فصل سوم : عناصر سوئیچ

فصل سوم : عناصر سوئیچ رله الکترومکانیکی: یک آهنربای الکتریکی است که اگر به آن ولتاژ بدهیم مدار را قطع و وصل می کند. الف: دیود بعنوان سوئیچ دیود واقعی: V D I D = I S (1 e η V T ) دیود ایده آل: در درس از مدل زیر برای دیود استفاده می کنیم. 36

هدف: دیود سریع روشن و خاموش شود. توزیع حاملهای اقلیت در یک پیوند P-N در حاالت مختلف: در حالت تعادل فاصله گرفتن از مرز 2 ناحیه چگالی حاملهای اقلیت در دو ناحیه فرقی نمی کند و توزیع آنها یکسان است. pno چگالی حفره ها در ناحیه N و npo چگالی الکترونها در ناحیه P است در حالت بایاس مستقیم چگالی حاملهای اقلیت در مرز دو ناحیه بیشتر است 37

در حالت بایاس معکوس چگالی حاملهای اقلیت در مرز دو ناحیه )در ناحیه ی تهی( کمتر است سطح زیر منحنی ها متناسب با تعداد حامل های اقلیت است. ولتاژی که در لحظه ی اول در دو سر دیود افت می کند ناشی از رفتار مقاومتی قبل از وصل شدن و رفتن به حالت دیودی است که متناسب با جریان گذرنده از دیود است یعنی هر چه I F I F بزرگتر باشد افت ولتاژ بیشتری خواهیم داشت پس نباید جریان زیادی در لحظه اول از دیود بگذرد زیرا زمان گذر بیشتری برای رسیدن به حالت دائمی نیاز داریم. البته اگر جریان در شروع وصل شدن دیود کم باشد R D I F ناچیز خواهند شد و در نتیجه دیود دیر سوئیچ می خورد یعنی زمان روشن شدن آن و رسیدن به مقدار نهایی طوالنی خواهد شد. پس انتخاب مناسب جریان بایاس دیود حائز اهمیت است. به عنوان I F هر 2 حالت بد است. اولی از حالت پایدار خارج است ( F I بیشتر ) و بعد مدتی طول می کشد که به حالت نهایی برسد. و در حالت I F بیشتر باشد زمان شروع دیود نیز بیشتر خواهد شد. کم هم طول می کشد تا به مقدار نهائی خود برسد. هر چه زمان صعود ورودی 38

بنابراین: در جریانهای زیاد دیود مانند مدار RL عمل می کند. در جریانهای کم دیود مانند مدار RC عمل می کند. در جریانهای متوسط دیود مانند مدار RLC عمل می کند. Forward Recovery Time زمان بازیابی مستقیم : زمانی که دیود از %10 مقدار نهایی ( F V( بیشتر شود و به حول %10 مقدار نهایی برسد را زمان بازیابی مستقیم می گویند. )زمان روشن شدن دیود( زمان بازیابی معکوس: Reverse Recovery Time 39

t s t t : زمان ذخیره : زمان گذار R L خازن : speed up با قرار دادن یک خازن موازی می توان زمان سوئیچ را کاهش داد. خازن در لحظه ی اول اتصال کوتاه و مدار را بای پاس میکند و R L را حذف می کند. باید کاری کنیم که t s کوچک شود که با کم کردن R L بایاس مستقیم زیادی هنگام روشن شدن دیود عبور و امکانپذیر است ولی این کار باعث می شود جریان t on را زیاد کند. بنابراین بهتر است فقط در لحظه ی عوض کردن ولتاژ ورودی ( F V تا V R شکل فوق( R L برای این کار می توانیم یک خازن چند ده پیکوفارادی )کوچک( با کوچک باشد. R L موازی کنیم. 40

ب: ترانزیستور به عنوان سوئیچ: ترانزیستور قطع و کلید باز CC V CE = V قطع Q: V i = 0 اگر ترانزیستور روشن و در ناحیه ی اشباع که معادل با کلید بسته است 0 = CE V روشن :Q V i > 0 اگر به ازای جریان بیس مختلف نقطه های کار متفاوت می توانیم داشته باشیم. : V CE = V CC R c I c معادله ی خط بار KVL( در خروجی( ترانزیستور به شرطی در ناحیه ی اشباع است که I c = h fe I B I C,sat V CE I c I B h fe در ناحیه ی اشباع افت می کند یعنی با افزایش و تغییر چندانی نمی کند. ولی این ضرر را دارد که به حالت قطع در آوردن آن مشکل می شود. 0.2 CE V است. در حالت اشباع : V CE = V CC I CBO R C در حالت قطع : خیلی کوچک است. 41

