Impulsschaltungen - Transistor als Schalter
EIN transistor wird als elektronischer Schalter verwendet, indem er entweder eingetrieben wird saturation oder in cut off. Der Bereich zwischen diesen beiden ist der lineare Bereich. Ein Transistor arbeitet in diesem Bereich als linearer Verstärker. Die Sättigung und Schnittoff Staaten sind in dieser Hinsicht eine wichtige Überlegung.
EIN & AUS-Zustände eines Transistors
Es gibt zwei Hauptbereiche im Betrieb eines Transistors, die wir als betrachten können ON und OFFZustände. Sie sind gesättigt und geschnittenoffZustände. Betrachten wir das Verhalten eines Transistors in diesen beiden Zuständen.
Betrieb im abgeschalteten Zustand
Die folgende Abbildung zeigt einen Transistor im Sperrbereich.
Wenn die Basis des Transistors negativ ist, geht der Transistor in den Abschaltzustand. Es gibt keinen Kollektorstrom. Daher ist I C = 0.
Die Spannung V CC an den Kollektor angelegt wird , erscheint über den Kollektorwiderstand R C . Deshalb,
V CE = V CC
Betrieb im Sättigungsbereich
Die folgende Abbildung zeigt einen Transistor im Sättigungsbereich.
Wenn die Basisspannung positiv ist und der Transistor in die Sättigung geht, I C fließt durch R C .
Dann fällt V CC über R C ab . Die Ausgabe wird Null sein.
$$ I_C = I_ {C (sat)} \: = \: \ frac {V_ {CC}} {R_C} \: und \: V_ {CE} = 0 $$
Eigentlich ist dies die ideale Bedingung. In der Praxis fließt ein gewisser Leckstrom. Daher können wir verstehen, dass ein Transistor als Schalter fungiert, wenn er in die Sättigung getrieben und Bereiche durch Anlegen positiver und negativer Spannungen an die Basis abgeschnitten wird.
Die folgende Abbildung gibt eine bessere Erklärung.
Beachten Sie die Gleichstromlastleitung, die I C und V CC verbindet . Wenn der Transistor in die Sättigung getrieben wird, fließt I C vollständig und V CE = 0, was durch den Punkt angezeigt wirdA.
Wenn der Transistor in die Abschaltung getrieben wird, ist I C Null und V CE = V CC, was durch den Punkt B angezeigt wird. Die Linie, die den Sättigungspunkt A und die Abschaltung B verbindet, wird als bezeichnetLoad line. Da die hier angelegte Spannung Gleichstrom ist, wird sie als bezeichnetDC Load line.
Praktische Überlegungen
Obwohl die oben genannten Bedingungen alle überzeugend sind, gibt es einige praktische Einschränkungen, damit solche Ergebnisse auftreten.
Während des Abschaltzustands
Ein idealer Transistor hat V CE = V CC und I C = 0.
In der Praxis fließt jedoch ein kleinerer Leckstrom durch den Kollektor.
Daher wird I C einige μA betragen.
Dies wird als bezeichnet Collector Leakage Current das ist natürlich vernachlässigbar.
Während des Sättigungszustands
Ein idealer Transistor hat V CE = 0 und I C = I C (sat) .
In der Praxis nimmt V CE jedoch auf einen Wert ab, der als bezeichnet wirdknee voltage.
Wenn V CE stärker als die Kniespannung abnimmt, nimmt β stark ab.
Da I C = βI B ist, verringert dies den Kollektorstrom.
Daher ist der maximale Strom I C, der V CE auf Kniespannung hält, bekannt alsSaturation Collector Current.
Sättigungskollektorstrom = $ I_ {C (sat)} \: = \: \ frac {V_ {CC} - V_ {Knie}} {R_C} $
Ein Transistor, der nur hergestellt wird, damit er zu Schaltzwecken funktioniert, wird als bezeichnet Switching Transistor. Dies funktioniert entweder in der Sättigung oder im Cut-Off-Bereich. Im Sättigungszustand wird diecollector saturation current fließt durch die Last und im abgeschalteten Zustand wird die collector leakage current fließt durch die Last.
Schaltwirkung eines Transistors
Ein Transistor hat drei Betriebsbereiche. Um die Effizienz des Betriebs zu verstehen, sind die praktischen Verluste zu berücksichtigen. Versuchen wir also, eine Vorstellung davon zu bekommen, wie effizient ein Transistor als Schalter arbeitet.
Während des Abschaltzustands (AUS)
Der Basisstrom I B = 0
Der Kollektorstrom I C = I CEO (Kollektorstrom)
Leistungsverlust = Ausgangsspannung × Ausgangsstrom
$$ = V_ {CC} \ times I_ {CEO} $$
Da ich CEO sehr klein und V CC auch niedrig ist, wird der Verlust von sehr geringem Wert sein. Daher arbeitet ein Transistor als effizienter Schalter im AUS-Zustand.
Während des Sättigungszustands (EIN)
Wie vorhin besprochen,
$$ I_ {C (sat)} = \ frac {V_ {CC} - V_ {Knie}} {R_C} $$
Die Ausgangsspannung beträgt Vknee.
Verlustleistung = Ausgangsspannung × Ausgangsstrom
$$ = \: V_ {Knie} \ mal I_ {c (sat)} $$
Da das V- Knie von geringem Wert ist, ist der Verlust gering. Daher arbeitet ein Transistor als effizienter Schalter im EIN-Zustand.
Während der aktiven Region
Der Transistor liegt zwischen EIN & AUS-Zuständen. Der Transistor arbeitet als linearer Verstärker, bei dem kleine Änderungen des Eingangsstroms große Änderungen des Ausgangsstroms (ΔI C ) verursachen.
Schaltzeiten
Der Schalttransistor hat einen Impuls als Eingang und ein Impuls mit wenigen Variationen wird der Ausgang sein. Es gibt einige Begriffe, die Sie bezüglich der Zeitabläufe des Schaltausgangsimpulses kennen sollten. Lass uns durch sie gehen.
Lassen Sie die Eingangsimpulsdauer = T
Wenn der Eingangsimpuls angelegt wird, benötigt der Kollektorstrom aufgrund der Streukapazitäten einige Zeit, um den stationären Wert zu erreichen. Die folgende Abbildung erläutert dieses Konzept.
Aus der obigen Abbildung
Time delay(td) - Die Zeit, die der Kollektorstrom benötigt, um von seinem Anfangswert bis zu 10% seines Endwerts zu gelangen, wird als bezeichnet Time Delay.
Rise time(tr) - Die Zeit, die der Kollektorstrom benötigt, um 10% seines Anfangswertes bis 90% seines Endwerts zu erreichen, wird als bezeichnet Rise Time.
Turn-on time (TON)- Die Summe aus Zeitverzögerung (t d ) und Anstiegszeit (t r ) heißtTurn-on time.
T ON = t d + t r
Storage time (ts) - Das Zeitintervall zwischen der Hinterflanke des Eingangsimpulses und 90% des Maximalwertes des Ausgangs wird als bezeichnet Storage time.
Fall time (tf) - Die Zeit, die der Kollektorstrom benötigt, um von 90% seines Maximalwerts auf 10% seines Anfangswertes zu gelangen, wird als bezeichnet Fall Time.
Turn-off time (TOFF)- Die Summe aus Speicherzeit (t s ) und Abfallzeit (t f ) ist definiert alsTurn-off time.
T OFF = t s + t f
Pulse Width(W) - Die Zeitdauer des Ausgangsimpulses, gemessen zwischen zwei 50% -Pegeln ansteigender und fallender Wellenform, ist definiert als Pulse Width.