BJT як ключ

Визначення BJT як ключа

BJT (біполярний транзистор) визначається як пристрій, що діє як ключ, керуючи струмом база-емітер для зміни опору емітер-колектор.

Ключ створює розімкнений контур (нескінченне опору) у положенні «ВИМКНЕНО» і замкнутий контур (нульова опору) у положенні «УВІМКНЕНО». Аналогічно, у біполярному транзисторі, керування струмом база-емітер може зробити опір емітер-колектор майже нескінченним або майже нульовим.

У характеристиках транзистора існують три області. Це:

• Область відключення

• Активна область

• Область насичення

У активній області, струм колектора (IC) залишається постійним на широкому діапазоні напруги колектор-емітер (VCE). Цей постійний струм призводить до значних втрат енергії, якщо транзистор працює в цій області. Ідеальний ключ не має втрат енергії у положенні «ВИМКНЕНО», оскільки струм дорівнює нулю.

Аналогічно, коли ключ увімкнено, напруга через ключ дорівнює нулю, тому втрати енергії знову відсутні. Коли ми хочемо, щоб BJT працював як ключ, він повинен працювати так, щоб втрати енергії у положеннях «УВІМКНЕНО» і «ВИМКНЕНО» були майже нульовими або дуже малими.

Це можливо лише тоді, коли транзистор працює лише в крайніх областях характеристик. Область відключення і область насичення є двома крайніми областями в характеристиках транзистора. Зверніть увагу, що це стосується як npn, так і pnp транзисторів.

На малюнку, коли струм бази дорівнює нулю, струм колектора (IC) має дуже малий постійний значення на широкому діапазоні напруги колектор-емітер (VCE). Отже, коли транзистор працює зі струмом бази ≤ 0, струм колектора (IC ≈ 0) дуже малий, тому транзистор вважається у положенні «ВИМКНЕНО», але одночасно, втрати енергії через ключ транзистора, тобто IC × VCE, незначні через дуже малий IC.

Транзистор підключений послідовно з вихідним опором RC. Тому струм через вихідний опір становить

Якщо транзистор працює зі струмом бази IB3, для якого струм колектора дорівнює IC1. IC менший за IC1, то транзистор працює в області насичення. Тут, для будь-якого струму колектора, меншого за IC1, буде дуже мала напруга колектор-емітер (VCE < VCE1). Отже, у цій ситуації, струм через транзистор такий же високий, як струм навантаження, але напруга через транзистор (VCE < VCE1) дуже мала, тому втрати енергії в транзисторі незначні.

Транзистор поводиться як ключ у положенні «УВІМКНЕНО». Тому, для використання транзистора як ключа, ми повинні переконатися, що застосований струм бази достатньо високий, щоб утримувати транзистор в області насичення для струму колектора. Отже, з вищенаведеного пояснення, ми можемо зробити висновок, що біполярний транзистор поводиться як ключ лише тоді, коли він працює в областях відключення і насичення своїх характеристик. У застосуваннях ключів активна область або активна область характеристик уникнена. Як ми вже зазначили, втрати енергії в ключі транзистора дуже невеликі, але не дорівнюють нулю. Тому, це не ідеальний ключ, але приймається як ключ для певних застосувань.

При виборі транзистора як ключа, врахуйте його параметри. У положенні «УВІМКНЕНО» транзистор повинен обробляти весь струм навантаження. Якщо цей струм перевищує безпечну пропускну здатність струму колектор-емітер, транзистор може перегрітися і бути зруйнованим. У положенні «ВИМКНЕНО» транзистор повинен витримувати відкриту напругу навантаження, щоб запобігти пробою. Відповідний теплообмінник є необхідним для управління теплом. Кожен транзистор потребує скінченного часу для перемикання між положеннями «ВИМКНЕНО» і «УВІМКНЕНО».

Хоча час перемикання дуже короткий, часто менше декількох мікростунців, він не дорівнює нулю. У період увімкнення струм (IC) зростає, а напруга колектор-емітер (VCE) зменшується до нуля. Є момент, коли струм і напруга досягають свого максимуму, що призводить до пікових втрат енергії. Це також відбувається при перемиканні з «УВІМКНЕНО» на «ВИМКНЕНО». Максимальні втрати енергії відбуваються під час цих переходів, але енергія, що дисипується, умерена через короткий період переходу. На нижчих частотах генерація тепла є контролованою, але на високих частотах відбуваються значні втрати енергії і тепла.

Слід зазначити, що генерація тепла відбувається не лише під час переходних процесів, але й у стаціонарних положеннях «УВІМКНЕНО» або «ВИМКНЕНО» транзистора, але кількість тепла у стаціонарних положеннях дуже мала і незначна.