BJT como interruptor

BJT como Interruptor Definição

Um BJT (transistor de junção bipolar) é definido como um dispositivo que atua como um interruptor controlando a corrente base-emissor para alterar a resistência emissor-coletor.

Um interruptor cria um circuito aberto (resistência infinita) quando está na posição 'DESATIVADO' e um curto-circuito (resistência zero) quando está na posição 'ATIVADO'. De maneira semelhante, em um transistor de junção bipolar, o controle da corrente base-emissor pode tornar a resistência emissor-coletor quase infinita ou quase zero.

Na característica de um transistor, existem três regiões. Elas são

• Região de Corte

• Região Ativa

• Região de Saturação

Na região ativa, a corrente do coletor (IC) permanece constante em uma ampla faixa de tensão coletor-emissor (VCE). Essa corrente constante causa perda significativa de potência se o transistor operar nesta região. Um interruptor ideal não tem perda de potência quando está DESATIVADO, pois a corrente é zero.

De maneira semelhante, quando o interruptor está ATIVADO, a tensão através do interruptor é zero, portanto, não há perda de potência novamente. Quando queremos que um BJT seja operado como um interruptor, ele deve ser operado de tal forma que a perda de potência durante as condições ATIVADO e DESATIVADO seja quase zero, ou muito baixa.

Isso só é possível quando o transistor é operado apenas nas regiões marginais das características. As regiões de corte e saturação são duas regiões marginais nas características do transistor. Note que isso se aplica tanto a transistores npn quanto a transistores pnp.

Na figura, quando a corrente de base é zero, a corrente do coletor (IC) tem um valor constante muito pequeno para uma ampla faixa de tensão coletor-emissor (VCE). Portanto, quando o transistor é operado com corrente de base ≤ 0, a corrente do coletor (IC ≈ 0) é muito pequena, então o transistor é dito estar na condição DESATIVADA, mas ao mesmo tempo, a perda de potência através do interruptor de transistor, ou seja, IC × VCE, é desprezível devido à corrente de coletor muito pequena.

O transistor está conectado em série com uma resistência de saída RC. Portanto, a corrente através da resistência de saída é

Se o transistor for operado com uma corrente de base IB3 para a qual a corrente do coletor é IC1, IC é menor que IC1, então o transistor está operando na região de saturação. Nesta situação, para qualquer corrente do coletor menor que IC1, haverá uma tensão coletor-emissor (VCE < VCE1) muito pequena. Portanto, nessa situação, a corrente através do transistor é tão alta quanto a corrente de carga, mas a tensão através do transistor (VCE < VCE1) é muito baixa, portanto, a perda de potência no transistor é desprezível.

O transistor se comporta como um interruptor ATIVADO. Portanto, para usar o transistor como um interruptor, devemos garantir que a corrente de base aplicada seja suficientemente alta para manter o transistor na região de saturação, para uma corrente do coletor. Assim, a partir da explicação acima, podemos concluir que o transistor de junção bipolar se comporta como um interruptor apenas quando é operado nas regiões de corte e saturação de suas características. Em aplicações de comutação, a região ativa ou a região ativa das características é evitada. Como já dissemos, a perda de potência no interruptor de transistor é muito baixa, mas não zero. Portanto, não é um interruptor ideal, mas é aceito como um interruptor para aplicações específicas.

Ao escolher um transistor como interruptor, considere sua classificação. Durante o estado ATIVADO, o transistor deve suportar toda a corrente de carga. Se esta corrente exceder a capacidade segura de corrente coletor-emissor, o transistor pode superaquecer e ser destruído. Durante o estado DESATIVADO, o transistor deve suportar a tensão de circuito aberto da carga para evitar a quebra. Um dissipador de calor adequado é essencial para gerenciar o calor. Cada transistor leva um tempo finito para alternar entre os estados DESATIVADO e ATIVADO.

Embora o tempo de comutação seja muito breve, frequentemente menos de alguns microssegundos, não é zero. Durante o período de comutação ATIVADO, a corrente (IC) aumenta enquanto a tensão coletor-emissor (VCE) diminui em direção a zero. Há um momento em que tanto a corrente quanto a tensão estão em seus máximos, causando perda de potência máxima. Isso também ocorre quando a comutação é de ATIVADO para DESATIVADO. A perda de potência máxima ocorre durante essas transições, mas a energia dissipada é moderada devido ao período de transição curto. Em baixas frequências, a geração de calor é gerenciável, mas em altas frequências, ocorrem perdas de potência e calor significativas.

É importante notar que a geração de calor não ocorre apenas durante a condição transitória, mas também durante as condições estáveis de ATIVADO ou DESATIVADO do transistor, mas a quantidade de calor durante a condição estável é bastante pequena e desprezível.