BJT 스위치로서의 역할

BJT 스위치 정의

BJT(양극성 접합 트랜지스터)는 베이스-에미터 전류를 제어하여 에미터-콜렉터 저항을 변경함으로써 스위치 역할을 하는 장치로 정의됩니다.

스위치는 'OFF' 위치에서는 개방 회로(무한한 저항)를 생성하고, 'ON' 위치에서는 단락 회로(영 저항)를 생성합니다. 비슷하게, 양극성 접합 트랜지스터에서도 베이스-에미터 전류를 제어하면 에미터-콜렉터 저항을 거의 무한하거나 거의 영으로 만들 수 있습니다.

트랜지스터 특성에는 세 가지 영역이 있습니다. 그들은 다음과 같습니다

• 절단 영역

• 활성 영역

• 포화 영역

활성 영역에서는 콜렉터 전류(IC)가 광범위한 콜렉터-에미터 전압(VCE) 범위에서 일정하게 유지됩니다. 이 일정한 전류는 트랜지스터가 이 영역에서 작동할 때 상당한 전력 손실을 초래합니다. 이상적인 스위치는 OFF 상태에서는 전류가 영이므로 전력 손실이 없습니다.

마찬가지로, 스위치가 ON 상태일 때 스위치를 가로지르는 전압은 영이므로 다시 전력 손실이 없습니다. BJT를 스위치로 작동시키려면 ON 및 OFF 상태에서의 전력 손실이 거의 영이거나 매우 낮아야 합니다.

이는 트랜지스터가 특성의 경계 영역에서만 작동할 때 가능합니다. 절단 영역과 포화 영역은 트랜지스터 특성의 두 가지 경계 영역입니다. 이는 npn 트랜지스터와 pnp 트랜지스터 모두에 적용됩니다.

그림에서 베이스 전류가 영일 때, 콜렉터 전류(IC)는 광범위한 콜렉터-에미터 전압(VCE) 범위에서 매우 작은 일정한 값을 갖습니다. 따라서 트랜지스터가 베이스 전류 ≤ 0으로 작동될 때, 콜렉터 전류(IC ≈ 0)는 매우 작으므로 트랜지스터는 OFF 상태라고 말할 수 있지만, 동시에 IC × VCE 즉 트랜지스터 스위치를 가로지르는 전력 손실은 매우 작은 IC 때문에 무시할 수 있을 정도로 작습니다.

트랜지스터는 출력 저항 RC와 직렬로 연결되어 있습니다. 따라서 출력 저항을 통과하는 전류는

트랜지스터가 IC1인 콜렉터 전류에 대해 베이스 전류 IB3로 작동될 때, IC는 IC1보다 작습니다. 그러면 트랜지스터는 포화 영역에서 작동합니다. 여기서 IC1보다 작은 모든 콜렉터 전류에 대해서는 매우 작은 콜렉터-에미터 전압(VCE < VCE1)이 생깁니다. 따라서 이러한 상황에서 트랜지스터를 통과하는 전류는 부하 전류만큼 높지만, 트랜지스터를 가로지르는 전압(VCE < VCE1)은 매우 낮으므로 트랜지스터의 전력 손실은 무시할 수 있을 정도로 작습니다.

트랜지스터는 ON 스위치처럼 동작합니다. 따라서 트랜지스터를 스위치로 사용하려면 충분히 높은 베이스 전류를 적용하여 콜렉터 전류에 대해 트랜지스터가 포화 영역에 있도록 해야 합니다. 위의 설명에서 볼 수 있듯이, 양극성 접합 트랜지스터는 특성의 절단 영역과 포화 영역에서만 작동할 때 스위치 역할을 합니다. 스위칭 애플리케이션에서는 활성 영역은 피해야 합니다. 이미 언급했듯이, 트랜지스터 스위치의 전력 손실은 매우 작지만 영이 아닙니다. 따라서 이상적인 스위치는 아니지만 특정 애플리케이션에서는 스위치로 받아들여집니다.

트랜지스터를 스위치로 선택할 때는 등급을 고려해야 합니다. ON 상태에서는 트랜지스터가 전체 부하 전류를 처리해야 합니다. 만약 이 전류가 안전한 콜렉터-에미터 전류 용량을 초과하면, 트랜지스터는 과열되어 파손될 수 있습니다. OFF 상태에서는 트랜지스터가 부하의 개방 회로 전압을 견뎌내어야 하며, 이로 인해 파괴되지 않도록 해야 합니다. 적절한 히트 싱크는 열 관리를 위해 필수적입니다. 각 트랜지스터는 ON과 OFF 상태 사이를 전환하는데 유한한 시간이 필요합니다.

스위칭 시간은 매우 짧아 종종 몇 마이크로초 미만이지만, 영은 아닙니다. ON 스위치 기간 동안, 전류(IC)는 증가하고 콜렉터-에미터 전압(VCE)은 영으로 감소합니다. 전류와 전압이 최대인 순간이 있으며, 이때 최대 전력 손실이 발생합니다. 또한 ON에서 OFF로 전환할 때에도 동일한 현상이 발생합니다. 이러한 전환 중에 최대 전력 손실이 발생하지만, 전환 기간이 짧기 때문에 소비되는 에너지는 적습니다. 저주파에서는 열 발생이 관리 가능하지만, 고주파에서는 상당한 전력 손실과 열 발생이 발생합니다.

참고로, 열 발생은 트랜지스터의 일시적 상태뿐만 아니라 ON 또는 OFF 상태에서도 발생하지만, 일정 상태에서의 열 발생량은 매우 작고 무시할 수 있는 수준입니다.