Podstawowe pytania dotyczące tranzystora

Utworzyłem pokazany obwód. Używam baterii 9 V (właściwie wyrzucając 9,53 V) i 5 V pochodzących z Arduino do testowania zarówno z 9, jak i 5 woltów. Tranzystor to BC 548B (arkusz danych, którego używam, znajduje się tutaj ).

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Przeprowadziłem szereg testów zmieniających wartości Rb i Rc z następującymi wynikami, nie mam pojęcia, czy rzeczywiście są one prawidłowe.

9V
Ref  Rb     Rc     Ib (μA)   Ic (mA)   Beta
1    160k   560    50        15.6      312
2    470k   1.2k   18        6.15      342
3    220k   1.2k   41        7.5       183
4    180k   1.2k   51        7.5       147

5V
Ref  Rb     Rc     Ib (μA)   Ic (mA)   Beta
1    160k   560    24        7.7       321
2    82k    330    52        14.1      271
3    470k   1.2k   9         2.89      321

Moje pytania są następujące;

1. Rozumiem, że z arkusza danych, zakres tego tranzystora może wynosić od 200 do 450. Myślę, że powodem, dla którego istnieją wartości mniejsze niż 200 w tabeli 9 i 3 ref. 4 i 4, jest to, że obwód emitera kolektora jest nasycony i może „ t rośnie wyżej, powodując spadek beta w miarę wzrostu prądu Ib. Czy to jest poprawne?

2. We wszystkich podręcznikach, które przeglądałem, beta jest wartością statyczną. „Jeśli beta to X, opracuj opornik w bazie potrzebny do wytworzenia prądu Y w kolektorze”. Odtąd czytałem, że beta będzie się zmieniać wraz z temperaturą i prądem kolektora (myślę, że to prąd kolektora). Gdzie znajdę te dane? Gdzie jest tabela, która mówi mi, że beta kontra Ic? Jeśli beta ciągle się zmienia, to jak wybrać rezystor, który zawsze będzie działał i / lub miał zbyt duży prąd w tym, co byłoby obciążone na kolektorze?

3. Ryc. 1 z arkusza danych pokazuje, że przy prądzie 50μA w podstawie prąd kolektora nie powinien przekraczać około 11m NIEZALEŻNIE od napięcia między kolektorem a emiterem. Ale biorąc pod uwagę 9 V ref 1 i 5 V ref 2, które oba mają Ib ~ 50 μA, mam wyższe Ic niż podano. Dlaczego to? Co tak naprawdę mówi mi rysunek 1?

4. Ryc. 3 z arkusza danych pokazuje, że hFE wynosi 200 dla Ic <40mA przy Vce = 5V. To oczywiście się nie dzieje, biorąc pod uwagę wszystkie wyniki w tabeli 5 V w tym poście. Więc znowu, czym jest ten wykres?

5. Próbowałem podłączyć obwód, aby moja 9V bateria działała od kolektora do emitera, a moje 5 V Arduino zasilało bazę, w zasadzie do czego służy przełącznik tranzystorowy. Myślę, że to skróci Arduino. Jak sprawić, by bateria 9 V działała od C do E i 5 V na końcu bazy? Jak to właściwie połączyć?

Twoje pytanie dotyczy wersji beta lub h _FE . Tak, może się to znacznie różnić między częściami, nawet z tej samej partii produkcyjnej. Różni się również nieco w zależności od prądu kolektora i napięcia kolektora (przy użyciu emitera jako wartości odniesienia 0 V). Jednak w przypadku każdego tranzystora jego zysk zmienia się raczej niewiele w zależności od prądu kolektora w rozsądnym zakresie i przy założeniu, że napięcie kolektora jest wystarczająco wysokie.

Najważniejsze, że wydaje się, że tęsknisz za tym, że nie powinieneś martwić się o dokładny zysk. Dobry obwód z tranzystorami bipolarnymi działa z minimalnym gwarantowanym wzmocnieniem w stosunku do zamierzonego obszaru roboczego, ale w przeciwnym razie działa dobrze, ponieważ wzmocnienie jest gdziekolwiek stamtąd do nieskończoności. Żaden tranzystor w danym punkcie pracy nie jest poza linią, aby uzyskać 10-krotnie większy zysk niż minimum gwarantowane przez arkusz danych. Po uwzględnieniu tego w projekcie obwodu, to naprawdę tylko niewielki krok, aby upewnić się, że obwód działa z zyskiem tranzystora aż do nieskończoności.

Projektowanie tak szerokiego zakresu wzmocnienia może wydawać się trudne, ale tak naprawdę nie jest. Zasadniczo są dwa przypadki. Gdy tranzystor jest używany jako przełącznik, wówczas pewien minimalny prąd podstawowy, obliczony z minimalnego gwarantowanego wzmocnienia, doprowadzi go do nasycenia. Jeśli wzmocnienie jest wyższe, tranzystor będzie po prostu bardziej nasycony przy tym samym prądzie bazowym, ale wszystkie napięcia na nim i prądy przez niego nadal będą prawie takie same. Innymi słowy, reszta obwodu (z wyjątkiem nietypowych przypadków) nie będzie w stanie odróżnić nasycenia tranzystora napędzanego 2x lub 20x.