مثال: در مدار روبرو : الف( h femin برای اشباع بودن ترانزیستور ب( اگر = 100 fe h و R C = 220 ohm باشد آیا ترانزیستور اشباع است الف( I B = 5 0.7 22 I C,Sat = 10 0 1 = 0.2 ma = 10 ma برای اشباع بودن ترانزیستور باید: h fe I B I C,Sat h femin = I C,Sat h I femin = 10 B 0.2 = 50 هیچ تغییری نمی کند. I B I B = 5 0.7 22 I C,Sat = 10 0 0.22k = 0.2 ma = ۴۵.۵ ma h fe I B I C,Sat 100 0.2 45.5 ب( بلکه در ناحیه ی فعال است. در نتیجه ترانزیستور در ناحیه ی اشباع نیست زمانهای سوئیچ ترانزیستور: V 1 0.7 h R fe B I B h fe I c,sat V cc R c فرض کنید V i طوری باشد که ترانزیستور را به اشباع ببرد. 42

) به V1 V2 %10 I c,sat زمان پاسخ دادن به فرمان تا رسیدن به ( فرمان یعنی پرش ولتاژ ورودی از : t d %90 I c,sat به %10 I c,sat : زمان صعود : زمان الزم برای رسیدن جریان از I c t r %90 I c,sat I c,sat t s : زمان الزم برای رسیدن از به %10 I c,sat به %90 I c,sat t f : زمان الزم برای رسیدن از هدف کاهش t d + t r t S + t f t ON و t OFF است. مالحظه نمودیم که t ON متشکل از 2 زمان t r و t d t d یا زمان تاخیر ناشی از 2 عامل زیر است : می باشد. پتانسیل ورودی V 2 است. و خازن تشکیل شده بین پیوند بیس امیتر تا V 2 شارژ شده است و در نتیجه برای رسیدن به ناحیه ی فعال تا حدود چند دهم ولت باید شارژ شود. رسیدن به جریان C به %10 که ما مالک قرار داده ایم. : : t ON t OFF -1-2 43

باید در انتهای زمان تاخیر به حالتی برسیم که حاملهایی که وارد بیس می شوند عرض بیس را طی کنند. -3 عوامل موثر در زمان صعود ( r t( : R c عواملی مانند خط بار و شیب آن می توانند روی زمان صعود اثر بگذارند. برای مثال V cc موثرند. و وقتی ترانزیستور به اشباع رفت دیگر شدت بایاس ورودی اثری ندارد ( B I را زیاد کنیم نمی کند.( ولی V CE t ON تغییری را کم می کند که این باعث ایجاد یک زمان ذخیره می شود بنابراین می تواند را چندین برابر کند و در زمان قطع ترانزیستور اثر زیادی بگذارد. t s نتیجه: باید تا می توانیم از به فوق اشباع رفتن ترانزیستور جلوگیری کنیم و در مرز اشباع کار کنیم. با منفی کردن ولتاژ V i ابتدا زمانی طول میکشد تا بار مرده را از بیس خارج کنیم. هر چه بار مرده بیشتر باشد زمان خالی کردن آن بیشتر است. راه حل استفاده از یک خازن سرعت دهنده است. خازن سرعت دهنده Capacitor( )SpeedUp : قرار دادن یک خازن موازی R B باعث می شود که در لحظه پرش ولتاژ از V 2 به بای پس R B مقاومت V 1 گردیده و جریان زیادی وارد بیس می گردد. ولی بعدا خازن شارژ گردیده و از مدار خارج می شود و از طریق R B جریان کمی وارد بیس می گردد. t ON اگر C بزرگ باشد می شوند. اگر هم C خیلی کوچک باشد در مدت t d را کم می کند چون دیرتر شارژ می گردد و در نتیجه حامل های زیادی در بیس جمع داشته باشد. بنابراین باید C طوری طراحی شود که در )زمان تاخیر( خازن شارژ می شود و دیگر اثری نمی تواند t ON بعدا مدار باز شود و از مدار خارج شود. محاسبه ی دقیق C امکان ندارد زیرا ا صات ل کوتاه باشد و جریان زیادی وارد بیس کند ولی p in و C in ترانزیستور را نداریم. 44

