} - V_{膝盖}}{R_C}$$

输出电压为V _knee。

功率损耗=输出电压×输出电流

$$= \:V_{膝盖} \times I_{c(sat)}$$

由于V_拐点值较小，因此损失较小。因此，晶体管在导通状态下充当高效开关。

在活动区域期间

晶体管处于导通和截止状态之间。该晶体管作为线性放大器运行，输入电流的微小变化会导致输出电流 (ΔI _C ) 发生较大变化。

切换时间

开关晶体管以脉冲作为输入，并以变化较小的脉冲作为输出。关于开关输出脉冲的时序，您应该了解一些术语。让我们来看看它们。

令输入脉冲持续时间 = T

当施加输入脉冲时，由于杂散电容的原因，集电极电流需要一些时间才能达到稳态值。下图解释了这个概念。

从上图来看，

时间延迟(t _d ) - 集电极电流从其初始值达到其最终值的 10% 所需的时间称为时间延迟。
上升时间(t _r ) - 集电极电流从其初始值的 10% 达到其最终值的 90% 所需的时间称为“上升时间”。
开启时间 (TON ₎ -时间延迟 (t _d ) 和上升时间 (t _r ) 之和称为开启时间。

T _ON = t _d + t _r
存储时间 (t _s ) - 输入脉冲后沿到输出最大值 90% 之间的时间间隔，称为存储时间。
下降时间 (t _f ) - 集电极电流从最大值的 90% 达到初始值的 10% 所需的时间称为下降时间。
关断时间 (T _OFF ) - 存储时间 (t _s ) 和下降时间 (t _f ) 之和定义为关断时间。

T_关闭= t _s + t _f
脉冲宽度(W) - 在上升和下降波形的两个 50% 电平之间测量的输出脉冲的持续时间定义为脉冲宽度。