Изчисляване на транзистора като превключвател

Въпреки че транзисторите (BJT) са широко използвани за създаване на усилвателни вериги, те също могат ефективно да се използват за превключване на приложения.

Транзисторен превключвател е верига, в която колекторът на транзистора се включва / изключва с относително по-голям ток в отговор на съответно превключващ сигнал за включване / изключване на слаб ток в основния му излъчвател.

Като пример следващото Конфигурацията BJT може да се използва като превключвател за инвертиране на входен сигнал за компютърна логическа схема.

Тук можете да откриете, че изходното напрежение Vc е противоположно на потенциала, прилаган през основата / емитер на транзистора.

Също така, основата не е свързана с нито един постоянен източник на постоянен ток, за разлика от усилвателните схеми. Колекторът има източник на постоянен ток, който съответства на захранващите нива на системата, например 5 V и 0 V в този случай на компютърно приложение.

Ще говорим за това как тази инверсия на напрежението може да бъде проектирана, за да гарантира, че работната точка правилно превключва от отсечена към насищане по линията на товара, както е показано на следващата фигура:

За настоящия сценарий на горната фигура приехме, че IC = ICEO = 0 mA, когато IB = 0 uA (чудесно приближение по отношение на подобряване на строителните стратегии). Освен това нека приемем, че VCE = VCE (sat) = 0 V, вместо обичайното ниво от 0,1 до 0,3 V.

Сега, при Vi = 5 V, BJT ще се включи и разглеждането на проекта трябва да гарантира, че конфигурацията е силно наситена, с величина IB, която може да бъде повече от стойността, свързана с кривата IB, видяна близо до нивото на насищане.

Както може да се види на горната фигура, това условие изисква IB да бъде по-голяма от 50 uA.

Изчисляване на нивата на насищане

Нивото на насищане на колектора за показаната верига може да бъде изчислено по формулата:

IC (sat) = Vcc / Rc

Величината на базовия ток в активната област непосредствено преди нивото на насищане може да бъде изчислена по формулата:

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

Това означава, че за прилагане на нивото на насищане трябва да бъде изпълнено следното условие:

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

В дискутираната по-горе графика, когато Vi = 5 V, полученото ниво на IB може да бъде оценено по следния метод:

Ако тестваме уравнението 2 с тези резултати, ще получим:

Изглежда, че това напълно отговаря на необходимото условие. Без съмнение, всяка стойност на IB, която е по-висока от 60 uA, ще може да влезе през Q-точката над товарната линия, разположена изключително близо до вертикалната ос.

Сега, позовавайки се на BJT мрежата, показана на първата диаграма, докато Vi = 0 V, IB = 0 uA и приемайки IC = ICEO = 0 mA, спадът на воланта, възникващ в RC, ще бъде съгласно формулата:

VRC = ICRC = 0 V.

Това ни дава VC = +5 V за първата диаграма по-горе.

В допълнение към компютърните приложения за превключване на logoc, тази BJT конфигурация може да бъде изпълнена като превключвател, използвайки същите крайни точки на товарната линия.

Когато настъпи насищане, токът на ток има тенденция да стане доста висок, което съответно спада напрежението VCE до най-ниската точка.

Това води до ниво на съпротивление в двата терминала, както е показано на следващата фигура и изчислено по следната формула:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), както е показано на следващата фигура.

Ако приемем типична средна стойност за VCE (sat) като 0,15 V в горната формула, получаваме:

Тази стойност на съпротивлението в изводите на колекторния емитер изглежда доста малка в сравнение с последователно съпротивление в кило Ома на колекторните клеми на BJT.

Сега, когато входът Vi = 0 V, превключването на BJT ще бъде прекъснато, което води до съпротивлението в колекторния емитер:

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

Това поражда ситуация на отворена верига през клемите на колекторния емитер. Ако разгледаме типична стойност 10 uA за ICEO, стойността на съпротивлението на прекъсване ще бъде дадена по-долу:

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

Тази стойност изглежда значително голяма и еквивалентна на отворена верига за повечето конфигурации на BJT като превключвател.

Решаване на практически пример

Изчислете стойностите на RB и RC за транзисторен превключвател, конфигуриран като инвертор по-долу, като се има предвид, че ICmax = 10mA

Формулата за изразяване на насищане на колектора е:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Също така, в точката на насищане

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

За гарантирано насищане нека изберете IB = 60 μA и като използваме формулата

IB = Vi - 0,7 V / RB, получаваме

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Закръгляването на горния резултат до 150 kΩ и оценяването на горната формула отново получава:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

тъй като IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Това потвърждава, че трябва да използваме RB = 150 kΩ

Изчисляване на превключващите транзистори

Ще намерите специални транзистори, наречени превключващи транзистори поради бързата им скорост на превключване от едно ниво на напрежение на друго.

Следващата фигура сравнява периодите от време, символизирани като ts, td, tr и tf с колекторния ток на устройството.

Ефектът от периодите от време върху реакцията на скоростта на колектора се определя от реакцията на тока на колектора, както е показано по-долу:

Общото време, необходимо на транзистора да премине от състояние „изключено“ в състояние „включено“, е символизирано като t (включено) и може да бъде определено по формулата:

t (включено) = tr + td

Тук td идентифицира закъснението, което се случва, докато входният превключващ сигнал се променя и изходът на транзистора реагира на промяната. Времето tr показва крайното закъснение на превключване от 10% на 90%.

Общото време, взето от bJt от включено състояние до изключено състояние, се посочва като t (изключено) и се изразява по формулата:

t (изключено) = ts + tf

ts определя времето за съхранение, докато tf определя времето за падане от 90% до 10% от първоначалната стойност.

Позовавайки се на горната графика, за общо предназначение BJT, ако токът на колектора Ic = 10 mA, можем да видим, че:

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

което означава t (включено) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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