حد پایینی : C R s t on 0.1 τ = 0.1 (R S R B ) c = 0.1 R s c R S R B C t ON 0.1 R S C = t ON 0.1 R S حد باالییC : I B1 = V o 0.7 R s در لحظه ی پرش خازن اتصال کوتاه و R B از مدار خارج می شود I B2 = V o 0.7 R s +R B h fe I B2 I c,sat در لحظه ی وصل دائمی خازن شارژ و از مدار خارج می شود و R B برای آنکه در حالت وصل ترانزیستور به اشباع رود: وارد می شود h fe V o 0.7 R s +R B VCC R C کمی بزرگتر می گیریم تا در مرز ناحیه ی اشباع و فعال نباشیم به فوق اشباع نرود تا t s زیاد شود. باید از R S تخلیه شود. خازن C در مدت t rec τ t rec 2.3 R B C C t rec 2.3 R B 45

t on 0.1 R S C t rec رابطه ی حد باالیی و پایینی : C 2.3 R B مثال: اگر در یک موج مربعی پریودیک متقارن با f = 50 KHZ اعمال کنیم و V o = 5 v و t on = 30 nsec و I B1 = 5 0.7 1 = 4.3 ma I B2 = 5 0.7 = 0.5 ma 1 + 8.2 C t on 0.1 R S = 30 nsec C را تعیین کنید. R S = 1k و R B = 8.2 k باشد 0.1 1k = 300 pf را کوچکترین عدد یعنی 300 در نظر میگیریم. C f = 50 KHZ = 1 T T = 20μSec t rec = T 2 = 10 μsec C t rec 2.3 R B = 10μSec 2.3 8.2k = 530 pf 300 pf C 530 pf اگر C را کمتر از 300 بگیریم )مثال 200( داریم: C t rec 2.3 R B 200pf t rec 2.3 8.2 t rec 3.77 μsec T = 2 (3.77)μSec f 133 KHZ ولی t on از 30 nsec بیشتر خواهد بود. C = 300pf 1 2 3.77μSec = 300 pf t rec 2.3 8.2 t rec 300p 2.3 8.2 k t rec 5658 nsec f 1 توضیح: = 88 KHZ 5658 2 همانطور که مالحظه می شود در محاسبه ی حد پایینی خازن فرکانس موج مربعی استفاده نشده و t on از 30 nsec بیشتر خواهد تنها برای حد باالیی کاربرد داشت. اگر خازن 200 pf انتخاب شود مسلما 46

شد.ولی برای تخلیه تا فرکانس 133KHZ هم مشکلی نخواهد داشت و خازن تخلیه ی کامل می شود ولی اگر 300=C pf انتخاب شود ماکزیمم فرکانش موج مربعی 88KHz خواهد بود. اثر بارگذاری بر سوئیچ ترانزیستوری: الف) بار مقاومتی: با فرض قطع بودن ترانزیستور: در حالت وصل مشکلی نداریم ولی در حالت قطع مشکالت زیر را خواهیم داشت: -1 افت ولتاژ : V o = V cc R L R L +R C -2 تابعیت V o از : R L برای رفع مشکل دوم از یک دیود استفاده می کنیم. V D < V cc : بدست آوردن حداقل وحداکثر R L V cc R L R L + R C V D + 0.7 را بدست می آوریم دیود وصل است R Lmin حد باالیی مقاومت R L بینهایت است زیراهر چه بیشتر باشد Vo(t) باالتر رفته و دیود همچنان روشن می ماند ثابت 0.7 + D v o = v R Lmin < R L < محدوده تغییرات قابل قبول بدست آوردن حداکثر جریان دیود: I RC = V cc (V D + 0.7) R c 47

I L = V D+0.7 I RL D = I Rc I L I Dmax RL= = I RC = V cc (V D + 0.7) R c زمانیکه ترانزیستور روشن می شود دیود خاموش می گردد و چون ترانزیستور وارد اشباع می شود ولتاژش 0.2 یا کمتر است بنابراین خطری برای عبور جریان از دیود نداریم. با فرض اینکه ترانزیستور وصل باشد: در حالت وصل ترانزیستور به اشباع می رود و دیود خاموش می شود و ولتاژ خروجی صفر یا تقریبا 0.2 می باشد و اثر بارگذاری نخواهیم داشت. ب( اثر بار خازنی: بدلیل وجود بار خازنی ولتاژ خروجی نمی تواند پرش داشته باشد بلکه با ثابت زمانی انجام می شود. h fe I B I c,sat { فرض I B = V O 0.7 I و R c,sat = V CC B R c در نتیجه باعث تغییر در زمانهای گذر می شود. یعنی بار خازنی در خروجی اش پرش ندارد. همچنین بار خازنی زمانها را به هم می ریزد. )با فرض اینکه از زمانهای شوئیچ ترانزیستور صرفنظر کنیم( 48

