Tính toán Transistor như một công tắc

Mặc dù bóng bán dẫn (BJT) được sử dụng phổ biến để chế tạo mạch khuếch đại, chúng cũng có thể được sử dụng hiệu quả cho các ứng dụng chuyển mạch.

Một công tắc bóng bán dẫn là một mạch trong đó bộ thu của bóng bán dẫn được chuyển sang BẬT / TẮT với dòng điện tương đối lớn hơn để đáp ứng với tín hiệu BẬT / TẮT dòng điện thấp chuyển đổi tương ứng tại bộ phát gốc của nó.

Ví dụ như sau Cấu hình BJT có thể được sử dụng như một công tắc để đảo ngược tín hiệu đầu vào cho mạch logic máy tính.

Ở đây bạn có thể thấy rằng điện áp đầu ra Vc đối nghịch với điện thế áp dụng trên đế / cực phát của bóng bán dẫn.

Ngoài ra, đế không được kết nối với bất kỳ nguồn DC cố định nào, không giống như các mạch dựa trên bộ khuếch đại. Bộ thu có nguồn một chiều tương ứng với các mức cung cấp của hệ thống, ví dụ 5 V và 0 V trong trường hợp ứng dụng máy tính này.

Chúng ta sẽ nói về cách nghịch đảo điện áp này có thể được thiết kế để đảm bảo rằng điểm hoạt động chuyển từ trạng thái cắt sang bão hòa một cách chính xác dọc theo đường tải như thể hiện trong hình sau:

Đối với kịch bản hiện tại, trong hình trên, chúng tôi đã giả định rằng IC = ICEO = 0 mA, khi IB = 0 uA (một giá trị gần đúng liên quan đến việc nâng cao chiến lược xây dựng). Ngoài ra, giả sử rằng VCE = VCE (sat) = 0 V, thay vì mức 0,1 đến 0,3 V thông thường.

Bây giờ, tại Vi = 5 V, BJT sẽ BẬT và việc xem xét thiết kế phải đảm bảo rằng cấu hình có độ bão hòa cao, bởi độ lớn của IB có thể lớn hơn giá trị liên quan đến đường cong IB gần với mức bão hòa.

Như có thể hiểu trong hình trên, điều kiện này yêu cầu IB phải lớn hơn 50 uA.

Tính toán mức độ bão hòa

Mức bão hòa bộ thu cho mạch được hiển thị có thể được tính bằng công thức:

IC (sat) = Vcc / Rc

Độ lớn của dòng điện cơ bản trong vùng hoạt động ngay trước mức bão hòa có thể được tính bằng công thức:

IB (tối đa) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Phương trình 1

Điều này ngụ ý rằng, để thực hiện mức bão hòa, điều kiện sau phải được đáp ứng:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc -------- Phương trình 2

Trong biểu đồ được thảo luận ở trên, khi Vi = 5 V, mức IB thu được có thể được đánh giá theo phương pháp sau:

Nếu chúng ta kiểm tra phương trình 2 với các kết quả này, chúng ta nhận được:

Điều này dường như hoàn toàn đáp ứng điều kiện yêu cầu. Không nghi ngờ gì nữa, bất kỳ giá trị nào của IB cao hơn 60 uA sẽ được phép nhập qua điểm Q trên đường tải nằm cực kỳ gần với trục tung.

Bây giờ, đưa vào mạng BJT được hiển thị trong sơ đồ đầu tiên, trong khi Vi = 0 V, IB = 0 uA và do IC = ICEO = 0 mA, sụt giảm điện áp xảy ra trên RC sẽ theo công thức:

VRC = ICRC = 0 V.

Điều này cho chúng ta VC = +5 V cho sơ đồ đầu tiên ở trên.

Ngoài các ứng dụng chuyển mạch logoc của máy tính, cấu hình BJT này cũng có thể được thực hiện giống như một bộ chuyển mạch sử dụng các điểm cực trị của đường tải.

Khi bão hòa xảy ra, IC hiện tại có xu hướng trở nên khá cao, tương ứng với việc giảm điện áp VCE xuống điểm thấp nhất.

Điều này làm tăng mức điện trở trên hai thiết bị đầu cuối như được mô tả trong hình sau và được tính bằng công thức sau:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) như được chỉ ra trong hình sau.

Nếu chúng ta giả sử một giá trị trung bình điển hình cho VCE (sat) chẳng hạn như 0,15 V trong công thức trên, chúng ta nhận được:

Giá trị điện trở này trên các cực phát cực thu trông khá nhỏ khi so sánh với điện trở nối tiếp tính bằng kilo Ohms tại các đầu cực thu của BJT.

Bây giờ, khi đầu vào Vi = 0 V, việc chuyển mạch BJT sẽ bị ngắt khiến điện trở trên bộ phát cực thu là:

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

Điều này làm phát sinh một loại tình huống hở mạch trên các đầu cuối của bộ phát thu. Nếu chúng ta xem xét giá trị 10 uA điển hình cho ICEO, giá trị của điện trở cắt sẽ như dưới đây:

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

Giá trị này trông lớn đáng kể và tương đương với một mạch hở đối với hầu hết các cấu hình BJT làm công tắc.

Giải một ví dụ thực tế

Tính các giá trị của RB và RC cho một công tắc bóng bán dẫn được cấu hình giống như một biến tần dưới đây, cho rằng ICmax = 10mA

Công thức thể hiện độ bão hòa của bộ thu là:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Ngoài ra, ở điểm bão hòa

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

Đối với độ bão hòa đảm bảo, hãy chọn IB = 60 μA và bằng cách sử dụng công thức

IB = Vi - 0,7 V / RB, chúng tôi nhận được

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Làm tròn kết quả trên thành 150 kΩ, và đánh giá lại công thức trên, chúng ta nhận được:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

vì IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Điều này xác nhận rằng chúng ta phải sử dụng RB = 150 kΩ

Tính toán chuyển mạch bóng bán dẫn

Bạn sẽ tìm thấy các bóng bán dẫn đặc biệt được gọi là bóng bán dẫn chuyển mạch do tốc độ chuyển đổi nhanh chóng từ mức điện áp này sang mức điện áp khác.

Hình sau so sánh các khoảng thời gian được ký hiệu là ts, td, tr, và tf với dòng thu của thiết bị.

Ảnh hưởng của các khoảng thời gian đến đáp ứng tốc độ của bộ thu được xác định bởi đáp ứng dòng điện của bộ thu như được hiển thị bên dưới:

Tổng thời gian cần thiết để bóng bán dẫn chuyển từ trạng thái “tắt” sang trạng thái “bật” được ký hiệu là t (bật) và có thể được thiết lập bằng công thức:

t (trên) = tr + td

Ở đây td xác định độ trễ xảy ra trong khi tín hiệu chuyển mạch đầu vào đang thay đổi trạng thái và đầu ra bóng bán dẫn đang đáp ứng với sự thay đổi. Thời gian tr cho biết độ trễ chuyển mạch cuối cùng từ 10% đến 90%.

Tổng thời gian thực hiện bởi một bJt từ trạng thái BẬT sang trạng thái TẮT được biểu thị là t (tắt) và được biểu thị bằng công thức:

t (tắt) = ts + tf

ts xác định thời gian lưu trữ, trong khi tf xác định thời gian rơi từ 90% đến 10% giá trị ban đầu.

Kết nối lại với đồ thị trên, đối với BJT mục đích chung, nếu dòng thu Ic = 10 mA, chúng ta có thể thấy rằng:

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

có nghĩa là t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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