Основні питання транзистора

Я створив показану схему. Я використовую 9В акумулятор (фактично викидаю 9,53В) і 5В, що йдуть від Arduino для тестування як на 9, так і на 5 вольт. Транзистор - це BC 548B (таблиця, яку я використовую, тут ).

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Я провів ряд тестів, змінюючи значення Rb і Rc з наступними результатами, не маю уявлення, чи справді вони правдиві.

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

Мої запитання такі:

1. Я розумію, що з таблиці даних діапазон для цього транзистора може становити від 200 до 450. Я думаю, що причина в тому, що в таблиці з напругою 3 та 4 9В є значення менші за 200, є те, що схема випромінювача колектора наситилася і може ' t зростати будь-яке вище, спричиняючи падіння бета-версії при збільшенні струму Ib. Це правильно?

2. У всіх підручниках, які я переглянув, бета - статичне значення. "Якщо бета-версія є X, розробіть резистор в базі, необхідний для створення струму Y в колекторі". З того часу я читав, що бета буде коливатися з температурою та струмом колектора (я думаю, що це струм колектора). Де я насправді знаходжу ці дані? Де знаходиться таблиця, яка мені говорить про бета-версію Ic? Якщо бета-версія постійно змінюється, як ви насправді вибираєте резидент, який завжди працюватиме та / або має занадто багато струму в тому, що буде завантажено на колектор?

3. На рисунку 1 з аркуша даних видно, що при струмі 50 мкА в базі струм колектора не повинен перевищувати приблизно 11 мА ВІДНОСНО напруги між колектором та випромінювачем. Але з огляду на 9V ref 1 та 5V ref 2, у яких обоє мають Ib ~ 50μA, у мене вищий Ic, ніж зазначено. Чому це? Що насправді розповідає малюнок 1?

4. На рисунку 3 з таблиці видно, що hFE дорівнює 200 для Ic <40mA за Vce = 5V. Це, очевидно, не відбувається, враховуючи всі результати в таблиці 5В в цій публікації. Отже, знову ж таки, що це за графік?

5. Я намагався підключити схему вгору, щоб у мене 9В батарея працювала від колектора до випромінювача, а мій 5V Arduino живив базу, по суті, для чого потрібен транзисторний вимикач. Я думаю, що це скоротить Ардуїно. Як у мене батарея 9В працює від C до E та 5V на кінці основи? Як я насправді проводжу це?

Здається, ваше питання стосується бета-версії або h _FE . Так, це може значно відрізнятися між частинами, навіть від однієї і тієї ж виробничої партії. Він також дещо змінюється залежно від струму колектора та напруги колектора (використовуючи випромінювач як орієнтир 0 В). Однак для будь-якого одного транзистора його коефіцієнт підсилення насправді змінюється досить мало, як функція струму колектора в розумному діапазоні, і якщо припустити, що напруга колектора утримується досить високо.

Важливим моментом у вас, здається, є те, що ви не повинні турбуватися про точний виграш. Хороша схема з біполярними транзисторами працює з мінімальним гарантованим коефіцієнтом посилення над передбачуваною робочою областю, але в іншому випадку чудово працює, коли коефіцієнт підсилення знаходиться десь звідти і нескінченний. Для будь-якого одного транзистора в певній робочій точці немає виходу на лінійку в 10 разів більше, ніж мінімум, гарантований таблицею даних. Враховуючи це при розробці схеми, це дійсно лише незначний крок, щоб переконатися, що схема працює з посиленням транзистора аж до нескінченності.

Проектування такого широкого діапазону посилення може здатися важким, але насправді це не так. В основному це два випадки. Коли транзистор використовується як комутатор, то деякий мінімальний базовий струм, обчислений із мінімально гарантованого посилення, призведе його до насичення. Якщо коефіцієнт підсилення більший, тоді транзистор буде просто більше насичуватися при тому самому базовому струмі, але всі напруги через нього та струми через нього все одно будуть майже однаковими. Інакше кажучи, решта ланцюга (за винятком незвичних випадків) не зможуть визначити різницю між транзистором, що ведеться 2x або 20x, в насичення.

