パルス回路-スイッチとしてのトランジスタ

トランジスタ*は、*飽和*または*カットオフ*で駆動することにより、電子スイッチとして使用されます。これら2つの間の領域は線形領域です。この領域では、トランジスタが線形増幅器として機能します。これに関しては、飽和状態とカットオフ状態が重要な考慮事項です。

トランジスタのオンおよびオフ状態

トランジスタの動作には、 ON および OFF 状態と見なすことができる2つの主要な領域があります。それらは飽和状態であり、カットオフ状態です。これら2つの状態でのトランジスタの動作を見てみましょう。

カットオフ状態での動作

次の図は、カットオフ領域のトランジスタを示しています。

トランジスタ遮断

トランジスタのベースが負になると、トランジスタはカットオフ状態になります。コレクタ電流はありません。したがって、I〜C〜= 0。

コレクタに印加される電圧V〜CC〜は、コレクタ抵抗R〜C〜に現れます。したがって、

V〜CE〜= V〜CC〜

飽和領域での操作

次の図は、飽和領域にあるトランジスタを示しています。

飽和領域

ベース電圧が正で、トランジスタが飽和状態になると、I〜C〜はR〜C〜を流れます。

次に、V〜CC〜がR〜C〜全体にドロップします。出力はゼロになります。

I_C = I _ \ {C（sat）} \：= \：\ frac \ {V _ \ {CC}} \ {R_C} \：および\：V _ \ {CE} = 0

実際、これは理想的な状態です。実際には、いくらかの漏れ電流が流れます。したがって、ベースに正および負の電圧を印加することで、トランジスタが飽和状態になり、領域を遮断するときに、トランジスタがスイッチとして機能することを理解できます。

次の図に、より適切な説明を示します。

ロードライン

I〜C〜とV〜CC〜を接続するDC負荷線を観察します。トランジスタが飽和状態になると、I〜C〜が完全に流れ、V * CE〜= 0がポイント A で示されます。

トランジスタが遮断されると、I〜C〜はゼロになり、V〜CE〜= V〜CC〜になります。これはポイントBで示されます。飽和点AとカットオフBを結ぶ線は、 Load line と呼ばれます。ここで印加される電圧はdcなので、 DC Load line と呼ばれます。

実用的な考慮事項

上記の条件はすべて説得力がありますが、そのような結果が生じるにはいくつかの実際的な制限があります。

カットオフ状態中

理想的なトランジスタは、V〜CE〜= V〜CC〜およびI〜C〜= 0です。

しかし実際には、コレクタに流れるリーク電流は小さくなります。

したがって、I〜C〜は数μAになります。

これは*コレクター漏れ電流*と呼ばれ、もちろん無視できます。

飽和状態のとき

理想的なトランジスタは、V〜CE〜= 0およびI〜C〜= I〜C（sat）〜です。

しかし実際には、V〜CE〜は*ニー電圧*と呼ばれる値まで減少します。

V〜CE〜がニー電圧よりも減少すると、βは急激に減少します。

I〜C〜=βI〜B〜であるため、これによりコレクタ電流が減少します。

したがって、ニー電圧でV〜CE〜を維持する最大電流I〜C〜は、*飽和コレクタ電流*として知られています。

飽和コレクタ電流= $ I _ \ {C（sat）} \：= \：\ frac \ {V _ \ {CC}-V _ \ {knee}} \ {R_C} $

スイッチング目的でのみ動作するように製造されたトランジスタは、*スイッチングトランジスタ*と呼ばれます。これは、彩度またはカットオフ領域で機能します。飽和状態では、*コレクタ飽和電流*が負荷を流れ、遮断状態では、*コレクタ漏れ電流*が負荷を流れます。

トランジスタのスイッチング動作

トランジスタには3つの動作領域があります。操作の効率を理解するには、実際的な損失を考慮する必要があります。それでは、トランジスタがスイッチとしてどの程度効率的に機能するかについて考えてみましょう。

カットオフ（OFF）状態中

ベース電流I〜B〜= 0

コレクタ電流I〜C〜= I〜CEO〜（コレクタ漏れ電流）

電力損失=出力電圧×出力電流

= V _ \ {CC} \ times I _ \ {CEO}

I〜CEO〜は非常に小さく、V〜CC〜も低いため、損失は非常に低い値になります。したがって、トランジスタはオフ状態で効率的なスイッチとして機能します。

飽和（ON）状態中

前述のように、

I _ \ {C（sat）} = \ frac \ {V _ \ {CC}-V _ \ {knee}} \ {R_C}

出力電圧は* V〜knee〜*です。

電力損失=出力電圧×出力電流

= \：V _ \ {knee} \ times I _ \ {c（sat）}

V〜knee〜の値は小さいため、損失は低くなります。したがって、トランジスタはオン状態で効率的なスイッチとして機能します。

アクティブ領域中

トランジスタはオンとオフの状態の間にあります。トランジスタは、入力電流の小さな変化が出力電流の大きな変化（ΔI〜C〜）を引き起こす線形増幅器として動作します。

切り替え時間

スイッチングトランジスタには、入力としてパルスがあり、変動の少ないパルスが出力になります。スイッチング出力パルスのタイミングに関して知っておくべきいくつかの用語があります。それらを見ていきましょう。

入力パルス幅= T とします

入力パルスが印加されると、浮遊容量のため、コレクタ電流が定常値に達するまでに時間がかかります。次の図は、この概念を説明しています。

出力パルス

上の図から、

遅延時間（t〜d〜）-コレクタ電流が初期値から最終値の10％に達するまでにかかる時間を*遅延時間*と呼びます。
立ち上がり時間（t〜r〜）-コレクタ電流が初期値の10％から最終値の90％に達するまでにかかる時間を*立ち上がり時間*と呼びます。
ターンオン時間（T〜ON〜）-時間遅延（t〜d〜）と立ち上がり時間（t〜r〜）の合計は、*ターンオン時間*と呼ばれます。 + T〜ON〜= t〜d〜+ t〜r〜
保存時間（t〜s〜）-入力パルスの後縁から出力の最大値の90％までの時間間隔は、*保存時間*と呼ばれます。
フォールタイム（t〜f〜）-コレクター電流が最大値の90％から初期値の10％に達するまでにかかる時間は、*フォールタイム*と呼ばれます。
ターンオフ時間（T〜OFF〜）-ストレージ時間（t〜s〜）と立ち下がり時間（t〜f〜）の合計は*ターンオフ時間*として定義されます。 + T〜OFF〜= t〜s〜+ t〜f〜
パルス幅（W）-2つの50％レベルの立ち上がりおよび立ち下がり波形間で測定された出力パルスの持続時間は、*パルス幅*として定義されます。

Pulse-circuits-transistor-as-switch