Cálculo de transistor como interruptor

Cálculo de transistor como interruptor

Aunque los transistores (BJT) se usan popularmente para hacer circuitos amplificadores, también se pueden usar de manera efectiva para aplicaciones de conmutación.



Un interruptor de transistor es un circuito en el que el colector del transistor se enciende / apaga con una corriente relativamente mayor en respuesta a una señal de encendido / apagado de baja corriente de conmutación correspondiente en su emisor base.

Como ejemplo, el siguiente La configuración BJT se puede utilizar como conmutador para invertir una señal de entrada para un circuito lógico de computadora.





Aquí puede encontrar que el voltaje de salida Vc es opuesto al potencial aplicado a través de la base / emisor del transistor.

Además, la base no está conectada con ninguna fuente de CC fija, a diferencia de los circuitos basados ​​en amplificadores. El colector tiene una fuente de CC que corresponde a los niveles de suministro del sistema, por ejemplo, 5 V y 0 V en este caso de aplicación informática.



Hablaremos sobre cómo esta inversión de voltaje podría diseñarse para asegurar que el punto de operación cambie correctamente de corte a saturación a lo largo de la línea de carga como se muestra en la siguiente figura:

Para el escenario actual, en la figura anterior hemos asumido que IC = ICEO = 0 mA, cuando IB = 0 uA (una gran aproximación con respecto a mejorar las estrategias de construcción). Además, supongamos que VCE = VCE (sat) = 0 V, en lugar del nivel habitual de 0,1 a 0,3 V.

Ahora, a Vi = 5 V, el BJT se encenderá y la consideración del diseño debe garantizar que la configuración esté altamente saturada, en una magnitud de IB que puede ser mayor que el valor asociado con la curva IB vista cerca del nivel de saturación.

Como se puede deducir de la figura anterior, esta condición requiere que IB sea superior a 50 uA.

Cálculo de niveles de saturación

El nivel de saturación del colector para el circuito mostrado se puede calcular usando la fórmula:

IC (sat) = Vcc / Rc

La magnitud de la corriente de base en la región activa justo antes del nivel de saturación se puede calcular usando la fórmula:

IB (máx.) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Ecuación 1

Esto implica que, para implementar el nivel de saturación, se debe cumplir la siguiente condición:

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

En el gráfico discutido anteriormente, cuando Vi = 5 V, el nivel de IB resultante se puede evaluar con el siguiente método:

Si probamos la ecuación 2 con estos resultados obtenemos:

Esto parece satisfacer perfectamente la condición requerida. Sin duda, cualquier valor de IB que sea superior a 60 uA podrá entrar a través del punto Q sobre la línea de carga situada muy cerca del eje vertical.

Ahora, en referencia a la red BJT que se muestra en el primer diagrama, mientras Vi = 0 V, IB = 0 uA, y asumiendo IC = ICEO = 0 mA, la caída de volatilidad que ocurre en RC será según la fórmula:

VRC = CICR = 0 V.

Esto nos da VC = +5 V para el primer diagrama anterior.

Además de las aplicaciones de conmutación logoc de computadora, esta configuración BJT también se puede implementar como un interruptor usando los mismos puntos extremos de la línea de carga.

Cuando se produce la saturación, la corriente IC tiende a ser bastante alta, lo que hace que la tensión VCE descienda a un punto más bajo.

Esto da lugar a un nivel de resistencia en los dos terminales como se muestra en la siguiente figura y se calcula utilizando la siguiente fórmula:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) como se indica en la siguiente figura.

Si asumimos un valor promedio típico para el VCE (sat) como 0.15 V en la fórmula anterior, obtenemos:

Este valor de resistencia en los terminales del emisor del colector parece bastante pequeño en comparación con una resistencia en serie en kilo ohmios en los terminales del colector del BJT.

Ahora, cuando la entrada Vi = 0 V, la conmutación BJT se cortará, lo que hará que la resistencia a través del emisor del colector sea:

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

Esto da lugar a una situación de circuito abierto en los terminales del emisor del colector. Si consideramos un valor típico de 10 uA para el ICEO, el valor de la resistencia de corte será el siguiente:

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

Este valor parece significativamente grande y equivalente a un circuito abierto para la mayoría de las configuraciones de BJT como interruptor.

Resolver un ejemplo práctico

Calcule los valores de RB y RC para un interruptor de transistor configurado como un inversor a continuación, dado que ICmax = 10mA

La fórmula para expresar la saturación del colector es:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Además, en el punto de saturación

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

Para una saturación garantizada, seleccionemos IB = 60 μA, y usando la fórmula

IB = Vi - 0.7 V / RB, obtenemos

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

Redondeando el resultado anterior a 150 kΩ y evaluando la fórmula anterior nuevamente obtenemos:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Esto confirma que tenemos que usar RB = 150 kΩ

Cálculo de transistores de conmutación

Encontrará transistores especiales llamados transistores de conmutación debido a su rápida velocidad de conmutación de un nivel de voltaje a otro.

La siguiente figura compara los períodos de tiempo simbolizados como ts, td, tr y tf con la corriente del colector del dispositivo.

El efecto de los períodos de tiempo en la respuesta de velocidad del colector se define por la respuesta de corriente del colector como se muestra a continuación:

El tiempo total necesario para que el transistor cambie del estado 'apagado' al estado 'encendido' se simboliza como t (encendido) y se puede establecer mediante la fórmula:

t (encendido) = tr + td

Aquí td identifica el retardo que ocurre mientras la señal de conmutación de entrada cambia de estado y la salida del transistor responde al cambio. El tiempo tr indica el retardo de conmutación final del 10% al 90%.

El tiempo total que tarda un bJt desde un estado activado hasta un estado desactivado se indica como t (desactivado) y se expresa mediante la fórmula:

t (apagado) = ts + tf

ts determina el tiempo de almacenamiento, mientras que tf identifica el tiempo de caída del 90% al 10% del valor original.

Refiriéndose al gráfico anterior, para un BJT de propósito general, si la corriente del colector Ic = 10 mA, podemos ver que:

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

lo que significa t (encendido) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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




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