Domande di base sui transistor

Ho creato il circuito mostrato. Sto usando una batteria da 9 V (effettivamente lanciando 9,53 V) e 5 V provenienti da un Arduino per testare sia con 9 che a 5 volt. Il transistor è un BC 548B (la scheda tecnica che sto usando è qui ).

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ho condotto un numero di test cambiando i valori di Rb e Rc con i seguenti risultati, non ho idea se siano effettivamente corretti.

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

Le mie domande sono le seguenti;

1. Capisco che dal foglio dati, l'intervallo per questo transistor può variare da 200 a 450. Penso che il motivo per cui ci sono valori inferiori a 200 nella tabella 3V rif 3 e 4 sia dovuto al fatto che il circuito dell'emettitore del collettore è saturo, e può ' t aumenta ulteriormente, causando la caduta della beta all'aumentare della corrente Ib. È corretto?

2. In tutti i libri di testo che ho visto, la beta è un valore statico. "Se la beta è X, calcola il resister nella base necessario per creare una corrente di Y nel collettore". Da allora ho letto che la beta fluttuerà con la temperatura e la corrente del collettore (penso che sia la corrente del collettore). Dove trovo effettivamente questi dati? Dov'è la tabella che mi dice beta vs Ic? Se la beta varia costantemente, come si seleziona effettivamente un resister che funzionerà sempre e / o si ha troppa corrente su ciò che sarebbe caricato sul raccoglitore?

3. La Figura 1 dal foglio dati mostra che con una corrente di 50 μA nella base, la corrente del collettore non deve superare circa 11 mA A prescindere dalla tensione tra il collettore e l'emettitore. Ma dato 9V ref 1 e 5V ref 2, che hanno entrambi Ib ~ 50μA ho un Ic più alto di quanto dichiarato. Perchè è questo? Cosa mi sta dicendo la Figura 1?

4. La Figura 3 dal foglio dati mostra che l'hFE è 200 per Ic <40mA dato Vce = 5V. Ciò ovviamente non sta accadendo alla luce di tutti i risultati nella tabella 5V in questo post. Quindi di nuovo, cos'è questo grafico?

5. Ho provato a collegare il circuito in modo che la mia batteria da 9 V funzionasse dal collettore all'emettitore e il mio Arduino da 5 V alimentasse la base, essenzialmente per cosa serve un interruttore a transistor. Penso che sta andando in corto l'Arduino. Come faccio a far funzionare la batteria da 9 V da C a E e 5 V all'estremità della base? Come posso effettivamente collegarlo?

La tua domanda sembra riguardare beta o h _FE . Sì, questo può variare in modo significativo tra le parti, anche dallo stesso lotto di produzione. Inoltre varia leggermente con la corrente del collettore e la tensione del collettore (usando l'emettitore come riferimento 0 V). Tuttavia, per ogni transistor, il suo guadagno in realtà varia piuttosto poco in funzione della corrente del collettore in un intervallo ragionevole, e supponendo che la tensione del collettore sia mantenuta abbastanza elevata.

Il punto importante che sembra mancare è che non dovresti preoccuparti del guadagno esatto. Un buon circuito con transistor bipolari funziona con il guadagno minimo garantito rispetto alla regione operativa prevista, ma altrimenti funziona bene con il guadagno che va da lì all'infinito. Non è fuori linea per un singolo transistor in un particolare punto operativo avere un guadagno 10 volte maggiore rispetto al minimo garantito dal foglio dati. Dopo averne tenuto conto nel progetto del circuito, è davvero solo un piccolo passo per assicurarsi che il circuito funzioni con il guadagno del transistor fino all'infinito.

Progettare per una gamma così ampia di guadagni può sembrare difficile, ma in realtà non lo è. Ci sono fondamentalmente due casi. Quando il transistor viene utilizzato come interruttore, allora una minima corrente di base, calcolata dal guadagno minimo garantito, lo porterà in saturazione. Se il guadagno è più alto, allora il transistor sarà solo più in saturazione alla stessa corrente di base, ma tutte le tensioni che lo attraversano e le correnti che lo attraversano saranno praticamente le stesse. Detto in altro modo, il resto del circuito (tranne casi insoliti) non sarà in grado di dire la differenza tra il transistor guidato 2x o 20x in saturazione.

