Grundlegende Transistorfragen

Ihre Frage scheint sich auf Beta oder h _FE zu beziehen . Ja, dies kann zwischen Teilen erheblich variieren, sogar aus 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 tatsächlich eher wenig als Funktion des Kollektorstroms über einen vernünftigen Bereich und vorausgesetzt, die Kollektorspannung wird hoch genug gehalten.

Der große Punkt, den Sie zu übersehen scheinen, ist, dass Sie sich keine Gedanken über den genauen Gewinn machen sollten. Eine gute Schaltung mit bipolaren Transistoren arbeitet mit der garantierten Mindestverstärkung über den beabsichtigten Betriebsbereich, funktioniert aber ansonsten gut, wenn die Verstärkung irgendwo zwischen dort und unendlich liegt. Es ist nicht unüblich, dass ein Transistor an einem bestimmten Arbeitspunkt 10x mehr Verstärkung hat als das im Datenblatt garantierte Minimum. Nachdem dies beim Schaltungsdesign berücksichtigt wurde, ist es wirklich nur ein kleiner Schritt, um sicherzustellen, dass die Schaltung mit der Verstärkung des Transistors bis ins Unendliche funktioniert.

Das Entwerfen für einen so großen Verstärkungsbereich mag schwierig klingen, ist es aber eigentlich nicht. Grundsätzlich gibt es zwei Fälle. Wenn der Transistor als Schalter verwendet wird, treibt ihn ein minimaler Basisstrom, der aus der garantierten Mindestverstärkung berechnet wird, in die Sättigung. Wenn die Verstärkung höher ist, befindet sich der Transistor bei gleichem Basisstrom nur mehr in der Sättigung, aber alle Spannungen und Ströme durch ihn sind immer noch ziemlich gleich. Anders ausgedrückt, der Rest der Schaltung (außer in ungewöhnlichen Fällen) 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, das bei Operationsverstärkern verwendet wird. Die DC- und AC-Rückkopplung kann unterschiedlich sein, wobei die erste den Arbeitspunkt einstellt , der manchmal als Vorspannung des Transistors bezeichnet wird, und die 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 der Ausgang beträgt etwa 6 V.

Um dies manuell zu lösen, ist es wahrscheinlich am einfachsten, es iterativ zu tun. 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 durch den R1-R2-Teiler von dem eingestellt, was OUT ist. Der Teiler hat eine Verstärkung von 1/6, also liegt die Basis 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 bringt. Der R1-R2-Pfad zieht 50 µA, also beträgt die Gesamtmenge, die von OUT gezogen wird, 450 µA, also beträgt der Abfall über R3 4,5 V, also liegt OUT bei 7,5 V. Gehen Sie nun die obigen Berechnungen erneut durch, wobei Sie davon ausgehen, dass OUT 7,5 V beträgt, und vielleicht danach noch einmal. Sie werden sehen, dass die Ergebnisse schnell konvergieren.

Dies ist tatsächlich einer der wenigen Fälle, in denen ein Simulator nützlich ist. Das Hauptproblem bei Simulatoren besteht darin, dass sie Ihnen sehr genaue und maßgeblich aussehende Antworten geben, obwohl die Eingabeparameter vage sind. In diesem Fall möchten wir jedoch sehen, wie sich die Änderung nur der Transistorverstärkung auswirkt, sodass ein Simulator die gesamte Plackerei für uns erledigen kann, wie oben ausgeführt. Es ist immer noch sinnvoll, den Prozess im vorherigen Absatz einmal durchzugehen, um ein Gefühl dafür zu bekommen, was vor sich geht, anstatt nur die Ergebnisse einer Simulation auf 4 Dezimalstellen zu betrachten.

In jedem Fall können Sie den DC-Vorspannungspunkt 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. Sie werden sehen, dass sich der DC-Pegel von OUT nur geringfügig ändert.

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

Da die Oberseite von R1 mit OUT verbunden ist, bietet es eine gewisse DC-Rückkopplung, die den Arbeitspunkt stabiler und weniger empfindlich gegenüber den genauen Transistoreigenschaften macht. Wenn OUT steigt, steigt der Strom in die Basis von Q1, wodurch mehr Kollektorstrom erzeugt wird, wodurch OUT abfällt. Dieser Rückkopplungspfad gilt jedoch nicht für das Audiosignal. Die Impedanz mit Blick auf den R1-R2-Teiler beträgt R1//R2 = 17 kΩ. Die Rolloff-Frequenz des Hochpassfilters, die durch C1 und diese 17 kΩ gebildet wird, beträgt 9,5 Hz. Selbst bei 20 Hz belastet R1//R2 das durch C1 kommende Signal kaum und wird proportional zur Frequenz irrelevanter. Anders ausgedrückt, R1 und R2 helfen beim Einstellen des DC-Bias-Punkts, stören aber nicht das beabsichtigte Audiosignal.

