حساب الترانزستور كمفتاح

على الرغم من استخدام الترانزستورات (BJTs) بشكل شائع لصنع دوائر مكبر للصوت ، إلا أنه يمكن استخدامها أيضًا بشكل فعال لتبديل التطبيقات.

مفتاح الترانزستور عبارة عن دائرة يتم فيها تشغيل / إيقاف مجمّع الترانزستور بتيار أكبر نسبيًا استجابةً لإشارة تشغيل / إيقاف تيار منخفضة التبديل في باعثها الأساسي.

كمثال ، ما يلي يمكن استخدام تكوين BJT كمفتاح لعكس إشارة الإدخال لدائرة منطق الكمبيوتر.

هنا يمكنك أن تجد أن جهد الخرج Vc هو عكس الجهد المطبق عبر قاعدة / باعث الترانزستور.

أيضًا ، القاعدة غير متصلة بأي مصدر ثابت للتيار المستمر ، على عكس الدوائر القائمة على مكبر الصوت. يحتوي المجمع على مصدر تيار مستمر يتوافق مع مستويات إمداد النظام ، على سبيل المثال 5 فولت و 0 فولت في حالة تطبيق الكمبيوتر هذه.

سنتحدث عن كيفية تصميم انعكاس الجهد هذا لضمان أن نقطة التشغيل تتحول بشكل صحيح من القطع إلى التشبع على طول خط التحميل كما هو موضح في الشكل التالي:

بالنسبة للسيناريو الحالي ، في الشكل أعلاه ، افترضنا أن IC = ICEO = 0 مللي أمبير ، عندما يكون IB = 0 uA (تقريب كبير فيما يتعلق بتعزيز استراتيجيات البناء). بالإضافة إلى ذلك ، لنفترض أن VCE = VCE (سات) = 0 فولت ، بدلاً من المستوى المعتاد 0.1 إلى 0.3 فولت.

الآن ، عند Vi = 5 V ، سيتم تشغيل BJT ، ويجب أن يضمن اعتبار التصميم أن التكوين مشبع للغاية ، بمقدار IB الذي قد يكون أكثر من القيمة المرتبطة بمنحنى IB الذي يُرى بالقرب من مستوى التشبع.

كما يتضح من الشكل أعلاه ، تتطلب هذه الشروط أن يكون IB أكبر من 50 uA.

حساب مستويات التشبع

يمكن حساب مستوى تشبع المجمع للدائرة الموضحة باستخدام الصيغة:

IC (سات) = Vcc / Rc

يمكن حساب حجم التيار الأساسي في المنطقة النشطة قبل مستوى التشبع مباشرة باستخدام الصيغة:

IB (حد أقصى) ≅ IC (sat) / dc ---------- المعادلة 1

هذا يعني أنه ، لتنفيذ مستوى التشبع ، يجب استيفاء الشرط التالي:

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

في الرسم البياني الذي تمت مناقشته أعلاه ، عندما يكون Vi = 5 V ، يمكن تقييم مستوى IB الناتج بالطريقة التالية:

إذا اختبرنا المعادلة 2 بهذه النتائج نحصل على:

يبدو أن هذا يلبي تمامًا الشرط المطلوب. لا شك أن أي قيمة لـ IB أعلى من 60 uA سيسمح لها بالدخول عبر Q-point فوق خط التحميل الواقع بالقرب من المحور الرأسي.

الآن ، بالإشارة إلى شبكة BJT الموضحة في الرسم البياني الأول ، بينما Vi = 0 V ، IB = 0 uA ، وبافتراض أن IC = ICEO = 0 مللي أمبير ، فإن انخفاض volatge الذي يحدث عبر RC سيكون وفقًا للصيغة:

VRC = اللجنة الدولية للصليب الأحمر = 0 V.

هذا يعطينا VC = +5 V للمخطط الأول أعلاه.

بالإضافة إلى تطبيقات تبديل سجل الكمبيوتر ، يمكن أيضًا تنفيذ تكوين BJT هذا مثل المحول باستخدام نفس النقاط القصوى لخط التحميل.

عندما يحدث التشبع ، يميل IC الحالي إلى الارتفاع إلى حد ما ، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد VCE إلى أدنى نقطة.