Quando il transistor viene utilizzato nella sua regione "lineare", il feedback negativo viene utilizzato per convertire il guadagno grande e imprevedibile in un guadagno più piccolo ma ben controllato. Questo è lo stesso principio usato con gli opamp. Il feedback CC e CA può essere diverso, con la prima impostazione del punto operativo , a volte indicata come polarizzazione del transistor, e la seconda che controlla ciò che accade quando il segnale desiderato viene passato attraverso il circuito.

Inserito il:

Ecco un esempio di circuito che tollera un'ampia gamma di guadagni transistor. Amplificerà i piccoli segnali audio di circa 10x e l'uscita sarà di circa 6 V.

Per risolverlo manualmente, è probabilmente più semplice farlo in modo iterativo. Inizia supponendo che OUT sia 6V, e lavora da lì. Poiché il guadagno è infinito, non esiste corrente di base e la tensione di base viene impostata direttamente dal divisore R1-R2 da qualunque OUT. Il divisore ha un guadagno di 1/6, quindi la base è a 1,00 V. Meno la caduta BE di 600 mV, che porta l'emettitore a 400 mV e le correnti dell'emettitore e del collettore a 400 µA. Il percorso R1-R2 assorbe 50 µA, quindi il totale disegnato da OUT è 450 µA, quindi la caduta su R3 è 4,5 V, quindi OUT è a 7,5 V. Ora ripassa di nuovo i calcoli sopra assumendo che OUT sia 7,5 V, e forse ancora una volta. Vedrai i risultati convergere rapidamente.

Questo è in realtà uno dei pochi casi in cui un simulatore è utile. Il problema principale con i simulatori è che ti danno risposte molto accurate e autorevoli nonostante i parametri di input siano vaghi. Tuttavia, in questo caso vogliamo vedere l'effetto della modifica del solo guadagno del transistor, quindi un simulatore può prendersi cura di tutto il lavoro del drudge per noi, come eseguito sopra. È ancora utile seguire il processo nel paragrafo precedente una volta per avere un'idea di ciò che sta succedendo, visto che basta guardare i risultati di una simulazione con 4 cifre decimali.

In ogni caso, è possibile trovare il punto di polarizzazione CC per il circuito sopra assumendo un guadagno infinito. Ora assume un guadagno di 50 per il transistor e ripeti. Vedrai che il livello DC di OUT cambia solo leggermente.

Un'altra cosa da notare è che ci sono due forme di feedback DC, ma solo una per i segnali audio AC.

Poiché la parte superiore di R1 è collegata a OUT, fornisce un feedback CC che rende il punto operativo più stabile e meno sensibile alle esatte caratteristiche del transistor. Se OUT sale, la corrente nella base di Q1 aumenta, il che aumenta la corrente del collettore e fa scendere OUT. Tuttavia, questo percorso di feedback non si applica al segnale audio. L'impedenza che osserva nel divisore R1-R2 è R1 // R2 = 17 kΩ. La frequenza di rolloff del filtro passa-alto formata da C1 e questo 17 kΩ è 9,5 Hz. Anche a 20 Hz, R1 // R2 non è un gran carico sul segnale che passa attraverso C1 e diventa più irrilevante proporzionale alla frequenza. Detto in altro modo, R1 e R2 aiutano a impostare il punto di polarizzazione DC, ma non ostacolare il segnale audio previsto.

Al contrario, R4 fornisce un feedback negativo sia per DC che per AC. Finché il guadagno del transistor è "grande", la corrente dell'emettitore è abbastanza vicina allo stesso della corrente del collettore. Ciò significa che qualunque tensione sia attraverso R4 apparirà attraverso R3 in proporzione alle loro resistenze. Poiché R3 è 10x R4, il segnale attraverso R3 sarà 10x il segnale attraverso R4. Poiché la parte superiore di R4 è a 12 V, OUT è 12 V meno il segnale su R3, ovvero 12 V meno 10 volte il segnale su R4. Questo è il modo in cui questo circuito raggiunge un guadagno CA abbastanza fisso di 10 purché il guadagno del transistor sia significativamente più grande di quello, come 50 o superiore.

Procedi e simula questo circuito variando i parametri del transistor. Osserva sia il punto operativo DC sia quale sia la funzione di trasferimento complessiva da IN a OUT di un segnale audio.

