Beräkning av transistor som omkopplare

Även om transistorer (BJT) ofta används för att göra förstärkarkretsar, kan dessa också användas effektivt för att byta applikationer.

En transistoromkopplare är en krets i vilken transistorns kollektor slås PÅ / AV med relativt större ström som svar på en motsvarande omkoppling av lågström PÅ / AV-signal vid sin basemitter.

Som ett exempel, följande BJT-konfiguration kan användas som omkopplare för att invertera en ingångssignal för en dators logikkrets.

Här kan du upptäcka att utspänningen Vc är motsatt den potential som appliceras över transistorns bas / emitter.

Basen är inte heller ansluten till någon fast likströmskälla, till skillnad från förstärkarbaserade kretsar. Samlaren har en likströmskälla som motsvarar systemets matningsnivåer, till exempel 5 V och 0 V i detta datorprogramfall.

Vi kommer att prata om hur denna spänningsinversion kan utformas för att säkerställa att arbetspunkten växlar korrekt från avskuren till mättnad längs lastlinjen som visas i följande bild:

För det aktuella scenariot har vi i ovanstående figur antagit att IC = ICEO = 0 mA, när IB = 0 uA (en bra approximation när det gäller att förbättra byggnadsstrategier). Låt oss dessutom anta att VCE = VCE (sat) = 0 V, istället för den vanliga 0,1 till 0,3 V-nivån.

Nu, vid Vi = 5 V kommer BJT att slå PÅ, och designöverväganden måste säkerställa att konfigurationen är mycket mättad, med en styrka av IB som kan vara mer än det värde som är associerat med IB-kurvan sett nära mättnadsnivån.

Som framgår av figuren ovan kräver dessa villkor att IB är större än 50 uA.

Beräkning av mättnadsnivåer

Samlingsmättnadsnivån för den visade kretsen kan beräknas med formeln:

IC (sat) = Vcc / Rc

Storleken på basströmmen i det aktiva området strax före mättnadsnivån kan beräknas med formeln:

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

Detta innebär att följande villkor måste vara uppfyllda för att implementera mättnadsnivån:

IB> IC (sat) / IC (sat) / pdc -------- Ekvation 2

I diagrammet som diskuterats ovan, när Vi = 5 V, kan den resulterande IB-nivån utvärderas enligt följande metod:

Om vi ​​testar ekvationen 2 med dessa resultat får vi:

Detta verkar vara helt tillfredsställande det önskade villkoret. Utan tvekan kommer något värde av IB som är högre än 60 uA att tillåtas att komma in över Q-punkt över lastlinjen som ligger extremt nära den vertikala axeln.

Om vi ​​nu hänvisar till BJT-nätverket som visas i det första diagrammet, medan Vi = 0 V, IB = 0 uA, och antar att IC = ICEO = 0 mA, kommer spänningsfallet över RC att vara enligt formeln:

VRC = ICRC = 0 V.

Detta ger oss VC = +5 V för det första diagrammet ovan.

Förutom datalogokopplingsapplikationer kan denna BJT-konfiguration också implementeras som en switch med samma extrema punkter på lastlinjen.

När mättnad sker, tenderar strömmen IC att bli ganska hög, vilket motsvarar spänningen VCE till en lägsta punkt.

Detta ger upphov till en motståndsnivå över de två terminalerna som visas i följande figur och beräknas med hjälp av följande formel:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) som anges i följande figur.

Om vi ​​antar ett typiskt medelvärde för VCE (sat) som 0,15 V i ovanstående formel får vi:

Detta motståndsvärde över kollektoremitterterminalerna ser ganska litet ut jämfört med ett seriemotstånd i kilo ohm vid kollektorterminalerna i BJT.

Nu när ingången Vi = 0 V kommer BJT-omkopplingen att brytas och orsaka motståndet över kollektoremittern:

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

Detta ger upphov till en situation med öppen krets över kollektoremitterterminalerna. Om vi ​​betraktar ett typiskt värde 10 uA för ICEO kommer värdet på avskärningsmotståndet att vara som anges nedan:

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

Detta värde ser betydligt stort ut och motsvarar en öppen krets för de flesta BJT-konfigurationer som en switch.

Lösa ett praktiskt exempel

Beräkna värdena för RB och RC för en transistoromkopplare konfigurerad som en växelriktare nedan, med tanke på att ICmax = 10mA

Formeln för att uttrycka kollektormättnad är:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Också vid mättnadspunkten

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

För garanterad mättnad, välj IB = 60 μA, och använd formeln

IB = Vi - 0,7 V / RB, vi får

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Att avrunda ovanstående resultat till 150 kΩ och utvärdera ovanstående formel får vi igen:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Detta bekräftar att vi måste använda RB = 150 kΩ

Beräkning av växlingstransistorer

Du hittar speciella transistorer som kallas växlingstransistorer på grund av deras snabba växlingshastighet från en spänningsnivå till en annan.

Följande figur jämför tidsperioderna symboliserade som ts, td, tr och tf med enhetens kollektorström.

Effekten av tidsperioderna på kollektorhastighetsresponsen definieras av kollektorströmssvaret enligt nedan:

Den totala tid som behövs för att transistorn ska växla från 'av' till 'på' symboliseras som t (på) och kan fastställas med formeln:

t (på) = tr + td

Här identifierar td fördröjningen som inträffar medan ingångsväxlingssignalen ändrar tillstånd och transistorutgången svarar på förändringen. Tiden tr anger den slutliga omkopplingsfördröjningen från 10% till 90%.

Den totala tiden som en bJt tar från ett påslaget tillstånd till avstängt tillstånd indikeras som t (av) och uttrycks med formeln:

t (av) = ts + tf

ts bestämmer lagringstiden, medan tf identifierar falltiden från 90% till 10% av det ursprungliga värdet.

Med hänvisning till ovanstående diagram, för ett allmänt ändamål BJT, om kollektorströmmen Ic = 10 mA, kan vi se att:

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

vilket betyder t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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