חישוב טרנזיסטור כמתג

למרות שטרנזיסטורים (BJT) משמשים פופולרית לייצור מעגלי מגבר, ניתן להשתמש בהם ביעילות גם למיתוג יישומים.

מתג טרנזיסטור הוא מעגל שבו אספן הטרנזיסטור מופעל / כבוי עם זרם גדול יחסית בתגובה לאות הפעלה / כיבוי זרם נמוך באופן מקביל בפולט הבסיס שלו.

כדוגמה, להלן תצורת BJT יכולה לשמש כמתג להיפוך אות קלט למעגל לוגי מחשב.

כאן תוכלו לגלות שמתח המוצא Vc מנוגד לפוטנציאל המופעל על בסיס הבסיס / הפולט של הטרנזיסטור.

כמו כן, הבסיס אינו מחובר לשום מקור DC קבוע, בניגוד למעגלים מבוססי מגבר. לקולט מקור DC המתאים לרמות האספקה ​​של המערכת, למשל 5 וולט ו -0 וולט במקרה יישום מחשב זה.

נדבר על האופן שבו ניתן לתכנן היפוך מתח זה כדי להבטיח שנקודת ההפעלה עוברת כראוי מניתוק לרוויה לאורך קו העומס, כפי שמוצג באיור הבא:

עבור התרחיש הנוכחי, באיור לעיל הנחנו כי IC = ICEO = 0 mA, כאשר IB = 0 uA (קירוב נהדר ביחס לשיפור אסטרטגיות הבנייה). בנוסף, נניח כי VCE = VCE (sat) = 0 V, במקום רמת 0.1 עד 0.3 V הרגילה.

כעת, ב- Vi = 5 V ה- BJT יופעל, ושיקול התכנון חייב להבטיח שהתצורה תהיה רוויה מאוד, בעוצמה של IB שעשוי להיות יותר מהערך המשויך לעקומת IB שנראה קרוב לרמת הרוויה.

כפי שניתן לומר באיור לעיל, תנאים אלה דורשים ש IB יהיה גדול מ- 50 uA.

חישוב רמות הרוויה

ניתן לחשב את רמת הרוויה של אספן במעגל המוצג באמצעות הנוסחה:

IC (sat) = Vcc / Rc

ניתן לחשב את גודל זרם הבסיס באזור הפעיל ממש לפני רמת הרוויה באמצעות הנוסחה:

IB (מקסימום) ≅ IC (sat) / βdc ---------- משוואה 1

זה מרמז שכדי ליישם את רמת הרוויה, יש לעמוד בתנאי הבא:

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

בגרף שנדון לעיל, כאשר Vi = 5 V, ניתן להעריך את רמת IB המתקבלת בשיטה הבאה:

אם נבדוק את המשוואה 2 עם תוצאות אלו נקבל:

נראה שזה מספק לחלוטין את התנאי הנדרש. אין ספק, כל ערך של IB שגבוה מ- 60 uA יורשה להיכנס על פני נקודת Q מעל קו העומס הממוקם קרוב מאוד לציר האנכי.

כעת, בהתייחס לרשת BJT המוצגת בתרשים הראשון, בעוד ש- Vi = 0 V, IB = 0 uA, ובהנחה ש- IC = ICEO = 0 mA, ירידת המתח המתרחשת על פני RC תהיה לפי הנוסחה:

VRC = ICRC = 0 V.

זה נותן לנו VC = +5 V לתרשים הראשון לעיל.

בנוסף ליישומי מיתוג לוגו ממוחשבים, ניתן ליישם תצורת BJT זו כמו מתג באמצעות אותן נקודות קיצון של קו העומס.

כאשר הרוויה מתרחשת, ה- IC הנוכחי נוטה להיות גבוה למדי, מה שמקפיץ את מתח ה- VCE לנקודה הנמוכה ביותר.

זה מוליד רמת התנגדות על פני שני המסופים כפי שמתואר באיור הבא ומחושב לפי הנוסחה הבאה:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) כפי שצוין באיור הבא.

אם אנו מניחים ערך ממוצע אופייני ל- VCE (sat) כגון 0.15 V בנוסחה שלעיל, נקבל:

ערך התנגדות זה על גבי מסופי פולט האספנים נראה קטן למדי בהשוואה להתנגדות סדרתית בקילו אוהם במסופי האספנים של ה- BJT.

כעת, כאשר הקלט Vi = 0 V, מיתוג ה- BJT ינותק ויגרום להתנגדות על פני פולט הקולט:

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

זה מוליד סוג של מעגל פתוח על פני מסופי פולט האספנים. אם ניקח בחשבון ערך טיפוסי 10 uA עבור ה- ICEO, ערך ההתנגדות המנותקת יהיה כמפורט להלן:

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

ערך זה נראה גדול משמעותית ושווה ערך למעגל פתוח עבור מרבית תצורת ה- BJT כמתג.

פתרון דוגמה מעשית

חשב את הערכים של RB ו- RC עבור מתג טרנזיסטור שהוגדר כמו מהפך למטה, בהתחשב בכך ICmax = 10mA

הנוסחה לביטוי רוויית אספן היא:

ICsat = Vcc / Rc

MA 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

כמו כן, בנקודת הרוויה

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

לקבלת רוויה מובטחת בחר ב IB = 60 μA, ובאמצעות הנוסחה

IB = Vi - 0.7 V / RB, אנחנו מקבלים

RB = 10 V - 0.7 V / 60 μA = 155 kΩ,

עיגול התוצאה הנ'ל ל -150 kΩ, והערכת הנוסחה שלעיל נקבל:

IB = Vi - 0.7 V / RB

= 10 V - 0.7 V / 150 kΩ = 62 μA,

מאז IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

זה מאשר כי עלינו להשתמש ב- RB = 150 kΩ

חישוב מעבר טרנזיסטורים

תוכלו למצוא טרנזיסטורים מיוחדים הנקראים מיתוג טרנזיסטורים בשל קצב המעבר המהיר שלהם מרמת מתח אחת לאחרת.

האיור הבא משווה את פרקי הזמן המסומלים כ ts, td, tr ו- tf עם זרם האספן של המכשיר.

ההשפעה של פרקי הזמן על תגובת מהירות האספן מוגדרת על ידי תגובת זרם האספן כפי שמוצג להלן:

הזמן הכולל הדרוש למעבר הטרנזיסטור ממצב 'כבוי' למצב 'פועל' מסומל כ t (פועל) וניתן לקבוע אותו באמצעות הנוסחה:

t (on) = tr + td

כאן td מזהה את העיכוב שקורה בזמן שאות מיתוג הקלט משתנה ומוצא הטרנזיסטור מגיב לשינוי. הזמן tr מציין את עיכוב המעבר הסופי מ -10% ל -90%.

הזמן הכולל שלוקח bJt ממצב מופעל למצב כבוי מסומן כ t (כבוי), ובא לידי ביטוי בנוסחה:

t (כבוי) = ts + tf

ts קובע את זמן האחסון, ואילו tf מזהה את זמן הנפילה בין 90% ל -10% מהערך המקורי.

הפנה לגרף הנ'ל, למטרה כללית BJT, אם זרם הקולט Ic = 10 mA, אנו יכולים לראות כי:

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

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

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