يؤدي هذا إلى مستوى مقاومة عبر المحطتين كما هو موضح في الشكل التالي ويتم حسابه باستخدام الصيغة التالية:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) كما هو مبين في الشكل التالي.

إذا افترضنا متوسط ​​قيمة نموذجية لـ VCE (جلس) مثل 0.15 فولت في الصيغة أعلاه ، نحصل على:

تبدو قيمة المقاومة هذه عبر أطراف باعث المجمع صغيرة جدًا عند مقارنتها بمقاومة متسلسلة بالكيلو أوم عند أطراف التجميع في BJT.

الآن ، عندما يكون الإدخال Vi = 0 V ، سيتم قطع تبديل BJT مما يتسبب في أن تكون المقاومة عبر باعث المجمع:

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

هذا يؤدي إلى نوع من حالة الدائرة المفتوحة عبر محطات باعث المجمع. إذا أخذنا في الاعتبار قيمة نموذجية 10 uA لـ ICEO ، فستكون قيمة مقاومة القطع كما هو موضح أدناه:

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

تبدو هذه القيمة كبيرة بشكل ملحوظ وتعادل الدائرة المفتوحة لمعظم تكوين BJT كمفتاح.

حل مثال عملي

احسب قيم RB و RC لمحول ترانزستور تم تكوينه مثل العاكس أدناه ، بالنظر إلى أن ICmax = 10mA

الصيغة للتعبير عن تشبع المجمع هي:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 مللي أمبير = 10 فولت / آر سي

∴ Rc = 10 فولت / 10 مللي أمبير = 1 كيلو أوم

أيضا ، عند نقطة التشبع

IB ≅ IC (sat) / βdc = 10 مللي أمبير / 250 = 40 ميكرو أمبير

للحصول على تشبع مضمون ، دعنا نختار IB = 60 μA ، وباستخدام الصيغة

IB = Vi - 0.7 V / RB ، نحصل عليها

RB = 10 فولت - 0.7 فولت / 60 ميكرو أمبير = 155 كيلو أوم ،

تقريب النتيجة أعلاه إلى 150 كيلو أوم ، وتقييم الصيغة أعلاه مرة أخرى نحصل على:

IB = Vi - 0.7 V / RB

= 10 فولت - 0.7 فولت / 150 كيلو أوم = 62 ميكرو أمبير ،

منذ IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

هذا يؤكد أنه يتعين علينا استخدام RB = 150 كيلو أوم

حساب تحويل الترانزستورات

سوف تجد ترانزستورات خاصة تسمى تبديل الترانزستورات نظرًا لمعدل انتقالها السريع من مستوى جهد إلى آخر.

يقارن الشكل التالي الفترات الزمنية التي يتم ترميزها كـ ts و td و tr و tf مع تيار المجمع الخاص بالجهاز.

يتم تحديد تأثير الفترات الزمنية على استجابة سرعة المجمع من خلال استجابة المجمع الحالية كما هو موضح أدناه:

يُرمز إلى إجمالي الوقت اللازم للتبديل من حالة 'إيقاف التشغيل' إلى حالة 'التشغيل' للترانزستور بالرمز t (تشغيل) ويمكن تحديده بواسطة الصيغة:

ر (على) = tr + td

هنا يحدد td التأخير الذي يحدث أثناء تغيير إشارة تبديل الإدخال واستجابة خرج الترانزستور للتغيير. يشير الوقت tr إلى تأخير التبديل النهائي من 10٪ إلى 90٪.

يُشار إلى إجمالي الوقت الذي يستغرقه bJt من حالة التشغيل إلى حالة إيقاف التشغيل على أنه t (إيقاف التشغيل) ، ويتم التعبير عنه بواسطة الصيغة:

t (إيقاف) = ts + tf

تحدد ts وقت التخزين ، بينما تحدد tf وقت السقوط من 90٪ إلى 10٪ من القيمة الأصلية.

بالرجوع إلى الرسم البياني أعلاه ، لأغراض عامة BJT ، إذا كان المجمع الحالي Ic = 10 مللي أمبير ، يمكننا أن نرى ما يلي:

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

وهو ما يعني أن t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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