به علت وجود خازن V CE بالفاصله صفر نمی شود بنابراین ترانزیستور در مدت تخلیه در ناحیه ی فعال باقی می ماند. برای بررسی از مدل ترانزیستور در ناحیه ی فعال کمک می گیریم. τ = R c C V o ( ) = V cc h fe I B R c h fe I B V cc R c V o ( ) 0 موقع تخلیه خازن ( ) o V عددی منفی است زیرا V o ( ) = V CC hfe I B. R c چون در = t خازن تخلیه ی کامل می شود. hfe I B I C sat hfe I B V CC R C V o ( ) < 0 = 0 ( ) o V یعنی در مرز اشباع و فعال قرار بگیرد. در حالت خاص اگر hfe I B = V CC آنگاه R C I B اگر را زیادتر کنیم hfei B بزرگتر و ( ) o V منفی تر می شود. در ناحیه ی فعال منبع جریان قوی تر می شود در نتیجه ناحیه ی فعال سریع تر طی شده و خازن زودتر تخلیه می شود و ترانزیستور زودتر به اشباع می رسد. رفع اشکال بار خازنی: 1 -کاهش tr 49

برای رفع اشکال بار خازنی در هنگام شارژ شدن )کاهش t r ) می توان یک بافر در طبقه ی خروجی قرار داد که در اینجا از یک ترانزیستور بصورت emitter follower استفاده می نمائیم که خاصیت آن انتقال امپدانس از امیتر به بیس است. در این حالت خارن با hfe) + 1) برابر جریان قبل شارژ می شود یا با ثابت زمانی hfe) + 1) برابر کمتر نسبت به قبل شارژ می شود. به عبارت دیگر مثل آن است که ظرفیت خازن را hfe) + 1) بار کمتر نموده باشیم. در این حالت τ جدید برابر است با : = τ جدید در نتیجه زمان صعود ( r t( به اندازه ی R c.c 1+hfe 1 1+hfe -2 کاهش tf بار کمتر می شود. عیب مدار باال آن است که جریان را یکطرفه تقویت می کند پس راهی برای دشارژ خازن ندارد. می توانیم از یک مسیر دشارژ استفاده کنیم. در زمان وصل چون جریان از کلکتور کشیده می شود و ترانزیستور در ناحیه ی فعال می ماند خازن از طریق دیود تخلیه می شود ولی خازن تا صفر تخلیه نمی شود زیرا دیود خاموش می شود و به اندازه ی 0.9 v می ماند. البته در مدار فوق مالحظه ی t r کم می شود ولی t f t f هنوز تغییری نکرده است. برای کاهش قابل می توانیم از یک ترانزیستور دیگر برای تخلیه ی خازن بجای دیود استفاده کنیم. 50

به دو ترانزیستور که مانند شکل پشت سر هم قرار بگیرند بطوری که در هر لحظه تنها یکی از آنها روشن است و دیگری خاموش ترکیب push.pull می گویند. روشن و Q2 Q3 موقع شار Q2 روشن و Q3 خاموش و موقع دشارژ خاموش می باشد سوئیچ ترانزیستوری در ناحیه فعال: را clamp می کند و نمی گذارد به اشباع برود. در نتیجه ولتاژ :استفاده از یک دیود clamp V CE روش 1 دیود نشان داده شده در شکل خروجی که برابر با V CE است همواره بزرگتر یا مساوی 0.7 s V می باشد. V o = V CE V s 0.7 V i = 0 Q = off, D: off بدون دیود مطمئن هستیم که ترانزیستور به اشباع می رود 0.7 i I B = V بدون دیود R B یعنی در V i = V o I C = hfe I B I CSat = V CC R C V O (t) 0 وقتی دیود را می گذاریم: ) ترانزیستور در ناحیه ی فعال است) 0.7 S V O = V I C = hfe I B, I RC = V CC (V S 0.7) R C, I D = I C I RC 51

