Werte zur Berechnung des Basiswiderstands PN2222A

Das Low-Side-Schalten einer Last, die eine höhere Spannung erfordert (als$V_{CC}$) ist allgegenwärtig und wahrscheinlich eines der ersten Designprobleme, das jeder, der gerade Elektronik lernt, erlebt (und erfolgreich ist). Es gibt nicht "mehrere" Beiträge zu diesem Thema hier (oder anderswo). Es gibt Tausende von ihnen.

---

Eines der Probleme, die Ihre Frage aufwirft, ist das "Finden des Werts".$\beta$oder$h_{FE}$.

Ich denke, die spontane Antwort darauf ist, dass Sie Ihre Schaltung nicht auf der Grundlage eines bestimmten Werts entwerfen sollten, also ist es nicht wichtig, einen zu finden. Sie müssen jedoch eine Vorstellung davon haben, welchen Worst-Case-Wert Sie in der Praxis erwarten können, wenn Sie eine bestimmte Teilenummer von einem Anbieter kaufen und verwenden. Dies kann erfordern, dass Sie sich Datenblätter von mehreren Anbietern ansehen, um sicherzustellen, dass Sie hier Ihre Grundlagen abgedeckt haben.

Der Wert kann nicht nur von Hersteller zu Hersteller variieren (obwohl es tendenziell eine gewisse Konsistenz gibt, die Sie zu Recht erwarten dürfen), sondern er variiert mit der Temperatur (manchmal ziemlich stark) und variiert auch je nach Wert des Kollektors Strom (oder Basisstrom, je nach dem Gesichtspunkt, den Sie anwenden möchten.) Das bedeutet, dass Sie häufig nach einem Diagramm suchen werden, das die Variationen über Temperatur und Kollektorstrom zeigt. Oder zumindest in der Wertetabelle nach einem Eintrag suchen, der speziell einen Wert liefert, der den gesamten Temperaturbereich abdeckt.

Das Obige würde sich mehr auf den Fall beziehen, in dem der BJT in einer analogen Schaltung verwendet wird, die den BJT in seinem aktiven Bereich betreibt. Nicht so sehr über die Verwendung als Schalter (in Sättigung). Die im Datenblatt angegebenen Werte sind meistens diejenigen, die von jemandem benötigt werden, der sich die Schaltung im aktiven Modus ansieht, um sicherzustellen, dass er das Teil richtig ansteuern kann. In Ihrem Fall interessiert Sie das Schaltverhalten. Dies kann einfacher sein, da dies im Grunde bedeutet, dass Sie alle Werte ignorieren und einen aus dem Hut holen.

---

Für den Betrieb eines BJT als Schalter ist es üblich (Datenblatt nicht verfügbar), einen Wert von anzunehmen$\beta=10$. Hinter dieser Wahl steckt Erfahrung . Ein so niedriger Wert bedeutet, dass der Basisstrom ziemlich hoch ist, und dies bedeutet, dass Ihre Treiberschaltung (die ein E / A-Pin und ein Widerstand sein kann) den BJT mit ziemlicher Sicherheit in die Sättigung bringt, sodass er wie ein Schalter funktioniert. Ob dies tatsächlich der Fall ist, hängt vom BJT, dem Kollektorstrom, der Temperatur usw. ab. Aber heutzutage ist es normalerweise eine sichere Sache, zumindest für Kleinsignal-BJTs. Hochleistungs-BJTs (die immer noch selten in kleinen TO-92-Gehäusen wie dem PHD13003C zu finden sind), wie sie in TO-220-Gehäusen zu finden sind, haben oft niedrigere Werte für den aktiven Bereich von$\beta$. Aber wie sich herausstellt, werden diese auch dazu neigen, ein Schaltverhalten zu liefern, wenn sie so angesteuert werden$\beta=10$.

Aber selbst in diesen Fällen, in denen ein BJT als Schalter betrieben wird, lohnt es sich immer noch, ein Datenblatt zu greifen, um sicherzugehen. Einige Leistungs-BJTs können beispielsweise relativ hohe Basisstromanforderungen als Prozentsatz ihrer Kollektorströme haben. Also, während$\beta=10$fast immer für Sie funktionieren, es wird Zeiten geben, in denen es nicht funktioniert, und Sie können sich selbst dafür treten, dass Sie es nicht überprüft haben.

