NAND mit LED funktioniert nicht

Das Problem mit Ihrer Schaltung ist, dass der Basis-Emitter-Übergang eines Bipolartransistors wie eine Diode wirkt. Wenn also Schalter A ausgeschaltet und Schalter B eingeschaltet ist, haben Sie effektiv Folgendes: -

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Die offensichtliche Lösung besteht darin, den Wert von R2 zu erhöhen und zu verhindern, dass Q3 durch Strom eingeschaltet wird, der in die Basis von Q2 eingespeist wird. Wenn Sie jedoch den Widerstand zu groß machen, fällt die Spannung zu stark ab und die Spannung an R3 ist möglicherweise zu niedrig, um Q3 einzuschalten, wenn Schalter A und B beide eingeschaltet sind.

Ein guter Transistor sollte eine Stromverstärkung von 100 oder mehr haben, sodass er nur ~ 10 uA Basisstrom benötigt, um 1 mA vom Kollektor zum Emitter zu schalten (5 V über einen 5-k-Lastwiderstand zu erzeugen). Eine Änderung des Werts von R2 auf 100 kΩ würde den Spannungsabfall darüber auf 1 V bei 10 uA begrenzen. Der Basis-Emitter von Q2 fällt ebenfalls um ~0,6 V ab, wodurch 3,4 V über R3 verbleiben, immer noch genug Spannung, um Q3 einzuschalten.

Wenn Schalter A ausgeschaltet ist, ist der Kollektor von Q2 effektiv getrennt, sodass er den Strom nicht verstärken kann, und die Spannung an R3 fällt auf 0,21 V, da R2 den Strom auf (5 V – 0,6 V)/(100 k + 5,1 k) = 42 uA begrenzt. Q3 benötigt zum Einschalten mindestens 0,6 V, damit es ausgeschaltet bleibt - genau das, was Sie brauchen!

Überprüfen Sie Ihre Logik mit dem Schaltplan.

Nur der untere des Paares (B) wird benötigt, um den Emitter hochzuziehen. Verwenden von Vbe (B) als Diode, um den Ausgang niedrig einzuschalten.

Sehen Sie dann, wo die Änderung erforderlich ist, um beide Ströme der Eingänge A und B zu steuern. (Hinweis auf falschen Knoten und R-Position)

Versuchen Sie stattdessen Folgendes:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

(habe ich auch vermutet$V_{CC}=+5\:\textrm{V}$als Spannungsquelle hier.)

Ich weiß wirklich nicht, warum Lehrmaterialien diese gepaarten BJTs weiterhin für NAND- und NOR-Gatter verwenden. Sie müssen entweder noch komplexer sein, um die Dinge richtig zu lehren, oder einfacher (wie oben). Aber stattdessen scheinen sich einige einzubilden, dass sie etwas Nützliches lehren, indem sie eine schlechte analoge Schaltung für den digitalen Gebrauch bereitstellen.

Lassen Sie uns die Schaltung in dem Fall untersuchen, der für Sie nicht funktioniert:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Beachten Sie, dass der Emitter von$Q_1$ist bei ungefähr$0\:\textrm{V}$. Das liegt daran, dass es keine negative Spannung sein kann, da es dafür keine Quelle gibt. (Es wird höher sein, wie wir in Kürze sehen werden.) Da es fast keinen Strom gibt$Q_1$'s Basis ist der Emitter ungefähr derselbe wie die Basis (was natürlich der Fall ist$0\:\textrm{V}$.) Das bedeutet aber auch das$Q_2$'s Kollektor sitzt in der Nähe$0\:\textrm{V}$, zu. Und diese Vorwärtsspannung$V_{BC_2}$(von$Q_2$.) So$Q_2$ist ungefähr so ​​vollständig gesättigt, wie es nur möglich ist. (Dadurch wird der Emitter von platziert$Q_1$bei der gleichen Spannung wie der Kollektor von$Q_2$, die kurz unten berechnet werden, wenn ich berechne$Q_2$'s Emitterspannung.) Grob gesagt fließt also fast der gesamte Basisstrom ein$Q_2$wird Kollektorstrom für$Q_2$. Und das bedeutet, dass der Emitterstrom ungefähr so ​​​​ist:

Vorausgesetzt$V_{BE_2}=700\:\textrm{mV}$, ich komme herum$303\:\mu\textrm{A}$. Das versenken$R_3$, bekomme ich eine Ausgangsspannung von ca$1.55\:\textrm{V}$.

(Angesichts dieses Kollektor- / Emitterstrompegels würde ich ungefähr erwarten$60\:\textrm{mV}$weniger bzw$V_{BE_2}=640\:\textrm{mV}$, in einem kleinen Signalgerät. Das würde den Emitterstrom auf etwa erhöhen$307\:\mu\textrm{A}$und die resultierende Ausgangsspannung zu$1.57\:\textrm{V}$. Eine kleine Anpassung.)

Wenn man das rundet, gibt die Schaltung herum aus$1.6\:\textrm{V}$auf der$Q$Ausgang, was natürlich ausreicht, um Ihren Ausgangstransistor zu aktivieren und damit die LED auszuschalten. (Dies wird auch sein, was einen sehr geringen Betrag ausmacht$V_{CE_2}$Spannungsdifferenz, die Kollektorspannung von$Q_2$und damit die Emitterspannung von$Q_1$.)

Wenn Sie die analoge Elektronik ignorieren und sich die Transistoren nur als eine Art digitales EIN / AUS-Gerät vorstellen, ist die Schaltung wahrscheinlich sinnvoll. Aber so zu denken ist reine Fantasie und nicht Realität.

Korrekt funktionierende digitale Schaltungen entstehen aus dem Verständnis der analogen Realität. Sie können Konzepte bis zu einem gewissen Punkt vereinfachen. Aber nicht über diesen Punkt hinaus, wo die Vereinfachung zu einer groben Verzerrung führt.