Grundlegende Transistorfragen

Ich habe die gezeigte Schaltung erstellt. Ich verwende eine 9V-Batterie (die tatsächlich 9,53V ausgibt) und 5V, die von einem Arduino kommt, um sowohl mit 9 als auch mit 5 Volt zu testen. Der Transistor ist ein BC 548B (Datenblatt, das ich benutze, ist hier ).

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Ich habe eine Reihe von Tests durchgeführt, bei denen die Werte von Rb und Rc mit den folgenden Ergebnissen geändert wurden, ohne zu wissen, ob sie tatsächlich richtig sind.

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

Meine Fragen lauten wie folgt:

1. Ich verstehe, dass aus dem Datenblatt der Bereich für diesen Transistor von 200 bis 450 reichen kann. Ich denke, dass der Grund dafür, dass die Werte in den 9V-Tabellen 3 und 4 unter 200 liegen, darin besteht, dass die Kollektor-Emitter-Schaltung gesättigt ist und t steigt weiter an, wodurch das Beta mit zunehmendem Ib-Strom sinkt. Ist das korrekt?

2. In allen Lehrbüchern, die ich mir angesehen habe, ist die Beta ein statischer Wert. Msgstr "Wenn die Beta X ist, berechnen Sie den Widerstand in der Basis, der benötigt wird, um einen Strom von Y im Kollektor zu erzeugen". Ich habe seitdem gelesen, dass die Beta mit der Temperatur und dem Kollektorstrom schwankt (ich denke, es ist Kollektorstrom). Wo finde ich diese Daten eigentlich? Wo ist die Tabelle, die mir die Beta gegen Ic sagt? Wenn sich die Beta ständig ändert, wie wählen Sie dann tatsächlich einen Widerstand aus, der immer funktioniert und / oder zu viel Strom in dem hat, was auf den Kollektor geladen werden würde?

3. Abbildung 1 aus dem Datenblatt zeigt, dass bei einem Strom von 50 μA in der Basis der Kollektorstrom unabhängig von der Spannung zwischen Kollektor und Emitter etwa 11 mA nicht überschreiten sollte. Bei 9V ref 1 und 5V ref 2, die beide Ib ~ 50μA haben, habe ich einen höheren Ic als angegeben. Warum ist das? Was sagt mir Abbildung 1 eigentlich?

4. Abbildung 3 aus dem Datenblatt zeigt, dass der hFE 200 für Ic <40 mA bei Vce = 5 V beträgt. Das passiert natürlich nicht bei allen Ergebnissen in der 5V-Tabelle in diesem Beitrag. Also nochmal, was ist diese Grafik?

5. Ich habe versucht, die Schaltung so anzuschließen, dass meine 9-V-Batterie vom Kollektor zum Emitter läuft und mein 5-V-Arduino die Basis mit Strom versorgt. Ich denke, das wird den Arduino kurzschließen. Wie kann ich die 9-V-Batterie am Ende der Basis von C nach E und von 5 V betreiben? Wie verdrahte ich das eigentlich?

Ihre Frage scheint über Beta oder h _{FE zu sein} . Ja, dies kann erheblich zwischen den Teilen variieren, auch von derselben Produktionscharge. Sie variiert auch etwas mit dem Kollektorstrom und der Kollektorspannung (unter Verwendung des Emitters als 0-V-Referenz). Für jeden Transistor ändert sich seine Verstärkung jedoch als Funktion des Kollektorstroms über einen vernünftigen Bereich ziemlich wenig, und es wird angenommen, dass die Kollektorspannung hoch genug gehalten wird.

