Obliczanie tranzystora jako przełącznika

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Chociaż tranzystory (BJT) są powszechnie używane do wytwarzania obwodów wzmacniacza, można je również skutecznie wykorzystać do zastosowań przełączających.

Przełącznik tranzystorowy jest obwodem, w którym kolektor tranzystora jest włączany / wyłączany przy relatywnie większym prądzie w odpowiedzi na odpowiednio załączający sygnał włączania / wyłączania niskiego prądu na jego podstawowym emiterze.



Jako przykład poniżej Konfiguracja BJT może służyć jako przełącznik do odwracania sygnału wejściowego dla obwodu logicznego komputera.

Tutaj można znaleźć, że napięcie wyjściowe Vc jest przeciwne do potencjału przyłożonego do bazy / emitera tranzystora.



Ponadto baza nie jest podłączona do żadnego stałego źródła prądu stałego, w przeciwieństwie do obwodów opartych na wzmacniaczu. Kolektor ma źródło prądu stałego, które odpowiada poziomom zasilania systemu, na przykład 5 V i 0 V w przypadku tej aplikacji komputerowej.

Porozmawiamy o tym, jak można zaprojektować tę inwersję napięcia, aby zapewnić prawidłowe przełączanie punktu pracy od odcięcia do nasycenia wzdłuż linii obciążenia, jak pokazano na poniższym rysunku:

Dla obecnego scenariusza na powyższym rysunku założyliśmy, że IC = ICEO = 0 mA, gdy IB = 0 uA (duże przybliżenie w odniesieniu do ulepszania strategii konstrukcyjnych). Dodatkowo załóżmy, że VCE = VCE (sat) = 0 V, zamiast zwykłego poziomu od 0,1 do 0,3 V.

Teraz, przy Vi = 5 V, BJT włączy się, a rozważania projektowe muszą zapewnić, że konfiguracja jest silnie nasycona, o wielkość IB, która może być większa niż wartość związana z krzywą IB widoczną blisko poziomu nasycenia.

Jak widać na powyższym rysunku, warunek ten wymaga, aby IB był większy niż 50 uA.

Obliczanie poziomów nasycenia

Poziom nasycenia kolektora dla pokazanego obwodu można obliczyć ze wzoru:

IC (sat) = Vcc / Rc

Wielkość prądu bazowego w aktywnym regionie tuż przed poziomem nasycenia można obliczyć ze wzoru:

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

Oznacza to, że aby zaimplementować poziom nasycenia, musi być spełniony następujący warunek:

IB> IC (nas.) / IC (nas.) / Βdc -------- Równanie 2

Na powyższym wykresie, gdy Vi = 5 V, wynikowy poziom IB można oszacować następującą metodą:

Jeśli przetestujemy równanie 2 z tymi wynikami, otrzymamy:

Wydaje się, że całkowicie spełnia on wymagany warunek. Bez wątpienia każda wartość IB, która jest wyższa niż 60 uA, będzie mogła wejść w poprzek punktu Q ponad linią obciążenia położoną bardzo blisko osi pionowej.

Teraz, odnosząc się do sieci BJT pokazanej na pierwszym schemacie, przy Vi = 0 V, IB = 0 uA i zakładając IC = ICEO = 0 mA, spadek napięcia występujący na RC będzie zgodny ze wzorem:

VRC = ICRC = 0 V.

To daje nam VC = +5 V dla pierwszego diagramu powyżej.

Oprócz komputerowych aplikacji przełączających logoc ta konfiguracja BJT może być również zaimplementowana jako przełącznik wykorzystujący te same skrajne punkty linii obciążenia.

Kiedy ma miejsce nasycenie, prąd IC ma tendencję do osiągania dość wysokiego, co odpowiada spadkowi napięcia VCE do najniższego punktu.

Prowadzi to do powstania poziomu oporu na dwóch zaciskach, jak pokazano na poniższym rysunku i obliczonego przy użyciu następującego wzoru:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), jak pokazano na poniższym rysunku.

Jeśli przyjmiemy typową średnią wartość dla VCE (sat), taką jak 0,15 V w powyższym wzorze, otrzymamy:

Ta wartość rezystancji na zaciskach kolektora-emiter wygląda na dość małą w porównaniu z rezystancją szeregową w kiloomach na zaciskach kolektora BJT.

Teraz, gdy wejście Vi = 0 V, przełączenie BJT zostanie odcięte powodując, że rezystancja na emiterze kolektora będzie wynosić:

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

Powoduje to sytuację typu otwartego obwodu na zaciskach kolektora-emitera. Jeśli weźmiemy pod uwagę typową wartość 10 uA dla ICEO, wartość rezystancji odcięcia będzie taka, jak podano poniżej:

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

Ta wartość wygląda na znacznie dużą i jest odpowiednikiem otwartego obwodu dla większości konfiguracji BJT jako przełącznika.

Rozwiązanie praktycznego przykładu

Oblicz wartości RB i RC dla przełącznika tranzystorowego skonfigurowanego jak falownik poniżej, biorąc pod uwagę, że ICmax = 10mA

Wzór na wyrażenie nasycenia kolektora to:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Również w punkcie nasycenia

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

Dla gwarantowanego nasycenia wybierzmy IB = 60 μA i korzystając ze wzoru

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

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Zaokrąglając powyższy wynik do 150 kΩ i ponownie obliczając powyższy wzór otrzymujemy:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Potwierdza to, że musimy użyć RB = 150 kΩ

Obliczanie tranzystorów przełączających

Znajdziesz specjalne tranzystory zwane tranzystorami przełączającymi ze względu na ich dużą szybkość przełączania z jednego poziomu napięcia na inny.

Poniższy rysunek porównuje okresy czasu oznaczone jako ts, td, tr i tf z prądem kolektora urządzenia.

Wpływ okresów na reakcję prędkości kolektora jest określony przez reakcję prądu kolektora, jak pokazano poniżej:

Całkowity czas potrzebny na przejście tranzystora ze stanu „wyłączony” do stanu „włączony” jest oznaczony jako t (włączony) i można go określić wzorem:

t (on) = tr + td

Tutaj td identyfikuje opóźnienie występujące, gdy wejściowy sygnał przełączający zmienia stan, a wyjście tranzystorowe reaguje na zmianę. Czas tr wskazuje końcowe opóźnienie przełączania od 10% do 90%.

Całkowity czas potrzebny do przejścia bJt ze stanu włączenia do stanu wyłączenia jest oznaczony jako t (wyłączony) i wyrażony wzorem:

t (wył.) = ts + tf

ts określa czas przechowywania, podczas gdy tf określa czas spadku od 90% do 10% pierwotnej wartości.

Nawiązując do powyższego wykresu, dla BJT ogólnego przeznaczenia, jeśli prąd kolektora Ic = 10 mA, widzimy, że:

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

co oznacza t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

t (wył.) = ts + tf = 120 ns + 12 ns = 132 ns




Poprzedni: Jak zrobić PCB w domu Dalej: Obwody diody Zenera, charakterystyka, obliczenia