Projektowanie bramki i bramki za pomocą tranzystorów

Jak wielu z nas wie, układ scalony lub układ scalony to połączenie wielu małych obwodów w małej paczce, które razem wykonują wspólne zadanie. Podobnie jak wzmacniacz operacyjny lub układ scalony z timerem 555 jest zbudowany przez połączenie wielu tranzystorów, przerzutników, bramek logicznych i innych kombinowanych układów cyfrowych. Podobnie Flip-Flop można zbudować, używając kombinacji bramek logicznych, a same bramki logiczne można zbudować za pomocą kilku tranzystorów.

Bramki logiczne są podstawą wielu cyfrowych układów elektronicznych. Od podstawowych przerzutników po mikrokontrolery Bramki logiczne tworzą podstawową zasadę przechowywania i przetwarzania bitów. Określają związek między każdym wejściem i wyjściem systemu za pomocą logiki artmetycznej. Istnieje wiele różnych typów bramek logicznych, a każda z nich ma inną logikę, która może być używana do różnych celów. Jednak w tym artykule skupimy się na bramce AND, ponieważ później będziemy budować bramkę AND za pomocą obwodu tranzystora BJT. Ekscytujące, prawda? Zacznijmy.

Bramka logiczna AND

Bramka logiczna AND jest bramką logiczną w kształcie litery D z dwoma wejściami i jednym wyjściem, gdzie kształt D między wejściem a wyjściem jest obwodem logicznym. Zależność między wartościami wejściowymi i wyjściowymi można wyjaśnić za pomocą tabeli prawdy bramki AND, pokazanej poniżej.

Wynikowe równania można łatwo wyjaśnić za pomocą równania boolowskiego bramki AND, czyli Q = A x B lub Q = AB. Stąd dla bramki AND wyjście jest WYSOKIE tylko wtedy, gdy oba wejścia są WYSOKIE.

Tranzystor

Tranzystor to urządzenie półprzewodnikowe z trzema zaciskami, które można podłączyć do obwodu zewnętrznego. Urządzenie może służyć jako przełącznik, a także jako wzmacniacz do zmiany wartości lub sterowania przepływem sygnału elektrycznego.

Do zbudowania bramki logicznej AND za pomocą tranzystora użylibyśmy tranzystorów BJT, które można dalej podzielić na dwa typy: PNP i NPN - tranzystory dwubiegunowe. Symbol obwodu dla każdego z nich można zobaczyć poniżej.

W tym artykule wyjaśniono, jak zbudować obwód bramki AND za pomocą tranzystora. Logika bramki AND jest już wyjaśniona powyżej i aby zbudować bramkę AND przy użyciu tranzystora, będziemy postępować zgodnie z tą samą tabelą prawdy, pokazaną powyżej.

Schemat obwodu i wymagane komponenty

Lista komponentów wymaganych do zbudowania bramki AND przy użyciu tranzystora NPN jest wymieniona w następujący sposób:

1. Dwa tranzystory NPN. (Możesz również użyć tranzystora PNP, jeśli jest dostępny)
2. Dwa rezystory 10 kΩ i jeden rezystor 4-5 kΩ.
3. Jedna dioda LED (dioda elektroluminescencyjna) do sprawdzania mocy wyjściowej.
4. Płytka prototypowa.
5. Zasilanie + 5 V.
6. Dwa przyciski PUSH.
7. Podłączanie przewodów.

Obwód reprezentuje zarówno wejścia A i B bramki AND, jak i wyjście Q, które ma również zasilanie + 5 V do kolektora pierwszego tranzystora, który jest połączony szeregowo z drugim tranzystorem, a dioda LED jest podłączona do zacisku emitera drugi tranzystor. Wejścia A i B są podłączone do zacisku podstawowego odpowiednio tranzystora 1 i tranzystora 2, a wyjście Q przechodzi do dodatniej diody LED zacisku. Poniższy schemat przedstawia wyjaśniony powyżej obwód do budowy bramki AND przy użyciu tranzystora NPN.

Tranzystory użyte w tym samouczku to tranzystor NPN BC547 i zostały dodane ze wszystkimi wyżej wymienionymi komponentami w obwodzie, jak pokazano poniżej.

Jeśli nie masz przy sobie przycisków, możesz również użyć przewodów jako przełącznika, dodając je lub usuwając w razie potrzeby (zamiast wciskać przełącznik). To samo można było zobaczyć na wideo, w którym użyłbym przewodów jako przełącznika podłączonego do zacisku podstawowego dla obu tranzystorów.

Ten sam obwód po zbudowaniu przy użyciu wyżej wymienionych komponentów sprzętowych, obwód wyglądałby tak, jak na poniższym obrazku.

Działanie i bramka za pomocą tranzystora

Tutaj będziemy używać tranzystora jako przełącznika, więc gdy napięcie jest przyłożone przez zacisk kolektora tranzystora NPN, napięcie dociera do złącza emitera tylko wtedy, gdy złącze bazowe ma napięcie zasilania między 0 V a napięciem kolektora.

