ترانزیستور بیپولار به عنوان سوئیچ

تعریف ترانزیستور BJT به عنوان سوئیچ

ترانزیستور BJT (ترانزیستور تقاطع دو قطبی) به عنوان دستگاهی تعریف می‌شود که با کنترل جریان پایه-امیتر، مقاومت امیتر-کالکتور را تغییر می‌دهد.

سوئیچ در حالت "OFF" یک مدار باز (مقاومت نامتناهی) و در حالت "ON" یک مدار بسته (مقاومت صفر) ایجاد می‌کند. به همین ترتیب، در یک ترانزیستور تقاطع دو قطبی، کنترل جریان پایه-امیتر می‌تواند مقاومت امیتر-کالکتور را تقریباً نامتناهی یا تقریباً صفر کند.

در مشخصات ترانزیستور، سه منطقه وجود دارد. آنها عبارتند از

• منطقه برش

• منطقه فعال

• منطقه اشباع

در منطقه فعال، جریان کالکتور (IC) در طول محدوده گسترده‌ای از ولتاژ کالکتور-امیتر (VCE) ثابت می‌ماند. این جریان ثابت اگر ترانزیستور در این منطقه عمل کند، باعث تلفات قدرت قابل توجهی می‌شود. یک سوئیچ ایده‌آل وقتی خاموش است، هیچ تلفات قدرتی ندارد زیرا جریان صفر است.

به همین ترتیب، وقتی سوئیچ روشن است، ولتاژ بر روی سوئیچ صفر است و بنابراین هیچ تلفات قدرتی نخواهد بود. وقتی می‌خواهیم یک BJT به عنوان سوئیچ عمل کند، باید به گونه‌ای عمل کند که تلفات قدرت در حالت ON و OFF تقریباً صفر یا بسیار کم باشد.

این فقط امکان‌پذیر است وقتی ترانزیستور فقط در منطقه حاشیه‌ای مشخصات عمل کند. منطقه برش و منطقه اشباع دو منطقه حاشیه‌ای در مشخصات ترانزیستور هستند. لازم به ذکر است که این به همین ترتیب برای ترانزیستورهای npn و pnp نیز صادق است.

در شکل، وقتی جریان پایه صفر است، جریان کالکتور (IC) برای محدوده گسترده‌ای از ولتاژ کالکتور-امیتر (VCE) مقدار ثابت بسیار کوچکی دارد. بنابراین وقتی ترانزیستور با جریان پایه ≤ 0 عمل می‌کند، جریان کالکتور (IC ≈ 0) بسیار کوچک است و بنابراین ترانزیستور در حالت خاموش است، اما در همان حال، تلفات قدرت بر روی سوئیچ ترانزیستور یعنی IC × VCE به دلیل جریان IC بسیار کوچک قابل چشم‌پوشی است.

ترانزیستور به صورت سری با مقاومت خروجی RC متصل شده است. بنابراین جریان از طریق مقاومت خروجی است

اگر ترانزیستور با جریان پایه IB3 که جریان کالکتور IC1 است، عمل کند و IC کمتر از IC1 باشد، ترانزیستور در منطقه اشباع عمل می‌کند. در اینجا، برای هر جریان کالکتور کمتر از IC1، ولتاژ کالکتور-امیتر (VCE < VCE1) بسیار کوچک خواهد بود. بنابراین در این وضعیت، جریان از طریق ترانزیستور به اندازه جریان بار است، اما ولتاژ بر روی ترانزیستور (VCE < VCE1) بسیار کم است و بنابراین تلفات قدرت در ترانزیستور قابل چشم‌پوشی است.

ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ روشن عمل می‌کند. بنابراین برای استفاده از ترانزیستور به عنوان سوئیچ باید مطمئن شویم که جریان پایه اعمال شده به اندازه کافی بالا باشد تا ترانزیستور در منطقه اشباع برای یک جریان کالکتور باقی بماند. بنابراین از توضیحات فوق می‌توان نتیجه گرفت که ترانزیستور تقاطع دو قطبی فقط زمانی به عنوان سوئیچ عمل می‌کند که در منطقه برش و اشباع مشخصات عمل کند. در کاربرد سوئیچ، منطقه فعال یا منطقه فعال مشخصات اجتناب می‌شود. همانطور که قبلاً گفتیم، تلفات قدرت در سوئیچ ترانزیستور بسیار کم است اما صفر نیست. بنابراین این یک سوئیچ ایده‌آل نیست اما به عنوان سوئیچ برای کاربردهای خاص پذیرفته می‌شود.

هنگام انتخاب ترانزیستور به عنوان سوئیچ، نمره آن را در نظر بگیرید. در حالت روشن، ترانزیستور باید تمام جریان بار را مدیریت کند. اگر این جریان ظرفیت جریان کالکتور-امیتر ایمن را تجاوز کند، ترانزیستور ممکن است گرم شده و تخریب شود. در حالت خاموش، ترانزیستور باید ولتاژ مدار باز بار را تحمل کند تا از خرابی جلوگیری شود. داشتن یک تخلیه حرارتی مناسب برای مدیریت گرما ضروری است. هر ترانزیستور زمان محدودی برای تغییر از حالت خاموش به روشن دارد.

اگرچه زمان سوئیچ بسیار کوتاه است، غالباً کمتر از چند میکروثانیه، صفر نیست. در دوره سوئیچ روشن، جریان (IC) افزایش می‌یابد در حالی که ولتاژ کالکتور-امیتر (VCE) به سمت صفر کاهش می‌یابد. یک لحظه‌ای است که هر دو جریان و ولتاژ در حداکثر خود هستند و باعث تلفات قدرت حداکثری می‌شوند. این همچنین زمانی که از روشن به خاموش تغییر می‌کند اتفاق می‌افتد. تلفات قدرت حداکثری در این انتقال‌ها اتفاق می‌افتد، اما انرژی تلف شده به دلیل مدت زمان انتقال کوتاه معتدل است. در فرکانس‌های پایین، تولید گرما قابل مدیریت است، اما در فرکانس‌های بالا، تلفات قدرت و گرما قابل توجه است.

لازم به ذکر است که تولید گرما فقط در شرایط گذرا رخ نمی‌دهد بلکه در حالت‌های پایدار روشن یا خاموش ترانزیستور نیز رخ می‌دهد، اما مقدار گرما در حالت‌های پایدار بسیار کم و قابل چشم‌پوشی است.