ترانزیستور بایجنکشن به عنوان سوئیچ
تعریف ترانزیستور BJT به عنوان سوئیچ
ترانزیستور اتصال دو قطبی (BJT) به عنوان دستگاهی تعریف میشود که با کنترل جریان پایه-امیتر، مقاومت امیتر-کلکتور را تغییر میدهد.
سوئیچ در حالت «خاموش» مدار باز (مقاومت نامتناهی) و در حالت «روشن» مدار بسته (مقاومت صفر) ایجاد میکند. به طور مشابه، در ترانزیستور اتصال دو قطبی، کنترل جریان پایه-امیتر میتواند مقاومت امیتر-کلکتور را تقریباً نامتناهی یا تقریباً صفر کند.
در خصوصیات ترانزیستور، سه منطقه وجود دارد. آنها عبارتند از
منطقه برش
منطقه فعال
منطقه اشباع
در منطقه فعال، جریان کلکتور (IC) در محدوده گستردهای از ولتاژ کلکتور-امیتر (VCE) ثابت میماند. این جریان ثابت اگر ترانزیستور در این منطقه عمل کند، باعث تلفات قدرت قابل توجهی میشود. یک سوئیچ ایدهآل هیچ تلفات قدرتی در حالت خاموش ندارد، زیرا جریان صفر است.
به طور مشابه، وقتی سوئیچ روشن است، ولتاژ روی سوئیچ صفر است و بنابراین هیچ تلفات قدرتی نخواهد بود. وقتی میخواهیم ترانزیستور BJT به عنوان سوئیچ عمل کند، باید به گونهای عمل کند که تلفات قدرت در حالت روشن و خاموش تقریباً صفر یا بسیار کم باشد.
این فقط در صورتی ممکن است که ترانزیستور فقط در مناطق حاشیهای خصوصیات عمل کند. منطقه برش و منطقه اشباع دو منطقه حاشیهای در خصوصیات ترانزیستور هستند. توجه داشته باشید که این برای هر دو ترانزیستور npn و pnp صدق میکند.
در شکل، وقتی جریان پایه صفر است، جریان کلکتور (IC) برای محدوده گستردهای از ولتاژ کلکتور-امیتر (VCE) مقدار ثابت بسیار کوچکی دارد. بنابراین وقتی ترانزیستور با جریان پایه ≤ 0 عمل میکند، جریان کلکتور (IC ≈ 0) بسیار کوچک است و بنابراین ترانزیستور در حالت خاموش است. اما در عین حال، تلفات قدرت روی سوئیچ ترانزیستور یعنی IC × VCE ناچیز است زیرا IC بسیار کوچک است.
ترانزیستور به صورت سری با مقاومت خروجی RC متصل شده است. بنابراین جریان از طریق مقاومت خروجی است
اگر ترانزیستور با جریان پایه I B3 عمل کند که جریان کلکتور آن IC1 است. IC کمتر از IC1 است، آنگاه ترانزیستور در منطقه اشباع عمل میکند. در اینجا، برای هر جریان کلکتور کمتر از IC1، ولتاژ کلکتور-امیتر (VCE < VCE1) بسیار کوچک خواهد بود. بنابراین در این وضعیت، جریان از طریق ترانزیستور تقریباً برابر با جریان بار است، اما ولتاژ روی ترانزیستور (VCE < VCE1) بسیار کم است و بنابراین تلفات قدرت در ترانزیستور ناچیز است.
ترانزیستور مانند 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 باقی بماند. بنابراین از توضیحات فوق میتوان نتیجه گرفت که ترانزیستور اتصال دو قطبی فقط در صورتی مانند یک سوئیچ عمل میکند که در مناطق برش و اشباع خصوصیات خود عمل کند. در کاربردهای سوئیچ، منطقه فعال یا منطقه فعال خصوصیات 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 شده است.
هنگام انتخاب ترانزیستور به عنوان سوئیچ، به رتبهبندی آن توجه کنید. در حالت روشن، ترانزیستور باید تمام جریان بار را تحمل کند. اگر این جریان ظرفیت جریان کلکتور-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 تخریب جلوگیری شود. یک سینک گرما مناسب برای مدیریت گرما ضروری است. هر ترانزیستور زمان محدودی برای تغییر بین حالتهای خاموش و روشن نیاز دارد.
اگرچه زمان سوئیچ بسیار کوتاه است، معمولاً کمتر از چند میکروثانیه، اما صفر نیست. در دوره سوئیچ روشن، جریان (IC) افزایش مییابد در حالی که ولتاژ کلکتور-امیتر (VCE) به سمت صفر کاهش مییابد. لحظهای وجود دارد که هم جریان و هم ولتاژ در حداکثر خود هستند و باعث تلفات قدرت حداکثری میشوند. این نیز زمانی که از حالت روشن به خاموش تغییر میکند رخ میدهد. تلفات قدرت حداکثری در این انتقالها رخ میدهد، اما انرژی تلف شده به دلیل دوره انتقال کوتاه معتدل است. در فرکانسهای پایین، تولید گرما قابل مدیریت است، اما در فرکانسهای بالا، تلفات قدرت و گرما قابل توجه است.
توجه داشته باشید که تولید گرما فقط در شرایط موقتی رخ میدهد، بلکه در حالتهای ثابت روشن یا خاموش ترانزیستور نیز رخ میدهد اما مقدار گرما در حالتهای ثابت بسیار کم و ناچیز است.