Kiedy tranzystor jest używany w swoim regionie „liniowym”, wówczas ujemne sprzężenie zwrotne jest wykorzystywane do przekształcenia dużego i nieprzewidywalnego wzmocnienia w mniejszy, ale dobrze kontrolowany zysk. Jest to ta sama zasada, co w przypadku opamps. Sprzężenie zwrotne prądu stałego i zmiennego może być różne, przy czym pierwsze ustawienie punktu pracy , czasami określane jako polaryzowanie tranzystora, a drugie kontrolowanie, co dzieje się, gdy pożądany sygnał przechodzi przez obwód.

Dodany:

Oto przykładowy obwód, który toleruje szeroki zakres wzmocnienia tranzystora. Wzmocni małe sygnały audio o około 10x, a moc wyjściowa wyniesie około 6 V.

Aby rozwiązać to ręcznie, prawdopodobnie najłatwiej jest to zrobić iteracyjnie. Zacznij od założenia, że ​​OUT wynosi 6 V i zacznij pracę od tego momentu. Ponieważ wzmocnienie jest nieskończone, nie ma prądu podstawowego, a napięcie podstawowe jest ustawiane bezpośrednio przez dzielnik R1-R2 z dowolnego wyjścia OUT. Dzielnik ma wzmocnienie wynoszące 1/6, więc podstawa wynosi 1,00 V. Minus spadku BE wynoszącego 600 mV, co stawia emiter na 400 mV, a prądy emitera i kolektora na 400 µA. Ścieżka R1-R2 pobiera 50 µA, więc suma pobrana z OUT to 450 µA, więc spadek na R3 wynosi 4,5 V, więc OUT wynosi 7,5 V. Teraz przejdź ponownie do powyższych obliczeń, zakładając, że OUT wynosi 7,5 V, a może jeszcze raz. Zobaczysz, że wyniki szybko się zbiegają.

To właściwie jeden z niewielu przypadków, w których symulator jest przydatny. Główny problem z symulatorami polega na tym, że dają one bardzo dokładne i wiarygodne odpowiedzi, mimo że parametry wejściowe są niejasne. Jednak w tym przypadku chcemy zobaczyć wpływ zmiany tylko wzmocnienia tranzystora, aby symulator mógł zająć się całą pracą nasłuchową, jak to opisano powyżej. Nadal warto raz przejść przez proces opisany w poprzednim akapicie, aby zorientować się, co się dzieje, w przeciwieństwie do samego spojrzenia na wyniki symulacji z dokładnością do 4 miejsc po przecinku.

W każdym razie możesz wymyślić punkt obciążenia DC dla obwodu powyżej, zakładając nieskończony zysk. Załóżmy teraz wzmocnienie 50 tranzystora i powtórzmy. Zobaczysz, że poziom DC w OUT zmienia się tylko nieznacznie.

Inną rzeczą wartą uwagi jest to, że istnieją dwie formy sprzężenia zwrotnego DC, ale tylko jedna dla sygnałów audio AC.

Ponieważ górna część R1 jest podłączona do OUT, zapewnia pewne sprzężenie zwrotne DC, które sprawia, że ​​punkt pracy jest bardziej stabilny i mniej wrażliwy na dokładne charakterystyki tranzystora. Jeśli OUT wzrośnie, prąd do podstawy Q1 wzrośnie, co spowoduje wzrost prądu kolektora, co spowoduje obniżenie OUT. Jednak ta ścieżka sprzężenia zwrotnego nie ma zastosowania do sygnału audio. Impedancja patrząc na dzielnik R1-R2 wynosi R1 // R2 = 17 kΩ. Częstotliwość wycofywania filtra górnoprzepustowego utworzona przez C1, a to 17 kΩ wynosi 9,5 Hz. Nawet przy 20 Hz R1 // R2 nie jest zbyt obciążony dla sygnału przechodzącego przez C1 i staje się bardziej nieistotny proporcjonalnie do częstotliwości. Innymi słowy, R1 i R2 pomagają ustawić punkt obciążenia DC, ale nie przeszkadzają w zamierzeniu sygnału audio.

Natomiast R4 zapewnia ujemne sprzężenie zwrotne zarówno dla prądu stałego, jak i przemiennego. Tak długo, jak wzmocnienie tranzystora jest „duże”, wówczas prąd emitera jest wystarczająco zbliżony do tego samego, co prąd kolektora. Oznacza to, że niezależnie od napięcia na R4 pojawi się na R3 proporcjonalnie do ich rezystancji. Ponieważ R3 wynosi 10x R4, sygnał w poprzek R3 będzie 10x w poprzek R4. Ponieważ górna część R4 wynosi 12 V, OUT wynosi 12 V minus sygnał na R3, czyli 12 V minus 10x sygnał na R4. W ten sposób obwód ten osiąga dość stały zysk AC równy 10, o ile zysk tranzystora jest znacznie większy, np. 50 lub więcej.