Коли транзистор використовується в його "лінійній" області, тоді негативний зворотний зв'язок використовується для перетворення великого і непередбачуваного посилення в менший, але добре контрольований коефіцієнт посилення. Це той самий принцип, що застосовується для операційних підсилювачів. Зворотний зв'язок постійного та змінного струму може бути різним, причому перше налаштування робочої точки , яке іноді називають зсувом транзистора, а друге, що контролює те, що відбувається, коли бажаний сигнал передається по ланцюгу.

Додано:

Ось приклад схеми, яка є толерантною до широкого діапазону посилення транзистора. Він підсилить невеликі звукові сигнали приблизно в 10 разів, а вихід буде близько 6 В.

Щоб вирішити це вручну, можливо, найпростіше це зробити ітераційно. Почніть з припущення, що OUT - 6В, і працюйте звідти. Оскільки коефіцієнт підсилення нескінченний, току базового струму немає, і напруга в базовому режимі встановлюється безпосередньо дільником R1-R2, незалежно від того, що є. Дільник має коефіцієнт підсилення 1/6, тому база знаходиться на рівні 1,00 В. Мінус падіння BE 600 мВ, що ставить випромінювач на 400 мВ, а струми випромінювача та колектора на 400 мкА. Шлях R1-R2 притягує 50 мкА, тож сумарна кількість, що виводиться з нього 450 МкА, тому падіння через R3 становить 4,5 В, тож вихідний показник становить 7,5 В. Тепер перегляньте вищезгадані розрахунки, припускаючи, що ВІД 7,5 В, а може бути ще раз після цього. Ви побачите, що результати швидко збігаються.

Це насправді один з небагатьох випадків, коли симулятор корисний. Основна проблема симуляторів полягає в тому, що вони дають вам дуже точні та авторитетні відповіді, незважаючи на те, що вхідні параметри є невиразними. Однак у цьому випадку ми хочемо побачити вплив зміни просто посилення транзистора, тому тренажер може піклуватися про всі роботи, які виконуються нами, як це було зроблено вище. Ще корисно пройти процес у попередньому абзаці один раз, щоб відчути, що відбувається, як тільки поглянути на результати моделювання до 4 десяткових знаків.

У будь-якому випадку, ви можете придумати точку зміщення постійного струму для схеми вище, припускаючи нескінченне посилення. Тепер припустимо посилення транзистора 50 і повторіть. Ви побачите, що рівень постійного струму OUT лише незначно змінюється.

Ще одне, що слід зазначити, є дві форми постійного зв’язку постійного струму, але лише одна для аудіосигналів змінного струму.

Оскільки верхівка R1 підключена до OUT, вона забезпечує деякий зворотний зв'язок постійного струму, що робить робочу точку більш стабільною та менш чутливою до точних характеристик транзистора. Якщо OUT піднімається вгору, струм в базі Q1 піднімається вгору, що робить більше струму колектора, що змушує OUT знижуватися. Однак цей шлях зворотного зв'язку не поширюється на аудіосигнал. Імпеданс, що дивиться в дільник R1-R2, - R1 // R2 = 17 кОм. Високочастотна частота перекидання фільтру, утворена С1, і ця 17 кОм становить 9,5 Гц. Навіть при 20 Гц R1 // R2 не сильно навантажує сигнал, що надходить через С1, і він стає більш неактуальним пропорційним частоті. По-іншому, R1 і R2 допомагають встановити точку зміщення постійного струму, але не перешкоджайте передбаченому звуковому сигналу.

На відміну від цього, R4 забезпечує негативний зворотний зв'язок як для постійного струму, і для змінного струму. Поки коефіцієнт посилення транзистора "великий", то струм випромінювача досить близький до такого ж, як і струм колектора. Це означає, що напруга в межах R4 з’явиться через R3 пропорційно їх опорам. Оскільки R3 дорівнює 10x R4, сигнал через R3 буде 10x, сигнал через R4. Оскільки верхня частина R4 знаходиться на 12 В, вихідний стан - 12 В мінус сигнал через R3, що становить 12 В мінус 10x сигнал через R4. Ось таким чином ця схема досягає досить фіксованого змінного коефіцієнта змінного струму 10, якщо посилення транзистора значно більше, ніж 50, або більше.

Вперед і моделюйте цю схему, змінюючи параметри транзистора. Подивіться як на робочу точку постійного струму, так і на загальну функцію передачі аудіосигналу з IN в вихід.