---

Ich habe darüber gesprochen$\beta$als wäre es irgendwas . Es ist eher so, als würde man über Autos mit Schaltgetriebe sprechen und darüber diskutieren, ob man das Auto im 4. Gang oder im 1. Gang fahren soll oder nicht. Es ist eine Wahl. Unter den richtigen Umständen fährt das Auto in beide Richtungen. Wenn Sie jedoch eine Last ziehen, möchten Sie möglicherweise in einen niedrigeren Gang "herunterschalten". Ihr Kraftstoffverbrauch wird schrecklich sein. Aber es wird (wahrscheinlich) die Last ziehen. In etwa so treffen Sie eine Wahl darüber, wie Sie den BJT betreiben. Und weniger über eine intrinsische Eigenschaft des BJT, die Sie zwingt, etwas zu tun.

Wenn Sie den BJT in seinem aktiven Bereich betreiben (was in Ihrem Fall NICHT der Fall ist), wünschen Sie sich häufig, dass der Wert von$\beta\to\infty$weil Sie lieber überhaupt keinen parasitären Treiberstrom in die Basis haben möchten. Sie können sich also den Wert genauer ansehen, um herauszufinden, wie stark der BJT eine vorherige Treiberschaltung belastet, um sicherzustellen, dass er richtig funktioniert. In der Auto-Analogie könnte dies eher so sein, als würde man schnell fahren wollen und einfach wissen wollen, welchen höchsten Gang man zur Verfügung hat und wie hoch der Luftwiderstand sein dürfte, damit man den Kraftstoffverbrauch berechnen kann. Sie hoffen auf unendlichen Kraftstoffverbrauch, wissen aber, dass das nicht möglich ist, und lesen das Datenblatt, um zu sehen, wie gut es sein könnte. Normalerweise sind es andere Parameter des BJT, die wichtiger sind, und das sind der Grund, warum Sie einen über dem anderen auswählen.

Aber um den BJT in Sättigung zu betreiben (Ihr Fall), dann wissen Sie bereits, dass Ihr Kraftstoffverbrauch schrecklich sein wird. Sie werden im niedrigsten Gang fahren, weil Sie eine schwere Last ziehen müssen. Das ist eine gegebene. Hier wählen Sie also einen niedrigen Gang, der Ihrer Meinung nach funktioniert, und normalerweise spielen andere BJT-Parameter keine so große Rolle. Meistens möchten Sie sicherstellen, dass der BJT den benötigten Kollektorstrom verarbeiten kann und dass er die Leistung abführen kann, die er voraussichtlich erleiden wird, während er als Schalter fungiert. (Eine Rettung hier ist, dass die Spannung zwischen Kollektor und Emitter ziemlich niedrig ist, wenn es wirklich in der Nähe der Funktionsweise eines Schalters arbeitet, und dies ist eine gute Sache, die viel dazu beiträgt, die Verlustleistung zu senken.)

Ein Blick ins Datenblatt lohnt sich also immer (nicht nur um Ihre Wahl zu verifizieren).$\beta$.) Das Datenblatt informiert Sie über die Einschränkungen des Kollektorstroms und der Verlustleistung und liefert Ihnen (natürlich) wahrscheinlich auch eine "Standardannahme" für$\beta$, in Bezug auf den Betrieb als Schalter.

---

Hier sind einige Datenblätter für NPN-BJTs (Low-Side-Schalter):

1. PN2222A
2. PHD13003C
3. TIP41

Ich werde durch den ersten gehen. Sie können dann hoffentlich ähnliche Ideen anwenden und sich selbst durch die anderen gehen. Also lade es hoch.

Auf der ersten Seite sehen Sie:

Für das "A"-Gerät,$V_{CEO}=40\:\textrm{V}$. Dies ist eine maximale Nennleistung und bedeutet, dass Sie sie nicht zum Schalten einer Last verwenden können, die mehr als diese Spannung benötigt. Unter diesem Wert sollten Sie nach Möglichkeit (deutlich) bleiben. In Ihrem Fall kein Problem. Du sprichst nur davon$12\:\textrm{V}$, was gut so ist.

Beachten Sie außerdem:

Der maximale Kollektorstrom beträgt$600\:\textrm{mA}$. Ihr Wert ist geringer. Das ist gut. Aber das bedeutet noch lange nicht, dass Sie sicher sind. Dies ist nur eine oberflächliche Überprüfung, um sicherzustellen, dass Sie hier eine maximale Spezifikation nicht überschritten haben.

Springen Sie nun zu Abbildung 11.

