晶体管可以作为电子开关来控制电路中的电流。它使用小信号来打开或关闭较大的负载，使其在许多电子系统中非常有用。本文详细介绍了BJT和MOSFET晶体管在开关中的应用，包括低侧和高侧控制、基极和栅极电阻、电感负载保护以及微控制器接口。
晶体管开关概述
晶体管是一种半导体器件，可以充当电子开关来控制电路中的电流。与物理打开或关闭路径的机械开关不同，晶体管使用施加到其基极 （BJT） 或栅极 （FET） 的控制信号以电子方式执行开关。在开关应用中，晶体管仅在两个主要区域工作：截止区域（OFF 状态），其中没有电流流动，晶体管的行为类似于开路开关，以及饱和区域（ON 状态），其中最大电流流动，两端的压降最小，就像一个闭合开关。
晶体管开关状态
| 地区 | 开关状态 | 描述 | 在交换中的应用 |
|---|---|---|---|
| 截止 | 关闭 | 无电流流动（开路） | 二手 |
| 活跃 | 线性 | 部分传导 | 避免（放大器） |
| 饱和度 | 开 | 最大电流（闭合路径） | 二手 |
晶体管在开关电路中的应用
继电器和电磁阀控制
晶体管通过提供微控制器无法直接提供的所需线圈电流来驱动继电器和螺线管。反激式二极管用于防止电压尖峰。
LED和灯切换
晶体管使用低控制信号切换 LED 和小灯，同时保护控制电路免受过大电流的影响。它们用于指示灯、显示器和照明控制。
电机驱动器
晶体管通过充当大电流开关来驱动直流电机。功率 BJT 或 MOSFET 用于机器人、风扇、泵和自动化系统中的可靠控制。
电源管理电路
晶体管用于电子电源开关、保护和调节。它们出现在电池充电器、直流转换器和自动电源控制电路中。
微控制器接口
晶体管将微控制器与高功率负载连接起来。它们放大微弱的逻辑信号，并能够控制继电器、电机、蜂鸣器和大电流 LED。
NPN 晶体管作为开关
NPN 晶体管可用作电子开关，使用来自传感器或微控制器等设备的低功耗信号来控制 LED、继电器和小型电机等负载。当晶体管作为开关工作时，它在两个区域工作：截止（OFF 状态）和饱和（ON 状态）。在截止区，没有基极电流流动，晶体管阻断了集电极侧的电流，因此负载保持关断状态。在饱和区域，有足够的基极电流流动，使晶体管完全导通，允许电流从集电极传递到发射极并为负载供电。
要使用 NPN 晶体管作为开关，需要一个基极电阻器 （RB） 来限制进入基极的电流。基本电流的计算方法如下：
其中IC是通过负载的电流，βforced是用于安全开关的降低增益值，β/10。然后使用以下方法计算基极电阻：
其中VIN是控制电压，VBE是基极-发射极电压（硅晶体管约为0.7V）。这些公式有助于确保晶体管接收到足够的基极电流以正确切换而不会损坏。
PNP 晶体管作为开关
PNP 晶体管也可以用作开关，但它应用于高侧开关，其中负载接地，晶体管控制与正电源电压的连接。在这种配置中，PNP晶体管的发射极连接到+VCC，集电极连接到负载，负载接地。当基极被拉低（低于发射极电压）时，晶体管导通，当基极被拉高（接近+VCC）时，晶体管关闭。这使得PNP晶体管适用于负载必须直接连接到正轨的开关电路，例如汽车布线和配电系统。
为了限制流入基极的电流，需要一个基极电阻器 （RB）。基本电流的计算方法如下：
其中 IC 是集电极电流，β 强制为晶体管典型增益的十分之一，以实现可靠的开关。然后使用以下方法计算基极电阻的值：
在PNP晶体管中，正向偏置时VBE约为-0.7V。控制信号必须拉低到足够低，以正向偏置基极-发射极结并导通晶体管。
BJT开关中的基极电阻
当使用 BJT 晶体管作为开关时，需要一个基极电阻器 （RB） 来控制进入基极的电流。电阻器保护晶体管和控制源（例如微控制器引脚）免受过大电流的影响。如果没有这个电阻，基极-发射极结可能会消耗过大的电流并损坏晶体管。基极电阻器还确保晶体管在 OFF 和 ON 状态之间正确切换。
要使晶体管完全导通（饱和模式），必须提供足够的基极电流。基极电流IB是使用集电极电流IC和称为强制β的安全增益值计算的：
为了安全起见，不使用晶体管的正常增益 （beta），而是使用称为强制 beta 的较低值：
计算基极电流后，使用欧姆定律求出基极电阻值：
这里，VIN是控制电压，VBE是基极-发射极电压，硅BJT约为0.7V。
逻辑电平控制中的MOSFET开关
MOSFET 在现代电路中用作电子开关，因为与 BJT 相比，它们具有更高的效率和更低的功率损耗。MOSFET 通过向其栅极端子施加电压来工作，栅极端子控制漏极和源极之间的电流流动。与需要连续基极电流的 BJT 不同，MOSFET 是电压驱动的，在栅极处几乎不消耗电流，因此适用于电池供电和基于微控制器的系统。
