Транзисторът като превключваща функция на полупроводника
Каква функция изпълнява такъв елемент като превключвател в съвременните схеми?
Той осигурява отворена верига (отворена верига), когато е изключен, и осигурява затворена верига, когато е включен. Това е много важна функция, без която дейността на много устройства би била просто немислима.
С други думи, може да се каже, че превключвателят осигурява безкрайно съпротивление или импеданс по време на изключено състояние и осигурява нулево съпротивление или импеданс по време на включено състояние.
От това се оказва, че превключвателят може да се нарече вид резистор с контролирано включване / изключване, който осигурява както нулево, така и безкрайно съпротивление за верига без никаква средна стойност. Да, може би такова име ще изглежда на някой не най-точното, но повече или по-малко предава същността на превключвателя в кратка форма.
От друга страна, транзисторът може да се разглежда като контролиран резистор, тъй като съпротивлението между емитер и колектор се контролира от тока в прехода база-емитер. Поради контрола на базовия ток на емитер, съпротивлението емитер-колектор може да бъде настроено на безкрайно, но няма да е възможно съпротивлението да бъде равно на нула по този начин (резултатът няма да е идеален). Но въпреки факта, че идеалната стойност не е получена, това не пречи на транзистора да бъде много популярен като ключ.
Транзисторът осигурява доста голямо съпротивление за веригата, но не е идеално безкрайно. Транзисторът също осигурява много малко съпротивление, но то също не е идеално нула.
В характеристикитетранзисторът има 3 области:
В линейната област, за да може напрежението колектор-емитер (VCE) да има широк диапазон, колекторният ток (IC) се поддържа постоянен. Тъй като напрежението има широк диапазон и колекторният ток е почти постоянен, ще има много голяма загуба на енергия, ако транзисторът работи в тази област.
Но на практика, в превключвател, когато е изключен, напрежението, което преминава през него, ще бъде равно на напрежението в отворената верига, но токът е нула, следователно няма загуба на енергия. По същия начин, когато превключвателят е включен, токът, преминаващ през превключвателя, е толкова силен, колкото токът в затворената верига, но напрежението, което преминава през превключвателя, е нула, което означава, че също няма загуба на енергия.
Ако транзисторът трябва да бъде направен да действа като превключвател, тогава той трябва да бъде направен да работи по такъв начин, че загубата на енергия по време на включено и изключено състояние да е близо до нула или много ниска. Единственият случай, когато това е възможно, е когато транзисторът работи само в ограничителната област на характеристиките. Има две ограничаващи области в характеристиките на транзистора. Това са зоната на изключване и областта на насищане.
На фигурата, където токът база-емитер или просто базовият ток е нула, колекторният ток (IC) ще има много малка постоянна стойност за голям диапазон на напрежението колектор-емитер (VCE). Така че, ако транзисторът работи с базов ток, равен на нула или по-малък от нула, тогава токът, преминаващ през колектора към емитера (IC), е много малък.
Следователно транзистора в изключено състояние, но в същото време загубата на енергия през транзистора (превключвателя) т.е. IC x VCE е незначителен поради факта, чече IC е много малък. От това следва, че транзисторът работи като ключ в отворена верига или като ключ за изключване.
Сега, да кажем, че транзисторът е свързан последователно с товар от съпротивление RL. В нормално състояние напрежението, преминаващо през товара, е VL. От тук токът, преминаващ през товара, е:
Ако транзисторът работи с ток, базиран на I1, за който колекторният ток C1 е по-голям от IL, тогава транзисторът работи в областта на насищане. Тук, за всеки ток (C1), преминаващ през колектора на транзистора към неговия емитер (IC), ще има много малко напрежение колектор-емитер (VCE).
От това следва, че в тази ситуация токът, преминаващ през транзистора, е толкова силен, колкото тока на натоварване, но напрежението, преминаващо през транзистора (VCE), е доста ниско, което означава, че загубата на енергия в транзистора отново е незначителна.
Транзисторът се държи много като ключ за затворена верига или ключ за включване. Така че, за да използвате транзистор като превключвател, трябва да се уверите, че приложеният ток в основата на емитера е достатъчно силен, за да поддържа транзистора в насищане, за да осигури ток към товара.
Както вече споменахме, загубата на енергия в транзистора, който е ключ, е много ниска, но не е нула. От това следва, че това не е идеален превключвател, но е приемлив за конкретни приложения. Сега, за да регулирате DC енергията на входа, при товара, е необходимо да използвате транзисторен ключ, така че периодично да включва и изключва веригата, като по този начин осигурява желаната енергия на изхода.
За да направите това, имате нужда от специфична форма на вълната на тока в основата, благодарение на коятотранзисторът преминава периодично в своя изключен регион и регион на насищане, за да осигури ток към товара. Типичната периодична форма на вълната на тока върху основата като цяло се постига от базиран на микропроцесор импулсен генератор.
Когато е избран транзистор за използване като превключвател, трябва да се внимава по отношение на рейтинга на транзистора. Факт е, че по време на включено състояние целият ток на товара ще тече през транзистора. Ако този ток е по-голям от безопасната стойност на способността на транзистора да се справи с тока колектор-емитер, тогава транзисторът може трайно да се повреди поради прегряване.
Отново в изключено състояние, цялото напрежение в отворената верига, върху товара, ще се появи в транзистора. Транзисторът трябва да може да издържи на това напрежение, в противен случай преходът колектор-емитер ще се счупи и транзисторът ще се включи, вместо да се изключи.
Когато използвате транзистор като превключвател, трябва да се вземе предвид още един детайл. Правилно оразмерен радиатор и дизайн, който винаги е необходим за транзистор. Всеки транзистор се нуждае от известно време, за да премине от изключен във включен и обратно.
Въпреки че точно това време е много кратко и може да е по-малко от няколко микросекунди, то все още не е нула. По време на периода, в който ключът е включен, токът (IC) ще се увеличи, докато напрежението колектор-емитер (VCE) ще падне до нула.
Тъй като токът нараства от нула (в идеалния случай) до своя максимум, а напрежението пада от максималната си стойност до нула (в идеалния случай), ще има момент, когато и дветеще имат своите максимални стойности. В този момент настъпва пиковата загуба на енергия.
По същия начин максималната загуба на енергия в транзистора възниква, когато той премине в изключено състояние от включено състояние. От това следва, че максималната загуба на енергия възниква в транзистора по време на преходния период на промяна на състоянието, но загубата на енергия все още е доста средна, тъй като преходният период е доста малък.
При работа с ниска честота генерираната топлина може да бъде средна. Но ако честотата на работа е много висока, ще има значителна загуба на енергия и съответно генериране на топлина. Струва си да се отбележи, че генерирането на топлина не възниква само по време на преходното състояние. Това се случва и по време на включено или изключено състояние на транзистора. Въпреки това, количеството топлина по време на постоянно състояние е доста малко и незначително.
Може би някой, който използва транзистор като ключ, ще изглежда сложен след горното, но това не е така. Просто трябва да обърнете внимание на някои необходими точки и да запомните определени неща. Теоретичната част, обхващаща тази тема, макар и не малка, е относително проста.