BJT som skærm

BJT som en switch - Definition

En BJT (bipolær junction transistor) er defineret som en enhed, der fungerer som en switch ved at kontrollere base-emitterstrømmen for at ændre emitter-collector resistance.

En switch skaber en åben kredsløb (uendelig resistans) i 'OFF'-position og en kortslutning (nul resistans) i 'ON'-position. Ligeså kan man i en bipolær junction transistor gøre emitter-collector resistancen næsten uendelig eller næsten nul ved at kontrollere base-emitterstrømmen.

I en transistor karakteristik findes der tre regioner. De er:

• Afslukningsregion (Cutoff Region)

• Aktiv region (Active Region)

• Mættningsregion (Saturation Region)

I den aktive region bliver collectorstrømmen (IC) konstant over et bredt område af collector-emitter spænding (VCE). Denne konstante strøm forårsager betydelig effektforbrug, hvis transistoren opererer i denne region. En ideal switch har ingen effektforbrug, når den er slukket, da strømmen er nul.

Ligeså, når switch'en er tændt, er spændingen over switch'en nul, hvilket igen medfører ingen effektforbrug. Når vi ønsker, at en BJT skal fungere som en switch, skal den operere på en måde, så effektforbruget både i 'ON' og 'OFF' tilstand er næsten nul eller meget lavt.

Dette er kun muligt, når transistoren kun opererer i de marginalregioner af karakteristikken. Afslukningsregionen og mættningsregionen er de to marginalregioner i transistor karakteristikken. Dette gælder for både npn-transistorer og pnp-transistorer.

I figuren, når basestrømmen er nul, har collectorstrømmen (IC) en meget lille konstant værdi for et bredt område af collector-emitter spænding (VCE). Så når transistoren opererer med basestrøm ≤ 0, er collectorstrømmen (IC ≈ 0) meget lille, og derfor siges transistoren at være i 'OFF'-tilstand. Men samtidig er effektforbruget over transistorswitch'en, dvs. IC × VCE, ubetydeligt på grund af den meget lille IC.

Transistoren er forbundet i serie med en outputresistans RC. Derfor er strømmen gennem outputresistansen:

Hvis transistoren opererer med en basestrøm I B3, hvorved collectorstrømmen er IC1, og IC er mindre end IC1, opererer transistoren i mættningsregionen. Her, for enhver collectorstrøm, der er mindre end IC1, vil der være en meget lille collector-emitter spænding (VCE < VCE1). Så i denne situation er strømmen gennem transistoren lige så høj som belastningsstrømmen, men spændingen over transistoren (VCE < VCE1) er meget lav, og dermed er effektforbruget i transistoren ubetydeligt.

Transistoren opfører sig som en tændt switch. Så for at bruge transistoren som en switch, skal vi sikre os, at den anvendte basestrøm er tilstrækkelig høj til at holde transistoren i mættningsregionen for en given collectorstrøm. Så, ud fra ovenstående forklaring kan vi konkludere, at en bipolær junction transistor kun opfører sig som en switch, når den opererer i afsluknings- og mættningsregionen af sin karakteristik. I switchapplikationer undgås den aktive region eller den aktive region af karakteristikken. Som vi allerede har nævnt, er effektforbruget i transistorswitch'en meget lavt, men ikke nul. Så det er ikke en ideel switch, men accepteres som en switch til specifikke applikationer.

Når man vælger en transistor som en switch, bør man overveje dens rating. Under 'ON'-tilstanden skal transistoren håndtere hele belastningsstrømmen. Hvis denne strøm overstiger den sikre collector-emitter strømkapacitet, kan transistoren overophede og ødelægges. Under 'OFF'-tilstanden skal transistoren kunne modstå den åbne kredsløbs spænding af belastningen for at forhindre nedbrydning. En passende kølelement er nødvendig for at håndtere varmen. Hver transistor tager en endelig tid til at skifte mellem 'OFF' og 'ON'-tilstande.

Selvom skiftetiden er meget kort, ofte under nogle få mikrosekunder, er den ikke nul. Under 'ON'-skiftetiden stiger strømmen (IC), mens collector-emitter spændingen (VCE) falder mod nul. Der er et øjeblik, hvor både strøm og spænding er på deres maksimum, hvilket forårsager top effektforbrug. Dette sker også, når man skifter fra 'ON' til 'OFF'. Maksimalt effektforbrug indtræffer under disse overgange, men den dissiperede energi er moderat på grund af den korte overgangsperiode. Ved lave frekvenser er varmegenereringen behandlelig, men ved høje frekvenser opstår betydeligt effektforbrug og varme.

Det er vigtigt at bemærke, at varmegenerering ikke kun forekommer under overgangsforhold, men også under stabil 'ON' eller 'OFF'-tilstand af transistoren, men mængden af varme under stabil tilstand er meget lille og ubetydelig.