1. Che cosa causa l'apparente riduzione della beta all'aumentare della corrente di base?

La beta non sta davvero cambiando. La corrente del collettore è limitata da Rc. Con Rc = 500 Ω, la corrente massima del collettore è di circa 18 mA. Con Rc = 1,2 kΩ, la corrente massima è di circa 7,5 mA. Questo deriva dalla legge di Ohm - 9 V / 1,2 kΩ = 7,5 mA. Con beta> 300, sono necessari solo 25 uA di corrente di base per massimizzare la corrente del collettore. L'aggiunta di corrente di base extra non cambia nulla.

$I_C$

Questa scheda tecnica non fornisce alcuna informazione su come la beta varia con la temperatura. Beta vs. Ic è discussa nella domanda 4 di seguito. Ho controllato alcuni altri fogli di dati e non ho visto alcuna variazione di temperatura lì. Secondo questa nota dell'app , la beta aumenta di circa lo 0,5% per grado C. Una comprensione più dettagliata potrebbe richiedere l'uso del modello Ebers-Moll , che include la temperatura sotto forma di tensione termica (kT / q). Non sono un maestro BJT, quindi forse qualcun altro può chiarire questo.

$I_C$

Questa sezione della scheda tecnica fornisce le caratteristiche prestazionali tipiche . Questi sono valori medi che non mostrano la variazione da unità a unità. Un grafico tipico ti dà un'idea del comportamento di un'unità media, ma non fornisce in alcun modo limiti reali a quel comportamento. Ecco a cosa serve la tabella delle caratteristiche elettriche.

4. Come può la beta essere maggiore di quanto mostrato nella Figura 3 della scheda tecnica?

Qui stanno accadendo due cose. Innanzitutto, il tuo Vce non è in realtà 5 V nella tabella 5 V, poiché una parte della tensione è caduta su Rc, quindi questa cifra non rappresenta il tuo circuito reale. In secondo luogo, questo è un altro diagramma che mostra un comportamento tipico. Ciò che ti mostra è che la beta in genere inizia a scendere a circa Ic = 100 mA. Poiché il valore massimo assoluto di Ic è 100 mA, ciò significa che dovresti aspettarti che la beta sia all'incirca costante nell'intervallo corrente del dispositivo. La figura usa 200 come una tipica beta, ma come puoi vedere dalla tabella di classificazione hFE, la beta per un singolo BC548B potrebbe essere compresa tra 200 e 450.

5. Come si può usare un Arduino per pilotare la base di questo transistor?

Innanzitutto, dovrai ottenere la massima corrente di uscita continua dal foglio dati di Arduino. Questo sarà probabilmente nella gamma dei milliampere. La corrente di base deve essere inferiore a quella, il che non dovrebbe essere un problema poiché beta> 200 e Icmax <100 mA. Se sai di quanta corrente di raccolta hai bisogno (che dovresti), puoi capire la corrente di base minima:

Ciò ti consentirà di scegliere una resistenza di base. Secondo la tabella delle caratteristiche elettriche del transistor, il Vbe dovrebbe essere di circa 0,7 V. Sai che le tue uscite Arduino 5V, quindi ora puoi usare la legge di Ohm:

Collegare questa resistenza tra Arduino IO e la base del transistor. Collegare l'emettitore del transistor, il terminale negativo della batteria da 9 V e la massa dell'Arduino insieme.

Completando le informazioni fornite nella risposta di O. Lathrop, mi piace fare un breve esempio che potrebbe sorprenderti:

Supponiamo che tu abbia progettato un semplice stadio di guadagno (come mostrato nel tuo post) usando un transistor con un guadagno attuale di beta = 200 . La corrente CC quiescente è Ic = 1mA e il guadagno di tensione misurato (Rc = 2,5kohms) è G = -100 . Ora - se si cambia il transistor con un valore inferiore beta = 100, si noterà che il guadagno di tensione G NON cambierà - a condizione che il resistore di polarizzazione RB sia stato regolato su un valore più basso che consenta la stessa corrente di riposo Ic = 1mA. (Questo è necessario per un confronto equo).

Il motivo è il seguente: il guadagno di tensione è determinato dalla transconduttanza gm del transistor (pendenza della caratteristica Ic = f (Vbe)). Ciò significa che il "guadagno di corrente" non ha alcun ruolo: l'abbassamento del valore beta da 200 a 100 aumenta solo la corrente di ingresso, senza influenzare il guadagno di tensione (purché il punto di funzionamento non cambi).