Podobnie, powyższy obwód spowodowałby świecenie diody LED, tj. Wyjście ma wartość 1 (wysokie) tylko wtedy, gdy oba wejścia mają wartość 1 (wysokie), tj. Gdy na zacisku bazowym obu tranzystorów jest napięcie. Oznacza to, że od VCC (zasilanie + 5V) do diody LED i dalej do ziemi będzie prostoliniowa ścieżka prądowa. W pozostałych przypadkach we wszystkich przypadkach wyjście będzie miało wartość 0 (niski), a dioda LED będzie wyłączona. Wszystko to można wyjaśnić bardziej szczegółowo, rozumiejąc każdy przypadek jeden po drugim.

Przypadek 1: Gdy oba wejścia są zerowe - A = 0 i B = 0.

Gdy oba wejścia A i B mają wartość 0, w tym przypadku nie trzeba naciskać żadnego z przycisków. Jeśli nie używasz przycisków, odłącz przewody połączone z przyciskami i zaciskiem bazowym obu tranzystorów. Mamy więc oba wejścia A i B jako 0 i teraz musimy sprawdzić wynik, który również powinien wynosić 0 zgodnie z tabelą prawdy bramki AND.

Teraz, gdy napięcie jest dostarczane przez zacisk kolektora Tranzystora 1, emiter nie otrzymuje żadnego sygnału wejściowego, ponieważ wartość zacisku podstawowego wynosi 0. Podobnie, emiter tranzystora 1, który jest podłączony do kolektora Tranzystora 2, nie prąd lub napięcie, a także wartość zacisku bazowego tranzystora 2 wynosi 0. Zatem emiter ^drugiego tranzystora wyprowadza wartość 0, w wyniku czego dioda LED byłaby WYŁĄCZONA.

Przypadek 2: Gdy wejścia to - A = 0 i B = 1.

W drugim przypadku, gdy wejścia są A = 0 i B = 1, obwód ma pierwsze wejście jako 0 (niskie), a drugie wejście jako 1 (wysokie) odpowiednio do bazy tranzystora 1 i 2. Teraz, gdy zasilanie 5 V jest doprowadzane do kolektora pierwszego tranzystora, nie ma zmiany w przesunięciu fazowym tranzystora, ponieważ zacisk bazowy ma wejście 0. Który przekazuje wartość 0 do emitera, a emiter pierwszego tranzystora jest połączony szeregowo z kolektorem drugiego tranzystora, więc wartość 0 trafia do kolektora drugiego tranzystora.

Teraz drugi tranzystor ma wysoką wartość w bazie, więc ta sama wartość otrzymana w kolektorze mogłaby przejść do emitera. Ale ponieważ wartość na zacisku kolektora drugiego tranzystora wynosi 0, dlatego emiter również będzie miał 0, a dioda LED podłączona do emitera nie będzie świecić.

Przypadek 3: Gdy wejścia to - A = 1 i B = 0.

Tutaj wejście ma wartość 1 (wysokie) dla pierwszej bazy tranzystora i niskie dla drugiej bazy tranzystora. Tak więc ścieżka prądowa rozpocznie się od zasilania 5 V do kolektora drugiego tranzystora przechodzącego przez kolektor i emiter pierwszego tranzystora, ponieważ wartość zacisku bazowego jest wysoka dla pierwszego tranzystora.

Ale w drugim tranzystorze wartość zacisku bazowego wynosi 0, a więc żaden prąd nie przepływa z kolektora do emitera drugiego tranzystora, w wyniku czego dioda LED nadal byłaby wyłączona.

Przypadek 4: Gdy oba wejścia są jedno - A = 1 i B = 1.

Ostatni przypadek i tutaj oba wejścia mają być wysokie i są podłączone do zacisków bazowych obu tranzystorów. Oznacza to, że ilekroć prąd lub napięcie przepływa przez kolektor obu tranzystorów, baza osiąga nasycenie, a tranzystor przewodzi.

Praktycznie wyjaśniając, gdy zasilanie + 5 V jest dostarczane do zacisku kolektora tranzystora 1, a także zacisk bazowy jest wtedy nasycony, zacisk emitera otrzymałby wysoką moc wyjściową, ponieważ tranzystor jest spolaryzowany do przodu. Ta wysoka moc wyjściowa na emiterze jest przekazywana bezpośrednio do kolektora ^drugiego tranzystora poprzez połączenie szeregowe. Teraz, podobnie w drugim tranzystorze, wejście na kolektorze jest wysokie iw tym przypadku zacisk bazowy jest również wysoki, co oznacza, że ​​drugi tranzystor jest również w stanie nasyconym, a wysokie wejście przejdzie z kolektora do emitera. Ta wysoka moc na nadajniku trafia do diody LED, która włącza diodę LED.

W związku z tym wszystkie cztery przypadki mają takie same wejścia i wyjścia, jak rzeczywista bramka logiczna AND. W ten sposób zbudowaliśmy bramkę logiczną AND przy użyciu tranzystora. Mam nadzieję, że zrozumiałeś samouczek i nauczyłeś się czegoś nowego. Pełne działanie konfiguracji można zobaczyć na poniższym filmie. W następnym samouczku nauczymy się również, jak zbudować bramkę OR za pomocą tranzystora, a NIE bramkę za pomocą tranzystora. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy poniżej lub skorzystaj z naszych forów, aby uzyskać odpowiedzi na inne pytania techniczne.