Υπολογισμός τρανζίστορ ως διακόπτης

Αν και τα τρανζίστορ (BJT) χρησιμοποιούνται ευρέως για την κατασκευή κυκλωμάτων ενισχυτή, αυτά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για εναλλαγή εφαρμογών.

Διακόπτης τρανζίστορ είναι ένα κύκλωμα στο οποίο ο συλλέκτης του τρανζίστορ ενεργοποιείται / απενεργοποιείται με σχετικά μεγαλύτερο ρεύμα σε απόκριση σε αντίστοιχο σήμα εναλλαγής χαμηλού ρεύματος ON / OFF στον βασικό του πομπό.

Για παράδειγμα, τα ακόλουθα Η διαμόρφωση BJT μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως διακόπτης για αναστροφή σήματος εισόδου για κύκλωμα λογικής υπολογιστή.

Εδώ μπορείτε να διαπιστώσετε ότι η τάση εξόδου Vc είναι αντίθετη από το δυναμικό που εφαρμόζεται στη βάση / εκπομπό του τρανζίστορ.

Επίσης, η βάση δεν συνδέεται με καμία σταθερή πηγή DC, σε αντίθεση με τα κυκλώματα που βασίζονται στον ενισχυτή. Ο συλλέκτης έχει μια πηγή DC που αντιστοιχεί στα επίπεδα τροφοδοσίας του συστήματος, για παράδειγμα 5 V και 0 V σε αυτήν την περίπτωση εφαρμογής υπολογιστή.

Θα μιλήσουμε για το πώς αυτή η αντιστροφή τάσης θα μπορούσε να σχεδιαστεί για να διασφαλίσει ότι το σημείο λειτουργίας αλλάζει σωστά από τη διακοπή σε κορεσμό κατά μήκος της γραμμής φόρτωσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Για το παρόν σενάριο, στο παραπάνω σχήμα έχουμε υποθέσει ότι IC = ICEO = 0 mA, όταν IB = 0 uA (μια μεγάλη προσέγγιση όσον αφορά την ενίσχυση των κατασκευαστικών στρατηγικών). Επιπλέον, ας υποθέσουμε ότι VCE = VCE (sat) = 0 V, αντί για το συνηθισμένο επίπεδο 0,1 έως 0,3 V.

Τώρα, στα Vi = 5 V, το BJT θα ανάψει και το σχέδιο σχεδιασμού πρέπει να διασφαλίσει ότι η διαμόρφωση είναι πολύ κορεσμένη, με μέγεθος IB που μπορεί να είναι μεγαλύτερο από την τιμή που σχετίζεται με την καμπύλη IB που φαίνεται κοντά στο επίπεδο κορεσμού.

Όπως μπορεί να σημειωθεί στο παραπάνω σχήμα, αυτή η συνθήκη απαιτεί το IB να είναι μεγαλύτερο από 50 uA.

Υπολογισμός επιπέδων κορεσμού

Το επίπεδο κορεσμού συλλέκτη για το εμφανιζόμενο κύκλωμα μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

IC (sat) = Vcc / Rc

Το μέγεθος του ρεύματος βάσης στην ενεργή περιοχή λίγο πριν από το επίπεδο κορεσμού μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

IB (μέγ.) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Εξίσωση 1

Αυτό σημαίνει ότι, για την εφαρμογή του επιπέδου κορεσμού, πρέπει να πληρούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc -------- Εξίσωση 2

Στο γράφημα που συζητήθηκε παραπάνω, όταν Vi = 5 V, το προκύπτον επίπεδο IB μπορεί να αξιολογηθεί με την ακόλουθη μέθοδο:

Εάν δοκιμάσουμε την εξίσωση 2 με αυτά τα αποτελέσματα παίρνουμε:

Αυτό φαίνεται να ικανοποιεί απόλυτα την απαιτούμενη προϋπόθεση. Χωρίς αμφιβολία, οποιαδήποτε τιμή IB που είναι μεγαλύτερη από 60 uA θα επιτρέπεται να εισέλθει πέρα ​​από το σημείο Q πάνω από τη γραμμή φόρτωσης που βρίσκεται πολύ κοντά στον κατακόρυφο άξονα.

Τώρα, αναφερόμενος στο δίκτυο BJT που φαίνεται στο πρώτο διάγραμμα, ενώ Vi = 0 V, IB = 0 uA, και υποθέτοντας IC = ICEO = 0 mA, η πτώση της τάσης που συμβαίνει στο RC θα είναι σύμφωνα με τον τύπο:

VRC = ICRC = 0 V.

Αυτό μας δίνει VC = +5 V για το πρώτο διάγραμμα παραπάνω.

Εκτός από τις εφαρμογές εναλλαγής λογότυπου υπολογιστή, αυτή η διαμόρφωση BJT μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σαν διακόπτης χρησιμοποιώντας τα ίδια ακραία σημεία της γραμμής φόρτωσης.