1. Що спричиняє явне зменшення бета-версії в міру збільшення базового струму?

Бета-версія насправді не змінюється. Струм колектора обмежений Rc. При Rc = 500 Ом максимальний струм колектора становить близько 18 мА. При Rc = 1,2 кОм максимальний струм становить приблизно 7,5 мА. Це походить із закону Ома - 9 В / 1,2 кОм = 7,5 мА. При бета> 300 вам потрібно лише 25 мкА базового струму, щоб максимально збільшити струм колектора. Додавання додаткового базового струму нічого не змінює.

$I_C$

Цей лист не дає ніякої інформації про те, як змінюється бета-версія в залежності від температури. Beta vs. Ic обговорюється у питанні 4 нижче. Я перевірив декілька інших таблиць даних і там також не побачив жодних змін температури. Відповідно до цього додатка , бета збільшується приблизно на 0,5% на градус С. Для більш детального розуміння може знадобитися використання моделі Ebers-Moll , яка включає температуру у вигляді теплової напруги (кТ / q). Я не майстер BJT, тому, можливо, хтось ще може це прояснити.

$I_C$

Цей розділ аркуша дає типові характеристики продуктивності. Це середні значення, які не показують різницю від одиниці до одиниці. Типовий графік дає уявлення про поведінку середньої одиниці, але це жодним чином не дає фактичних обмежень на цю поведінку. Ось для чого складається таблиця електричних характеристик.

4. Як бета-версія може бути більшою за показник, показаний на малюнку 3?

Тут відбуваються дві речі. По-перше, ваш Vce насправді не 5В у вашій таблиці 5В, оскільки частина напруги падає через Rc, тому ця цифра не представляє вашої фактичної схеми. По-друге, це ще одна діаграма, що показує типову поведінку. Що вам показує, це те, що бета-версія зазвичай починає випадати на рівні близько Ic = 100 мА. Оскільки абсолютний максимум Ic становить 100 мА, це означає, що ви повинні очікувати, що бета буде приблизно постійною в поточному діапазоні пристрою. На малюнку використовується 200 як типова бета-версія, але як видно з таблиці класифікації hFE, бета-версія для окремої BC548B може бути від 200 до 450.

5. Як можна використовувати Arduino для керування базою цього транзистора?

По-перше, вам потрібно буде отримати максимальний безперервний вихідний струм з аркуша Arduino. Це, мабуть, буде в діапазоні міліам. Базовий струм повинен бути меншим, ніж це, що не повинно бути проблемою, оскільки бета> 200 та Icmax <100 мА. Якщо ви знаєте, скільки струму колектора вам потрібно (який вам слід), ви можете визначити мінімальний базовий струм:

Це дозволить вибрати базовий резистор. Відповідно до таблиці електричних характеристик транзистора, Vbe повинен становити близько 0,7 В. Ви знаєте, що ваші Arduino виходять 5 В, тож тепер ви можете використовувати закон Ома:

Підключіть цей опір між IO Arduino і базою транзистора. З'єднайте транзисторний випромінювач, негативний клем акумулятора 9 В та заземлення Arduino.

Доповнюючи інформацію, надану у відповіді О. Летропа, я хочу навести короткий приклад, який може вас здивувати:

Припустимо, ви створили простий етап посилення (як показано у вашому дописі) за допомогою транзистора з поточним посиленням бета = 200 . Струм спокою постійного струму Ic = 1mA, а вимірюваний коефіцієнт посилення напруги (Rc = 2,5 км) становить G = -100 . Тепер - якщо ви зміните транзистор із меншим значенням бета = 100, ви помітите, що посилення напруги G НЕ зміниться - за умови, що ви налаштували резистор зміщення RB на нижче значення, яке дозволяє той же струм спокою Ic = 1mA. (Це необхідно для справедливого порівняння).

Причина полягає в наступному: Коефіцієнт підсилення напруги визначається через надпровідність gm транзистора (нахил Ic = f (Vbe) характеристики). Це означає: "Підсилення струму" не грає ніякої ролі - зниження бета-значення з 200 до 100 збільшує тільки вхідний струм, не впливаючи на посилення напруги (до тих пір, поки робоча точка не зміниться).