Výpočet tranzistora ako spínača

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Aj keď sa tranzistory (BJT) bežne používajú na výrobu obvodov zosilňovačov, dajú sa efektívne použiť aj na spínanie aplikácií.

Tranzistorový spínač je obvod, v ktorom je kolektor tranzistora zapnutý / vypnutý s relatívne väčším prúdom v reakcii na zodpovedajúcim spôsobom spínaný signál nízkeho prúdu ZAP / VYP na jeho základnom emitore.



Ako príklad uvádzame nasledujúce Konfiguráciu BJT možno použiť ako prepínač na invertovanie vstupného signálu pre logický obvod počítača.

Tu zistíte, že výstupné napätie Vc je opačné k potenciálu aplikovanému na bázu / emitor tranzistora.



Na rozdiel od obvodov založených na zosilňovačoch nie je základňa pripojená k pevnému zdroju jednosmerného prúdu. Kolektor má zdroj jednosmerného prúdu, ktorý zodpovedá úrovniam napájania systému, napríklad 5 V a 0 V v tomto prípade počítačovej aplikácie.

Budeme hovoriť o tom, ako by mohla byť navrhnutá táto inverzia napätia, aby sa zabezpečilo, že sa prevádzkový bod správne prepne z prerušenia na saturáciu pozdĺž línie zaťaženia, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:

Pre tento scenár sme na vyššie uvedenom obrázku predpokladali, že IC = ICEO = 0 mA, keď IB = 0 uA (veľké priblíženie s ohľadom na vylepšenie konštrukčných stratégií). Ďalej predpokladajme, že VCE = VCE (sat) = 0 V, namiesto obvyklej úrovne 0,1 až 0,3 V.

Teraz pri Vi = 5 V sa BJT zapne a musí sa brať do úvahy návrh, aby sa zabezpečilo, že konfigurácia je vysoko nasýtená veľkosťou IB, ktorá môže byť vyššia ako hodnota spojená s krivkou IB videnou blízko úrovne nasýtenia.

Ako je zrejmé z vyššie uvedeného obrázku, táto podmienka vyžaduje, aby IB bola vyššia ako 50 uA.

Výpočet úrovní nasýtenia

Úroveň saturácie kolektora pre zobrazený obvod je možné vypočítať pomocou vzorca:

IC (sat) = Vcc / Rc

Veľkosť základného prúdu v aktívnej oblasti tesne pred úrovňou nasýtenia sa dá vypočítať pomocou vzorca:

IB (max.) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Rovnica 1

To znamená, že na implementáciu úrovne nasýtenia musí byť splnená nasledujúca podmienka:

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

V grafe diskutovanom vyššie, keď Vi = 5 V, možno výslednú hladinu IB vyhodnotiť nasledujúcim spôsobom:

Ak otestujeme rovnicu 2 s týmito výsledkami, dostaneme:

Zdá sa, že to úplne uspokojuje požadovanú podmienku. Niet pochýb o tom, že akejkoľvek hodnote IB, ktorá je vyššia ako 60 uA, bude umožnené vstupovať cez bod Q cez čiaru zaťaženia situovanú mimoriadne blízko k vertikálnej osi.

Teraz, keď sa pozrieme na sieť BJT zobrazenú v prvom diagrame, zatiaľ čo Vi = 0 V, IB = 0 uA a za predpokladu IC = ICEO = 0 mA, pokles volatility vyskytujúci sa na RC bude podľa vzorca:

VRC = ICRC = 0 V.

To nám dáva VC = +5 V pre prvý diagram vyššie.

Okrem aplikácií na prepínanie počítačových logov možno túto konfiguráciu BJT implementovať aj ako prepínač, ktorý používa rovnaké krajné body záťažovej čiary.

Keď dôjde k nasýteniu, súčasný IC má tendenciu byť dosť vysoký, čo zodpovedá poklesu napätia VCE na najnižší bod.

To vedie k úrovni odporu na dvoch svorkách, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku a vypočítané podľa tohto vzorca:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat), ako je uvedené na nasledujúcom obrázku.

Ak vo vyššie uvedenom vzorci predpokladáme typickú priemernú hodnotu pre VCE (sat), napríklad 0,15 V, dostaneme:

Táto hodnota odporu na svorkách emitora kolektora vyzerá dosť malá v porovnaní so sériovým odporom v kiloohmoch na svorkách kolektora BJT.

Teraz, keď je vstup Vi = 0 V, prepínanie BJT sa preruší, čo spôsobí, že odpor cez emitor kolektora bude:

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

To vedie k situácii typu otvoreného obvodu cez svorky emitora kolektora. Ak vezmeme do úvahy typickú hodnotu 10 uA pre ICEO, hodnota odpojovacieho odporu bude uvedená nižšie:

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

Táto hodnota vyzerá výrazne veľká a zodpovedá otvorenému obvodu pre väčšinu konfigurácií BJT ako prepínač.

Riešenie praktického príkladu

Vypočítajte hodnoty RB a RC pre tranzistorový spínač nakonfigurovaný ako invertor nižšie, vzhľadom na to, že ICmax = 10mA

Vzorec na vyjadrenie saturácie kolektora je:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Tiež v bode nasýtenia

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

Pre zaručenú saturáciu vyberieme IB = 60 μA a použijeme vzorec

IB = Vi - 0,7 V / RB, máme

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Zaokrúhlením vyššie uvedeného výsledku na 150 kΩ a opätovným vyhodnotením vyššie uvedeného vzorca dostaneme:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

To potvrdzuje, že musíme použiť RB = 150 kΩ

Výpočet spínacích tranzistorov

Špeciálne tranzistory, ktoré sa nazývajú spínacie, nájdete kvôli ich rýchlej rýchlosti prepínania z jednej úrovne napätia na druhú.

Nasledujúci obrázok porovnáva časové obdobia symbolizované ako ts, td, tr a tf s kolektorovým prúdom zariadenia.

Účinok časových období na odozvu rýchlosti kolektora je definovaný prúdovou odozvou kolektora, ako je uvedené nižšie:

Celkový čas potrebný na prechod tranzistora zo stavu „vypnutý“ do stavu „zapnutý“ je symbolizovaný ako t (zapnutý) a dá sa určiť vzorcom:

t (zapnuté) = tr + td

Tu td identifikuje oneskorenie, ktoré sa deje, keď sa vstupný spínací signál mení stav a výstup tranzistora reaguje na zmenu. Čas tr označuje konečné oneskorenie spínania od 10% do 90%.

Celkový čas, ktorý bJt trvá od zapnutého stavu do vypnutého stavu, je označený ako t (vypnutý) a je vyjadrený vzorcom:

t (vypnuté) = ts + tf

ts určuje čas uloženia, zatiaľ čo tf identifikuje čas poklesu od 90% do 10% pôvodnej hodnoty.

Pokiaľ ide o uvedený graf, pre všeobecný účel BJT, ak kolektorový prúd Ic = 10 mA, môžeme vidieť, že:

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

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

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




Predchádzajúce: Ako si vyrobiť PCB doma Ďalej: Zenerove diódové obvody, charakteristiky, výpočty