Śmiało i symuluj ten obwód, zmieniając parametry tranzystora. Spójrz zarówno na punkt pracy DC, jak i jaka jest ogólna funkcja przenoszenia z IN na OUT sygnału audio.

1. Co powoduje pozorny spadek beta wraz ze wzrostem prądu podstawowego?

Beta tak naprawdę się nie zmienia. Prąd kolektora jest ograniczony przez Rc. Przy Rc = 500 Ω maksymalny prąd kolektora wynosi około 18 mA. Przy Rc = 1,2 kΩ maksymalny prąd wynosi około 7,5 mA. Wynika to z prawa Ohma - 9 V / 1,2 kΩ = 7,5 mA. Przy wersji beta> 300 potrzebujesz tylko 25 uA prądu bazowego, aby zmaksymalizować prąd kolektora. Dodanie dodatkowego prądu podstawowego niczego nie zmienia.

$I_C$

Ten arkusz danych nie zawiera żadnych informacji na temat zmian beta w zależności od temperatury. Beta vs. Ic omówiono w pytaniu 4 poniżej. Sprawdziłem kilka innych kart danych i nie zauważyłem tam żadnych zmian temperatury. Zgodnie z tą notatką aplikacji beta wzrasta o około 0,5% na stopień C. Bardziej szczegółowe zrozumienie może wymagać zastosowania modelu Ebersa-Moll , który obejmuje temperaturę w postaci napięcia termicznego (kT / q). Nie jestem mistrzem BJT, więc może ktoś inny może to wyjaśnić.

$I_C$

W tej sekcji arkusza danych podano typowe parametry wydajności. Są to wartości średnie, które nie pokazują odchylenia od jednostki do jednostki. Typowy wykres daje wyobrażenie o zachowaniu przeciętnej jednostki, ale w żaden sposób nie określa rzeczywistych ograniczeń tego zachowania. Do tego służy tabela charakterystyk elektrycznych.

4. W jaki sposób beta może być większe niż pokazano na wykresie 3 w arkuszu danych?

Działają się tutaj dwie rzeczy. Po pierwsze, twój Vce nie ma tak naprawdę 5 V na stole 5 V, ponieważ część napięcia spada na Rc, więc ta liczba nie reprezentuje twojego rzeczywistego obwodu. Po drugie, jest to kolejny schemat pokazujący typowe zachowanie. Pokazuje to, że beta zwykle zaczyna spadać przy Ic = 100 mA. Ponieważ absolutne maksimum Ic wynosi 100 mA, oznacza to, że powinieneś oczekiwać, że beta będzie w przybliżeniu stała w całym zakresie prądu urządzenia. Liczba ta używa 200 jako typowej wersji beta, ale jak widać z tabeli klasyfikacji hFE, beta dla pojedynczego BC548B może wynosić od 200 do 450.

5. W jaki sposób Arduino można wykorzystać do napędzania podstawy tego tranzystora?

Najpierw musisz uzyskać maksymalny ciągły prąd wyjściowy z arkusza danych Arduino. Prawdopodobnie będzie to zakres miliamperów. Twój prąd bazowy musi być mniejszy niż ten, co nie powinno stanowić problemu, ponieważ beta> 200 i Icmax <100 mA. Jeśli wiesz, ile potrzebujesz prądu kolektora (co powinieneś), możesz obliczyć minimalny prąd podstawowy:

To pozwoli ci wybrać rezystor bazowy. Zgodnie z tabelą charakterystyk elektrycznych tranzystora Vbe powinno wynosić około 0,7 V. Znasz swoje wyjścia Arduino 5 V, więc teraz możesz użyć prawa Ohma:

Podłączyć tę rezystancję między Arduino IO a bazą tranzystora. Połącz ze sobą emiter tranzystora, ujemny zacisk akumulatora 9V i masę Arduino.

Uzupełniając informacje podane w odpowiedzi O. Lathropa podam krótki przykład, który może Cię zaskoczyć:

Załóżmy, że zaprojektowałeś prosty stopień wzmocnienia (jak pokazano w poście) przy użyciu tranzystora o wzmocnieniu prądowym beta = 200 . Prąd spoczynkowy prądu stałego wynosi Ic = 1 mA, a zmierzone wzmocnienie napięcia (Rc = 2,5 kW) wynosi G = -100 . Teraz - jeśli zmienisz tranzystor o niższej wartości beta = 100, zauważysz, że wzrost napięcia G NIE ulegnie zmianie - pod warunkiem, że dostroiłeś rezystor polaryzacji RB do niższej wartości, która pozwala na taki sam prąd spoczynkowy Ic = 1mA. (Jest to konieczne do rzetelnego porównania).

Powód jest następujący: Zysk napięcia jest określony przez transkonduktancję gm tranzystora (nachylenie charakterystyki Ic = f (Vbe)). Oznacza to: „Wzmocnienie prądu” nie odgrywa żadnej roli - obniżenie wartości beta z 200 do 100 zwiększa tylko prąd wejściowy, bez wpływu na wzrost napięcia (o ile punkt pracy się nie zmienia).