Bipolární tranzistory ve spínacím režimu

Tranzistor ve spínacím režimu v zapojení SE

Obr. 1: Tranzistor jako spínač

Při úplném otevření tranzistoru (U_CE se blíží nule) tranzistor již nemůže zesilovat proud, chová se jako kdyby mezi kolektorem a emitorem byl velmi malý odpor. Říkáme, že tranzistor je ve stavu saturace - nasycení. Typická hodnota saturačního napětí je u moderních tranzistorů malého výkonu (do 1 W) asi 0,2 V. U výkonových tranzistorů bývá 1 až 2 V. Při saturaci se tranzistor chová jako sepnutý spínač, na kterém je malý úbytek napětí. Dochází k ní při dostatečně velkém proudu báze, kdy již není možné, aby platilo: I_C = β . I_B

Proud kolektoru je omezen hodnotami dalších součástek (kolektorový odpor Rz). Pokud je na bázi tranzistoru napětí menší než 0,6 V, potom I_B = 0. Obvodem kolektor-emitor teče pouze zbytkový proud (řádově 1 μA), tranzistor se chová jako rozepnutý spínač.

Tento spínač řídíme proudem do báze tranzistoru. Řídicí napětí U_říď přivádíme na bázi tranzistoru přes ochranný odpor R_B. Jinak by byl proud báze příliš velký a tranzistor by se zničil. Odpor R_Z (zátěž) v kolektoru tranzistoru omezuje jeho kolektorový proud. Tranzistor umožňuje bezkontaktní spínání zátěže v kolektorovém obvodu proudem přivedeným do báze. Bezkontaktní spínání je oproti relé rychlejší, spolehlivější a výhodnější z hlediska rozměrů i životnosti spínače. Při sepnutí se tranzistor zpravidla dostane do saturace. Aby tomu tak skutečně bylo, musí platit, že I_B.β > I_C.

Tranzistor je jednou z polovodičových součástek, které umožňují tzv. bezkontaktní spínání zátěže. Zátěž (žárovka, elektromotor, relé, topná spirála….) zapojená v kolektorovém obvodu je spínána proudem přivedeným do báze tranzistoru. Tranzistor pak pracuje ve dvou režimech:

• v nevodivém režimu;

• v saturačním režimu.

To, ve kterém režimu tranzistor pracuje, je určeno úrovní dvouúrovňového signálu přiváděného ze zdroje signálu na vstup impulzního zesilovače.

Má-li vstupní signál U_řiď nízkou úroveň, pracuje tranzistor v nevodivém režimu, při vysoké úrovni vstupního signálu pracuje tranzistor v saturačním režimu.

Nevodivý režim: Má-li vstupní signál U_řiď nulovou úroveň, je na bázi tranzistoru nulové napětí U_BE = 0, bází teče proud I_B = 0, kolektorový proud I_C = I_CE0 ≅ 0.

Tranzistor představuje velký odpor (mnohonásobně větší než je odpor zátěže), můžeme si jej představit jako rozepnutý spínač, zátěž je odpojena. Protože

Un = U_CE + U_z = U_CE + R_z . I_C = U_CE + R_z . 0, je v nevodivém režimu prakticky celé napětí zdroje U_n na tranzistoru, v nevodivém režimu tedy:

Uzet ≅ 0, U_CE ≅ Un.

Saturační režim: Po připojení zátěže je tranzistor otevřen a zpravidla přechází do tzv. stavu saturace. Aby byl tranzistor v saturaci, musí být splněna podmínka β . I_B ≥I_sat.

Napětí U_sat je saturační napětí tranzistoru pro daný proud I_B a pro danou velikost odporu zátěže při určitém napájecím napětí U_n. Saturační napětí je nejmenší velikost napětí U_CE mezi kolektorem a emitorem tranzistoru pro danou zátěž R_C. Velikost napětí na zátěži R_z v saturačním režimu tranzistoru je dána vztahem:

U_z = U_n – U_sat.

Velikost proudu báze I_B, kterým je tranzistor přiveden do stavu saturace, určíme pomocí vztahu:

,

takže

 

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Tranzistor jako spínač, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009