BJT com a interruptor
Definició de BJT com a interruptor
Un BJT (transistor de junta bipolar) es defineix com un dispositiu que actua com un interruptor controlant la corrent base-emissor per canviar la resistència emissor-colector.
Un interruptor crea un circuit obert (resistència infinita) quan està en la posició 'OFF' i un circuit tancat (resistència zero) quan està en la posició 'ON'. De manera similar, en un transistor de junta bipolar, controlar la corrent base-emissor pot fer que la resistència emissor-colector sigui gairebé infinita o gairebé zero.
En les característiques d'un transistor, hi ha tres regions. Són
Regió de tall
Regió activa
Regió de saturació
En la regió activa, la corrent del colector (IC) es manté constant en un ampli rang de voltatge colector-emissor (VCE). Aquesta corrent constant provoca una pèrdua de potència significativa si el transistor opera en aquesta regió. Un interruptor ideal no té pèrdua de potència quan està apagat, ja que la corrent és zero.
De manera similar, quan l'interruptor està encès, el voltatge a través de l'interruptor és zero, per tant, no hi ha pèrdua de potència. Quan volem que un BJT s'operi com a interruptor, s'ha de fer de manera que la pèrdua de potència en les condicions d'encès i apagat sigui gairebé zero, o molt baixa.
Només és possible quan el transistor només opera en les regions marginals de les seves característiques. Les regions de tall i de saturació són les dues regions marginals en les característiques del transistor. Noteu que això s'aplica tant als transistors npn com als pnp.
En la figura, quan la corrent de base és zero, la corrent del colector (IC) té un valor constant molt petit per a un ampli rang de voltatge colector-emissor (VCE). Per tant, quan el transistor s'opera amb una corrent de base ≤ 0, la corrent del colector (IC ≈ 0) és molt petita, per tant, es diu que el transistor està en condició d'apagat, però alhora, la pèrdua de potència a través del transistor interruptor, és a dir, IC × VCE, és negligible degut a la petita corrent IC.
El transistor està connectat en sèrie amb una resistència de sortida RC. Per tant, la corrent a través de la resistència de sortida és
Si el transistor s'opera amb una corrent de base IB3 per la qual la corrent del colector és IC1. IC és menor que IC1, llavors el transistor s'opera en la regió de saturació. Aquí, per qualsevol corrent del colector menor que IC1, hi haurà un voltatge colector-emissor (VCE < VCE1) molt petit. Per tant, en aquesta situació, la corrent a través del transistor és tan alta com la corrent de càrrega, però el voltatge a través del transistor (VCE < VCE1) és bastant baix, per tant, la pèrdua de potència en el transistor és negligible.
El transistor comporta un interruptor encès. Per tant, per utilitzar el transistor com a interruptor, hem d'assegurar-nos que la corrent de base aplicada sigui suficientment alta per mantenir el transistor en la regió de saturació, per una corrent del colector. Així, des de l'explicació anterior, podem concloure que el transistor de junta bipolar comporta un interruptor només quan s'opera en les regions de tall i de saturació de les seves característiques. En les aplicacions d'interruptor, es pren la precaució d'evitar la regió activa o la regió activa de les característiques. Com ja hem dit, la pèrdua de potència en l'interruptor de transistor és molt baixa, però no zero. Per tant, no és un interruptor ideal, però s'accepta com a interruptor per a aplicacions específiques.
Quan es tria un transistor com a interruptor, s'ha de tenir en compte la seva classificació. Durant l'estat d'encès, el transistor ha de gestionar tota la corrent de càrrega. Si aquesta corrent supera la capacitat de corrent colector-emissor segura, el transistor pot sobrecalentar-se i destruir-se. Durant l'estat d'apagat, el transistor ha de suportar el voltatge de circuit obert de la càrrega per evitar la ruptura. Un dissipador de calor adequat és essencial per gestionar el calor. Cada transistor necessita un temps finit per commutar entre els estats d'apagat i d'encès.
Encara que el temps de commutació és molt breu, sovint menys de uns pocs microsegons, no és zero. Durant el període d'encès, la corrent (IC) augmenta mentre que el voltatge colector-emissor (VCE) disminueix cap a zero. Hi ha un moment en què tant la corrent com el voltatge estan al seu màxim, causant una pèrdua de potència màxima. Això també ocorre quan es commuta de l'encès a l'apagat. La pèrdua de potència màxima ocorre durant aquests canvis, però l'energia dissipada és moderada degut al curt període de transició. A baixes freqüències, la generació de calor és manejable, però a altes freqüències, ocorren pèrdues de potència i calor significatives.
Cal tenir en compte que la generació de calor no ocorre només durant les condicions transitòries, sinó també durant les condicions estables d'encès o apagat del transistor, però la quantitat de calor durant les condicions estables és molt petita i negligible.
