Расчет транзистора как переключателя

Хотя транзисторы (BJT) широко используются для создания схем усилителя, их также можно эффективно использовать для коммутации.

Транзисторный переключатель представляет собой схему, в которой коллектор транзистора включается / выключается с относительно большим током в ответ на соответствующий сигнал включения / выключения низкого тока на его базовом эмиттере.

Например, следующие Конфигурация BJT может использоваться как переключатель для инвертирования входного сигнала для логической схемы компьютера.

Здесь вы можете обнаружить, что выходное напряжение Vc противоположно потенциалу, приложенному к базе / эмиттеру транзистора.

Кроме того, база не связана с каким-либо фиксированным источником постоянного тока, в отличие от схем на основе усилителя. Коллектор имеет источник постоянного тока, который соответствует уровням питания системы, например, 5 В и 0 В в этом случае компьютерного приложения.

Мы поговорим о том, как эта инверсия напряжения может быть спроектирована для обеспечения правильного переключения рабочей точки с отключения на насыщение вдоль линии нагрузки, как показано на следующем рисунке:

Для настоящего сценария на приведенном выше рисунке мы предположили, что IC = ICEO = 0 мА, когда IB = 0 мкА (отличное приближение в отношении улучшения стратегии строительства). Кроме того, предположим, что VCE = VCE (sat) = 0 В вместо обычного уровня от 0,1 до 0,3 В.

Теперь при Vi = 5 В BJT включится, и при рассмотрении конструкции необходимо обеспечить высокую степень насыщения конфигурации на величину IB, которая может быть больше, чем значение, связанное с кривой IB, видимой вблизи уровня насыщения.

Как видно из приведенного выше рисунка, в этих условиях значение IB должно быть больше 50 мкА.

Расчет уровней насыщенности

Уровень насыщения коллектора для показанной схемы можно рассчитать по формуле:

IC (сб.) = Vcc / Rc

Величину базового тока в активной области непосредственно перед уровнем насыщения можно рассчитать по формуле:

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

Это означает, что для реализации уровня насыщения должно быть выполнено следующее условие:

IB> IC (насыщ.) / IC (насыщ.) / Βdc -------- Уравнение 2

На графике, рассмотренном выше, когда Vi = 5 В, результирующий уровень IB можно оценить следующим способом:

Если мы проверим уравнение 2 с этими результатами, мы получим:

Это, по-видимому, полностью удовлетворяет требуемому условию. Несомненно, любое значение IB, превышающее 60 мкА, будет допущено к проникновению через точку Q по линии нагрузки, расположенной очень близко к вертикальной оси.

Теперь, если обратиться к сети BJT, показанной на первой диаграмме, в то время как Vi = 0 В, IB = 0 мкА и предположить, что IC = ICEO = 0 мА, падение напряжения, происходящее на RC, будет по формуле:

VRC = ICRC = 0 V.

Это дает нам VC = +5 В для первой диаграммы выше.

В дополнение к приложениям переключения компьютерных логосов, эта конфигурация BJT также может быть реализована как коммутатор с использованием тех же крайних точек линии нагрузки.

Когда происходит насыщение, ток IC имеет тенденцию становиться довольно высоким, что, соответственно, снижает напряжение VCE до самой низкой точки.

Это приводит к возникновению уровня сопротивления на двух клеммах, как показано на следующем рисунке и рассчитывается по следующей формуле:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), как показано на следующем рисунке.

Если мы примем типичное среднее значение для VCE (sat), такое как 0,15 В в приведенной выше формуле, мы получим:

Это значение сопротивления на выводах коллектора-эмиттера выглядит довольно маленьким по сравнению с последовательным сопротивлением в килоомах на выводах коллектора BJT.

Теперь, когда вход Vi = 0 В, переключение BJT будет отключено, в результате чего сопротивление на коллекторе-эмиттере будет:

R (отсечка) = Vcc / ICEO = 5 В / 0 мА = ∞ Ом

Это приводит к возникновению разомкнутой цепи на выводах коллектора-эмиттера. Если мы рассмотрим типичное значение 10 мкА для ICEO, значение сопротивления отсечки будет таким, как указано ниже:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 В / 10 мкА = 500 кОм

Это значение выглядит значительно большим и эквивалентным разомкнутой цепи для большинства конфигураций BJT в качестве переключателя.

Решение практического примера

Рассчитайте значения RB и RC для транзисторного переключателя, сконфигурированного как инвертор ниже, учитывая, что ICmax = 10 мА.

Формула для выражения насыщения коллектора:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 мА = 10 В / Rc

∴ Rc = 10 В / 10 мА = 1 кОм

Также в точке насыщения

IB ≅ IC (насыщ.) / Βdc = 10 мА / 250 = 40 мкА

Для гарантированного насыщения выберем IB = 60 мкА и по формуле

IB = Vi - 0,7 В / РБ, получаем

RB = 10 В - 0,7 В / 60 мкА = 155 кОм,

Округляя полученный результат до 150 кОм и снова оценивая приведенную выше формулу, мы получаем:

IB = Vi - 0,7 В / RB

= 10 V - 0.7 V / 150 kΩ = 62 μA,

поскольку IB = 62 мкА > ICsat / βdc = 40 мкА

Это подтверждает, что мы должны использовать RB = 150 кОм.

Расчет коммутирующих транзисторов

Вы найдете специальные транзисторы, называемые переключающими транзисторами, из-за их высокой скорости переключения с одного уровня напряжения на другой.

На следующем рисунке сравниваются периоды времени, обозначенные как ts, td, tr и tf, с током коллектора устройства.

Влияние периодов времени на характеристику скорости коллектора определяется реакцией тока коллектора, как показано ниже:

Общее время, необходимое транзистору для переключения из состояния «выключено» в состояние «включено», обозначается как t (включен) и может быть определено по формуле:

t (вкл) = tr + td

Здесь td определяет задержку, возникающую при изменении состояния входного сигнала переключения, а транзисторный выход реагирует на изменение. Время tr указывает окончательную задержку переключения от 10% до 90%.

Общее время, затрачиваемое bJt из включенного состояния в выключенное, обозначается как t (выключено) и выражается формулой:

t (выкл) = ts + tf

ts определяет время хранения, а tf определяет время спада от 90% до 10% от исходного значения.

Обращаясь к приведенному выше графику, для BJT общего назначения, если ток коллектора Ic = 10 мА, мы можем видеть, что:

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

что означает t (on) = tr + td = 13 нс + 25 нс = 38 нс

t (выкл.) = ts + tf = 120 нс + 12 нс = 132 нс