BJT mint kapcsoló

BJT mint kapcsoló definíciója

A BJT (bipoláris csomópontú tranzisztor) olyan eszköz, amely kapcsolóként működik, azaz a bázis-emeleti áram vezérlésével változtatja meg az emelet-kollektor ellenállását.

Egy kapcsoló nyitott áramkört (végtelen ellenállást) hoz létre, ha „KI” állapotban van, és zárt áramkört (null ellenállást), ha „BE” állapotban van. Hasonlóan, egy bipoláris csomópontú tranzisztor esetén a bázis-emeleti áram vezérlése révén az emelet-kollektor ellenállást majdnem végtelenre vagy majdnem nullára lehet állítani.

Egy tranzisztor jellemzői három területet tartalmaznak. Ezek a következők:

• Kivágási tartomány

• Aktív tartomány

• Telített tartomány

Az aktív tartományban a kollektor áram (IC) széles tartományú kollektor-emeleti feszültség (VCE) mellett állandón marad. Ez az állandó áram jelentős teljesítményvesztést okoz, ha a tranzisztor ebben a tartományban működik. Egy ideális kapcsolónál nincs teljesítményvesztés, mivel a kimenő áram nulla.

Hasonlóan, amikor a kapcsoló „BE” állapotban van, a kapcsolóon átmenő feszültség nulla, így nincs teljesítményvesztés. Ha egy BJT-t kapcsolóként szeretnénk használni, akkor úgy kell működtetni, hogy a „BE” és „KI” állapotok során a teljesítményvesztés majdnem nulla vagy nagyon alacsony legyen.

Ez csak akkor lehetséges, ha a tranzisztor a jellemzők határterületein működik. A kivágási és a telített tartományok a tranzisztor jellemzőinek határterületei. Megjegyzendő, hogy ez mind npn, mind pnp tranzisztorok esetén érvényes.

Az ábrán látható, hogy ha a bázisáram nulla, a kollektor áram (IC) széles tartományú kollektor-emeleti feszültség (VCE) mellett nagyon kis, állandó értékű. Tehát, ha a tranzisztor bázisáram ≤ 0 mellett működik, a kollektor áram (IC ≈ 0) nagyon kicsi, így a tranzisztor „KI” állapotban van, ugyanakkor a tranzisztorkapcsolón átmenő teljesítményvesztés, azaz IC × VCE elhanyagolható, mert az IC nagyon kicsi.

A tranzisztor sorosan van kötve egy RC kimeneti ellenállással. Így a kimeneti ellenálláson átmenő áram

Ha a tranzisztor IB3 bázisárammal működik, amire a kollektor áram IC1, és az IC kisebb, mint IC1, akkor a tranzisztor a telített tartományban működik. Itt, bármilyen kollektor áram esetén, ami kisebb, mint IC1, a kollektor-emeleti feszültség (VCE < VCE1) nagyon kicsi lesz. Így ebben a helyzetben a tranziszton átmenő áram megegyezik a terhelési árral, de a tranziszton átmenő feszültség (VCE < VCE1) nagyon alacsony, így a tranzisztorban fellépő teljesítményvesztés elhanyagolható.

A tranzisztor úgy viselkedik, mint egy „BE” állapotú kapcsoló. Tehát, ha a tranzisztor kapcsolóként való használatához gondoskodnunk kell róla, hogy a bázisáram elegendően magas legyen, hogy a tranzisztor a telített tartományban maradjon a kollektor áram mellett. Tehát, a fenti magyarázatból következtethetünk arra, hogy a bipoláris csomópontú tranzisztor csak akkor viselkedik mint kapcsoló, ha a jellemzői kivágási és telített tartományában működik. A kapcsoló alkalmazásokban az aktív tartomány vagy a jellemzők aktív tartománya kerülendő. Ahogy már említettük, a tranzisztorkapcsolóban a teljesítményvesztés nagyon alacsony, de nem nulla. Így nem ideális kapcsoló, de bizonyos alkalmazásokhoz elfogadható.

Amikor tranzisztor kapcsolóként való használatra választunk, figyelembe kell venni a minősítését. A „BE” állapotban a tranzisztor kezelnie kell a teljes terhelési áramot. Ha ez az áram meghaladja a biztonságos kollektor-emeleti áramkapacitást, a tranzisztor felmelegedhet és megsemmisülhet. A „KI” állapotban a tranzisztor ki kell ellenjeznie a terhelés nyitott áramkör feszültségét, hogy elkerülje a lebukást. Szükséges egy megfelelő hővezető a hő kezeléséhez. Minden tranzisztor véges időt vesz igénybe a „KI” és „BE” állapotok közötti váltáshoz.

Bár a váltási idő nagyon rövid, gyakran kevesebb, mint néhány mikro másodperc, mégsem nulla. A „BE” állapotban a kollektor áram (IC) növekszik, míg a kollektor-emeleti feszültség (VCE) nullához közeledik. Van egy pillanat, amikor az áram és a feszültség is a maximumukban van, ami csúcsteljesítményvesztést okoz. Ez történik a „BE”-ről a „KI” állapotba való váltáskor is. A maximális teljesítményvesztés ezekben a váltási folyamatokban fordul elő, de a rövid átmeneti idő miatt a disszipált energia mérsékelt. Alacsony frekvenciák esetén a hőtermelés kezelhető, de magas frekvenciák esetén jelentős teljesítményvesztés és hőtermelés történik.

Megjegyzendő, hogy a hőtermelés nem csak az átmeneti állapotok során történik, hanem a tranzisztor állandó „BE” vagy „KI” állapotában is, bár ekkor a hőmennyiség nagyon kicsi és elhanyagolható.