Transistörü Anahtar Olarak Hesaplama

Transistörler (BJT'ler) yaygın olarak amplifikatör devreleri yapmak için kullanılsa da, bunlar aynı zamanda anahtarlama uygulamaları için de etkili bir şekilde kullanılabilir.

Bir transistör anahtarı transistörün kollektörünün, baz vericisinde karşılık gelen anahtarlamalı bir düşük akım AÇIK / KAPALI sinyaline yanıt olarak nispeten daha büyük bir akımla AÇIK / KAPALI konuma getirildiği bir devredir.

Örnek olarak aşağıdaki BJT yapılandırması anahtar olarak kullanılabilir bir bilgisayar mantık devresi için bir giriş sinyalini ters çevirmek için.

Burada, Vc çıkış voltajının, transistörün tabanı / vericisi boyunca uygulanan potansiyele zıt olduğunu görebilirsiniz.

Ayrıca, amplifikatör tabanlı devrelerin aksine taban herhangi bir sabit DC kaynağına bağlı değildir. Kollektör, sistemin besleme seviyelerine karşılık gelen bir DC kaynağına sahiptir, örneğin bu bilgisayar uygulaması durumunda 5 V ve 0 V.

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, çalışma noktasının, yük hattı boyunca kesimden doygunluğa doğru bir şekilde geçmesini sağlamak için bu voltaj ters çevirmenin nasıl tasarlanabileceğinden bahsedeceğiz:

Mevcut senaryo için, yukarıdaki şekilde, IB = 0 uA olduğunda IC = ICEO = 0 mA olduğunu varsaydık (inşaat stratejilerinin geliştirilmesine ilişkin büyük bir yaklaşım). Ek olarak, normal 0.1 ila 0.3 V seviyesi yerine VCE = VCE (sat) = 0 V olduğunu varsayalım.

Şimdi, Vi = 5 V'ta BJT AÇIK konuma geçecek ve tasarım değerlendirmesi, doygunluk seviyesine yakın görülen IB eğrisi ile ilişkili değerden daha fazla olabilecek bir IB büyüklüğü kadar konfigürasyonun yüksek oranda doygun olmasını sağlamalıdır.

Yukarıdaki şekilde anlaşılabileceği gibi, bu koşullar IB'nin 50 uA'dan büyük olmasını gerektirir.

Doygunluk Seviyelerinin Hesaplanması

Gösterilen devre için kollektör doygunluk seviyesi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

IC (oturdu) = Vcc / Rc

Doygunluk seviyesinden hemen önce aktif bölgedeki baz akımın büyüklüğü aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

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

Bu, doygunluk seviyesini uygulamak için aşağıdaki koşulun karşılanması gerektiği anlamına gelir:

IB> IC (uydu) / IC (uydu) / βdc -------- Denklem 2

Yukarıda tartışılan grafikte, Vi = 5 V olduğunda, ortaya çıkan IB seviyesi aşağıdaki yöntemle değerlendirilebilir:

Denklem 2'yi bu sonuçlarla test edersek:

Bu, gerekli koşulu mükemmel şekilde tatmin ediyor gibi görünmektedir. Kuşkusuz, 60 uA'dan yüksek herhangi bir IB değerinin, dikey eksene son derece yakın konumlandırılmış yük hattı üzerinden Q noktasından geçmesine izin verilecektir.

Şimdi, ilk diyagramda gösterilen BJT ağına bakıldığında, Vi = 0 V, IB = 0 uA iken ve IC = ICEO = 0 mA iken, RC'de meydana gelen voltaj düşüşü aşağıdaki formüle göre olacaktır:

VRC = ICRC = 0 V.

Bu bize yukarıdaki ilk diyagram için VC = +5 V verir.

Bilgisayar logoc anahtarlama uygulamalarına ek olarak, bu BJT yapılandırması, yük hattının aynı uç noktalarını kullanan bir anahtar gibi de uygulanabilir.

Doygunluk gerçekleştiğinde, mevcut IC oldukça yüksek olma eğilimindedir, bu da karşılık gelen VCE voltajını en düşük noktaya düşürür.

Bu, aşağıdaki şekilde gösterildiği ve aşağıdaki formül kullanılarak hesaplandığı gibi iki terminal arasında bir direnç seviyesine yol açar:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi.

Yukarıdaki formülde 0.15 V gibi VCE (sat) için tipik bir ortalama değer varsayarsak, şunu elde ederiz:

Kollektör yayıcı terminallerindeki bu direnç değeri, BJT'nin kollektör terminallerindeki kilo Ohm cinsinden bir seri dirençle karşılaştırıldığında oldukça küçük görünür.

Şimdi, Vi = 0 V girişi olduğunda, BJT geçişi kesilecek ve kolektör emitöründeki direncin şöyle olmasına neden olacak:

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

Bu, kollektör yayıcı terminalleri boyunca açık devre türü bir duruma yol açar. ICEO için tipik bir 10 uA değerini düşünürsek, kesme direncinin değeri aşağıda verildiği gibi olacaktır:

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

Bu değer önemli ölçüde büyük görünüyor ve anahtar olarak çoğu BJT konfigürasyonu için açık devreye eşdeğer.

Pratik Bir Örnek Çözme

ICmax = 10mA olması koşuluyla, aşağıdaki bir invertör gibi yapılandırılmış bir transistör anahtarı için RB ve RC değerlerini hesaplayın.

Kolektör doygunluğunu ifade etmenin formülü şöyledir:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Ayrıca doygunluk noktasında

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

Garantili doygunluk için IB = 60 μA'yı seçelim ve formülü kullanarak

IB = Vi - 0.7 V / RB, alıyoruz

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Yukarıdaki sonucu 150 kΩ'a yuvarlayarak ve yukarıdaki formülü tekrar değerlendirerek şunu elde ederiz:

IB = Vi - 0.7 V / RB

= 10 V - 0.7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Bu RB = 150 kΩ kullanmamız gerektiğini doğrular.

Anahtarlamalı Transistörlerin Hesaplanması

Bir voltaj seviyesinden diğerine hızlı geçiş hızları nedeniyle anahtarlama transistörleri adı verilen özel transistörler bulacaksınız.

Aşağıdaki Şekil ts, td, tr ve tf olarak simgelenen zaman periyotlarını cihazın kollektör akımı ile karşılaştırmaktadır.

Zaman periyotlarının toplayıcı hız yanıtı üzerindeki etkisi, aşağıda gösterildiği gibi kollektör akım yanıtı tarafından tanımlanır:

Transistörün 'kapalı' durumdan 'açık' duruma geçmesi için gereken toplam süre t (açık) olarak sembolize edilir ve aşağıdaki formülle belirlenebilir:

t (açık) = tr + td

Burada td, giriş anahtarlama sinyali durum değiştirirken ve transistör çıkışı değişime yanıt verirken meydana gelen gecikmeyi tanımlar. Tr süresi,% 10 ile% 90 arasındaki nihai anahtarlama gecikmesini gösterir.

Bir bJt'nin AÇIK durumdan KAPALI duruma geçmesine kadar geçen toplam süre t (kapalı) olarak belirtilir ve aşağıdaki formülle ifade edilir:

t (kapalı) = ts + tf

ts saklama süresini belirlerken, tf düşme süresini orijinal değerin% 90 ile% 10'u arasında tanımlar.

Yukarıdaki grafiğe bakarsak, genel amaçlı bir BJT için, kollektör akımı Ic = 10 mA ise, şunu görebiliriz:

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

yani t (açık) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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