Izračun tranzistorja kot stikala

Čeprav se tranzistorji (BJT) popularno uporabljajo za izdelavo ojačevalnih vezij, jih je mogoče učinkovito uporabiti tudi za preklapljanje aplikacij.

Tranzistorsko stikalo je vezje, v katerem se zbiralnik tranzistorja vklopi / izklopi s sorazmerno večjim tokom kot odziv na ustrezen preklopni signal za vklop / izklop nizkega toka na svojem osnovnem oddajniku.

Kot primer lahko navedemo naslednje Konfiguracijo BJT lahko uporabimo kot stikalo za pretvorbo vhodnega signala za računalniško logično vezje.

Tu lahko ugotovite, da je izhodna napetost Vc nasprotna potencialu, ki se uporablja na dnu / oddajniku tranzistorja.

Prav tako osnova ni povezana z nobenim fiksnim enosmernim virom, za razliko od ojačevalnih vezij. Kolektor ima enosmerni vir, ki ustreza nivoju napajanja sistema, na primer 5 V in 0 V v tem primeru računalniške aplikacije.

Govorili bomo o tem, kako bi lahko to napetostno inverzijo zasnovali tako, da zagotovimo, da se delovna točka pravilno preklopi z odrezanega na nasičenje vzdolž tovorne črte, kot je prikazano na naslednji sliki:

Za sedanji scenarij smo na zgornji sliki domnevali, da je IC = ICEO = 0 mA, ko je IB = 0 uA (odličen približek glede izboljšanja gradbenih strategij). Poleg tega predpostavimo, da je VCE = VCE (sat) = 0 V, namesto običajne ravni 0,1 do 0,3 V.

Zdaj se bo pri Vi = 5 V BJT vklopil in preučitev zasnove mora zagotoviti, da je konfiguracija zelo nasičena z velikostjo IB, ki je lahko večja od vrednosti, povezane z krivuljo IB, ki je vidna blizu ravni nasičenosti.

Kot je razvidno iz zgornje slike, ta pogoj zahteva, da mora biti IB večji od 50 uA.

Izračunavanje ravni nasičenosti

Stopnjo nasičenosti kolektorja za prikazano vezje lahko izračunamo po formuli:

IC (sat) = Vcc / Rc

Velikost osnovnega toka v aktivnem območju tik pred nivojem nasičenja lahko izračunamo po formuli:

IB (max) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Enačba 1

To pomeni, da mora biti za izvajanje stopnje nasičenosti izpolnjen naslednji pogoj:

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

V zgoraj obravnavanem grafu lahko pri Vi = 5 V dobljeni nivo IB ocenimo po naslednji metodi:

Če enačbo 2 preizkusimo s temi rezultati, dobimo:

Zdi se, da to popolnoma izpolnjuje zahtevani pogoj. Brez dvoma bo katera koli vrednost IB, ki je višja od 60 uA, smela vstopiti čez točko Q čez tovorno črto, ki je izredno blizu navpične osi.

Zdaj, če se sklicujemo na omrežje BJT, prikazano v prvem diagramu, medtem ko je Vi = 0 V, IB = 0 uA in ob predpostavki IC = ICEO = 0 mA, bo padec hlapnosti čez RC enak formuli:

VRC = ICRC = 0 V.

Tako dobimo VC = +5 V za prvi zgornji diagram.

Poleg računalniških aplikacij za preklapljanje logoc lahko to konfiguracijo BJT izvedemo tudi kot stikalo z enakimi skrajnimi točkami tovorne črte.

Ko pride do nasičenja, se trenutna IC nagiba k temu, da postane precej visoka, kar ustreza napetosti VCE na najnižjo točko.

To povzroči stopnjo upora na obeh sponkah, kot je prikazano na naslednji sliki in izračunano po naslednji formuli:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), kot je prikazano na naslednji sliki.

Če v zgornji formuli predpostavimo tipično povprečno vrednost za VCE (sat), kot je 0,15 V, dobimo:

Ta vrednost upora na terminalih kolektorskega oddajnika je videti precej majhna v primerjavi s serijsko upornostjo v kilo Ohmih na kolektorskih terminalih BJT.

Zdaj, ko je vhod Vi = 0 V, bo preklop BJT prekinjen, zaradi česar bo upor na kolektorskem oddajniku:

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

To povzroča odprto vezje na terminalih kolektorskega oddajnika. Če upoštevamo tipično vrednost 10 uA za ICEO, bo vrednost odporne odpornosti navedena spodaj:

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

Ta vrednost je videti večja in enakovredna odprtemu vezju za večino konfiguracij BJT kot stikalo.

Reševanje praktičnega primera

Izračunajte vrednosti RB in RC za tranzistorsko stikalo, konfigurirano kot pretvornik spodaj, glede na to, da je ICmax = 10mA

Formula za izražanje nasičenosti kolektorja je:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

C Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Tudi na točki nasičenja

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

Za zagotovljeno nasičenost izberite IB = 60 μA in s pomočjo formule

IB = Vi - 0,7 V / RB, dobimo

RB = 10 V - 0.7 V / 60 μA = 155 kΩ ,

Zgornji rezultat zaokrožimo na 150 kΩ in ponovno ovrednotimo zgornjo formulo:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

saj je IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

To potrjuje, da moramo uporabiti RB = 150 kΩ

Izračun preklopnih tranzistorjev

Našli boste posebne tranzistorje, imenovane preklopni tranzistorji, zaradi njihove hitre hitrosti preklopa z enega nivoja napetosti na drugega.

Naslednja slika primerja časovna obdobja, simbolizirana kot ts, td, tr in tf, s kolektorskim tokom naprave.

Vpliv časovnih obdobij na odziv hitrosti kolektorja je opredeljen z odzivom toka kolektorja, kot je prikazano spodaj:

Skupni čas, potreben za tranzistor, da preklopi iz stanja 'izklop' v stanje 'vklop', je simboliziran kot t (vklop) in ga lahko določimo s formulo:

t (vklopljeno) = tr + td

Tu td identificira zakasnitev, ki se zgodi, ko vhodni preklopni signal spreminja stanje in tranzistorski izhod reagira na spremembo. Čas tr označuje končno zamudo preklopa z 10% na 90%.

Skupni čas, ki ga opravi bJt iz stanja vklopa v stanje izklopa, je označen kot t (izklop) in izražen s formulo:

t (izklop) = ts + tf

ts določa čas shranjevanja, tf pa čas padca z 90% na 10% prvotne vrednosti.

Glede na zgornji graf, za splošno uporabo BJT, če je kolektorski tok Ic = 10 mA, lahko vidimo, da:

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

kar pomeni t (vklopljeno) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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