Транзистор как переключатель
Определение BJT как переключателя
BJT (биполярный транзистор) определяется как устройство, которое действует как переключатель, управляя током база-эмиттер для изменения сопротивления эмиттер-коллектор.
Переключатель создает разомкнутую цепь (бесконечное сопротивление) в положении "ВЫКЛ" и замкнутую цепь (нулевое сопротивление) в положении "ВКЛ". Аналогично, в биполярном транзисторе, управление током база-эмиттер может сделать сопротивление эмиттер-коллектор почти бесконечным или почти нулевым.
В характеристиках транзистора есть три области. Это:
Область отсечки
Активная область
Область насыщения
В активной области ток коллектора (IC) остается постоянным в широком диапазоне напряжения коллектор-эмиттер (VCE). Этот постоянный ток вызывает значительные потери мощности, если транзистор работает в этой области. Идеальный переключатель не имеет потерь мощности при выключении, так как ток равен нулю.
Аналогично, когда переключатель включен, напряжение на нем равно нулю, поэтому снова нет потерь мощности. Когда мы хотим, чтобы BJT работал как переключатель, он должен быть настроен таким образом, чтобы потери мощности в состоянии "ВКЛ" и "ВЫКЛ" были практически нулевыми или очень низкими.
Это возможно только тогда, когда транзистор работает только в пограничных областях характеристик. Области отсечки и насыщения являются двумя пограничными областями в характеристиках транзистора. Примечание: это относится как к npn, так и к pnp транзисторам.
На рисунке, когда ток базы равен нулю, ток коллектора (IC) имеет очень маленькое постоянное значение в широком диапазоне напряжения коллектор-эмиттер (VCE). Поэтому, когда транзистор работает с током базы ≤ 0, ток коллектора (IC ≈ 0) очень мал, следовательно, транзистор находится в состоянии "ВЫКЛ", но в то же время, потери мощности на транзисторе-переключателе, то есть IC × VCE, пренебрежимо малы из-за очень малого IC.
Транзистор подключен последовательно с выходным сопротивлением RC. Следовательно, ток через выходное сопротивление составляет
Если транзистор работает с током базы I B3, при котором ток коллектора равен IC1, IC меньше IC1, то транзистор работает в области насыщения. Здесь, для любого тока коллектора, меньшего IC1, будет очень маленькое напряжение коллектор-эмиттер (VCE < VCE1). В этом случае, ток через транзистор столь же высок, как и ток нагрузки, но напряжение на транзисторе (VCE < VCE1) очень низкое, поэтому потери мощности в транзисторе пренебрежимо малы.
Транзистор ведет себя как включенный переключатель. Поэтому, чтобы использовать транзистор как переключатель, необходимо убедиться, что приложенное напряжение базы достаточно высоко, чтобы держать транзистор в области насыщения, для заданного тока коллектора. Таким образом, из вышеизложенного можно заключить, что биполярный транзистор ведет себя как переключатель только тогда, когда он работает в областях отсечки и насыщения его характеристик. В приложениях переключения активная область или активная область характеристик избегаются. Как уже говорилось, потери мощности в транзисторе-переключателе очень низкие, но не равны нулю. Поэтому, это не идеальный переключатель, но принимается как переключатель для конкретных применений.
При выборе транзистора в качестве переключателя следует учитывать его характеристики. В состоянии "ВКЛ" транзистор должен обрабатывать весь ток нагрузки. Если этот ток превышает допустимую емкость тока коллектор-эмиттер, транзистор может перегреться и выйти из строя. В состоянии "ВЫКЛ" транзистор должен выдерживать открытое напряжение нагрузки, чтобы предотвратить пробой. Необходимо использовать подходящий радиатор для управления теплом. Каждый транзистор требует конечного времени для переключения между состояниями "ВЫКЛ" и "ВКЛ".
Хотя время переключения очень короткое, часто менее нескольких микросекунд, оно не равно нулю. В период включения ток (IC) увеличивается, а напряжение коллектор-эмиттер (VCE) уменьшается до нуля. Есть момент, когда и ток, и напряжение достигают своего максимума, вызывая пиковые потери мощности. Это также происходит при переключении с "ВКЛ" на "ВЫКЛ". Максимальные потери мощности происходят во время этих переходов, но энергия, рассеиваемая, умеренная из-за короткого периода перехода. При низких частотах генерация тепла управляема, но при высоких частотах возникают значительные потери мощности и тепло.
Следует отметить, что генерация тепла происходит не только во время переходных процессов, но и в стабильных состояниях "ВКЛ" или "ВЫКЛ" транзистора, но количество тепла в стабильных состояниях очень мало и пренебрежимо мало.
