Transistora kā slēdža aprēķināšana

Kaut arī tranzistori (BJT) tiek plaši izmantoti pastiprinātāju shēmu veidošanai, tos var efektīvi izmantot arī lietojumprogrammu pārslēgšanai.

Transistora slēdzis ir ķēde, kurā tranzistora kolektors tiek ieslēgts / izslēgts ar salīdzinoši lielāku strāvu, reaģējot uz attiecīgi pārslēdzošu zemas strāvas ieslēgšanas / izslēgšanas signālu tā bāzes izstarotājā.

Kā piemēru sekojošais BJT konfigurāciju var izmantot kā slēdzi ieejas signāla invertēšanai datora loģikas ķēdei.

Šeit jūs varat atrast, ka izejas spriegums Vc ir pretējs potenciālam, kas tiek piemērots visā tranzistora pamatnē / izstarotājā.

Arī atšķirībā no pastiprinātāja shēmām bāze nav savienota ar fiksētu līdzstrāvas avotu. Kolektoram ir līdzstrāvas avots, kas atbilst sistēmas piegādes līmeņiem, piemēram, 5 V un 0 V šajā datora lietojuma gadījumā.

Mēs runāsim par to, kā šī sprieguma inversija varētu būt paredzēta, lai nodrošinātu, ka darbības punkts pareizi pārslēdzas no nogriezta uz piesātinājumu gar slodzes līniju, kā parādīts nākamajā attēlā:

Šim scenārijam augšējā attēlā mēs esam pieņēmuši, ka IC = ICEO = 0 mA, kad IB = 0 uA (lielisks tuvinājums attiecībā uz būvniecības stratēģiju uzlabošanu). Pieņemsim, ka VCE = VCE (sat) = 0 V, nevis parastais 0,1 līdz 0,3 V līmenis.

Tagad, kad Vi = 5 V, BJT ieslēgsies, un dizaina apsvērumiem jānodrošina, ka konfigurācija ir ļoti piesātināta ar IB lielumu, kas var būt lielāks par vērtību, kas saistīta ar IB līkni, kas redzama tuvu piesātinājuma līmenim.

Kā var saprast iepriekš minētajā attēlā, šie apstākļi prasa, lai IB būtu lielāks par 50 uA.

Piesātinājuma līmeņu aprēķināšana

Kolektora piesātinājuma līmeni parādītajai shēmai var aprēķināt, izmantojot formulu:

IC (sat) = Vcc / Rc

Bāzes strāvas lielumu aktīvajā reģionā tieši pirms piesātinājuma līmeņa var aprēķināt, izmantojot formulu:

IB (max) ≅ IC (sat) / βdc ---------- 1. vienādojums

Tas nozīmē, ka, lai ieviestu piesātinājuma līmeni, ir jāievēro šādi nosacījumi:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc -------- 2. vienādojums

Iepriekš apskatītajā grafikā, kad Vi = 5 V, iegūto IB līmeni var novērtēt ar šādu metodi:

Pārbaudot 2. vienādojumu ar šiem rezultātiem, mēs iegūstam:

Šķiet, ka tas pilnīgi atbilst vajadzīgajam nosacījumam. Nav šaubu, ka jebkurai IB vērtībai, kas ir lielāka par 60 uA, atļauts iekļūt pāri Q punktam pa kravas līniju, kas atrodas ļoti tuvu vertikālajai asij.

Tagad, novirzoties uz BJT tīklu, kas parādīts pirmajā diagrammā, bet Vi = 0 V, IB = 0 uA un pieņemot, ka IC = ICEO = 0 mA, sprieguma kritums, kas notiek RC, būs tāds pats kā formulā:

VRC = ICRC = 0 V.

Tas dod VC = +5 V pirmajai diagrammai iepriekš.

Papildus datora logoc komutācijas lietojumprogrammām šo BJT konfigurāciju var arī ieviest kā slēdzi, izmantojot tos pašus kravas līnijas galējos punktus.

Kad notiek piesātinājums, strāvas IC mēdz kļūt diezgan augsts, kas attiecīgi pazemina spriegumu VCE līdz zemākajam punktam.

Tas rada pretestības līmeni abos spailēs, kā parādīts nākamajā attēlā un aprēķināts, izmantojot šādu formulu:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), kā norādīts nākamajā attēlā.

Ja iepriekšminētajā formulā pieņemam tipisku vidējo VCE (sat) vērtību, piemēram, 0,15 V, mēs iegūstam:

Šī pretestības vērtība kolektoru izstarotāju spailēs izskatās diezgan maza, salīdzinot ar sērijas pretestību kilogramos omu BJT kolektora spailēs.

Tagad, kad ieeja Vi = 0 V, BJT pārslēgšana tiks pārtraukta, izraisot kolektora izstarotāja pretestību:

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

Tas rada atvērtas ķēdes veida situāciju kolektora izstarotāja spailēs. Ja ņemam vērā ICEO tipisko vērtību 10 uA, nogrieztā pretestības vērtība būs šāda:

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

Šī vērtība izskatās ievērojami liela un ekvivalenta atvērtai ķēdei lielākajai daļai BJT konfigurācijas kā slēdža.

Praktiska piemēra risināšana

Aprēķiniet RB un RC vērtības tranzistora slēdzim, kas konfigurēts kā zemāk esošais invertors, ņemot vērā, ka ICmax = 10mA

Kolektora piesātinājuma izteikšanas formula ir šāda:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Arī piesātinājuma punktā

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

Lai garantētu piesātinājumu, izvēlieties IB = 60 μA un izmantojot formulu

IB = Vi - 0,7 V / RB, mēs iegūstam

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Noapaļojot iepriekš minēto rezultātu līdz 150 kΩ un atkārtoti novērtējot iepriekš minēto formulu, mēs iegūstam:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

tā kā IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Tas apstiprina, ka mums jāizmanto RB = 150 kΩ

Aprēķinot komutējošos tranzistorus

Jūs atradīsit īpašus tranzistorus, kurus sauc par komutējošiem tranzistoriem, jo ​​tie ātri pārslēdzas no viena sprieguma līmeņa uz citu.

Šajā attēlā laika periodi, kas simbolizēti kā ts, td, tr un tf, tiek salīdzināti ar ierīces kolektora strāvu.

Laika periodu ietekmi uz kolektora ātruma reakciju nosaka kolektora strāvas reakcija, kā parādīts zemāk:

Kopējais laiks, kas vajadzīgs, lai tranzistors pārslēgtos no stāvokļa “izslēgts” uz “ieslēgts”, tiek simbolizēts kā t (ieslēgts), un to var noteikt pēc formulas:

t (ieslēgts) = tr + td

Šeit td identificē kavēšanos, kad ieejas komutācijas signāls maina stāvokli un tranzistora izeja reaģē uz izmaiņām. Laiks tr norāda galīgo pārslēgšanās aizkavi no 10% līdz 90%.

Kopējais laiks, ko bJt prasa no ieslēgta stāvokļa līdz izslēgtam stāvoklim, tiek norādīts kā t (izslēgts) un izteikts ar formulu:

t (izslēgts) = ts + tf

ts nosaka glabāšanas laiku, bet tf identificē kritiena laiku no 90% līdz 10% no sākotnējās vērtības.

Atsaucoties uz iepriekš minēto diagrammu, vispārējas nozīmes BJT gadījumā, ja kolektora strāva Ic = 10 mA, mēs varam redzēt, ka:

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

kas nozīmē t (ieslēgts) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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