BJT jako spínač
Definice BJT jako spínače
BJT (bipolární spojový tranzistor) je definován jako zařízení, které funguje jako spínač ovládáním proudu mezi bází a emítorem, což mění odpor mezi emítorem a kolektorem.
Spínač vytváří otevřený obvod (nekonečný odpor) ve stavu „VYPNUTO“ a uzavřený obvod (nulový odpor) ve stavu „ZAPNUTO“. Podobně, u bipolárního spojového tranzistoru lze ovládáním proudu mezi bází a emítorem dosáhnout téměř nekonečného nebo téměř nulového odporu mezi emítorem a kolektorem.
V charakteristice tranzistoru existují tři oblasti. Jsou to:
Oblast přerušení (Cutoff Region)
Aktivní oblast (Active Region)
Oblast nasycení (Saturation Region)
V aktivní oblasti zůstává proud kolektoru (IC) konstantní v širokém rozsahu napětí mezi kolektorem a emítorem (VCE). Tento konstantní proud způsobuje významné ztráty energie, pokud tranzistor funguje v této oblasti. Ideální spínač nemá žádné ztráty energie ve stavu VYPNUTO, protože proud je nulový.
Podobně, když je spínač ZAPNUT, napětí na spínači je nulové, takže opět nedochází ke ztrátám energie. Když chceme, aby BJT fungoval jako spínač, musí být ovládán tak, aby ztráty energie ve stavech ZAPNUTO a VYPNUTO byly téměř nulové nebo velmi nízké.
To je možné pouze tehdy, když je tranzistor ovládán pouze v okrajových oblastech charakteristiky. Oblast přerušení a oblast nasycení jsou dvě okrajové oblasti v charakteristice tranzistoru. Poznámka: To platí pro oba typy tranzistorů, npn a pnp.
Na obrázku, když je proud báze nulový, má proud kolektoru (IC) velmi malou konstantní hodnotu v širokém rozsahu napětí mezi kolektorem a emítorem (VCE). Takže když je tranzistor ovládán s proudem báze ≤ 0, proud kolektoru (IC ≈ 0) je velmi malý, a proto se říká, že tranzistor je ve stavu VYPNUTO, ale současně ztráty energie na tranzistoru, tj. IC × VCE, jsou zanedbatelné kvůli velmi malému proudu IC.
Tranzistor je připojen v sérii s výstupním odporem RC. Proto proud skrz výstupní odpor je
Pokud je tranzistor ovládán s proudem báze IB3, pro který je proud kolektoru IC1, a IC je menší než IC1, pak je tranzistor ovládán v oblasti nasycení. Zde, pro každý proud kolektoru menší než IC1, bude velmi malé napětí mezi kolektorem a emítorem (VCE < VCE1). V této situaci je proud skrz tranzistor stejně vysoký jako proud zatížení, ale napětí na tranzistoru (VCE < VCE1) je velmi nízké, takže ztráty energie v tranzistoru jsou zanedbatelné.
Tranzistor se chová jako zapnutý spínač. Pro použití tranzistoru jako spínače musíme zajistit, aby aplikovaný proud báze byl dostatečně vysoký, aby držel tranzistor v oblasti nasycení pro daný proud kolektoru. Z výše uvedeného vysvětlení můžeme usoudit, že bipolární spojový tranzistor se chová jako spínač pouze tehdy, když je ovládán v oblasti přerušení a nasycení jeho charakteristiky. V přepínacích aplikacích se vyhýbáme aktivní oblasti nebo aktivní části charakteristiky. Jak jsme již řekli, ztráty energie v tranzistorovém spínači jsou velmi nízké, ale ne nulové. Proto není ideálním spínačem, ale je přijatelným spínačem pro specifické aplikace.
Při výběru tranzistoru jako spínače zvažte jeho parametry. V stavu ZAPNUTO musí tranzistor zvládat celkový proud zatížení. Pokud tento proud přesáhne bezpečnou kapacitu proudu mezi kolektorem a emítorem, může tranzistor přehrát a být poškozen. V stavu VYPNUTO musí tranzistor snést otevřené napětí zatížení, aby zabránil selhání. Přiměřený chladicí profil je klíčový pro správu tepla. Každý tranzistor potřebuje konečnou dobu pro přepnutí mezi stavy VYPNUTO a ZAPNUTO.
I když doba přepínání je velmi krátká, často méně než několik mikrosekund, není nulová. Během doby zapínání se proud (IC) zvyšuje, zatímco napětí mezi kolektorem a emítorem (VCE) klesá směrem k nule. Je okamžik, kdy jsou jak proud, tak napětí v maximu, což způsobuje vrcholové ztráty energie. To se také stane při přepínání ze stavu ZAPNUTO na VYPNUTO. Maximální ztráty energie nastávají během těchto přechodů, ale energie, která se spotřebuje, je mírná díky krátkému přechodovému období. Při nízkých frekvencích je vytváření tepla zvládnutelné, ale při vysokých frekvencích dochází k významným ztrátám energie a vytváření tepla.
Je třeba poznamenat, že vytváření tepla probíhá nejen během přechodových stavů, ale také během stabilních stavů ZAPNUTO nebo VYPNUTO tranzistoru, avšak množství tepla během stabilních stavů je poměrně malé a zanedbatelné.