Im Gegensatz dazu bietet R4 sowohl für DC als auch für AC eine negative Rückkopplung. Solange die Verstärkung des Transistors "groß" ist, ist der Emitterstrom nahe genug am Kollektorstrom. Dies bedeutet, dass jede Spannung, die an R4 anliegt, proportional zu ihren Widerständen an R3 erscheint. Da R3 das 10-fache von R4 ist, ist das Signal über R3 das 10-fache des Signals über R4. Da die Spitze von R4 bei 12 V liegt, beträgt 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 AC-Verstärkung von 10, solange die Transistorverstärkung deutlich größer ist, z. B. 50 oder höher.

Gehen Sie voran und simulieren Sie diese Schaltung, während Sie die Parameter des Transistors variieren. Sehen Sie sich sowohl den DC-Arbeitspunkt als auch die Gesamtübertragungsfunktion von IN nach OUT eines Audiosignals an.

1. Was verursacht die scheinbare Beta-Abnahme bei steigendem Basisstrom?

Beta ändert sich nicht wirklich. Der Kollektorstrom wird durch Rc begrenzt. Bei Rc = 500 Ω beträgt der maximale Kollektorstrom etwa 18 mA. Bei Rc = 1,2 kΩ beträgt der maximale Strom etwa 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 von zusätzlichem Basisstrom ändert nichts.

2. Wo beschreibt das Datenblatt das Verhalten von Beta vs. Temperatur und$I_C$?

Dieses Datenblatt gibt keine Auskunft darüber, wie sich Beta mit der Temperatur ändert. Beta vs. Ic wird in Frage 4 unten diskutiert. Ich habe ein paar andere Datenblätter überprüft und auch dort keine Temperaturschwankungen festgestellt. Laut dieser App-Note steigt Beta um etwa 0,5 % pro Grad C. Ein genaueres Verständnis erfordert möglicherweise die Verwendung des Ebers-Moll-Modells , das die Temperatur in Form der Thermospannung (kT/q) enthält. Ich bin kein BJT-Meister, also kann das vielleicht jemand anderes klären.

3. Wie kann$I_C$größer sein als in Abbildung 1 des Datenblatts gezeigt?

Dieser Abschnitt des Datenblatts enthält typische Leistungsmerkmale. Dies sind Durchschnittswerte, die die Variation von Einheit zu Einheit nicht zeigen. Ein typisches Diagramm gibt Ihnen eine Vorstellung vom Verhalten einer durchschnittlichen Einheit, aber es gibt in keiner Weise tatsächliche Grenzen für dieses Verhalten. Dafür ist die Tabelle der elektrischen Eigenschaften gedacht.

4. Wie kann Beta größer sein als in Abbildung 3 des Datenblatts gezeigt?

Hier passieren zwei Dinge. Erstens ist Ihr Vce in Ihrer 5-V-Tabelle nicht wirklich 5 V, da ein Teil der Spannung über Rc abfällt, sodass diese Zahl nicht Ihre tatsächliche Schaltung darstellt. Zweitens ist dies ein weiteres Diagramm, das typisches Verhalten zeigt. Was es Ihnen zeigt, ist, dass Beta typischerweise bei etwa Ic = 100 mA abfällt. Da der absolute Höchstwert von Ic 100 mA beträgt, bedeutet dies, dass Sie davon ausgehen sollten, dass Beta über den Strombereich des Geräts ungefähr konstant ist. Die Abbildung verwendet 200 als typisches Beta, aber wie Sie der hFE-Klassifizierungstabelle entnehmen können, könnte das Beta für einen einzelnen BC548B irgendwo zwischen 200 und 450 liegen.

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

Zuerst müssen Sie den maximalen Dauerausgangsstrom aus dem Datenblatt des Arduino ermitteln. Das wird wohl im Milliampere-Bereich liegen. Ihr Basisstrom muss kleiner 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 herausfinden:

Damit können Sie einen Basiswiderstand auswählen. Gemäß der Tabelle der elektrischen Eigenschaften des Transistors sollte Vbe etwa 0,7 V betragen. Sie wissen, dass Ihr Arduino 5 V ausgibt, also können Sie jetzt das Ohmsche Gesetz anwenden:

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

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

Nehmen wir an, Sie haben eine einfache Verstärkungsstufe (wie in Ihrem Beitrag gezeigt) mit einem Transistor mit einer Stromverstärkung von beta=200 entworfen . Der Ruhegleichstrom beträgt Ic=1mA und die gemessene Spannungsverstärkung (Rc=2,5kOhm) 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 erforderlich).

Der Grund ist folgender: Die Spannungsverstärkung wird durch die Steilheit gm des Transistors (Steigung der Kennlinie Ic=f(Vbe)) bestimmt. Das bedeutet: 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).