Tranzystor jako przełącznik
Definicja tranzystora bipolarnego jako przełącznika
Tranzystor bipolarny (BJT) definiuje się jako urządzenie, które działa jako przełącznik, kontrolując prąd między bazą a emiterem, aby zmieniać opór między emiterem a kolektorami.
Przełącznik tworzy obwód otwarty (nieskończony opór) w stanie „WYŁ” i obwód zamknięty (zerowy opór) w stanie „WŁ”. Podobnie, w przypadku tranzystora bipolarnego, kontrola prądu między bazą a emiterem może sprawić, że opór między emiterem a kolektorami będzie prawie nieskończony lub prawie zerowy.
W charakterystyce tranzystora istnieją trzy regiony. Są to:
Region zacięcia
Region aktywny
Region nasycenia
W regionie aktywnym, prąd kolektorowy (IC) pozostaje stały w szerokim zakresie napięcia między kolektorem a emiterem (VCE). Ten stały prąd powoduje znaczne straty mocy, jeśli tranzystor działa w tym regionie. Ideałowy przełącznik nie ma strat mocy w stanie WYŁ, ponieważ prąd jest zerowy.
Podobnie, gdy przełącznik jest w stanie WŁ, napięcie na przełączniku wynosi zero, co oznacza, że ponownie nie ma strat mocy. Gdy chcemy, aby tranzystor bipolarny działał jako przełącznik, musi on być obsługiwany w taki sposób, aby straty mocy w stanie WŁ i WYŁ były prawie zerowe lub bardzo niskie.
To jest możliwe tylko wtedy, gdy tranzystor działa jedynie w marginesowych regionach charakterystyki. Region zacięcia i region nasycenia to dwa marginesowe regiony w charakterystyce tranzystora. Należy pamiętać, że to dotyczy zarówno tranzystorów npn, jak i pnp.
Na rysunku, gdy prąd bazy wynosi zero, prąd kolektorowy (IC) ma bardzo małą stałą wartość w szerokim zakresie napięcia między kolektorem a emiterem (VCE). Tak więc, gdy tranzystor działa z prądem bazy ≤ 0, prąd kolektorowy (IC ≈ 0) jest bardzo mały, co oznacza, że tranzystor jest w stanie WYŁ, ale jednocześnie straty mocy na przełączniku tranzystora, czyli IC × VCE, są zaniedbywalne ze względu na bardzo mały IC.
Tranzystor jest połączony szeregowo z rezystancją wyjściową RC. Zatem prąd przez rezystancję wyjściową wynosi
Jeśli tranzystor działa z prądem bazy IB3, dla którego prąd kolektorowy wynosi IC1, a IC jest mniejszy niż IC1, to tranzystor działa w regionie nasycenia. Tutaj, dla każdego prądu kolektorowego mniejszego niż IC1, napięcie między kolektorem a emiterem (VCE < VCE1) jest bardzo małe. W tej sytuacji, prąd przez tranzystor jest równy prądowi obciążenia, ale napięcie na tranzystorze (VCE < VCE1) jest bardzo niskie, co oznacza, że straty mocy w tranzystorze są zaniedbywalne.
Tranzystor zachowuje się jak przełącznik WŁ. Aby używać tranzystora jako przełącznika, należy upewnić się, że stosowany prąd bazy jest wystarczająco duży, aby utrzymać tranzystor w regionie nasycenia, dla danego prądu kolektorowego. Z powyższego wyjaśnienia możemy wnioskować, że tranzystor bipolarny zachowuje się jak przełącznik tylko wtedy, gdy działa w regionie zacięcia i nasycenia swojej charakterystyki. W aplikacjach przełącznikowych unika się regionu aktywnego lub aktywnego regionu charakterystyki. Jak już powiedzieliśmy, straty mocy w przełączniku tranzystora są bardzo małe, ale nie zerowe. Więc, to nie jest ideałowy przełącznik, ale jest akceptowany jako przełącznik w określonych aplikacjach.
Wybierając tranzystor jako przełącznik, należy uwzględnić jego parametry. W stanie WŁ tranzystor musi obsługiwać cały prąd obciążenia. Jeśli ten prąd przekracza bezpieczny prąd między kolektorem a emiterem, tranzystor może się przegrzać i ulec zniszczeniu. W stanie WYŁ tranzystor musi wytrzymać napięcie obwodu otwartego obciążenia, aby zapobiec zniszczeniu. Odpowiednia rozpraszająca ciepło jest niezbędna do zarządzania ciepłem. Każdy tranzystor potrzebuje skończonego czasu, aby przełączyć się między stanami WYŁ i WŁ.
Chociaż czas przełączania jest bardzo krótki, często mniejszy niż kilka mikrosekund, nie jest on zerowy. W okresie przełączania WŁ, prąd (IC) rośnie, podczas gdy napięcie między kolektorem a emiterem (VCE) maleje w kierunku zera. Jest moment, gdy zarówno prąd, jak i napięcie osiągają swoje maksimum, powodując maksymalne straty mocy. To samo dzieje się podczas przełączania z WŁ na WYŁ. Maksymalne straty mocy występują podczas tych przejść, ale energia zużyta jest umiarkowana ze względu na krótki okres przełączania. Przy niskich częstotliwościach generowanie ciepła jest zarządzalne, ale przy wysokich częstotliwościach występują znaczne straty mocy i ciepło.
Należy zauważyć, że generowanie ciepła następuje nie tylko podczas stanów przejściowych, ale także podczas stabilnych stanów WŁ lub WYŁ tranzystora, ale ilość ciepła w stanie stabilnym jest bardzo mała i zaniedbywalna.
