Výpočet tranzistoru jako spínače

Ačkoli se tranzistory (BJT) běžně používají k výrobě obvodů zesilovačů, lze je efektivně použít také pro spínací aplikace.

Tranzistorový spínač je obvod, ve kterém je kolektor tranzistoru zapnut / vypnut relativně větším proudem v reakci na odpovídající spínací signál ON / OFF nízkého proudu na jeho základním emitoru.

Jako příklad následující Konfiguraci BJT lze použít jako přepínač pro invertování vstupního signálu pro logický obvod počítače.

Zde zjistíte, že výstupní napětí Vc je opačné k potenciálu aplikovanému přes základnu / emitor tranzistoru.

Na rozdíl od obvodů založených na zesilovačích není základna připojena k žádnému pevnému stejnosměrnému zdroji. Kolektor má stejnosměrný zdroj, který odpovídá úrovním napájení systému, například 5 V a 0 V v tomto případě počítačové aplikace.

Budeme hovořit o tom, jak by mohla být navržena tato inverze napětí, aby bylo zajištěno, že se provozní bod správně přepne z cut-off na saturaci podél linie zatížení, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Pro tento scénář jsme na výše uvedeném obrázku předpokládali, že IC = ICEO = 0 mA, když IB = 0 uA (velké přiblížení s ohledem na posílení konstrukčních strategií). Dále předpokládejme, že VCE = VCE (sat) = 0 V, místo obvyklé úrovně 0,1 až 0,3 V.

Nyní při Vi = 5 V se BJT zapne a návrhové posouzení musí zajistit, aby konfigurace byla vysoce nasycená velikostí IB, která může být větší než hodnota spojená s křivkou IB při pohledu blízko úrovně nasycení.

Jak lze vidět na výše uvedeném obrázku, tato podmínka vyžaduje, aby IB byla větší než 50 uA.

Výpočet úrovní sytosti

Úroveň saturace kolektoru pro zobrazený obvod lze vypočítat pomocí vzorce:

IC (sat) = Vcc / Rc

Velikost základního proudu v aktivní oblasti těsně před úrovní nasycení lze vypočítat pomocí vzorce:

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

To znamená, že pro implementaci úrovně nasycení musí být splněna následující podmínka:

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

V grafu diskutovaném výše, když Vi = 5 V, lze výslednou hladinu IB vyhodnotit následující metodou:

Pokud testujeme rovnici 2 s těmito výsledky, dostaneme:

Zdá se, že to dokonale splňuje požadovanou podmínku. Není pochyb o tom, že jakékoli hodnotě IB, která je vyšší než 60 uA, bude umožněno vstoupit napříč Q-bodem přes linii zatížení umístěnou extrémně blízko k vertikální ose.

Nyní, když se podíváme na síť BJT zobrazenou v prvním diagramu, zatímco Vi = 0 V, IB = 0 uA a za předpokladu IC = ICEO = 0 mA, pokles volatility vyskytující se v RC bude podle vzorce:

VRC = ICRC = 0 V.

To nám dává VC = +5 V pro první výše uvedený diagram.

Kromě aplikací pro přepínání počítačového logu lze tuto konfiguraci BJT implementovat také jako přepínač využívající stejné krajní body linie zatížení.

Když dojde k nasycení, současný IC má tendenci se dostat docela vysoko, což odpovídá poklesu napětí VCE na nejnižší bod.

To vede k úrovni odporu mezi dvěma svorkami, jak je znázorněno na následujícím obrázku a vypočítáno pomocí následujícího vzorce:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), jak je uvedeno na následujícím obrázku.

Pokud ve výše uvedeném vzorci předpokládáme typickou průměrnou hodnotu pro VCE (sat), například 0,15 V, dostaneme:

Tato hodnota odporu na svorkách emitoru kolektoru vypadá poměrně malá ve srovnání se sériovým odporem v kiloohmech na svorkách kolektoru BJT.

Nyní, když je vstup Vi = 0 V, přepnutí BJT bude přerušeno, což způsobí, že odpor přes emitor kolektoru bude:

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

To vede k situaci typu otevřeného obvodu napříč vývody emitoru kolektoru. Pokud vezmeme v úvahu typickou hodnotu 10 uA pro ICEO, bude hodnota cut-off odporu uvedena níže:

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

Tato hodnota vypadá výrazně velká a odpovídá otevřenému obvodu pro většinu konfigurací BJT jako přepínač.

Řešení praktického příkladu

Vypočítejte hodnoty RB a RC pro tranzistorový spínač nakonfigurovaný jako invertor níže, vzhledem k tomu, že ICmax = 10 mA

Vzorec pro vyjádření saturace kolektoru je:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kOhm

Také v bodě nasycení

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

Pro zaručenou saturaci vybereme IB = 60 μA a pomocí vzorce

IB = Vi - 0,7 V / RB, rozumíme

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Zaokrouhlením výše uvedeného výsledku na 150 kΩ a opětovným hodnocením výše uvedeného vzorce dostaneme:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

To potvrzuje, že musíme použít RB = 150 kΩ

Výpočet spínacích tranzistorů

Najdete speciální tranzistory zvané spínací tranzistory kvůli jejich rychlé rychlosti přepínání z jedné úrovně napětí na druhou.

Následující obrázek porovnává časová období symbolizovaná jako ts, td, tr a tf s kolektorovým proudem zařízení.

Vliv časových období na odezvu rychlosti kolektoru je definován aktuální odezvou kolektoru, jak je uvedeno níže:

Celková doba potřebná k přepnutí tranzistoru ze stavu „vypnuto“ do stavu „zapnuto“ je symbolizována jako t (zapnuto) a lze ji určit vzorcem:

t (zapnuto) = tr + td

Zde td identifikuje zpoždění, ke kterému dochází při změně stavu spínacího signálu a tranzistorový výstup reaguje na změnu. Čas tr označuje konečné zpoždění spínání od 10% do 90%.

Celkový čas potřebný bJt ze zapnutého stavu do vypnutého stavu je označen jako t (vypnuto) a je vyjádřen vzorcem:

t (vypnuto) = ts + tf

ts určuje dobu skladování, zatímco tf identifikuje dobu poklesu z 90% na 10% původní hodnoty.

Odkaz na výše uvedený graf, pro obecný účel BJT, pokud kolektorový proud Ic = 10 mA, můžeme vidět, že:

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

což znamená t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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