Transistorin laskeminen kytkimeksi

Vaikka transistoreita (BJT) käytetään yleisesti vahvistinpiirien valmistamiseen, niitä voidaan käyttää tehokkaasti myös sovellusten kytkemiseen.

Transistorikytkin on piiri, jossa transistorin kollektori kytketään päälle / pois päältä suhteellisen suurella virralla vastauksena vastaavasti kytkeytyvään matalan virran ON / OFF-signaaliin sen emitterissä.

Esimerkiksi seuraava BJT-kokoonpanoa voidaan käyttää kytkimenä tulosignaalin invertoimiseksi tietokonelogiikkapiiriä varten.

Täältä löydät, että lähtöjännite Vc on päinvastainen potentiaalille, jota käytetään transistorin kanta / emitterissä.

Tukiasemaa ei myöskään ole kytketty mihinkään kiinteään DC-lähteeseen, toisin kuin vahvistinpohjaiset piirit. Kerääjällä on tasavirtalähde, joka vastaa järjestelmän syöttötasoja, esimerkiksi 5 V ja 0 V tässä tietokonesovelluksessa.

Puhumme siitä, miten tämä jännitteen inversio voitaisiin suunnitella varmistamaan, että toimintapiste siirtyy oikein katkaisusta kyllästykseen kuormituslinjaa pitkin seuraavan kuvan mukaisesti:

Esillä olevassa skenaariossa olemme olettaneet yllä olevassa kuvassa, että IC = ICEO = 0 mA, kun IB = 0 uA (suuri likiarvo rakentamisstrategioiden parantamisen suhteen). Oletetaan lisäksi, että VCE = VCE (sat) = 0 V tavallisen 0,1 - 0,3 V tason sijaan.

Nyt, kun Vi = 5 V, BJT kytkeytyy päälle, ja suunnittelun on varmistettava, että konfiguraatio on erittäin kyllästetty IB: n suuruudella, joka voi olla suurempi kuin IB-käyrään liittyvä arvo, joka nähdään lähellä kyllästystasoa.

Kuten yllä olevasta kuvasta voidaan ymmärtää, nämä olosuhteet edellyttävät IB: n olevan yli 50 uA.

Kyllästystasojen laskeminen

Esitetyn piirin kollektorikylläisyystaso voidaan laskea kaavalla:

IC (sat) = Vcc / Rc

Perusvirran suuruus aktiivisella alueella juuri ennen kyllästystasoa voidaan laskea kaavalla:

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

Tämä tarkoittaa, että kyllästystason saavuttamiseksi seuraavien ehtojen on täytyttävä:

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

Edellä esitetyssä kaaviossa, kun Vi = 5 V, tuloksena oleva IB-taso voidaan arvioida seuraavalla menetelmällä:

Jos testaamme yhtälön 2 näillä tuloksilla, saamme:

Tämä näyttää täyttävän täydellisesti vaaditun ehdon. Epäilemättä kaikki IB-arvot, jotka ovat yli 60 uA, päästetään Q-pisteen poikki kuormitusviivan yli, joka sijaitsee erittäin lähellä pystyakselia.

Nyt kun siirrytään ensimmäisessä kaaviossa esitettyyn BJT-verkkoon, kun taas Vi = 0 V, IB = 0 uA ja olettaen, että IC = ICEO = 0 mA, RC: n yli tapahtuva volatge-pudotus on kaavan mukainen:

VRC = ICRC = 0 V.

Tämä antaa meille VC = +5 V ensimmäiselle kaaviosta.

Tietokoneen logokytkentäsovellusten lisäksi tämä BJT-kokoonpano voidaan toteuttaa myös kytkimen tavoin, joka käyttää samoja kuormituslinjan ääripisteitä.

Kun saturaatio tapahtuu, nykyinen IC pyrkii nousemaan melko suureksi, mikä vastaavasti laskee jännitteen VCE alimpaan pisteeseen.

Tämä johtaa kahden liittimen vastustasoon, joka on esitetty seuraavassa kuvassa ja laskettu seuraavalla kaavalla:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) seuraavan kuvan mukaisesti.

Jos oletamme tyypillisen keskimääräisen arvon VCE: lle (sat), kuten 0,15 V, yllä olevassa kaavassa, saadaan:

Tämä vastusarvo kollektorilähetinliittimissä näyttää melko pieneltä verrattuna BJT: n kollektoriliittimien sarjavastukseen kilo-ohmina.

Nyt kun tulo Vi = 0 V, BJT-kytkentä katkaistaan, jolloin kollektorilähettimen vastus on:

R (raja-arvo) = Vcc / ICEO = 5 V / 0 mA = ∞ Ω

Tämä aiheuttaa avoimen piirin tyyppisen tilanteen kollektorilähetinliittimien yli. Jos tarkastellaan ICEO: n tyypillistä arvoa 10 uA, katkaisuvastuksen arvo on seuraava:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 V / 10 uA = 500 kΩ

Tämä arvo näyttää huomattavan suurelta ja vastaa avointa piiriä useimmille BJT-kokoonpanoille kytkiminä.

Käytännön esimerkin ratkaiseminen

Laske RB: n ja RC: n arvot transistorikytkimelle, joka on konfiguroitu kuten alla oleva invertteri, kun otetaan huomioon, että ICmax = 10mA

Kaava keräimen kylläisyyden ilmaisemiseksi on:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Myös kyllästyspisteessä

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

Valitse taatulle kylläisyydelle IB = 60 μA ja käyttämällä kaavaa

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

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Pyöristämällä yllä oleva tulos arvoon 150 kΩ ja arvioimalla yllä oleva kaava uudelleen saadaan:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Tämä vahvistaa, että meidän on käytettävä RB = 150 kΩ

Lasketaan kytkentätransistoreita

Löydät erityisiä transistoreita, joita kutsutaan kytkentätransistoreiksi, koska ne vaihtavat nopeasti jännitetasolta toiselle.

Seuraava kuva vertaa ts, td, tr ja tf symbolisoituja ajanjaksoja laitteen kollektorivirtaan.

Aikojen vaikutus kollektorin nopeusvasteeseen määritetään kollektorivirran vasteella alla esitetyllä tavalla:

Transistorin siirtymiseen “off” -tilasta “on” -tilaan tarvittava kokonaisaika on symbolina t (päällä) ja se voidaan määrittää kaavalla:

t (päällä) = tr + td

Tässä td identifioi viiveen, joka tapahtuu, kun tulokytkentäsignaali muuttaa tilaa ja transistorin ulostulo reagoi muutokseen. Aika tr osoittaa lopullisen kytkentäviiveen 10%: sta 90%: iin.

Kokonaisaika, jonka bJt vie käännetystä ON-tilasta OFF-tilaan, ilmoitetaan muodossa t (off) ja ilmaistaan ​​kaavalla:

t (pois päältä) = ts + tf

ts määrittää varastointiajan, kun taas tf tunnistaa pudotusajan 90%: sta 10%: iin alkuperäisestä arvosta.

Viitaten yllä olevaan kaavioon, yleiskäyttöön tarkoitetulle BJT: lle, jos kollektorivirta Ic = 10 mA, voimme nähdä, että:

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

mikä tarkoittaa t (päällä) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

t (pois päältä) = ts + tf = 120 ns + 12 ns = 132 ns