تا زمانیکه I B با افزایش V O به 0.7 S V نرسیده خط بار همان خط بار بدون دیود است و از آن به بعد روشن شده و مقاومت دینامیکی خروجی را صفر می کند. مرز اشباع و فعال 0.2 V CC 0.7 حداقل V S برابر است با 0.9 0.7 + حداکثر V S برابر است با : روش دیگر با استفاده از دیود clamp در این روش احتیاج به V S نداریم. محدوده ولتاژ خروجی را زیاد کرده است. I C kvl in CE V CC R C hfe I B V CEsat V CC R C hfe V i 0.7 R B 0.2 توضیح مدار : به محض اینکه = 0.2 CE V می شود پیوند کلکتور بیس بایاس مستقیم می شود و در نتیجه مقداری جریان هدایت می کند که باعث می شود جریان زیادی به بیس نرفته و باعث می شود ترانزیستور به فوق اشباع نرود. در اینجا ترانزیستور در ناحیه ی فعال و اشباع عمل می کند. همچنین ولتاژ خروجی V O V CC تغییرات دارد بدون آنکه به فوق اشباع برود. از 0.2 تا 52

Current Mode Logic روش 2: با استفاده از کنترل جریان کلکتور ترانزیستور (CML) I C = 0 V i < V R Q: OFF, D: ON { I D = I o اگر V O = V CC V i > V R Q: ON, D: OFF اندازه ی کافی گردد Q وارد ناحیه ی اشباع شده و پیوند آن CB مستقیم در نتیجه V O را دنبال می کند. بنابراین نباید در این ناحیه وارد شویم. با I D = 0 { I C = I o V O = V CC R C I O اگر + 0.5 O V i = V CC R C I اختالف 0.5 ولت ورودی V i اگر بجای منبع جریان از مقاومت استفاده نمائیم باعث می شود جریان مقاومت ثابت نباشد و با افزایش ولتاژ ورودی زیادتر گردد 53

V i < V R Q: OFF, D: ON I = V R 0.7 + V CC R = I O V i > V R Q: ON, D: OFF I = V i 0.7 + V CC R I O CML با ترکیب تقویت کننده دیفرانسیل : اگر بجای دیود یک ترانزیستور دیگر بگذاریم و از پیوند بیس-امیتر آن بهره گیریم دو خروجی خواهد داشت. V i < V R Q 2 : ON, Q 1 : OFF اگر V O1 = V CC { V O2 = V CC R C2 I O V i > V R Q 1 : ON, Q 2 : OFF اگر { V O 1 = V CC R C1 I O V O2 = V CC اگر یک موج مربعی حول صفر به ورودی بدهیم در خروجی مکمل منطقی یکدیگر می باشند که همان تقویت کننده ی دیفرانسیل است. مثال: 54

V i = 0.5v { Q 1: OFF اگر Q 2 : ON I = 0.7 + 15 10 = 1.43 ma { V O 1 = 15v V O2 = 15 2.2 1.43 = 11.85 v V i = +0.5v { Q 1: ON اگر Q 2 : OFF I = 0.5 0.7 + 15 10 = 1.48 ma { V O 1 = 15 2.2 1.48 = 11.74v V O2 = 15 v V i = 5v { Q 1: OFF اگر Q 2 : ON I = 0.7 + 15 10 = 1.43 ma { V O 1 = 15v V O2 = 15 2.2 1.43 = 11.85 v V i = +5v { Q 1: ON اگر Q 2 : OFF I = 5 0.7 + 15 10 = 1.93 ma { V O 1 = 15 2.2 1.93 = 10.6 V O2 = 15v 55

+ v + v دیدیم که اگر ورودی به جای 0.5 به 5 تبدیل گردد تنها تغییری که بوجود می آید آنست که در V O 1 به جای 11.74 به 10.6 تغییر می کند زیرا I در حالت وصل تغییر کرده و از 1.48 ma به 1.93 ma افزایش می یابد. Q 1 چنانچه ورودی موج مربعی متقارن با DC غیر صفر باشد مانند شکل زیر که DC آن 1v است کافیست در نظر بگیرید یعنی بیس ترانزیستور Q 2 V R = Vdc = 1 را به 1v وصل کنیم. اگر ورودی سینوسی به مدار بدهیم خروجی ها تغییر نمی کنند ولی زمانهای گذز تزانزیستورها زیادتر می شوند می توان از این حالت به عنوان مقایسه کننده ی ولتاژ که بعدا خواهیم دید استفاده کرد. 56