Càlcul del transistor com a commutador

Proveu El Nostre Instrument Per Eliminar Problemes





Tot i que els transistors (BJT) s’utilitzen popularment per fer circuits d’amplificació, també es poden utilitzar de manera eficaç per a aplicacions de commutació.

Un interruptor de transistor és un circuit en què el col·lector del transistor s’encén / apaga amb un corrent relativament més gran en resposta a un senyal d’encès / apagat de baix corrent de commutació corresponent al seu emissor base.



Com a exemple, el següent La configuració BJT es pot utilitzar com a commutador per invertir un senyal d'entrada per a un circuit lògic d'ordinador.

Aquí podeu trobar que la tensió de sortida Vc és oposada al potencial aplicat a la base / emissor del transistor.



A més, la base no està connectada a cap font fixa de CC, a diferència dels circuits basats en amplificadors. El col·lector té una font de corrent continu que correspon als nivells de subministrament del sistema, per exemple, 5 V i 0 V en aquest cas d'aplicació informàtica.

Parlarem de com es podria dissenyar aquesta inversió de tensió per garantir que el punt de funcionament canviï correctament de tall a saturació al llarg de la línia de càrrega, tal com es mostra a la figura següent:

Per a l’escenari actual, a la figura anterior hem assumit que IC = ICEO = 0 mA, quan IB = 0 uA (una gran aproximació pel que fa a la millora de les estratègies de construcció). A més, suposem que VCE = VCE (sat) = 0 V, en lloc del nivell habitual de 0,1 a 0,3 V.

Ara, a Vi = 5 V, el BJT s’encendrà i la consideració del disseny ha de garantir que la configuració estigui molt saturada, amb una magnitud d’IB que pugui ser superior al valor associat a la corba IB vista a prop del nivell de saturació.

Com es pot esbrinar a la figura anterior, això condiciona que IB sigui superior a 50 uA.

Càlcul dels nivells de saturació

El nivell de saturació del col·lector per al circuit mostrat es pot calcular mitjançant la fórmula:

IC (sat) = Vcc / Rc

La magnitud del corrent de base a la regió activa just abans del nivell de saturació es pot calcular mitjançant la fórmula:

IB (màxim) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Equació 1

Això implica que, per implementar el nivell de saturació, s'ha de complir la següent condició:

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

Al gràfic comentat anteriorment, quan Vi = 5 V, el nivell IB resultant es pot avaluar amb el mètode següent:

Si provem l’equació 2 amb aquests resultats obtindrem:

Sembla que compleix perfectament la condició requerida. Sens dubte, qualsevol valor de IB que sigui superior a 60 uA es permetrà entrar a través del punt Q sobre la línia de càrrega situada molt a prop de l'eix vertical.

Ara, referint-nos a la xarxa BJT que es mostra al primer diagrama, mentre que Vi = 0 V, IB = 0 uA i assumint IC = ICEO = 0 mA, la caiguda de volatge que es produeix a través de RC serà segons la fórmula:

VRC = CICR = 0 V.

Això ens dóna VC = +5 V per al primer diagrama anterior.

A més de les aplicacions de commutació de logoc de l’ordinador, aquesta configuració de BJT també es pot implementar com un commutador que utilitza els mateixos punts extrems de la línia de càrrega.

Quan es produeix la saturació, l’IC actual tendeix a ser força elevat, la qual cosa correspon a baixar el voltatge VCE al punt més baix.

Això dóna lloc a un nivell de resistència entre els dos terminals tal com es mostra a la figura següent i es calcula mitjançant la fórmula següent:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) tal com s’indica a la figura següent.

Si assumim un valor mitjà típic per al VCE (sat), com ara 0,15 V a la fórmula anterior, obtindrem:

Aquest valor de resistència a través dels terminals de l’emissor del col·lector sembla força petit en comparació amb una resistència de sèrie en quilos d’Ohms als terminals del col·lector del BJT.

Ara, quan l’entrada Vi = 0 V, la commutació BJT es tallarà provocant que la resistència de l’emissor del col·lector sigui:

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

Això dóna lloc a una situació de circuit obert a través dels terminals emissors de col·lectors. Si considerem un valor típic de 10 uA per a l’ICEO, el valor de la resistència de tall serà el següent:

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

Aquest valor sembla significativament gran i equival a un circuit obert per a la majoria de configuracions de BJT com a commutador.

Resoldre un exemple pràctic

Calculeu els valors de RB i RC per a un commutador de transistor configurat com un inversor a continuació, atès que ICmax = 10mA

La fórmula per expressar la saturació del col·lector és:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

A més, en el punt de saturació

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

Per a una saturació garantida, seleccioneu IB = 60 μA i utilitzant la fórmula

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

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Arrodonint el resultat anterior a 150 kΩ i avaluant de nou la fórmula anterior obtenim:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

ja que IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Això confirma que hem d'utilitzar RB = 150 kΩ

Càlcul de transistors de commutació

Trobareu transistors especials anomenats transistors de commutació a causa de la seva ràpida velocitat de canvi d’un nivell de voltatge a un altre.

La següent figura compara els períodes de temps simbolitzats com ts, td, tr i tf amb el corrent del col·lector del dispositiu.

L'efecte dels períodes de temps sobre la resposta de velocitat del col·lector es defineix per la resposta actual del col·lector, tal com es mostra a continuació:

El temps total necessari perquè el transistor canviï de l'estat 'apagat' a 'activat' es simbolitza com t (activat) i es pot establir mitjançant la fórmula:

t (activat) = tr + td

Aquí td identifica el retard que passa mentre el senyal de commutació d’entrada canvia d’estat i la sortida del transistor respon al canvi. El temps tr indica el retard de commutació final del 10% al 90%.

El temps total que pren un bJt d'un estat activat a un estat apagat s'indica com t (apagat) i s'expressa mitjançant la fórmula:

t (desactivat) = ts + tf

ts determina el temps d'emmagatzematge, mentre que tf identifica el temps de caiguda del 90% al 10% del valor original.

Consulteu el gràfic anterior, per a un propòsit general BJT, si el corrent del col·lector Ic = 10 mA, podem veure que:

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

que vol dir t (activat) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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




Anterior: Com fabricar PCB a casa Següent: Circuits de díodes de Zener, característiques, càlculs