Der große Punkt, den Sie vermissen, ist, dass Sie sich keine Gedanken über den genauen Gewinn machen sollten. Eine gute Schaltung mit Bipolartransistoren arbeitet mit der minimalen garantierten Verstärkung über den vorgesehenen Betriebsbereich, funktioniert aber ansonsten gut, wenn die Verstärkung irgendwo von dort bis unendlich ist. Es ist nicht unpassend, dass ein Transistor in einem bestimmten Betriebspunkt eine 10-fach höhere Verstärkung als die im Datenblatt garantierte Mindestverstärkung aufweist. Nachdem dies im Schaltungsdesign berücksichtigt wurde, ist es nur ein kleiner Schritt, um sicherzustellen, dass die Schaltung mit der Verstärkung des Transistors bis ins Unendliche arbeitet.

Das Entwerfen für einen so großen Bereich von Gains mag schwierig klingen, ist es aber eigentlich nicht. Grundsätzlich gibt es zwei Fälle. Wenn der Transistor als Schalter verwendet wird, wird er durch einen minimalen Basisstrom, der aus der minimalen garantierten Verstärkung berechnet wird, in die Sättigung gebracht. Wenn die Verstärkung höher ist, ist der Transistor bei dem gleichen Basisstrom nur mehr in der Sättigung, aber alle Spannungen und Ströme, die durch ihn fließen, sind immer noch ziemlich gleich. Anders ausgedrückt, der Rest der Schaltung (außer in Ausnahmefällen) kann den Unterschied zwischen dem Transistor, der 2x oder 20x in die Sättigung getrieben wird, nicht erkennen.

Wenn der Transistor in seinem "linearen" Bereich verwendet wird, wird eine negative Rückkopplung verwendet, um die große und unvorhersehbare Verstärkung in eine kleinere, aber gut gesteuerte Verstärkung umzuwandeln. Dies ist das gleiche Prinzip wie bei Opamps. Die Gleichstrom- und Wechselstromrückkopplung können unterschiedlich sein, wobei der erste den Betriebspunkt einstellt , der manchmal als Vorspannung des Transistors bezeichnet wird, und der zweite steuert, was passiert, wenn das gewünschte Signal durch die Schaltung geleitet wird.

Hinzugefügt:

Hier ist eine Beispielschaltung, die einen weiten Bereich der Transistorverstärkung toleriert. Es verstärkt kleine Audiosignale um etwa das 10-fache und die Ausgangsspannung liegt bei 6 V.

Um dies manuell zu lösen, ist es wahrscheinlich am einfachsten, es iterativ auszuführen. Beginnen Sie mit der Annahme, dass OUT 6 V beträgt, und arbeiten Sie von dort aus. Da die Verstärkung unendlich ist, gibt es keinen Basisstrom, und die Basisspannung wird direkt vom R1-R2-Teiler eingestellt, unabhängig davon, was OUT ist. Der Teiler hat eine Verstärkung von 1/6, die Basis liegt also bei 1,00 V. Abzüglich des BE-Abfalls von 600 mV, der den Emitter auf 400 mV und die Emitter- und Kollektorströme auf 400 µA setzt. Der R1-R2-Pfad verbraucht 50 µA, also beträgt der Gesamtverbrauch von OUT 450 µA, also beträgt der Abfall über R3 4,5 V, also liegt OUT bei 7,5 V. Gehen Sie nun bei den obigen Berechnungen erneut davon aus, dass OUT 7,5 V beträgt, und möglicherweise danach noch einmal. Sie werden sehen, dass die Ergebnisse schnell konvergieren.

Dies ist einer der wenigen Fälle, in denen ein Simulator nützlich ist. Das Hauptproblem bei Simulatoren ist, dass sie Ihnen sehr genaue und verbindlich aussehende Antworten geben, obwohl die Eingabeparameter vage sind. In diesem Fall möchten wir jedoch den Effekt sehen, dass nur die Transistorverstärkung geändert wird, damit ein Simulator die gesamte Plackerei für uns erledigen kann, wie oben ausgeführt. Es ist immer noch nützlich, den Prozess im vorherigen Absatz einmal durchzugehen, um ein Gefühl dafür zu bekommen, was gerade vor sich geht, als ob man sich nur die Ergebnisse einer Simulation mit 4 Dezimalstellen ansieht.

