BJT come interruttore

Definizione di BJT come interruttore

Un BJT (transistor a giunzione bipolare) è definito come un dispositivo che funziona come interruttore controllando la corrente base-emettitore per cambiare la resistenza emettitore-collettore.

Un interruttore crea un circuito aperto (resistenza infinita) quando è in posizione "OFF" e un cortocircuito (resistenza zero) quando è in posizione "ON". Analogamente, in un transistor a giunzione bipolare, il controllo della corrente base-emettitore può rendere la resistenza emettitore-collettore quasi infinita o quasi zero.

Nelle caratteristiche di un transistor, esistono tre regioni. Queste sono

• Regione di taglio

• Regione attiva

• Regione di saturazione

Nella regione attiva, la corrente collettore (IC) rimane costante su un ampio intervallo di tensione collettore-emettitore (VCE). Questa corrente costante causa una significativa perdita di potenza se il transistor opera in questa regione. Un interruttore ideale non ha perdite di potenza quando è spento, poiché la corrente è zero.

Analogamente, quando l'interruttore è acceso, la tensione attraverso l'interruttore è zero, quindi non ci sono perdite di potenza. Quando si desidera che un BJT funzioni come interruttore, deve essere operato in modo tale che le perdite di potenza nelle condizioni ON e OFF siano quasi nulle o molto basse.

Questo è possibile solo quando il transistor viene operato nella regione marginale delle sue caratteristiche. La regione di taglio e la regione di saturazione sono le due regioni marginali nelle caratteristiche del transistor. Si noti che ciò si applica sia ai transistor npn che pnp.

Nella figura, quando la corrente base è zero, la corrente collettore (IC) ha un valore costante molto piccolo per un ampio intervallo di tensione collettore-emettitore (VCE). Quindi, quando il transistor viene operato con una corrente base ≤ 0, la corrente collettore (IC ≈ 0) è molto piccola, quindi il transistor si dice che sia in condizione OFF, ma allo stesso tempo, la perdita di potenza attraverso l'interruttore transistor, cioè IC × VCE, è trascurabile a causa di un IC molto piccolo.

Il transistor è collegato in serie con una resistenza di uscita RC. Pertanto, la corrente attraverso la resistenza di uscita è

Se il transistor viene operato con una corrente base IB3 per cui la corrente collettore è IC1. IC è inferiore a IC1, allora il transistor viene operato nella regione di saturazione. Qui, per qualsiasi corrente collettore inferiore a IC1, ci sarà una tensione collettore-emettitore (VCE < VCE1) molto piccola. Pertanto, in questa situazione, la corrente attraverso il transistor è alta quanto la corrente di carico, ma la tensione attraverso il transistor (VCE < VCE1) è molto bassa, quindi la perdita di potenza nel transistor è trascurabile.

Il transistor si comporta come un interruttore acceso. Quindi, per utilizzare il transistor come interruttore, dobbiamo assicurarci che la corrente base applicata sia sufficientemente alta per mantenere il transistor nella regione di saturazione, per una corrente collettore. Quindi, dalla spiegazione sopra, possiamo concludere che il transistor a giunzione bipolare si comporta come un interruttore solo quando viene operato nella regione di taglio e saturazione delle sue caratteristiche. Nelle applicazioni di commutazione, la regione attiva o la regione attiva delle caratteristiche viene evitata. Come già detto, la perdita di potenza nell'interruttore transistor è molto bassa ma non zero. Quindi, non è un interruttore ideale ma accettabile come interruttore per specifiche applicazioni.

Quando si sceglie un transistor come interruttore, considerare la sua valutazione. Durante lo stato ON, il transistor deve gestire l'intera corrente di carico. Se questa corrente supera la capacità di corrente collettore-emettitore sicura, il transistor potrebbe surriscaldarsi e andare distrutto. Durante lo stato OFF, il transistor deve sopportare la tensione a circuito aperto del carico per prevenire il cedimento. Un dissipatore di calore adeguato è essenziale per la gestione del calore. Ogni transistor impiega un tempo finito per commutare tra gli stati OFF e ON.

Anche se il tempo di commutazione è molto breve, spesso meno di pochi microsecondi, non è zero. Durante il periodo di commutazione ON, la corrente (IC) aumenta mentre la tensione collettore-emettitore (VCE) diminuisce verso zero. C'è un momento in cui sia la corrente che la tensione sono al loro massimo, causando una perdita di potenza picco. Questo accade anche durante la commutazione da ON a OFF. La perdita di potenza massima avviene durante queste transizioni, ma l'energia dissipata è moderata a causa del breve periodo di transizione. A frequenze basse, la generazione di calore è gestibile, ma a frequenze elevate, si verificano perdite di potenza e calore significativi.

Va notato che, la generazione di calore non avviene solo durante le condizioni transitorie, ma anche durante le condizioni stabilizzate ON o OFF del transistor, ma l'ammontare di calore durante le condizioni stabilizzate è piuttosto piccolo e trascurabile.