Транзистор як вимикач-функція напівпровідника
Яку функцію виконує у сучасних схемах такий елемент як вимикач?
Він забезпечує відкриту схему (незамкнену), коли він знаходиться у вимкненому стані та забезпечує замкнуту схему, коли знаходиться у включеному стані. Це дуже важлива функція, без якої діяльність багатьох пристроїв була б просто немислимою.
Іншими словами, можна сказати, що вимикач забезпечує нескінченний опір або повний опір під час свого вимкненого стану, і він забезпечує нульовий опір або повний опір під час свого увімкненого стану.
Звідси виходить, що вимикач можна назвати таким собі резистором з контрольованим включенням/вимкненням, який забезпечує і нульовий і нескінченний опір для схеми без середнього значення. Так, можливо, комусь подібна назва здасться не найточнішою, але вона більш-менш передає суть діяльності вимикача у короткій формі.
З іншого боку, транзистор може бути розглянутий як контрольований резистор, адже опір між емітером та колектором контролюється струмом у переході бази-емітера. За рахунок того, що струм на базі емітера здійснює контроль, опір на емітері-колекторі може бути встановлений нескінченним, але подібним чином не вдасться зробити опір рівним нулю (результат не буде ідеальним). Втім, незважаючи на те, що ідеального значення не виходить, це не заважає бути транзистору дуже популярним як вимикач.
Транзистор забезпечує досить великий опір для схеми, але не ідеально нескінченно. Транзистор також забезпечує дуже маленький опір, але він також не ідеально нульовий.
У характеристикахтранзистора є 3 області:
У лінійній області, щоб напруга на колекторе-эмиттере (VCE) мало широкий діапазон, струм на колекторі (IC) зберігається незмінним. Через те, що напруга має широкий діапазон і струм на колекторі майже незмінний, буде дуже сильна втрата енергії, якщо транзистор діє у цій галузі.
Але на практиці, у вимикачі, коли він вимкнений, напруга, яка через нього проходить, дорівнюватиме напрузі на відкритій схемі, але струм при цьому дорівнює нулю, звідси випливає, що не відбувається втрати енергії. Подібним чином, коли вимикач включений, струм, що проходить через вимикач настільки сильний, наскільки сильний струм на замкнутій схемі, але напруга, яка проходить через вимикач, дорівнює нулю, звідки випливає, що також не відбувається втрати енергії.
Якщо потрібно зробити так, щоб транзистор діяв як вимикач, потрібно зробити, щоб він працював таким чином, щоб втрати енергії під час включеного і вимкненого стану були б близькі до нуля, або дуже низькі. Єдиний випадок, коли це можливо, коли транзистор діє лише граничної області характеристик. Існують дві граничні області в характеристиках транзистора. Це область вимкнення та область насичення.
На малюнку, де струм на базі-емітер або просто струм на базі дорівнює нулю, струм колектора (IC) буде мати дуже маленьке постійне значення для великого діапазону напруги на колекторі-емітері (VCE). Отже якщо транзистор діє зі струмом на базі рівним нулю або менше нуля, то струм, що проходить через колектор на емітер (IC), дуже слабкий.
Звідси транзистор у вимкненому стані, але водночас втрата енергії через транзистор (вимикач) i.e. IC x VCE несуттєва через те,що IC дуже малий. Звідси випливає, що транзистор працює як вимикач на відкритій схемі або як вимикач.
Тепер, припустимо, що транзистор приєднаний до серії з навантаженням опору RL. У нормальному стані напруга, що проходить через навантаження, є VL. Звідси струм, що проходить через навантаження, становить:
Якщо транзистор діє зі струмом на базі I1, для якого струм на колекторі C1 більший, ніж IL, то транзистор працює в області насичення. Тут для будь-якого струму (C1), що проходить через колектор транзистора на його емітер (IC), буде дуже маленька напруга на колекторі-емітері (VCE).
Звідси випливає, що в цій ситуації струм, що проходить через транзистор, настільки сильний, наскільки струм на навантаженні, але напруга, що проходить через транзистор (VCE), досить низька, звідки випливає та обставина, що втрата енергії в транзисторі знову несуттєва.
Транзистор веде себе приблизно як вимикач на замкнутій схемі або вимикач. Так що для використання транзистора як вимикача, необхідно переконатися в тому, що струм, що застосовується на базі-емітері, досить сильний для того, щоб утримати транзистор в області насичення для забезпечення струму на навантаженні.
Як уже було сказано, втрата енергії в транзисторі, який є вимикачем, дуже низька, проте не дорівнює нулю. Звідси випливає, що це не ідеальний вимикач, але він є прийнятним для специфічних пристроїв. Тепер, для регулювання енергії постійного струму на вході, на навантаженні необхідно використовувати транзистор-вимикач таким чином, щоб він періодично то включав схему, то вимикав, забезпечуючи тим самим бажану енергію на виході.
Для цього знадобиться специфічна форма хвилі струму на базі, завдяки якійтранзистор перетворюється на свої область виключення і область насичення, періодично, забезпечення струму на навантаженні. Типова періодична форма хвилі струму з урахуванням загалом досягається рахунок імпульсного генератора з урахуванням мікропроцесора.
Коли вибирається транзистор для використання як вимикач, необхідно виявляти обережність щодо номінального значення транзистора. Справа в тому, що під час включеного стану весь струм на навантаженні буде текти через транзистор. Якщо цей струм більше, ніж безпечне значення здатності транзистора до витримування струму на колекторі-емітер, то транзистор може перманентно вийти з ладу через те, що перегріється.
Знову у вимкненому стані, вся напруга на відкритій схемі, на навантаженні, з'явиться у транзисторі. Транзистор повинен бути в змозі витримати цю напругу, інакше перехід колектор-емітер буде розірваний, і транзистор стане увімкненим, замість того щоб бути вимкненим.
Ще одна деталь повинна бути врахована під час використання транзистора як вимикача. Приймач тепла відповідного розміру та проектування, яке завжди необхідне для транзистора. Кожен транзистор потребує деякого часу для переходу з вимкненого стану у включений стан і навпаки.
Незважаючи на те, що цей час дуже мало і він може бути менше кількох мікросекунд, але це все-таки не нуль. Під час періоду, протягом якого вимикач перебуває у включеному стані, струм (IC) посилюватиметься, тоді як напруга на колекторі-емітері (VCE) падатиме до нуля.
Так як струм посилюється з нуля (в ідеалі) до свого максимуму, і напруга падає зі свого максимального значення до нуля (в ідеалі), виникатиме момент, коли вони обидваматимуть свої максимальні значення. У цій точці відбувається пікова втрата енергії.
Таким шляхом відбувається і максимальна втрата енергії в транзисторі, коли він переходить у вимкнений стан з включеного стану. Звідси випливає, що максимальна втрата енергії відбувається у транзисторі під час перехідного періоду зміни стану, але розтрата енергії досі цілком середня, оскільки перехідний період досить невеликий.
Для роботи з низькою частотою тепло, що генерується, може бути середнім. Але якщо частота роботи дуже висока, то буде суттєва втрата енергії та відповідна генерація тепла. Варто зауважити, що генерація тепла не відбувається протягом перехідного стану. Вона також відбувається під час увімкненого або вимкненого стану транзистора. Однак кількість тепла протягом постійного стану досить мала та несуттєва.
Можливо, комусь використання транзистора як вимикач здасться складним після сказаного вище, проте це не так. Просто потрібно звернути увагу на деякі необхідні моменти та запам'ятати певні речі. Теоретична частина, що охоплює цю тему, хоч і не маленька, але досить проста.