Calcul du transistor comme interrupteur

Bien que les transistors (BJT) soient couramment utilisés pour fabriquer des circuits amplificateurs, ils peuvent également être utilisés efficacement pour des applications de commutation.

Un interrupteur à transistor est un circuit dans lequel le collecteur du transistor est commuté ON / OFF avec un courant relativement plus grand en réponse à un signal ON / OFF à faible courant de commutation correspondante au niveau de son émetteur de base.

À titre d'exemple, ce qui suit La configuration BJT peut être utilisée comme commutateur pour inverser un signal d'entrée pour un circuit logique d'ordinateur.

Ici, vous pouvez constater que la tension de sortie Vc est opposée au potentiel appliqué aux bornes de la base / émetteur du transistor.

De plus, la base n'est connectée à aucune source CC fixe, contrairement aux circuits basés sur un amplificateur. Le collecteur a une source DC qui correspond aux niveaux d'alimentation du système, par exemple 5 V et 0 V dans ce cas d'application informatique.

Nous parlerons de la manière dont cette inversion de tension pourrait être conçue pour garantir que le point de fonctionnement passe correctement de la coupure à la saturation le long de la ligne de charge, comme illustré dans la figure suivante:

Pour le scénario actuel, dans la figure ci-dessus, nous avons supposé que IC = ICEO = 0 mA, lorsque IB = 0 uA (une grande approximation en ce qui concerne l'amélioration des stratégies de construction). Supposons également que VCE = VCE (sat) = 0 V, au lieu du niveau habituel de 0,1 à 0,3 V.

Maintenant, à Vi = 5 V, le BJT s'allumera, et la considération de conception doit garantir que la configuration est fortement saturée, d'une magnitude de IB qui peut être supérieure à la valeur associée à la courbe IB vue proche du niveau de saturation.

Comme on peut le voir sur la figure ci-dessus, ces conditions exigent que IB soit supérieur à 50 uA.

Calcul des niveaux de saturation

Le niveau de saturation du collecteur pour le circuit illustré peut être calculé à l'aide de la formule:

IC (sat) = Vcc / Rc

L'amplitude du courant de base dans la région active juste avant le niveau de saturation peut être calculée à l'aide de la formule:

IB (max) ≅ IC (sat) / βdc ---------- Équation 1

Cela implique que, pour implémenter le niveau de saturation, la condition suivante doit être remplie:

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

Dans le graphique discuté ci-dessus, lorsque Vi = 5 V, le niveau IB résultant peut être évalué selon la méthode suivante:

Si nous testons l'équation 2 avec ces résultats, nous obtenons:

Cela semble satisfaire parfaitement la condition requise. Il ne fait aucun doute que toute valeur de IB qui est supérieure à 60 uA sera autorisée à entrer à travers le point Q sur la ligne de charge située extrêmement près de l'axe vertical.

Maintenant, en se référant au réseau BJT montré dans le premier diagramme, tandis que Vi = 0 V, IB = 0 uA, et en supposant IC = ICEO = 0 mA, la chute de volatge se produisant à travers RC sera conforme à la formule:

VRC = CICR = 0 V.

Cela nous donne VC = +5 V pour le premier diagramme ci-dessus.

En plus des applications de commutation logoc informatique, cette configuration BJT peut également être implémentée comme un commutateur en utilisant les mêmes points extrêmes de la ligne de charge.

En cas de saturation, le courant IC a tendance à devenir assez élevé, ce qui fait chuter la tension VCE à un point le plus bas.

Cela donne lieu à un niveau de résistance aux deux bornes comme illustré dans la figure suivante et calculé à l'aide de la formule suivante:

R (sat) = VCE (sat) / IC (sat) comme indiqué dans la figure suivante.

Si nous supposons une valeur moyenne typique pour le VCE (sat) telle que 0,15 V dans la formule ci-dessus, nous obtenons:

Cette valeur de résistance aux bornes des émetteurs du collecteur semble assez petite par rapport à une résistance série en kilo Ohms aux bornes du collecteur du BJT.

Maintenant, lorsque l'entrée Vi = 0 V, la commutation BJT sera coupée, ce qui entraînera la résistance à travers l'émetteur du collecteur:

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

Cela donne lieu à une situation de type circuit ouvert entre les bornes de l'émetteur du collecteur. Si l'on considère une valeur typique de 10 uA pour l'ICEO, la valeur de la résistance de coupure sera comme donnée ci-dessous:

R coupure = Vcc / ICEO = 5 V / 10 uA = 500 k Ω

Cette valeur semble beaucoup plus grande et équivaut à un circuit ouvert pour la plupart des configurations BJT en tant que commutateur.

Résoudre un exemple pratique

Calculez les valeurs de RB et RC pour un commutateur à transistor configuré comme un onduleur ci-dessous, étant donné que ICmax = 10mA

La formule pour exprimer la saturation du collecteur est:

ICsat = Vcc / Rc

∴ 10 mA = 10 V / Rc

∴ Rc = 10 V / 10 mA = 1 kΩ

Aussi, au point de saturation

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

Pour une saturation garantie, sélectionnons IB = 60 μA, et en utilisant la formule

IB = Vi - 0,7 V / RB, on obtient

RB = 10 V - 0,7 V / 60 μA = 155 kΩ,

En arrondissant le résultat ci-dessus à 150 kΩ, et en évaluant à nouveau la formule ci-dessus, nous obtenons:

IB = Vi - 0,7 V / RB

= 10 V - 0,7 V / 150 kΩ = 62 μA,

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

Cela confirme que nous devons utiliser RB = 150 kΩ

Calcul des transistors de commutation

Vous trouverez des transistors spéciaux appelés transistors de commutation en raison de leur vitesse de commutation rapide d'un niveau de tension à un autre.

La figure suivante compare les périodes symbolisées par ts, td, tr et tf avec le courant du collecteur de l'appareil.

L'effet des périodes de temps sur la réponse en vitesse du collecteur est défini par la réponse du courant du collecteur comme indiqué ci-dessous:

Le temps total nécessaire au transistor pour passer de l'état «off» à «on» est symbolisé par t (on) et peut être établi par la formule:

t (on) = tr + td

Ici, td identifie le retard qui se produit pendant que le signal de commutation d'entrée change d'état et que la sortie du transistor répond au changement. Le temps tr indique le retard de commutation final de 10% à 90%.

Le temps total mis par un bJt d'un état activé à un état désactivé est indiqué par t (désactivé) et exprimé par la formule:

t (désactivé) = ts + tf

ts détermine le temps de stockage, tandis que tf identifie le temps de chute de 90% à 10% de la valeur d'origine.

En se référant au graphique ci-dessus, pour un BJT à usage général, si le courant du collecteur Ic = 10 mA, nous pouvons voir que:

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

ce qui signifie t (on) = tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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