Beregning av transistor som en bryter

Selv om transistorer (BJT) ofte brukes til å lage forsterkerkretser, kan disse også brukes effektivt til å bytte applikasjoner.

En transistorbryter er en krets der transistorens kollektor slås PÅ / AV med relativt større strøm som svar på et tilsvarende svitsjende lavstrøm PÅ / AV-signal ved basesenderen.

Som et eksempel, følgende BJT-konfigurasjon kan brukes som en bryter for å invertere et inngangssignal for en datalogikkrets.

Her kan du finne at utgangsspenningen Vc er motsatt potensialet som brukes over transistorens base / emitter.

Basen er heller ikke koblet til noen fast likestrømskilde, i motsetning til forsterkerbaserte kretser. Samleren har en likestrømskilde som tilsvarer forsyningsnivåene til systemet, for eksempel 5 V og 0 V i dette datasystemet.

Vi vil snakke om hvordan denne spenningsinversjonen kan utformes for å sikre at driftspunktet skifter riktig fra avskåret til metning langs lastelinjen som vist i følgende figur:

For det nåværende scenariet har vi i figuren ovenfor antatt at IC = ICEO = 0 mA, når IB = 0 uA (en flott tilnærming med hensyn til forbedring av byggestrategier). La oss i tillegg anta at VCE = VCE (sat) = 0 V, i stedet for det vanlige 0,1 til 0,3 V-nivået.

Nå, ved Vi = 5 V vil BJT slå seg PÅ, og designhensynet må sikre at konfigurasjonen er svært mettet, med en størrelse på IB som kan være mer enn verdien assosiert med IB-kurven sett nær metningsnivået.

Som det kan sees i figuren ovenfor, krever disse forholdene at IB er større enn 50 uA.

Beregning av metningsnivåer

Samlermetningsnivået for den viste kretsen kan beregnes ved hjelp av formelen:

IC (sat) = Vcc / Rc

Størrelsen på basestrømmen i den aktive regionen like før metningsnivået kan beregnes ved hjelp av formelen:

IB (maks) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Ligning 1

Dette innebærer at følgende vilkår må være oppfylt for å implementere metningsnivået:

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

I grafen som er diskutert ovenfor, når Vi = 5 V, kan det resulterende IB-nivået evalueres på følgende måte:

Hvis vi tester ligningen 2 med disse resultatene får vi:

Dette ser ut til å være perfekt tilfredsstillende den nødvendige tilstanden. Ingen tvil om at en hvilken som helst verdi av IB som er høyere enn 60 uA vil få lov til å komme inn over Q-punktet over lastelinjen som ligger ekstremt nær den vertikale aksen.

Når vi nå refererer til BJT-nettverket vist i det første diagrammet, mens Vi = 0 V, IB = 0 uA, og antar IC = ICEO = 0 mA, vil spenningsfallet som skjer over RC være i henhold til formelen:

VRC = ICRC = 0 V.

Dette gir oss VC = +5 V for det første diagrammet ovenfor.

I tillegg til datamaskinlogokoblingsapplikasjoner, kan denne BJT-konfigurasjonen også implementeres som en bryter ved hjelp av de samme ekstreme punktene på lastelinjen.

Når metning finner sted, har strømmen IC en tendens til å bli ganske høy, noe som tilsvarer spenningen VCE til et laveste punkt.

Dette gir opphav til et motstandsnivå over de to terminalene som vist i følgende figur og beregnet med følgende formel:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) som angitt i følgende figur.

Hvis vi antar en typisk gjennomsnittsverdi for VCE (sat) som 0,15 V i formelen ovenfor, får vi:

Denne motstandsverdien over kollektoremitterterminalene ser ganske liten ut sammenlignet med en seriemotstand i kilo ohm ved kollektorterminalene til BJT.

Nå, når inngangen Vi = 0 V, vil BJT-svitsjen bli kuttet og forårsake motstanden over kollektoremitteren:

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

Dette gir opphav til en åpen kretssituasjon over kollektoremitterterminalene. Hvis vi vurderer en typisk verdi 10 uA for ICEO, vil verdien av kuttmotstanden være som gitt nedenfor:

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

Denne verdien ser betydelig stor ut og tilsvarer en åpen krets for de fleste BJT-konfigurasjoner som en bryter.

Løse et praktisk eksempel

Beregn verdiene til RB og RC for en transistorbryter konfigurert som en inverter nedenfor, gitt at ICmax = 10mA

Formelen for å uttrykke samlermetning er:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Også på metningspunktet

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

For garantert metning, la oss velge IB = 60 μA, og ved å bruke formelen

IB = Vi - 0,7 V / RB, får vi

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Å avrunde resultatet ovenfor til 150 kΩ, og evaluere formelen ovenfor igjen får vi:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Dette bekrefter at vi må bruke RB = 150 kΩ

Beregne bytte av transistorer

Du vil finne spesielle transistorer som kalles byttetransistorer på grunn av deres hurtige byttehastighet fra ett spenningsnivå til et annet.

Følgende figur sammenligner tidsperioder symbolisert som ts, td, tr og tf med enhetens samlerstrøm.

Effekten av tidsperioder på kollektorhastighetsresponsen er definert av kollektorstrømresponsen som vist nedenfor:

Den totale tiden som trengs for at transistoren skal bytte fra 'av' til 'på' -tilstand, symboliseres som t (på) og kan fastsettes med formelen:

t (på) = tr + td

Her identifiserer td forsinkelsen som skjer mens inngangsvitslingssignalet endrer tilstand og transistorutgangen reagerer på endringen. Tiden tr indikerer den endelige forsinkelsesforsinkelsen fra 10% til 90%.

Den totale tiden det tar av en bJt fra en slått PÅ-tilstand til slått AV-tilstand er indikert som t (av), og uttrykt med formelen:

t (av) = ts + tf

ts bestemmer lagringstiden, mens tf identifiserer falltiden fra 90% til 10% av den opprinnelige verdien.

Henvis til grafen ovenfor, for et generelt formål BJT, hvis samlerstrømmen Ic = 10 mA, kan vi se at:

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

som betyr t (på) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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