Deși tranzistoarele (BJT) sunt utilizate în mod popular pentru realizarea de circuite amplificatoare, acestea pot fi utilizate în mod eficient și pentru aplicații de comutare.

Un comutator tranzistor este un circuit în care colectorul tranzistorului este pornit / oprit cu un curent relativ mai mare ca răspuns la un semnal de pornire / oprire de curent scăzut corespunzător la emițătorul său de bază.

Ca exemplu, următoarele Configurarea BJT poate fi utilizată ca switch pentru inversarea unui semnal de intrare pentru un circuit logic al computerului.

Aici puteți găsi că tensiunea de ieșire Vc este opusă potențialului aplicat pe baza / emițătorului tranzistorului.

De asemenea, baza nu este conectată cu nicio sursă DC fixă, spre deosebire de circuitele bazate pe amplificator. Colectorul are o sursă de curent continuu care corespunde nivelurilor de alimentare ale sistemului, de exemplu 5 V și 0 V în acest caz de aplicație computerizată.

Vom vorbi despre modul în care această inversare a tensiunii ar putea fi proiectată pentru a se asigura că punctul de operare trece corect de la întrerupere la saturație de-a lungul liniei de încărcare, așa cum se arată în figura următoare:

Pentru scenariul actual, în figura de mai sus am presupus că IC = ICEO = 0 mA, când IB = 0 uA (o mare aproximare în ceea ce privește îmbunătățirea strategiilor de construcție). În plus, să presupunem că VCE = VCE (sat) = 0 V, în loc de nivelul obișnuit de la 0,1 la 0,3 V.

Acum, la Vi = 5 V, BJT va porni, iar considerația de proiectare trebuie să se asigure că configurația este foarte saturată, cu o magnitudine de IB care poate fi mai mare decât valoarea asociată cu curba IB văzută aproape de nivelul de saturație.

După cum se poate demonstra în figura de mai sus, această condiție necesită ca IB să fie mai mare de 50 uA.

Calculul nivelurilor de saturație

Nivelul de saturație al colectorului pentru circuitul prezentat poate fi calculat folosind formula:

IC (sat) = Vcc / Rc

Mărimea curentului de bază în regiunea activă chiar înainte de nivelul de saturație poate fi calculată folosind formula:

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

Aceasta implică faptul că, pentru a implementa nivelul de saturație, trebuie îndeplinită următoarea condiție:

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

În graficul discutat mai sus, când Vi = 5 V, nivelul IB rezultat poate fi evaluat prin următoarea metodă:

Dacă testăm ecuația 2 cu aceste rezultate, obținem:

“tip de pompă de apă în industrie ”

Acest lucru pare să satisfacă perfect condiția necesară. Fără îndoială, orice valoare a IB care este mai mare de 60 uA va putea intra în punctul Q peste linia de sarcină situată extrem de aproape de axa verticală.

Acum, referindu-ne la rețeaua BJT prezentată în prima diagramă, în timp ce Vi = 0 V, IB = 0 uA și asumarea IC = ICEO = 0 mA, scăderea volumetrică care apare în RC va fi conform formulei:

VRC = ICRC = 0 V.

Acest lucru ne dă VC = +5 V pentru prima diagramă de mai sus.

Pe lângă aplicațiile de comutare a logocomputerului, această configurație BJT poate fi implementată și ca un comutator folosind aceleași puncte extreme ale liniei de încărcare.

Când are loc saturația, IC-ul curent tinde să devină destul de ridicat, ceea ce corespunde scăderii tensiunii VCE la cel mai mic punct.

Acest lucru dă naștere la un nivel de rezistență între cele două terminale, așa cum este descris în figura următoare și calculat folosind următoarea formulă:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) așa cum se indică în figura următoare.

Dacă presupunem o valoare medie tipică pentru VCE (sat), cum ar fi 0,15 V în formula de mai sus, obținem:

Această valoare a rezistenței la bornele emițătorului colector arată destul de mică în comparație cu o rezistență de serie în kilo Ohmi la bornele colectorului BJT.

Acum, când intrarea Vi = 0 V, comutarea BJT va fi întreruptă, ceea ce va face ca rezistența emițătorului colector să fie:

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

Acest lucru dă naștere unei situații de tip circuit deschis între bornele emițătorului colector. Dacă luăm în considerare o valoare tipică 10 uA pentru ICEO, valoarea rezistenței la întrerupere va fi cea dată mai jos:

“pentru a restabili precizia unui termometru bimetalic ”

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

Această valoare pare semnificativ mare și este echivalentă cu un circuit deschis pentru majoritatea configurației BJT ca switch.

Rezolvarea unui exemplu practic

Calculați valorile RB și RC pentru un comutator de tranzistor configurat ca un invertor de mai jos, dat fiind faptul că ICmax = 10mA

Formula pentru exprimarea saturației colectorului este:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

De asemenea, la punctul de saturație

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

Pentru o saturație garantată, să selectăm IB = 60 μA și folosind formula

IB = Vi - 0,7 V / RB, obținem

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Rotunjind rezultatul de mai sus la 150 kΩ și evaluând din nou formula de mai sus, obținem:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Acest lucru confirmă faptul că trebuie să folosim RB = 150 kΩ

Calculul tranzistoarelor de comutare

Veți găsi tranzistori speciali numiți tranzistori de comutare datorită ratei lor rapide de comutare de la un nivel de tensiune la altul.

Figura următoare compară perioadele de timp simbolizate ca ts, td, tr și tf cu curentul colector al dispozitivului.

Efectul perioadelor de timp asupra răspunsului la viteza colectorului este definit de răspunsul curent al colectorului, așa cum se arată mai jos:

Timpul total necesar pentru ca tranzistorul să treacă de la starea „oprit” la starea „pornit” este simbolizat ca t (pornit) și poate fi stabilit prin formula:

t (pornit) = tr + td

“circuitul convertorului de frecvență la tensiune utilizând amplificatorul op ”

Aici td identifică întârzierea care se întâmplă în timp ce semnalul de comutare de intrare se schimbă de stare și ieșirea tranzistorului răspunde la schimbare. Timpul tr indică întârzierea finală de comutare de la 10% la 90%.

Timpul total luat de un bJt dintr-o stare pornită în starea OPRIT este indicat ca t (oprit) și exprimat prin formula:

t (dezactivat) = ts + tf

ts determină timpul de stocare, în timp ce tf identifică timpul de cădere de la 90% la 10% din valoarea inițială.

Revenind la graficul de mai sus, pentru un scop general BJT, dacă curentul colector Ic = 10 mA, putem vedea că:

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

ceea ce înseamnă t (pornit) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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

Precedent: Cum să faci PCB acasă În continuare: Circuite cu diode Zener, caracteristici, calcule