BJT als Schalter

BJT als Schalter Definition

Ein BJT (bipolarer Junction-Transistor) ist definiert als ein Bauteil, das durch die Steuerung des Basis-Emitter-Stroms den Emitter-Kollektor-Widerstand verändert und somit als Schalter fungiert.

Ein Schalter erzeugt einen offenen Stromkreis (unendlicher Widerstand), wenn er in der 'AUS'-Position ist, und einen kurzen Stromkreis (Nullwiderstand), wenn er in der 'EIN'-Position ist. Ähnlich kann in einem bipolaren Junction-Transistor die Steuerung des Basis-Emitter-Stroms den Emitter-Kollektor-Widerstand fast unendlich oder fast Null machen.

In der Transistorcharakteristik gibt es drei Bereiche. Diese sind:

• Sperrbereich

• Aktiver Bereich

• Sättigungsgebiet

Im aktiven Bereich bleibt der Kollektorstrom (IC) über einen weiten Spannungsbereich zwischen Kollektor und Emitter (VCE) konstant. Dieser konstante Strom verursacht erhebliche Leistungsverluste, wenn der Transistor in diesem Bereich arbeitet. Ein idealer Schalter hat keine Leistungsverluste, wenn er ausgeschaltet ist, da der Strom dann Null ist.

Ähnlich, wenn der Schalter eingeschaltet ist, ist die Spannung über dem Schalter Null, daher gibt es auch hier keine Leistungsverluste. Wenn wir möchten, dass ein BJT als Schalter betrieben wird, muss es so gesteuert werden, dass die Leistungsverluste sowohl im EIN- als auch im AUS-Zustand nahezu Null oder sehr gering sind.

Dies ist nur möglich, wenn der Transistor nur in den Randbereichen der Charakteristik betrieben wird. Der Sperrbereich und der Sättigungsgebiet sind zwei Randbereiche in der Transistorcharakteristik. Beachten Sie, dass dies sowohl für npn-Transistoren als auch für pnp-Transistoren gilt.

In der Abbildung hat der Kollektorstrom (IC) bei einem Basisstrom von Null einen sehr kleinen konstanten Wert über einen weiten Spannungsbereich zwischen Kollektor und Emitter (VCE). Wenn der Transistor mit einem Basisstrom ≤ 0 betrieben wird, ist der Kollektorstrom (IC ≈ 0) sehr klein, daher ist der Transistor im AUS-Zustand, aber gleichzeitig sind die Leistungsverluste über dem Transistorschalter IC × VCE vernachlässigbar, da IC sehr klein ist.

Der Transistor ist in Reihe mit einem Ausgangswiderstand RC verbunden. Daher ist der Strom durch den Ausgangswiderstand

Wenn der Transistor mit einem Basisstrom I B3 betrieben wird, für den der Kollektorstrom IC1 ist, und IC kleiner als IC1, dann arbeitet der Transistor im Sättigungsgebiet. Hier, für jeden Kollektorstrom, der kleiner als IC1 ist, wird die Kollektor-Emitter-Spannung (VCE < VCE1) sehr klein. Daher ist in dieser Situation der Strom durch den Transistor so hoch wie der Laststrom, aber die Spannung über dem Transistor (VCE < VCE1) sehr gering, wodurch die Leistungsverluste im Transistor vernachlässigbar sind.

Der Transistor verhält sich wie ein eingeschalteter Schalter. Um den Transistor als Schalter zu verwenden, müssen wir sicherstellen, dass der angewandte Basisstrom ausreichend hoch ist, um den Transistor im Sättigungsgebiet zu halten, für einen bestimmten Kollektorstrom. Aus der obigen Erklärung können wir schließen, dass ein bipoler Junction-Transistor nur dann als Schalter funktioniert, wenn er im Sperr- und Sättigungsgebiet seiner Charakteristik betrieben wird. In Schaltanwendungen wird der aktive Bereich der Charakteristik vermieden. Wie bereits erwähnt, sind die Leistungsverluste im Transistorschalter sehr gering, aber nicht Null. Daher ist es kein idealer Schalter, wird aber für spezielle Anwendungen als Schalter akzeptiert.

Bei der Auswahl eines Transistors als Schalter sollten seine Kennzahlen berücksichtigt werden. Im EIN-Zustand muss der Transistor den gesamten Laststrom handhaben. Wenn dieser Strom die zulässige Kollektor-Emitter-Stromkapazität überschreitet, kann der Transistor überhitzen und zerstört werden. Im AUS-Zustand muss der Transistor die offene Schaltungsspannung der Last aushalten, um eine Zerstörung zu verhindern. Eine geeignete Kühlkörper ist für die Wärmeabfuhr unerlässlich. Jeder Transistor benötigt eine endliche Zeit, um zwischen den Zuständen AUS und EIN zu schalten.

Obwohl die Schaltzeit sehr kurz ist, oft weniger als einige Mikrosekunden, ist sie nicht Null. Während der Einschaltperiode nimmt der Strom (IC) zu, während die Kollektor-Emitter-Spannung (VCE) gegen Null fällt. Es gibt einen Moment, in dem sowohl Strom als auch Spannung maximal sind, was zu einem maximalen Leistungsverlust führt. Dies tritt auch auf, wenn vom EIN- zum AUS-Zustand geschaltet wird. Der maximale Leistungsverlust tritt während dieser Übergänge auf, aber die abgegebene Energie ist moderat, da die Übergangszeit kurz ist. Bei niedrigen Frequenzen ist die Wärmeerzeugung beherrschbar, bei hohen Frequenzen jedoch treten erhebliche Leistungsverluste und Wärme auf.

Es ist zu beachten, dass die Wärmeerzeugung nicht nur während der Übergangszustände, sondern auch während des stabilen EIN- oder AUS-Zustands des Transistors auftritt, aber die Menge an Wärme im stabilen Zustand ist sehr gering und vernachlässigbar.