MOSFET 是开关应用的首选，因为它们支持更快的开关速度、更高的电流处理能力和非常低的导通电阻 RDS（on），从而最大限度地减少了发热和能量损失。它们通常用于电机驱动器、LED 灯条、继电器、电源转换器和自动化系统。逻辑级 MOSFET 经过专门设计，可在 5V 或 3.3V 低栅极电压下完全导通，非常适合直接与 Arduino、ESP32 和 Raspberry Pi 等微控制器连接，而无需栅极驱动电路。
常用的逻辑级 MOSFET 包括：
• IRLZ44N – 适用于开关大功率负载，如直流电机、继电器和 LED 灯带。
• AO3400 – 紧凑型 SMD MOSFET，适用于低功耗数字开关应用。
• IRLZ34N – 用于机器人和自动化中的中高电流负载。
低侧和高侧开关
低侧开关
在低侧开关中，晶体管放置在负载和地之间。当晶体管导通时，它完成了接地路径并允许电流流过负载。这种方法简单易用，这就是为什么它在数字和基于微控制器的电路中很常见的原因。低侧开关是使用 NPN 晶体管或 N 沟道 MOSFET 完成的，因为它们很容易在以地为基准的控制信号下驱动。此方法用于开关 LED、继电器和小型电机等任务。
高侧开关
在高侧开关中，晶体管放置在电源和负载之间。当晶体管导通时，它将负载连接到正电压电源。当负载出于安全或信号参考原因必须保持接地连接时，使用此方法。高侧开关是使用 PNP 晶体管或 P 沟道 MOSFET 完成的。然而，控制起来稍微困难一些，因为必须将基极或栅极驱动到比电源更低的电压才能将其打开。高侧开关通常用于汽车电路、电池供电系统和电源控制应用。
感性负载开关保护
当晶体管用于控制电机、继电器、螺线管或线圈等感性负载时，它需要防止电压尖峰。这些负载在磁场中积累能量，同时电流流过它们。当晶体管关闭时，磁场就会崩溃并释放该能量，形成突然的高压尖峰。如果没有保护，该尖峰会损坏晶体管并影响整个电路。
为了防止这种情况发生，在负载上添加了保护组件。最常见的一种是反激式二极管，例如 1N4007，反向连接在线圈上。当晶体管关闭时，该二极管为电流提供了一条安全的流动路径，从而阻止了电压尖峰。在必须控制电噪声的电路中，使用 RC 缓冲器（串联的电阻器和电容器）来减少尖锐脉冲。对于处理较高电压的电路，TVS（瞬态电压抑制）二极管用于限制危险尖峰并保护电子部件。
带晶体管开关的微控制器接口
Arduino、ESP32 和 STM32 等微控制器只能从其 GPIO 引脚提供较小的输出电流。该电流限制在 20-40 mA 左右，不足以为电机、继电器、螺线管或大功率 LED 等设备供电。为了控制这些更高电流的负载，在微控制器和负载之间使用晶体管。晶体管充当电子开关，让来自微控制器的小信号控制来自外部电源的较大电流。
选择晶体管时，请确保它可以在微控制器的输出电压下完全开启。逻辑电平 MOSFET 是较大负载的不错选择，因为它们具有低导通电阻并在工作期间保持凉爽。BJT（如 2N2222）适用于较小的负载。
| 微控制器 | 输出电压 | 推荐晶体管 |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5伏 | 2N2222 （BJT） 或 IRLZ44N （N-MOSFET） |
| ESP32 | 3.3伏 | AO3400 （N-MOSFET） |
| STM32 | 3.3伏 | IRLZ34N （N-MOSFET） |
结论
晶体管是可靠的电子开关，用于控制 LED、继电器、电机和电源电路。通过使用正确的基极或栅极电阻器，为感性负载添加反激保护，并选择正确的开关方法，电路变得安全高效。了解晶体管开关有助于设计具有适当控制和保护的稳定电子系统。
常见问题 [FAQ]
为什么选择MOSFET而不是BJT进行开关？
MOSFET 开关速度更快，功率损耗更低，并且不需要连续栅极电流。
是什么导致晶体管在开关电路中过热？
如果晶体管未完全导通，则热量是由开关期间的功率损耗引起的，计算为 P = V × I。
MOSFET中的RDS（on）是什么？
它是漏极和源极之间的导通电阻。较低的 RDS（on） 意味着更低的热量和更高的效率。
晶体管可以切换交流负载吗？
不是直接的。单个晶体管仅适用于直流电。对于交流负载，使用 SCR、TRIAC 或继电器。
为什么闸门或底座不应保持浮动状态？
浮栅或底座会拾取噪音并导致随机切换，从而导致运行不稳定。
如何保护MOSFET栅极免受高压影响？
在栅极和源极之间使用齐纳二极管来箝位额外的电压并防止栅极损坏。