Transistor als Schalter berechnen

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Obwohl Transistoren (BJTs) häufig zur Herstellung von Verstärkerschaltungen verwendet werden, können diese auch effektiv zum Schalten von Anwendungen verwendet werden.

Ein Transistorschalter ist eine Schaltung, in der der Kollektor des Transistors mit relativ größerem Strom als Reaktion auf ein entsprechend schaltendes Ein / Aus-Signal mit niedrigem Strom an seinem Basisemitter ein- und ausgeschaltet wird.



Als Beispiel das Folgende Die BJT-Konfiguration kann als Schalter verwendet werden zum Invertieren eines Eingangssignals für eine Computerlogikschaltung.

Hier können Sie feststellen, dass die Ausgangsspannung Vc dem an der Basis / dem Emitter des Transistors angelegten Potential entgegengesetzt ist.



Außerdem ist die Basis im Gegensatz zu Verstärkerschaltungen nicht mit einer festen Gleichstromquelle verbunden. Der Kollektor verfügt über eine Gleichstromquelle, die den Versorgungspegeln des Systems entspricht, beispielsweise 5 V und 0 V in diesem Computeranwendungsfall.

Wir werden darüber sprechen, wie diese Spannungsinversion entworfen werden könnte, um sicherzustellen, dass der Betriebspunkt entlang der Lastlinie korrekt von Abschaltung auf Sättigung umschaltet, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

Für das vorliegende Szenario haben wir in der obigen Abbildung angenommen, dass IC = ICEO = 0 mA ist, wenn IB = 0 uA (eine große Annäherung hinsichtlich der Verbesserung der Konstruktionsstrategien). Nehmen wir zusätzlich an, dass VCE = VCE (sat) = 0 V anstelle des üblichen Pegels von 0,1 bis 0,3 V.

Bei Vi = 5 V schaltet sich der BJT ein, und die Entwurfsüberlegung muss sicherstellen, dass die Konfiguration um eine Größe von IB hoch gesättigt ist, die größer sein kann als der Wert, der der IB-Kurve nahe dem Sättigungsgrad zugeordnet ist.

Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, erfordert diese Bedingung, dass IB größer als 50 uA ist.

Sättigungspegel berechnen

Der Kollektorsättigungsgrad für die gezeigte Schaltung kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden:

IC (sat) = Vcc / Rc

Die Größe des Basisstroms im aktiven Bereich unmittelbar vor dem Sättigungsgrad kann unter Verwendung der folgenden Formel berechnet werden:

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

Dies bedeutet, dass zur Implementierung des Sättigungsgrads die folgende Bedingung erfüllt sein muss:

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

In dem oben diskutierten Diagramm kann, wenn Vi = 5 V ist, der resultierende IB-Pegel mit der folgenden Methode bewertet werden:

Wenn wir die Gleichung 2 mit diesen Ergebnissen testen, erhalten wir:

Dies scheint die erforderliche Bedingung vollkommen zu erfüllen. Zweifellos kann jeder Wert von IB, der höher als 60 uA ist, über den Q-Punkt über die Lastlinie, die extrem nahe an der vertikalen Achse liegt, eintreten.

Unter Bezugnahme auf das im ersten Diagramm gezeigte BJT-Netzwerk, während Vi = 0 V, IB = 0 uA und unter der Annahme von IC = ICEO = 0 mA, wird der über RC auftretende Spannungsabfall wie folgt sein:

VRC = ICRC = 0 V.

Dies ergibt VC = +5 V für das erste Diagramm oben.

Zusätzlich zu Computer-Logoc-Switching-Anwendungen kann diese BJT-Konfiguration auch wie ein Switch implementiert werden, der dieselben Extrempunkte der Lastlinie verwendet.

Wenn eine Sättigung stattfindet, neigt der Strom-IC dazu, ziemlich hoch zu werden, wodurch die Spannung VCE entsprechend auf einen niedrigsten Punkt abfällt.

Dies führt zu einem Widerstandsniveau zwischen den beiden Anschlüssen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt und nach der folgenden Formel berechnet:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) wie in der folgenden Abbildung angegeben.

Wenn wir einen typischen Durchschnittswert für den VCE (sat) wie 0,15 V in der obigen Formel annehmen, erhalten wir:

Dieser Widerstandswert an den Kollektor-Emitter-Anschlüssen sieht im Vergleich zu einem Serienwiderstand in Kilo-Ohm an den Kollektoranschlüssen des BJT recht klein aus.

Wenn nun der Eingang Vi = 0 V ist, wird die BJT-Umschaltung unterbrochen, wodurch der Widerstand über dem Kollektoremitter beträgt:

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

Dies führt zu einer Situation mit offenem Stromkreis zwischen den Kollektor-Emitter-Anschlüssen. Wenn wir einen typischen Wert von 10 uA für den ICEO betrachten, ist der Wert des Abschaltwiderstands wie folgt:

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 V / 10 uA = 500 kΩ

Dieser Wert sieht sehr groß aus und entspricht einem offenen Stromkreis für die meisten BJT-Konfigurationen als Schalter.

Ein praktisches Beispiel lösen

Berechnen Sie die Werte von RB und RC für einen Transistorschalter, der wie ein Wechselrichter unten konfiguriert ist, vorausgesetzt, ICmax = 10 mA

Die Formel zum Ausdrücken der Kollektorsättigung lautet:

ICsat = Vcc / Rc

MA 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Auch am Sättigungspunkt

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

Für eine garantierte Sättigung wählen wir IB = 60 μA und verwenden die Formel

IB = Vi - 0,7 V / RB erhalten wir

RB = 10 V - 0,7 V / 60 uA = 155 kΩ,

Wenn wir das obige Ergebnis auf 150 kΩ abrunden und die obige Formel erneut auswerten, erhalten wir:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 uA,

da IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Dies bestätigt, dass RB = 150 kΩ verwendet werden muss

Berechnung von Schalttransistoren

Sie finden spezielle Transistoren, die als Schalttransistoren bezeichnet werden, da sie schnell von einem Spannungspegel zu einem anderen wechseln.

Die folgende Abbildung vergleicht die als ts, td, tr und tf symbolisierten Zeiträume mit dem Kollektorstrom des Geräts.

Die Auswirkung der Zeiträume auf die Kollektorgeschwindigkeitsantwort wird durch die Kollektorstromantwort wie folgt definiert:

Die Gesamtzeit, die der Transistor benötigt, um vom Zustand „Aus“ in den Zustand „Ein“ zu wechseln, wird als t (Ein) symbolisiert und kann durch die folgende Formel festgelegt werden:

t (ein) = tr + td

Hier identifiziert td die Verzögerung, die auftritt, während das Eingangsschaltsignal seinen Zustand ändert und der Transistorausgang auf die Änderung reagiert. Die Zeit tr gibt die endgültige Schaltverzögerung von 10% auf 90% an.

Die Gesamtzeit, die ein bJt von einem eingeschalteten Zustand in einen ausgeschalteten Zustand benötigt, wird als t (aus) angegeben und durch die Formel ausgedrückt:

t (aus) = ts + tf

ts bestimmt die Speicherzeit, während tf die Abfallzeit von 90% bis 10% des ursprünglichen Werts angibt.

Unter Bezugnahme auf das obige Diagramm können wir für einen allgemeinen BJT, wenn der Kollektorstrom Ic = 10 mA ist, Folgendes sehen:

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

was bedeutet, dass t (ein) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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




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