A tranzisztor kapcsolóként való kiszámítása

Noha a tranzisztorokat (BJT) népszerûen használják erõsítõ áramkörök készítésére, ezeket hatékonyan lehet használni az alkalmazások kapcsolására is.

Tranzisztor kapcsoló olyan áramkör, amelyben a tranzisztor kollektora relatíve nagyobb árammal kapcsol be / ki, válaszul a megfelelő kapcsoló alacsony áramú BE / KI jelre az alapadójánál.

Példaként a következő A BJT konfiguráció kapcsolóként használható a számítógépes logikai áramkör bemeneti jelének invertálására.

Itt azt tapasztalhatja, hogy a Vc kimeneti feszültség ellentétes a tranzisztor bázisán / emitterén alkalmazott potenciállal.

Ezenkívül az alap nem csatlakozik rögzített egyenáramú forrásokhoz, ellentétben az erősítő alapú áramkörökkel. A kollektornak van egy egyenáramú forrása, amely megfelel a rendszer tápellátási szintjének, például 5 V és 0 V ebben a számítógépes alkalmazásban.

Beszélünk arról, hogyan lehet ezt a feszültség inverziót úgy kialakítani, hogy a működési pont a terhelési vonal mentén a vágásról a telítettségre helyesen kapcsoljon át, az alábbi ábra szerint:

A jelen forgatókönyv esetében a fenti ábrán azt feltételeztük, hogy IC = ICEO = 0 mA, amikor IB = 0 uA (nagy közelítés az építési stratégiák fokozásához képest). Tegyük fel továbbá, hogy VCE = VCE (sat) = 0 V, a szokásos 0,1-0,3 V szint helyett.

Most, Vi = 5 V esetén, a BJT bekapcsol, és a tervezési szempontnak biztosítania kell, hogy a konfiguráció erősen telített legyen, IB nagyságrenddel, amely meghaladhatja a telítettségi szint közelében látható IB görbéhez tartozó értéket.

Amint a fenti ábrán látható, ez a feltétel megköveteli, hogy az IB nagyobb legyen, mint 50 uA.

Telítettségi szintek kiszámítása

A bemutatott áramkör kollektor telítettségi szintjét a következő képlet segítségével lehet kiszámítani:

IC (telített) = Vcc / Rc

Az aktív régió bázisáramának nagysága közvetlenül a telítettségi szint előtt kiszámítható a következő képlettel:

IB (max) ≅ IC (szat) / βdc ---------- 1. egyenlet

Ez azt jelenti, hogy a telítettségi szint megvalósításához a következő feltételeknek kell teljesülniük:

IB> IC (szat) / IC (szat) / βdc -------- 2. egyenlet

A fent tárgyalt grafikonon, amikor Vi = 5 V, a kapott IB szint a következő módszerrel értékelhető:

Ha a 2. egyenletet ezekkel az eredményekkel teszteljük, akkor kapjuk:

Úgy tűnik, hogy ez tökéletesen kielégíti az előírt feltételt. Kétségtelen, hogy az IB bármely 60 uA-nál nagyobb értéke bejuthat a Q-pontba a függőleges tengelyhez rendkívül szorosan elhelyezkedő terhelési vonal felett.

Most, az első ábrán bemutatott BJT hálózatra jutva, míg Vi = 0 V, IB = 0 uA, és feltételezve, hogy IC = ICEO = 0 mA, az RC-n fellépő volatge-csökkenés a képletnek felel meg:

VRC = ICRC = 0 V.

Ez VC = +5 V-t ad a fenti első diagramhoz.

A számítógépes logoc kapcsoló alkalmazások mellett ez a BJT konfiguráció úgy is megvalósítható, mint egy kapcsoló, a terhelési vonal ugyanazon szélső pontjaival.

Amikor telítettség történik, az áram IC általában elég magasra nő, ami ennek megfelelően a VCE feszültséget a legalacsonyabb pontra csökkenti.

Ez egy ellenállási szintet eredményez a két terminálon az alábbi ábrán látható módon, és a következő képlettel számolva:

R (szat) = VCE (szat) / IC (szat), a következő ábra szerint.

Ha a fenti képletben a VCE (sat) tipikus átlagos értékét feltételezzük, például 0,15 V, akkor a következőket kapjuk:

Ez az ellenállási érték a kollektor emitter termináljain meglehetősen kicsinek tűnik, összehasonlítva a BJT kollektor termináljain kiló ohmos sorozatos ellenállással.

Most, amikor a Vi = 0 V bemenet, a BJT kapcsolás megszakad, ami a kollektor-emitter ellenállását:

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

Ez egy nyitott áramkörű helyzetet idéz elő a kollektor emitter termináljain. Ha figyelembe vesszük az ICEO tipikus értékét 10 uA, akkor a levágási ellenállás értéke az alábbiak szerint alakul:

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

Ez az érték jelentősen nagynak tűnik, és egyenértékű egy nyitott áramkörrel a legtöbb BJT konfigurációnál, mint kapcsoló.

Gyakorlati példa megoldása

Számítsa ki az RB és RC értékeit egy tranzisztorkapcsolóhoz, amelyet úgy konfiguráltak, mint az alábbi inverter, mivel ICmax = 10mA

A kollektor telítettségének képlete a következő:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Szintén telítési ponton

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

A garantált telítettség érdekében válasszuk ki az IB = 60 μA értéket, és a képlet segítségével

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

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

A fenti eredmény kerekítése 150 kΩ-ra, és a fenti képlet ismételt kiértékelése:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

mivel IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Ez megerősíti, hogy RB = 150 kΩ-ot kell használnunk

Kapcsoló tranzisztorok kiszámítása

Különleges tranzisztorokat talál, amelyeket kapcsolási tranzisztoroknak neveznek, mivel gyorsan váltanak az egyik feszültségszintről a másikra.

Az alábbi ábra összehasonlítja a ts, td, tr és tf szimbólumokkal jelölt időszakokat a készülék kollektoráramával.

Az időszakok hatását a kollektor sebességére a kollektor áramválasza határozza meg az alábbiak szerint:

A tranzisztor „kikapcsolt” állapotból „bekapcsolt” állapotba való átkapcsolásához szükséges teljes időt t (be) szimbolizálja, és a következő képlettel állapítható meg:

t (be) = tr + td

Itt a td azonosítja a késleltetést, amikor a bemeneti kapcsoló jel állapota változik, és a tranzisztor kimenete reagál a változásra. A tr idő a végső kapcsolási késleltetést 10% -ról 90% -ra jelzi.

A bJt által bekapcsolt BE állapotból kikapcsolt állapotba telt teljes időt t (ki) -ként jelölik, és a következő képlettel fejezik ki:

t (ki) = ts + tf

ts meghatározza a tárolási időt, míg a tf az esési időt az eredeti érték 90% -áról 10% -ra határozza meg.

Utalva a fenti grafikonra, általános célú BJT esetén, ha a kollektor áram Ic = 10 mA, láthatjuk, hogy:

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

ami t (be) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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