Основные вопросы по транзисторам

Кажется, ваш вопрос касается бета-версии или h _FE . Да, это может значительно различаться между деталями, даже из одной и той же производственной партии. Он также несколько зависит от тока коллектора и напряжения коллектора (используя эмиттер в качестве эталона 0 В). Однако для любого транзистора его коэффициент усиления на самом деле довольно мало меняется в зависимости от тока коллектора в разумном диапазоне, при условии, что напряжение на коллекторе поддерживается достаточно высоким.

Кажется, вы упускаете важный момент: вам не следует беспокоиться о точном выигрыше. Хорошая схема с биполярными транзисторами работает с минимальным гарантированным усилением в предполагаемой рабочей области, но в остальном работает нормально с коэффициентом усиления от нуля до бесконечности. Любой транзистор в конкретной рабочей точке может иметь в 10 раз больше коэффициента усиления, чем минимум, гарантированный таблицей данных. Если принять это во внимание при проектировании схемы, это всего лишь небольшой шаг, чтобы убедиться, что схема работает с коэффициентом усиления транзистора вплоть до бесконечности.

Разработка для такого широкого диапазона усиления может показаться сложной, но на самом деле это не так. Есть в основном два случая. Когда транзистор используется в качестве переключателя, то некоторый минимальный базовый ток, вычисленный из минимального гарантированного коэффициента усиления, приведет его в состояние насыщения. Если коэффициент усиления выше, то транзистор просто больше насыщается при том же базовом токе, но все напряжения на нем и токи через него останутся почти такими же. Иными словами, остальная часть схемы (за исключением необычных случаев) не сможет определить разницу между транзистором, работающим в режиме насыщения 2x или 20x.

Когда транзистор используется в его «линейной» области, то используется отрицательная обратная связь для преобразования большого и непредсказуемого коэффициента усиления в меньший, но хорошо контролируемый коэффициент усиления. Тот же принцип используется с операционными усилителями. Обратная связь по постоянному и переменному току может быть разной: первая задает рабочую точку , иногда называемую смещением транзистора, а вторая управляет тем, что происходит, когда желаемый сигнал проходит через цепь.

Добавлен:

Вот пример схемы, которая терпима к широкому диапазону усиления транзистора. Он будет усиливать слабые аудиосигналы примерно в 10 раз, а выходное напряжение составит около 6 В.

Чтобы решить это вручную, вероятно, проще всего сделать это итеративно. Начните с предположения, что OUT составляет 6 В, и работайте оттуда. Так как коэффициент усиления бесконечен, базовый ток отсутствует, а базовое напряжение устанавливается непосредственно делителем R1-R2 с любого OUT. Делитель имеет коэффициент усиления 1/6, поэтому база находится на уровне 1,00 В. Минус падение BE в 600 мВ, что дает эмиттеру 400 мВ, а токи эмиттера и коллектора равны 400 мкА. Путь R1-R2 потребляет 50 мкА, таким образом, общее значение, потребляемое от OUT, составляет 450 мкA, поэтому падение на R3 составляет 4,5 В, поэтому OUT составляет 7,5 В. Теперь снова выполните приведенные выше расчеты, предполагая, что OUT составляет 7,5 В, и, возможно, еще раз после этого. Вы увидите, что результаты быстро сходятся.

На самом деле это один из немногих случаев, когда симулятор полезен. Основная проблема с симуляторами заключается в том, что они дают очень точные и авторитетные ответы, несмотря на расплывчатость входных параметров. Однако в этом случае мы хотим увидеть влияние изменения только коэффициента усиления транзистора, поэтому симулятор может позаботиться обо всей рутинной работе за нас, как это было сделано выше. По-прежнему полезно один раз пройти через процесс, описанный в предыдущем абзаце, чтобы понять, что происходит, в отличие от простого просмотра результатов моделирования с точностью до 4 знаков после запятой.

В любом случае, вы можете подобрать точку смещения постоянного тока для приведенной выше схемы, предполагая бесконечное усиление. Теперь предположим, что коэффициент усиления транзистора равен 50, и повторите. Вы увидите, что уровень постоянного тока на выходе OUT изменяется лишь немного.

Следует также отметить, что существует две формы обратной связи по постоянному току, но только одна для аудиосигналов переменного тока.

Поскольку верхняя часть резистора R1 подключена к OUT, он обеспечивает некоторую обратную связь по постоянному току, что делает рабочую точку более стабильной и менее чувствительной к точным характеристикам транзистора. Если OUT увеличивается, ток в базе Q1 увеличивается, что увеличивает ток коллектора, что приводит к уменьшению OUT. Однако этот путь обратной связи не применяется к звуковому сигналу. Полное сопротивление делителя R1-R2 составляет R1//R2 = 17 кОм. Частота спада фильтра верхних частот, образованная конденсатором C1 и этими 17 кОм, составляет 9,5 Гц. Даже при частоте 20 Гц резисторы R1//R2 не сильно нагружают сигнал, проходящий через C1, и он становится более неуместным пропорционально частоте. Другими словами, R1 и R2 помогают установить точку смещения постоянного тока, но не мешают прохождению предполагаемого аудиосигнала.

