BJT als schakelaar

BJT als schakelaar definitie

Een BJT (bipolaire junctietransistor) wordt gedefinieerd als een apparaat dat fungeert als een schakelaar door de basis-emitterstroom te regelen om de emitter-collectorweerstand te veranderen.

Een schakelaar creëert een open circuit (oneindige weerstand) in de 'UIT'-positie en een kortsluiting (nul weerstand) in de 'AAN'-positie. Op vergelijkbare wijze kan in een bipolaire junctietransistor het regelen van de basis-emitterstroom de emitter-collectorweerstand bijna oneindig of bijna nul maken.

In de karakteristieken van een transistor zijn er drie gebieden. Deze zijn

• Uitgesloten gebied

• Actief gebied

• Verzadigd gebied

In het actieve gebied blijft de collectorstroom (IC) constant over een breed bereik van collector-emitterspanningen (VCE). Deze constante stroom veroorzaakt aanzienlijke vermogensverliezen als de transistor in dit gebied werkt. Een ideale schakelaar heeft geen vermogensverlies wanneer uitgeschakeld, omdat de stroom nul is.

Op vergelijkbare wijze, wanneer de schakelaar aan staat, is de spanning over de schakelaar nul, waardoor er opnieuw geen vermogensverlies is. Wanneer we willen dat een BJT als een schakelaar werkt, moet deze zo worden bediend dat het vermogensverlies tijdens de AAN- en UIT-toestand bijna nul, of zeer laag, is.

Dit is alleen mogelijk wanneer de transistor alleen in de marginale gebieden van de karakteristieken wordt bediend. Het uitgesloten gebied en het verzadigde gebied zijn de twee marginale gebieden in de transistor-karakteristieken. Let op, dit geldt zowel voor npn-transistors als pnp-transistors.

In de figuur, wanneer de basisstroom nul is, heeft de collectorstroom (IC) een zeer kleine constante waarde voor een breed bereik van collector-emitterspanningen (VCE). Dus wanneer de transistor met een basisstroom ≤ 0 wordt bediend, is de collectorstroom (IC ≈ 0) zeer klein, waardoor de transistor in de UIT-toestand wordt gezegd, maar tegelijkertijd is het vermogensverlies over de transistorschakelaar, namelijk IC × VCE, verwaarloosbaar vanwege de zeer kleine IC.

De transistor is in serie verbonden met een uitgangsweerstand RC. Daarom is de stroom door de uitgangsweerstand

Als de transistor wordt bediend met een basisstroom I B3, waarvoor de collectorstroom IC1 is, en IC is kleiner dan IC1, dan wordt de transistor in het verzadigde gebied bediend. Hier, voor elke collectorstroom die kleiner is dan IC1, zal er een zeer kleine collector-emitterspanning (VCE < VCE1) zijn. In deze situatie is de stroom door de transistor even hoog als de belastingsstroom, maar de spanning over de transistor (VCE < VCE1) is erg laag, waardoor het vermogensverlies in de transistor verwaarloosbaar is.

De transistor gedraagt zich als een AAN-schakelaar. Dus om de transistor als schakelaar te gebruiken, moeten we ervoor zorgen dat de toegepaste basisstroom voldoende hoog is om de transistor in het verzadigde gebied te houden, voor een collectorstroom. Uit de bovenstaande uitleg kunnen we concluderen dat een bipolaire junctietransistor zich als een schakelaar gedraagt alleen wanneer deze in het uitgesloten en verzadigde gebied van zijn karakteristieken wordt bediend. In schakeltoepassingen wordt het actieve gebied of het actieve gebied van de karakteristieken vermeden. Zoals we al hebben gezegd, is het vermogensverlies in de transistorschakelaar zeer laag, maar niet nul. Dus, het is geen ideale schakelaar, maar wordt geaccepteerd als schakelaar voor specifieke toepassingen.

Bij het kiezen van een transistor als schakelaar, moet rekening worden gehouden met de specificaties. Tijdens de AAN-toestand moet de transistor de volledige belastingstroom afhandelen. Als deze stroom de veilige collector-emitterstroomcapaciteit overschrijdt, kan de transistor oververhitten en vernield raken. Tijdens de UIT-toestand moet de transistor het open-circuitspanningsverschil van de belasting kunnen weerstaan om een doorbraak te voorkomen. Een geschikt koelsysteem is essentieel voor het beheersen van warmte. Elke transistor neemt een eindige tijd om tussen de UIT- en AAN-toestanden te schakelen.

Hoewel de schakeltijd zeer kort is, vaak minder dan enkele microseconden, is deze niet nul. Tijdens de AAN-schakelperiode neemt de stroom (IC) toe terwijl de collector-emitterspanning (VCE) naar nul afneemt. Er is een moment waarop zowel de stroom als de spanning maximaal zijn, wat piekvermogensverlies veroorzaakt. Dit gebeurt ook bij het schakelen van AAN naar UIT. Maximaal vermogensverlies treedt op tijdens deze overgangen, maar de afgeleide energie is matig vanwege de korte overgangstijd. Bij lage frequenties is de warmteproductie beheersbaar, maar bij hoge frequenties treden aanzienlijke vermogensverliezen en warmte op.

Het is belangrijk op te merken dat warmteontwikkeling niet alleen plaatsvindt tijdens de overgangstoestand, maar ook tijdens de stabiele AAN- of UIT-toestand van de transistor, hoewel de hoeveelheid warmte tijdens de stabiele toestand zeer klein en verwaarloosbaar is.