BJTをスイッチとして使用

BJTのスイッチとしての定義

BJT（バイポーラ接合トランジスタ）は、ベース-エミッタ間の電流を制御してエミッタ-コレクタ間の抵抗を変化させることでスイッチとして機能するデバイスと定義されます。

スイッチは「OFF」位置では開放回路（無限大の抵抗）を作り出し、「ON」位置では短絡回路（ゼロの抵抗）を作り出します。同様に、バイポーラ接合トランジスタにおいても、ベース-エミッタ間の電流を制御することで、エミッタ-コレクタ間の抵抗をほぼ無限大またはほぼゼロにすることができます。

トランジスタの特性には3つの領域があります。それらは以下の通りです。

• カットオフ領域

• アクティブ領域

• 飽和領域

アクティブ領域では、コレクタ電流（IC）は広い範囲のコレクタ-エミッタ間電圧（VCE）に対して一定となります。この一定の電流がトランジスタがこの領域で動作している場合、大きな電力損失を引き起こします。理想的なスイッチは「OFF」状態では電流がゼロであるため、電力損失はありません。

同様に、「ON」状態ではスイッチの両端の電圧はゼロとなるため、再び電力損失はありません。BJTをスイッチとして動作させる場合、ONおよびOFF状態での電力損失がほぼゼロまたは非常に低くなるように動作させる必要があります。

これは、トランジスタが特性の限界領域でしか動作しない場合にのみ可能です。カットオフ領域と飽和領域がトランジスタの特性における2つの限界領域です。これはNPNトランジスタとPNPトランジスタの両方に適用されます。

図では、ベース電流がゼロの場合、コレクタ電流（IC）は広い範囲のコレクタ-エミッタ間電圧（VCE）に対して非常に小さな一定値を持ちます。したがって、トランジスタがベース電流 ≤ 0で動作する場合、コレクタ電流（IC ≈ 0）は非常に小さいため、トランジスタは「OFF」状態とみなされますが、同時にトランジスタスイッチの電力損失（IC × VCE）は非常に小さなICにより無視できるほど微小です。

トランジスタは出力抵抗RCと直列に接続されています。したがって、出力抵抗を通る電流は

トランジスタがベース電流IB3で動作し、コレクタ電流がIC1となる場合、ICはIC1よりも小さくなります。この場合、トランジスタは飽和領域で動作しています。ここで、IC1よりも小さな任意のコレクタ電流に対して、コレクタ-エミッタ間電圧（VCE < VCE1）は非常に小さくなります。したがって、この状況では、トランジスタを通る電流は負荷電流と同じくらい高くなりますが、トランジスタの両端の電圧（VCE < VCE1）は非常に低いため、トランジスタの電力損失は無視できるほど微小です。

トランジスタは「ON」スイッチとして機能します。したがって、トランジスタをスイッチとして使用する場合は、トランジスタが飽和領域で動作するのに十分なベース電流を確保する必要があります。以上から、バイポーラ接合トランジスタは特性のカットオフ領域と飽和領域で動作する場合にのみスイッチとして機能することがわかります。スイッチングアプリケーションでは、アクティブ領域は避けるべきです。すでに述べたように、トランジスタスイッチの電力損失は非常に低いですが、ゼロではありません。したがって、理想的なスイッチではありませんが、特定のアプリケーションではスイッチとして受け入れられます。

トランジスタをスイッチとして選択する際には、その評価を考慮する必要があります。「ON」状態では、トランジスタは全負荷電流を処理しなければなりません。この電流が安全なコレクタ-エミッタ間電流容量を超えると、トランジスタは過熱し、破壊される可能性があります。「OFF」状態では、トランジスタは負荷のオープン回路電圧に耐え、ブレークダウンを防ぐ必要があります。適切なヒートシンクは熱管理に不可欠です。各トランジスタは、OFFとONの状態を切り替えるのに有限の時間を必要とします。

スイッチング時間は非常に短く、しばしば数マイクロ秒未満ですが、ゼロではありません。「ON」スイッチ期間中、電流（IC）は増加し、コレクタ-エミッタ間電圧（VCE）はゼロに向かって減少します。電流と電圧が最大になる瞬間があり、ピーク電力損失が発生します。これも「ON」から「OFF」への切り替え時に発生します。これらの遷移中に最大の電力損失が発生しますが、遷移期間が短いためエネルギー損失は適度です。低周波数では熱生成は管理可能ですが、高周波数では大きな電力損失と熱が発生します。

なお、トランジスタの安定的な「ON」または「OFF」状態でも熱生成が発生しますが、安定状態での熱量は非常に小さく無視できます。