Όταν ο κορεσμός λαμβάνει χώρα, το τρέχον IC τείνει να πάρει αρκετά υψηλό, το οποίο αντιστοιχεί στην πτώση της τάσης VCE στο χαμηλότερο σημείο.

Αυτό δημιουργεί επίπεδο αντίστασης στους δύο ακροδέκτες όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα και υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) όπως υποδεικνύεται στο παρακάτω σχήμα.

Εάν υποθέσουμε μια τυπική μέση τιμή για το VCE (sat) όπως 0,15 V στον παραπάνω τύπο, λαμβάνουμε:

Αυτή η τιμή αντίστασης στους ακροδέκτες εκπομπού συλλέκτη φαίνεται αρκετά μικρή σε σύγκριση με μια αντίσταση σειράς σε κιλά Ohms στους ακροδέκτες συλλεκτών του BJT.

Τώρα, όταν η είσοδος Vi = 0 V, ο διακόπτης BJT θα διακοπεί προκαλώντας την αντίσταση σε ολόκληρη την εκπομπή συλλεκτών:

R (cutoff) = Vcc / ICEO = 5 V / 0 mA = ∞ Ω

Αυτό δημιουργεί μια κατάσταση ανοικτού κυκλώματος μεταξύ των ακροδεκτών εκπομπής συλλεκτών. Εάν λάβουμε υπόψη μια τυπική τιμή 10 uA για το ICEO, η τιμή της αντίστασης διακοπής θα είναι όπως δίνεται παρακάτω:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 V / 10 uA = 500 k Ω

Αυτή η τιμή φαίνεται πολύ μεγάλη και ισοδύναμη με ένα ανοιχτό κύκλωμα για τις περισσότερες ρυθμίσεις BJT ως διακόπτης.

Επίλυση ενός πρακτικού παραδείγματος

Υπολογίστε τις τιμές RB και RC για έναν διακόπτη τρανζίστορ που έχει διαμορφωθεί όπως ένας μετατροπέας παρακάτω, δεδομένου ότι ICmax = 10mA

Ο τύπος για την έκφραση του κορεσμού των συλλεκτών είναι:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Επίσης, σε σημείο κορεσμού

IB ≅ IC (sat) / βdc = 10 mA / 250 = 40 μA

Για εγγυημένο κορεσμό, επιλέξτε IB = 60 μA και χρησιμοποιώντας τον τύπο

IB = Vi - 0,7 V / RB, έχουμε

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Στρογγυλοποιώντας το παραπάνω αποτέλεσμα στα 150 kΩ και αξιολογώντας ξανά τον παραπάνω τύπο παίρνουμε:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

από IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μΑ

Αυτό επιβεβαιώνει ότι πρέπει να χρησιμοποιήσουμε RB = 150 kΩ

Υπολογισμός τρανζίστορ μεταγωγής

Θα βρείτε ειδικά τρανζίστορ που ονομάζονται μεταγωγή τρανζίστορ λόγω του γρήγορου ρυθμού εναλλαγής από το ένα επίπεδο τάσης στο άλλο.

Το παρακάτω σχήμα συγκρίνει τις χρονικές περιόδους που συμβολίζονται ως ts, td, tr και tf με το ρεύμα συλλέκτη της συσκευής.

Η επίδραση των χρονικών περιόδων στην απόκριση ταχύτητας συλλέκτη καθορίζεται από την τρέχουσα απόκριση συλλέκτη όπως φαίνεται παρακάτω:

Ο συνολικός χρόνος που απαιτείται για την αλλαγή του τρανζίστορ από την κατάσταση «απενεργοποίησης» στην κατάσταση «ενεργοποίησης» συμβολίζεται ως t (on) και μπορεί να καθοριστεί από τον τύπο:

t (on) = tr + td

Εδώ το td προσδιορίζει την καθυστέρηση που συμβαίνει ενώ το σήμα μεταγωγής εισόδου αλλάζει κατάσταση και η έξοδος τρανζίστορ ανταποκρίνεται στην αλλαγή. Ο χρόνος tr δείχνει την τελική καθυστέρηση μεταγωγής από 10% σε 90%.

Ο συνολικός χρόνος που λαμβάνεται από ένα bJt από κατάσταση ON στην κατάσταση OFF είναι υποδεικνύεται ως t (off) και εκφράζεται από τον τύπο:

t (off) = ts + tf

Το ts καθορίζει το χρόνο αποθήκευσης, ενώ το tf προσδιορίζει το χρόνο πτώσης από 90% έως 10% της αρχικής τιμής.

Ανατρέξτε στο παραπάνω γράφημα, για γενικό σκοπό BJT, εάν το ρεύμα συλλέκτη Ic = 10 mA, μπορούμε να δούμε ότι:

ts = 120 ns, td = 25 ns, tr = 13 ns, tf = 12 ns

που σημαίνει t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

t (off) = ts + tf = 120 ns + 12 ns = 132 ns