In jedem Fall können Sie den Gleichstromvorspannungspunkt für die obige Schaltung unter der Annahme einer unendlichen Verstärkung ermitteln. Nehmen Sie nun eine Verstärkung von 50 für den Transistor an und wiederholen Sie den Vorgang. Sie werden sehen, dass sich der DC-Pegel von OUT nur geringfügig ändert.

Zu beachten ist auch, dass es zwei Arten von DC-Rückkopplungen gibt, jedoch nur eine für die AC-Audiosignale.

Da die Oberseite von R1 mit OUT verbunden ist, liefert sie eine Gleichstromrückkopplung, die den Betriebspunkt stabiler und unempfindlicher für die genauen Transistoreigenschaften macht. Wenn OUT steigt, steigt der Strom in der Basis von Q1, wodurch mehr Kollektorstrom fließt und OUT sinkt. Dieser Rückkopplungspfad gilt jedoch nicht für das Audiosignal. Die Impedanz, die in den R1-R2-Teiler schaut, ist R1 // R2 = 17 kΩ. Die von C1 und diesen 17 kΩ gebildete Rolloff-Frequenz des Hochpassfilters beträgt 9,5 Hz. Selbst bei 20 Hz belastet R1 // R2 das über C1 kommende Signal nicht sonderlich und wird proportional zur Frequenz irrelevanter. Anders ausgedrückt helfen R1 und R2 dabei, den DC-Bias-Punkt einzustellen, behindern jedoch nicht das beabsichtigte Audiosignal.

Im Gegensatz dazu liefert R4 eine negative Rückkopplung sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom. Solange die Verstärkung des Transistors "groß" ist, liegt der Emitterstrom nahe genug am Kollektorstrom. Dies bedeutet, dass die an R4 anliegende Spannung proportional zu ihren Widerständen an R3 anliegt. Da R3 10x R4 ist, ist das Signal über R3 10x das Signal über R4. Da sich die Spitze von R4 auf 12 V befindet, ist OUT 12 V minus dem Signal über R3, was 12 V minus dem 10-fachen des Signals über R4 entspricht. Auf diese Weise erreicht diese Schaltung eine ziemlich feste Wechselstromverstärkung von 10, solange die Transistorverstärkung erheblich größer als diese ist, beispielsweise 50 oder höher.

Simulieren Sie diese Schaltung, während Sie die Parameter des Transistors ändern. Sehen Sie sich sowohl den DC-Betriebspunkt als auch die Gesamtübertragungsfunktion von IN nach OUT eines Audiosignals an.

1. Was bewirkt, dass das scheinbare Beta mit zunehmendem Basisstrom abnimmt?

Beta ändert sich nicht wirklich. Der Kollektorstrom wird durch Rc begrenzt. Bei Rc = 500 Ω beträgt der maximale Kollektorstrom ca. 18 mA. Bei Rc = 1,2 kΩ beträgt der Maximalstrom ca. 7,5 mA. Dies ergibt sich aus dem Ohmschen Gesetz - 9 V / 1,2 kΩ = 7,5 mA. Mit Beta> 300 benötigen Sie nur 25 uA Basisstrom, um den Kollektorstrom zu maximieren. Das Hinzufügen eines zusätzlichen Basisstroms ändert nichts.

$I_C$

Dieses Datenblatt gibt keine Informationen darüber, wie Beta mit der Temperatur variiert. Beta gegen Ic wird in Frage 4 unten besprochen. Ich habe einige andere Datenblätter überprüft und auch dort keine Temperaturschwankungen festgestellt. Gemäß diesem App-Hinweis steigt der Beta-Wert um etwa 0,5% pro Grad C. Für ein detaillierteres Verständnis könnte die Verwendung des Ebers-Moll-Modells erforderlich sein , das die Temperatur in Form der Wärmespannung (kT / q) umfasst. Ich bin kein BJT-Meister, also kann das vielleicht jemand anderes klären.

