Cálculo de transistor como comutador

Embora os transistores (BJTs) sejam popularmente usados ​​para fazer circuitos de amplificador, eles também podem ser usados ​​efetivamente para aplicações de comutação.

Um comutador de transistor é um circuito no qual o coletor de transistor é ligado / desligado com uma corrente relativamente mais alta em resposta a um sinal correspondente de baixa corrente de ligado / desligado em seu emissor base.

Como exemplo, a seguinte configuração BJT pode ser usada como um comutador para inverter um sinal de entrada para um circuito lógico do computador.

Aqui você pode descobrir que a tensão de saída Vc é oposta ao potencial aplicado na base / emissor do transistor.


Além disso, a base não está conectada a nenhuma fonte DC fixa, diferentemente dos circuitos baseados em amplificadores. O coletor possui uma fonte CC que corresponde aos níveis de fornecimento do sistema, por exemplo, 5 V e 0 V neste caso de aplicativo de computador.

Falaremos sobre como essa inversão de tensão pode ser projetada para garantir que o ponto de operação mude corretamente de corte para saturação ao longo da linha de carga, conforme mostrado na figura a seguir:

Para o cenário atual, na figura anterior, assumimos que IC = ICEO = 0 mA, quando IB = 0 uA (uma grande aproximação com relação à melhoria das estratégias de construção). Suponha também que VCE = VCE (sat) = 0 V, em vez do nível usual de 0,1 a 0,3 V.

Agora em Vi = 5 V, o BJT será LIGADO, e a consideração do projeto deve garantir que a configuração seja altamente saturada, por uma magnitude de IB que possa ser maior que o valor associado à curva de IB visto próximo ao nível de saturação .

Como pode ser entendido na figura anterior, essas condições exigem que o IB seja superior a 50 uA.

Cálculo dos níveis de saturação

O nível de saturação do coletor para o circuito mostrado pode ser calculado usando a fórmula:

IC (sentado) = Vcc / Rc


A magnitude da corrente base na região ativa imediatamente antes do nível de saturação pode ser calculada usando a fórmula:

IB (máx) ≅ IC (sat) / βdc ———- Equação 1

Isso implica que, para implementar o nível de saturação, a seguinte condição deve ser atendida:

IB> IC (sat) / IC (sat) / βdc ——– Equação 2

No gráfico discutido acima, quando Vi = 5 V, o nível de IB resultante pode ser avaliado com o seguinte método:

Se testarmos a equação 2 com esses resultados, obtemos:

Isso parece satisfazer perfeitamente a condição necessária. Sem dúvida, qualquer valor de IB superior a 60 uA pode entrar no ponto Q na linha de carga localizada muito perto do eixo vertical.

Agora, referindo-se à rede BJT mostrada no primeiro diagrama, enquanto Vi = 0 V, IB = 0 uA e assumindo IC = ICEO = 0 mA, a queda de volatilidade que ocorre no RC estará de acordo com a fórmula:

VRC = CICV = 0 V.

Isso nos dá VC = +5 V para o primeiro diagrama acima.


Além dos aplicativos de comutação de logoc do computador, essa configuração do BJT também pode ser implementada como um comutador que usa os mesmos pontos de extremidade da linha de carregamento.

Quando a saturação ocorre, o IC atual tende a ser bastante alto, o que reduz a tensão do VCE ao ponto mais baixo.

Isso resulta em um nível de resistência nos dois terminais, conforme mostrado na figura a seguir e é calculado usando a seguinte fórmula:

R (sentado) = VCE (sentado) / IC (sentado) conforme indicado na figura a seguir.

Se assumirmos um valor médio típico para o VCE (sat) como 0,15 V na fórmula acima, obtemos:

Esse valor de resistência nos terminais emissores coletores parece bem pequeno comparado a uma resistência em série em quiloohms nos terminais coletores do BJT.

Agora, quando a entrada Vi = 0 V, a chave BJT será cortada, causando a resistência no emissor coletor:

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

Isso resulta em um tipo de situação de circuito aberto nos terminais do coletor do emissor. Se considerarmos um valor típico de 10 uA para o ICEO, o valor da resistência ao cisalhamento será o seguinte:

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

Esse valor parece significativamente grande e equivalente a um circuito aberto para a maioria das configurações de BJT como um comutador.

Resolvendo um exemplo prático

Calcule os valores de RB e RC para um comutador de transistor configurado como um inversor abaixo, considerando que ICmáx = 10mA

A fórmula para expressar a saturação do coletor é:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Além disso, no ponto de saturação

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

Para uma saturação garantida, vamos selecionar IB = 60 μA e usando a fórmula

IB = Vi – 0,7 V / RB, obtemos

RB = 10 V – 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Arredondando o resultado anterior para 150 kΩ e avaliando a fórmula anterior novamente, obtemos:

IB = Vi – 0,7 V / RB

= 10 V – 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

de IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Isso confirma que temos que usar RB = 150 kΩ

Cálculo de transistores chaveados

Você encontrará transistores especiais chamados transistores de comutação devido à sua rápida velocidade de comutação de um nível de tensão para outro.

A figura a seguir compara os períodos de tempo simbolizados como ts, td, tr e tf com a corrente do coletor do dispositivo.

O efeito dos períodos na resposta da velocidade do coletor é definido pela resposta atual do coletor, como mostrado abaixo:

O tempo total necessário para que o transistor mude do estado “desligado” para o estado “ligado” é simbolizado como t (ligado) e pode ser definido usando a fórmula:

t (ativado) = tr + td

Aqui, td identifica o atraso que ocorre enquanto o sinal de comutação de entrada muda de estado e a saída do transistor responde à alteração. O tempo tr indica o atraso final de comutação de 10% a 90%.

O tempo total necessário para um bJt de um estado LIGADO para um estado DESLIGADO é indicado como t (desligado) e é expresso pela fórmula:

t (desligado) = ts + tf

ts determina o tempo de armazenamento, enquanto tf identifica o tempo de queda de 90% a 10% do valor original.

Referindo-se ao gráfico acima, para uma finalidade geral de BJT, se a corrente do coletor Ic = 10 mA, podemos ver que:

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

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

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



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

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