Calculando o transistor como uma chave

Embora os transistores (BJTs) sejam usados ​​popularmente para fazer circuitos de amplificadores, eles também podem ser usados ​​com eficácia para aplicações de chaveamento.

Um interruptor de transistor é um circuito no qual o coletor do transistor é LIGADO / DESLIGADO com corrente relativamente maior em resposta a um sinal LIGADO / DESLIGADO de corrente baixa de comutação correspondente em seu emissor de base.

Por exemplo, o seguinte A configuração BJT pode ser usada como um switch para inverter um sinal de entrada para um circuito lógico de 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 CC fixa, ao contrário dos circuitos baseados em amplificadores. O coletor possui uma fonte DC que corresponde aos níveis de alimentação do sistema, por exemplo 5 V e 0 V neste caso de aplicação de computador.

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

Para o cenário atual, na figura acima assumimos que IC = ICEO = 0 mA, quando IB = 0 uA (uma grande aproximação no que diz respeito às estratégias de construção de reforço). Além disso, vamos supor 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 ligará, e a consideração do projeto deve garantir que a configuração seja altamente saturada, por uma magnitude de IB que pode ser maior do que o valor associado à curva IB vista próxima ao nível de saturação.

Como pode ser visto na figura acima, esta condição exige que o IB seja maior que 50 uA.

Calculando os níveis de saturação

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

IC (sat) = Vcc / Rc

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

IB (max) ≅ 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 IB resultante pode ser avaliado no seguinte método:

Se testarmos a equação 2 com estes resultados, obteremos:

Isso parece satisfazer perfeitamente a condição exigida. Sem dúvida, qualquer valor de IB maior que 60 uA será permitido entrar no ponto Q sobre a linha de carga situada extremamente próxima ao 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 ocorrendo em RC será conforme a fórmula:

VRC = CICV = 0 V.

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

Além dos aplicativos de comutação logoc do computador, esta configuração BJT também pode ser implementada como um switch usando os mesmos pontos extremos da linha de carga.

Quando ocorre a saturação, a corrente IC tende a ficar bastante alta, o que diminui a tensão VCE correspondente a um ponto mais baixo.

Isso dá origem a um nível de resistência entre os dois terminais, conforme ilustrado na figura a seguir e calculado usando a seguinte fórmula:

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

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

Este valor de resistência nos terminais do coletor-emissor parece bem pequeno quando comparado a uma resistência em série em quilo Ohms nos terminais do coletor do BJT.

Agora, quando a entrada Vi = 0 V, a comutação BJT será cortada, fazendo com que a resistência através do coletor coletor seja:

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

Isso dá origem a um tipo de situação de circuito aberto nos terminais do coletor emissor. Se considerarmos um valor típico de 10 uA para o ICEO, o valor da resistência de corte será o dado abaixo:

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

Este valor parece significativamente grande e equivalente a um circuito aberto para a maioria das configurações BJT como uma chave.

Resolvendo um Exemplo Prático

Calcule os valores de RB e RC para uma chave de transistor configurada como um inversor abaixo, dado que ICmax = 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 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 acima para 150 kΩ e avaliando a fórmula acima novamente, obtemos:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

uma vez que IB = 62 μA > ICsat / βdc = 40 μA

Isso confirma que temos que usar RB = 150 kΩ

Calculando Transistores de Comutação

Você encontrará transistores especiais chamados transistores de chaveamento, devido à sua rápida taxa de chaveamento 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 de tempo na resposta de velocidade do coletor é definido pela resposta da corrente do coletor conforme mostrado abaixo:

O tempo total necessário para o transistor passar do estado 'desligado' para o estado 'ligado' é simbolizado como t (ligado) e pode ser estabelecido pela fórmula:

t (ligado) = tr + td

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

O tempo total gasto por um bJt de um estado LIGADO para o estado DESLIGADO é indicado como t (desligado) e 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 um BJT de uso geral, 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