Напротив, R4 обеспечивает отрицательную обратную связь как для постоянного, так и для переменного тока. Пока коэффициент усиления транзистора «большой», ток эмиттера достаточно близок к току коллектора. Это означает, что любое напряжение на R4 появится на R3 пропорционально их сопротивлениям. Поскольку R3 в 10 раз больше R4, сигнал на R3 будет в 10 раз больше сигнала на R4. Поскольку верхняя часть R4 находится на уровне 12 В, выходное напряжение равно 12 В минус сигнал на R3, что составляет 12 В минус 10-кратный сигнал на R4. Вот как эта схема достигает довольно фиксированного коэффициента усиления по переменному току, равного 10, пока коэффициент усиления транзистора значительно больше, например, 50 или выше.

Идем дальше и смоделируем эту схему, изменяя параметры транзистора. Посмотрите как на рабочую точку постоянного тока, так и на общую передаточную функцию аудиосигнала от IN к OUT.

1. Что вызывает кажущееся уменьшение бета по мере увеличения тока базы?

Бета на самом деле не меняется. Ток коллектора ограничен Rc. При Rc = 500 Ом максимальный ток коллектора составляет около 18 мА. При Rc = 1,2 кОм максимальный ток составляет около 7,5 мА. Это следует из закона Ома — 9 В / 1,2 кОм = 7,5 мА. При бета > 300 вам потребуется всего 25 мкА тока базы, чтобы максимально увеличить ток коллектора. Добавление дополнительного базового тока ничего не меняет.

2. Где в таблице данных описывается поведение бета по отношению к температуре и$I_C$?

Это техническое описание не дает никакой информации о том, как бета зависит от температуры. Бета против Ic обсуждается в вопросе 4 ниже. Я проверил несколько других таблиц данных и не увидел там никаких изменений температуры. Согласно этому примечанию к приложению , бета увеличивается примерно на 0,5% на градус Цельсия. Для более детального понимания может потребоваться использование модели Эберса-Молля , которая включает температуру в форме теплового напряжения (kT/q). Я не мастер BJT, поэтому, возможно, кто-то еще может это прояснить.

3. Как можно$I_C$быть больше, чем показано на рисунке 1 таблицы данных?

В этом разделе таблицы данных приведены типичные рабочие характеристики. Это средние значения, которые не показывают изменения от единицы к единице. Типичный график дает представление о поведении среднего юнита, но никоим образом не дает фактических ограничений на это поведение. Вот для чего предназначена таблица электрических характеристик.

4. Как бета может быть больше, чем показано на Рисунке 3 таблицы данных?

Здесь происходят две вещи. Во-первых, ваш Vce на самом деле не равен 5 В в вашей таблице 5 В, поскольку часть напряжения падает на Rc, поэтому этот рисунок не представляет вашу реальную схему. Во-вторых, это еще одна диаграмма, показывающая типичное поведение. Он показывает, что бета обычно начинает падать примерно при Ic = 100 мА. Поскольку абсолютный максимум Ic составляет 100 мА, это означает, что бета должна быть примерно постоянной во всем диапазоне тока устройства. На рисунке в качестве типичной бета-версии используется 200, но, как вы можете видеть из таблицы классификации hFE, бета для отдельного BC548B может составлять от 200 до 450.

5. Как можно использовать Arduino для управления базой этого транзистора?

Во-первых, вам нужно получить максимальный непрерывный выходной ток из таблицы данных Arduino. Это, вероятно, будет в диапазоне миллиампер. Ваш базовый ток должен быть меньше, что не должно быть проблемой, поскольку бета > 200 и Icmax < 100 мА. Если вы знаете, какой ток коллектора вам нужен (а вы должны), вы можете вычислить минимальный базовый ток:

Это позволит вам выбрать базовый резистор. Согласно таблице электрических характеристик транзистора, напряжение Vbe должно быть около 0,7 В. Вы знаете, что выход Arduino составляет 5 В, поэтому теперь вы можете использовать закон Ома:

Подключите это сопротивление между Arduino IO и базой транзистора. Соедините вместе эмиттер транзистора, отрицательную клемму 9-вольтовой батареи и землю Arduino.

В дополнение к информации, приведенной в ответе О. Латропа, я хотел бы привести короткий пример, который может вас удивить:

Предположим, вы разработали простой каскад усиления (как показано в вашем посте) с использованием транзистора с коэффициентом усиления по току бета=200 . Постоянный ток покоя составляет Ic=1 мА , а коэффициент усиления по измеренному напряжению (Rc=2,5 кОм) составляет G=-100 Ом . Теперь - если вы замените транзистор с более низким значением бета = 100 , вы увидите, что коэффициент усиления по напряжению G НЕ изменится - при условии, что вы настроили резистор смещения RB на более низкое значение, которое обеспечивает тот же ток покоя Ic = 1 мА. (Это необходимо для корректного сравнения).

Причина в следующем: коэффициент усиления по напряжению определяется крутизной gm транзистора (наклон характеристики Ic=f(Vbe)). Это означает: «Коэффициент усиления по току» не играет роли — снижение значения бета с 200 до 100 увеличивает только входной ток, не влияя на коэффициент усиления по напряжению (пока рабочая точка не меняется).