Transistor de unión bipolar como interruptor

Definición de BJT como interruptor

Un BJT (transistor de unión bipolar) se define como un dispositivo que actúa como interruptor controlando la corriente base-emisor para cambiar la resistencia emisor-colector.

Un interruptor crea un circuito abierto (resistencia infinita) cuando está en la posición 'APAGADO' y un cortocircuito (resistencia cero) cuando está en la posición 'ENCENDIDO'. De manera similar, en un transistor de unión bipolar, el control de la corriente base-emisor puede hacer que la resistencia emisor-colector sea casi infinita o casi cero.

En las características de un transistor, existen tres regiones. Ellas son

• Región de corte

• Región activa

• Región de saturación

En la región activa, la corriente colector (IC) permanece constante en un amplio rango de voltaje colector-emisor (VCE). Esta corriente constante causa una pérdida de potencia significativa si el transistor opera en esta región. Un interruptor ideal no tiene pérdida de potencia cuando está APAGADO, ya que la corriente es cero.

De manera similar, cuando el interruptor está ENCENDIDO, el voltaje a través del interruptor es cero, por lo que no hay pérdida de potencia nuevamente. Cuando queremos que un BJT funcione como interruptor, debe operarse de tal manera que la pérdida de potencia durante las condiciones ENCENDIDO y APAGADO sea casi cero o muy baja.

Esto solo es posible cuando el transistor se opera en las regiones marginales de las características. Las regiones de corte y saturación son dos regiones marginales en las características del transistor. Tenga en cuenta que esto se aplica tanto a los transistores npn como a los pnp.

En la figura, cuando la corriente base es cero, la corriente colector (IC) tiene un valor constante muy pequeño para un amplio rango de voltaje colector-emisor (VCE). Por lo tanto, cuando el transistor se opera con una corriente base ≤ 0, la corriente colector (IC ≈ 0) es muy pequeña, por lo que se dice que el transistor está en la condición APAGADO, pero al mismo tiempo, la pérdida de potencia a través del interruptor de transistor, es decir, IC × VCE, es despreciable debido a la IC muy pequeña.

El transistor está conectado en serie con una resistencia de salida RC. Por lo tanto, la corriente a través de la resistencia de salida es

Si el transistor se opera con una corriente base I B3 para la cual la corriente colector es IC1. IC es menor que IC1, entonces el transistor se opera en la región de saturación. Aquí, para cualquier corriente colector menor que IC1, habrá un voltaje colector-emisor (VCE < VCE1) muy pequeño. Por lo tanto, en esta situación, la corriente a través del transistor es tan alta como la corriente de carga, pero el voltaje a través del transistor (VCE < VCE1) es bastante bajo, por lo que la pérdida de potencia en el transistor es despreciable.

El transistor se comporta como un interruptor ENCENDIDO. Por lo tanto, para usar el transistor como interruptor, debemos asegurarnos de que la corriente base aplicada sea suficientemente alta para mantener el transistor en la región de saturación, para una corriente colector. Así, a partir de la explicación anterior, podemos concluir que el transistor de unión bipolar se comporta como un interruptor solo cuando se opera en las regiones de corte y saturación de sus características. En aplicaciones de conmutación, se evita la región activa o la región activa de las características. Como ya dijimos, la pérdida de potencia en el interruptor de transistor es muy baja pero no cero. Por lo tanto, no es un interruptor ideal, pero se acepta como interruptor para aplicaciones específicas.

Al elegir un transistor como interruptor, considere su clasificación. Durante el estado ENCENDIDO, el transistor debe manejar toda la corriente de carga. Si esta corriente excede la capacidad segura de corriente colector-emisor, el transistor puede sobrecalentarse y destruirse. Durante el estado APAGADO, el transistor debe soportar el voltaje de circuito abierto de la carga para evitar un fallo. Un disipador de calor adecuado es esencial para gestionar el calor. Cada transistor toma un tiempo finito para cambiar entre los estados APAGADO y ENCENDIDO.

Aunque el tiempo de conmutación es muy breve, a menudo menos de unos pocos microsegundos, no es cero. Durante el período de conmutación ENCENDIDO, la corriente (IC) aumenta mientras que el voltaje colector-emisor (VCE) disminuye hacia cero. Hay un momento en el que tanto la corriente como el voltaje están en su máximo, causando una pérdida de potencia máxima. Esto también ocurre al cambiar de ENCENDIDO a APAGADO. La pérdida de potencia máxima ocurre durante estas transiciones, pero la energía disipada es moderada debido al corto período de transición. A bajas frecuencias, la generación de calor es manejable, pero a altas frecuencias, ocurre una pérdida de potencia y calor significativos.

Es importante tener en cuenta que la generación de calor no ocurre solo durante las condiciones transitorias, sino también durante las condiciones estables ENCENDIDO o APAGADO del transistor, pero la cantidad de calor durante las condiciones estables es bastante pequeña y despreciable.