スイッチとしてのトランジスタの計算

トランジスタ（BJT）はアンプ回路の製造に広く使用されていますが、スイッチングアプリケーションにも効果的に使用できます。

トランジスタスイッチ トランジスタのコレクタが、そのベースエミッタで対応するスイッチング低電流オン／オフ信号に応答して、比較的大きな電流でオン／オフに切り替えられる回路である。

例として、次の BJT構成はスイッチとして使用できます コンピュータ論理回路の入力信号を反転するため。

ここで、出力電圧Vcがトランジスタのベース/エミッタ間に印加される電位と反対であることがわかります。

また、アンプベースの回路とは異なり、ベースは固定DCソースに接続されていません。コレクターには、システムの電源レベルに対応するDCソースがあります。たとえば、このコンピューターアプリケーションの場合は5Vと0Vです。

次の図に示すように、動作点が負荷線に沿ってカットオフから飽和に正しく切り替わるように、この電圧反転をどのように設計できるかについて説明します。

現在のシナリオでは、上の図では、IB = 0 uAの場合にIC = ICEO = 0 mAと想定しています（建設戦略の強化に関する優れた近似値）。さらに、通常の0.1〜0.3 Vレベルではなく、VCE = VCE（sat）= 0Vであると仮定します。

ここで、Vi = 5 VでBJTがオンになり、設計上の考慮事項により、飽和レベルの近くで見られるIB曲線に関連する値よりも大きいIBの大きさで、構成が高度に飽和するようにする必要があります。

上の図からわかるように、この条件ではIBが50uAを超える必要があります。

飽和レベルの計算

示されている回路のコレクタ飽和レベルは、次の式を使用して計算できます。

IC（sat）= Vcc / Rc

飽和レベルの直前のアクティブ領域のベース電流の大きさは、次の式を使用して計算できます。

IB（max）≅IC（sat）/βdc----------式1

これは、飽和レベルを実装するには、次の条件を満たす必要があることを意味します。

IB> IC（sat）/ IC（sat）/βdc --------式2

上記のグラフでは、Vi = 5 Vの場合、結果のIBレベルは次の方法で評価できます。

これらの結果で方程式2をテストすると、次のようになります。

これは、必要な条件を完全に満たしているようです。間違いなく、60 uAを超えるIBの値は、垂直軸に非常に近い位置にある負荷線上のQポイントを越えて入ることができます。

ここで、最初の図に示されているBJTネットワークを参照すると、Vi = 0 V、IB = 0 uA、IC = ICEO = 0 mAと仮定すると、RC全体で発生する電圧降下は次の式のようになります。

VRC = ICRC = 0V。

これにより、上の最初の図でVC = + 5Vが得られます。

コンピュータロゴスイッチングアプリケーションに加えて、このBJT構成は、負荷線の同じ極値点を使用するスイッチのように実装することもできます。

飽和が発生すると、電流ICが非常に高くなる傾向があり、これに対応して電圧VCEが最低点に低下します。

これにより、次の図に示され、次の式を使用して計算されるように、2つの端子間に抵抗レベルが発生します。

次の図に示すように、R（sat）= VCE（sat）/ IC（sat）。

上記の式で0.15VなどのVCE（sat）の一般的な平均値を想定すると、次のようになります。

コレクタエミッタ端子間のこの抵抗値は、BJTのコレクタ端子でのキロオーム単位の直列抵抗と比較すると非常に小さく見えます。

ここで、入力Vi = 0 Vの場合、BJTスイッチングが遮断され、コレクタエミッタの両端の抵抗が次のようになります。

R（カットオフ）= Vcc / ICEO = 5 V / 0 mA =∞Ω

これにより、コレクタエミッタ端子間に開回路のような状況が発生します。 ICEOの標準値10uAを考慮すると、カットオフ抵抗の値は次のようになります。

Rcutoff = Vcc / ICEO = 5 V / 10 uA =500kΩ

この値は非常に大きく見え、スイッチとしてのほとんどのBJT構成の開回路と同等です。

実用例の解決

ICmax = 10mAの場合、以下のインバータのように構成されたトランジスタスイッチのRBとRCの値を計算します。

コレクターの飽和度を表す式は次のとおりです。

ICsat = Vcc / Rc

∴10mA= 10 V / Rc

∴Rc= 10 V / 10 mA =1kΩ

また、飽和点で

IB≅IC（sat）/βdc= 10 mA / 250 =40μA

飽和を保証するために、IB =60μAを選択し、次の式を使用します。

IB = Vi-0.7 V / RB、

RB = 10 V-0.7 V /60μA=155kΩ、

上記の結果を150kΩに四捨五入し、上記の式を再度評価すると、次のようになります。

IB = Vi-0.7 V / RB

= 10 V-0.7 V /150kΩ=62μA、

IB =62μAなので >> ICsat /βdc=40μA

これは、RB =150kΩを使用する必要があることを確認します

スイッチングトランジスタの計算

ある電圧レベルから別の電圧レベルへのスイッチング速度が速いため、スイッチングトランジスタと呼ばれる特別なトランジスタがあります。

次の図は、ts、td、tr、およびtfとして表される期間をデバイスのコレクタ電流と比較しています。

コレクタ速度応答に対する期間の影響は、以下に示すようにコレクタ電流応答によって定義されます。

トランジスタが「オフ」状態から「オン」状態に切り替わるのに必要な合計時間は、t（on）として表され、次の式で求めることができます。

t（on）= tr + td

ここで、tdは、入力スイッチング信号が状態を変化させ、トランジスタ出力が変化に応答している間に発生する遅延を識別します。時間trは、10％から90％までの最終的なスイッチング遅延を示します。

bJtがオン状態からオフ状態になるまでにかかる合計時間はt（off）として示され、次の式で表されます。

t（off）= ts + tf

tsは保存時間を決定し、tfは元の値の90％から10％までの立ち下がり時間を識別します。

上記のグラフを参照すると、汎用BJTの場合、コレクタ電流Ic = 10 mAの場合、次のことがわかります。

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

つまり、t（on）= tr + td = 13 ns + 25 ns = 38 ns

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