$I_C$

Dieser Abschnitt des Datenblattes enthält typische Leistungsmerkmale. Dies sind Durchschnittswerte, die die Abweichung von Einheit zu Einheit nicht anzeigen. Ein typisches Diagramm gibt Ihnen einen Überblick über das Verhalten einer durchschnittlichen Einheit, schränkt dieses Verhalten jedoch in keiner Weise ein. Dafür ist die Tabelle mit den elektrischen Eigenschaften gedacht.

4. Wie kann Beta größer sein als in Abbildung 3 des Datenblattes dargestellt?

Hier passieren zwei Dinge. Erstens ist Ihr Vce nicht wirklich 5 V in Ihrer 5 V-Tabelle, da ein Teil der Spannung über Rc abfällt, sodass diese Zahl nicht Ihren tatsächlichen Stromkreis darstellt. Zweitens ist dies ein weiteres Diagramm, das ein typisches Verhalten zeigt. Was es Ihnen zeigt, ist, dass Beta normalerweise bei ungefähr Ic = 100 mA abfällt. Da das absolute Maximum Ic 100 mA beträgt, sollten Sie erwarten, dass Beta über den Strombereich des Geräts ungefähr konstant ist. In der Abbildung wird 200 als typisches Beta verwendet. Wie Sie der hFE-Klassifizierungstabelle entnehmen können, kann das Beta für einen einzelnen BC548B zwischen 200 und 450 liegen.

5. Wie kann ein Arduino verwendet werden, um die Basis dieses Transistors anzusteuern?

Zunächst müssen Sie den maximalen Dauerausgangsstrom aus dem Datenblatt des Arduino ermitteln. Dies wird wahrscheinlich im Milliampere-Bereich liegen. Ihr Basisstrom muss niedriger sein, was kein Problem sein sollte, da Beta> 200 und Icmax <100 mA. Wenn Sie wissen, wie viel Kollektorstrom Sie benötigen (was Sie sollten), können Sie den minimalen Basisstrom ermitteln:

Damit können Sie einen Basiswiderstand auswählen. Gemäß der Tabelle der elektrischen Eigenschaften des Transistors sollte die Vbe bei 0,7 V liegen. Sie wissen, dass Ihre Arduino-Ausgänge 5 V betragen, daher können Sie jetzt das Ohmsche Gesetz verwenden:

Verbinden Sie diesen Widerstand zwischen dem Arduino IO und der Basis des Transistors. Verbinden Sie den Emitter des Transistors, den Minuspol der 9V-Batterie und die Masse des Arduino miteinander.

Ergänzend zu den Informationen in O. Lathrops Antwort möchte ich ein kurzes Beispiel geben, das Sie überraschen könnte:

Nehmen wir an, Sie haben eine einfache Verstärkungsstufe (wie in Ihrem Beitrag gezeigt) mit einem Transistor mit einer Stromverstärkung von Beta = 200 entworfen . Der Gleichstrom im Ruhezustand ist Ic = 1 mA und die gemessene Spannungsverstärkung (Rc = 2,5 kOhm) ist G = -100 . Wenn Sie nun den Transistor mit einem niedrigeren Wert Beta = 100 ändern, werden Sie feststellen , dass sich die Spannungsverstärkung G NICHT ändert, vorausgesetzt, Sie haben den Vorspannungswiderstand RB auf einen niedrigeren Wert eingestellt, der den gleichen Ruhestrom Ic = 1 mA zulässt. (Dies ist für einen fairen Vergleich notwendig).

Der Grund ist folgender: Die Spannungsverstärkung wird durch die Transkonduktanz gm des Transistors bestimmt (Steigung der Ic = f (Vbe) -Kennlinie). Das heißt: Die "Stromverstärkung" spielt keine Rolle - eine Absenkung des Beta-Wertes von 200 auf 100 erhöht nur den Eingangsstrom, ohne die Spannungsverstärkung zu beeinflussen (solange sich der Arbeitspunkt nicht ändert).