Calcolo del transistor come interruttore

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Sebbene i transistor (BJT) siano comunemente usati per realizzare circuiti amplificatori, questi possono essere utilizzati efficacemente anche per applicazioni di commutazione.

Un interruttore a transistor è un circuito in cui il collettore del transistor viene acceso / spento con una corrente relativamente maggiore in risposta a un corrispondente segnale ON / OFF a bassa corrente di commutazione alla sua base emettitore.



Ad esempio, il seguente La configurazione BJT può essere utilizzata come interruttore per invertire un segnale di ingresso per un circuito logico di computer.

Qui puoi scoprire che la tensione di uscita Vc è opposta al potenziale applicato alla base / emettitore del transistor.



Inoltre, la base non è collegata a nessuna sorgente CC fissa, a differenza dei circuiti basati su amplificatori. Il collettore ha una sorgente CC che corrisponde ai livelli di alimentazione del sistema, ad esempio 5 V e 0 V in questo caso di applicazione del computer.

Si parlerà di come questa inversione di tensione potrebbe essere progettata per garantire che il punto di lavoro passi correttamente da taglio a saturazione lungo la linea di carico come mostrato nella figura seguente:

Per lo scenario attuale, nella figura sopra abbiamo assunto che IC = ICEO = 0 mA, quando IB = 0 uA (una grande approssimazione per quanto riguarda il miglioramento delle strategie di costruzione). Inoltre, supponiamo che VCE = VCE (sat) = 0 V, invece del solito livello da 0,1 a 0,3 V.

Ora, a Vi = 5 V il BJT si accenderà, e la considerazione del progetto deve garantire che la configurazione sia altamente satura, di una grandezza di IB che può essere maggiore del valore associato alla curva IB vista vicino al livello di saturazione.

Come si può intuire nella figura sopra, questa condizione richiede che IB sia maggiore di 50 uA.

Calcolo dei livelli di saturazione

Il livello di saturazione del collettore per il circuito mostrato può essere calcolato utilizzando la formula:

IC (sat) = Vcc / Rc

L'entità della corrente di base nella regione attiva appena prima del livello di saturazione può essere calcolata utilizzando la formula:

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

Ciò implica che, per implementare il livello di saturazione, deve essere soddisfatta la seguente condizione:

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

Nel grafico discusso sopra, quando Vi = 5 V, il livello IB risultante può essere valutato nel seguente metodo:

Se testiamo l'equazione 2 con questi risultati otteniamo:

Ciò sembra soddisfare perfettamente la condizione richiesta. Senza dubbio, qualsiasi valore di IB superiore a 60 uA potrà entrare attraverso il punto Q sopra la linea di carico situata molto vicino all'asse verticale.

Ora, facendo riferimento alla rete BJT mostrata nel primo diagramma, mentre Vi = 0 V, IB = 0 uA, e supponendo IC = ICEO = 0 mA, la caduta di volatge che si verifica su RC sarà secondo la formula:

VRC = ICRC = 0 V.

Questo ci dà VC = +5 V per il primo diagramma sopra.

Oltre alle applicazioni di commutazione del logo del computer, questa configurazione BJT può essere implementata anche come un interruttore utilizzando gli stessi punti estremi della linea di carico.

Quando si verifica la saturazione, la corrente IC tende a diventare piuttosto alta, il che corrisponde a ridurre la tensione VCE al punto più basso.

Ciò dà origine a un livello di resistenza tra i due terminali come illustrato nella figura seguente e calcolato utilizzando la seguente formula:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) come indicato nella figura seguente.

Se assumiamo un valore medio tipico per VCE (sat) come 0,15 V nella formula sopra, otteniamo:

Questo valore di resistenza attraverso i terminali del collettore emettitore sembra piuttosto piccolo se confrontato con una resistenza in serie in kilo Ohm ai terminali del collettore del BJT.

Ora, quando l'ingresso Vi = 0 V, la commutazione BJT verrà interrotta facendo sì che la resistenza attraverso l'emettitore del collettore sia:

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

Ciò dà luogo a un tipo di situazione a circuito aperto tra i terminali di emettitore del collettore. Se consideriamo un valore tipico di 10 uA per l'ICEO, il valore della resistenza di taglio sarà il seguente:

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

Questo valore sembra significativamente grande e equivalente a un circuito aperto per la maggior parte delle configurazioni BJT come interruttore.

Risolvere un esempio pratico

Calcola di seguito i valori di RB e RC per un interruttore a transistor configurato come un inverter, dato che ICmax = 10mA

La formula per esprimere la saturazione del collettore è:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Inoltre, al punto di saturazione

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

Per una saturazione garantita selezioniamo IB = 60 μA e utilizzando la formula

IB = Vi - 0,7 V / RB, otteniamo

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Arrotondando il risultato sopra a 150 kΩ e valutando nuovamente la formula sopra otteniamo:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Questo conferma che dobbiamo usare RB = 150 kΩ

Calcolo dei transistor di commutazione

Troverai transistor speciali chiamati transistor di commutazione a causa della loro rapida velocità di commutazione da un livello di tensione a un altro.

La figura seguente confronta i periodi di tempo simbolizzati come ts, td, tr e tf con la corrente del collettore del dispositivo.

L'effetto dei periodi di tempo sulla risposta della velocità del collettore è definito dalla risposta della corrente del collettore come mostrato di seguito:

Il tempo totale necessario al transistor per passare dallo stato 'off' allo stato 'on' è simbolizzato come t (on) e può essere stabilito dalla formula:

t (acceso) = tr + td

Qui td identifica il ritardo che si verifica mentre il segnale di commutazione in ingresso cambia stato e l'uscita del transistor sta rispondendo al cambiamento. Il tempo tr indica il ritardo di commutazione finale dal 10% al 90%.

Il tempo totale impiegato da un bJt da uno stato di acceso a spento è indicato come t (spento), ed espresso dalla formula:

t (spento) = ts + tf

ts determina il tempo di conservazione, mentre tf identifica il tempo di caduta dal 90% al 10% del valore originale.

Facendo riferimento al grafico sopra, per un BJT generico, se la corrente del collettore Ic = 10 mA, possiamo vedere che:

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

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

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




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