Oben sehen Sie eine Notiz mit der Aufschrift$V_{BE(sat)}@\frac{I_C}{I_B}=10$. Dies ist ein großer Hinweis für Sie bei der Verwendung dieses Geräts als Schalter. Sie haben sich die Zeit genommen, eine Kurve mit zu ziehen$\beta=\frac{I_C}{I_B}=10$und auch mit "(sat)" beschriftet. Dies kann als Bestätigung für die Verwendung gewertet werden$\beta=10$ist für dieses Gerät "normal" und unterstützt eine solche Annahme, wenn dieses Gerät als Switch verwendet wird. Das ist Hinweis Nr. 1.

Springen Sie nun zu Abbildung 4.

Was für eine Bequemlichkeit! Sie enthalten tatsächlich eine Kurve für$I_C=150\:\textrm{mA}$, was dem gewünschten Wert sehr nahe kommt. Das ist sehr nett. Sehen Sie sich nun die Form der Kurve an. Die x-Achse ist der Basisstrom. Die y-Achse ist der Wert von$V_{CE}$. Niedrigere Werte von$V_{CE}$sind, was Sie in einem Schalter wollen. Sie können sehen, dass es bei ungefähr Plateaus gibt$100\:\textrm{mV}$? Das bedeutet, wenn Sie es mit einem Basisstrom von betreiben$5\:\textrm{mA}$Zu$10\:\textrm{mA}$, dann funktioniert es wie ein Schalter. Beachten Sie jedoch, dass dies typische Werte sind und nur bei gelten$25^\circ\textrm{C}$. Wenn Sie zu Abbildung 3 springen, die hier nicht in meiner Antwort enthalten ist, können Sie sehen, dass der Wert von$\beta$sinkt bei niedrigeren Temperaturen (vielleicht etwa halb so gut bei$-55^\circ\textrm{C}$.) Dies bedeutet also, dass Sie wahrscheinlich mindestens verwenden sollten$I_B=10\:\textrm{mA}$. Wenn Sie das ausarbeiten, ist das$\beta=\frac{150\:\textrm{mA}}{10\:\textrm{mA}}=15$.

Und jetzt können Sie sehen, warum$\beta=10$wird hier normalerweise als sichere Wette angesehen.

---

Sobald Sie ein Maß an Komfort über einen gewissen Wert etabliert haben$\beta$, können Sie dann ganz einfach den benötigten Treiberstrom für Ihren Schalter ermitteln und sich dann daran machen, sicherzustellen, dass Sie ihn erreichen.

Im ersten Fall, bei Verwendung eines PN2222A, haben wir bereits einige mögliche Parameter festgelegt. Sie müssen mindestens liefern$10\:\textrm{mA}$zur Basis. Sie müssen nun überprüfen, ob Ihr I/O-Pin so viel liefern kann. Und wenn ja, wie hoch ist die wahrscheinliche Ausgangsspannung, wenn sie hoch ist und diesen Strom liefert. Nehmen wir an, es kann, aber es kann nur ausgeben$4\:\textrm{V}$. (Sie müssen wirklich lernen, wie man Datenblätter auf CPUs liest, um dies zu finden.) Ich weiß zufällig, dass ich eine Schätzung verwende$100\:\Omega$für den Ausgangswiderstand könnte sinnvoll sein. Wenn ja, dann$10\:\textrm{mA}\cdot 100\:\Omega=1\:\textrm{V}$als Spannungsabfall. Und das bringt mich dazu$4\:\textrm{V}$. Aus obiger Abbildung 11 kann ich das auch erkennen$V_{BE}\ge 860\:\textrm{mV}$, typisch. Abgerundet, das ist$V_{BE}= 900\:\textrm{mV}$. Das bedeutet also, dass ich umfallen muss$3.1\:\textrm{V}$über den Widerstand. Also der Widerstandswert ist$\frac{3.1\:\textrm{V}}{10\:\textrm{mA}}=310\:\Omega$. Ein naher, niedrigerer Wert wäre$270\:\Omega$. Unter der Annahme, dass Ihre E / A damit umgehen können, können Sie diesen Widerstandswert erneut ausprobieren.

Eine Sache noch. Leistung. Die Verlustleistung des PN2222A wird sein$900\:\textrm{mV}\cdot 10\:\textrm{mA}+100\:\textrm{mV}\cdot 160\:\textrm{mA}=25\:\textrm{mW}$.

Zurück auf der ersten Seite des PN2222A-Datenblatts finden Sie Folgendes:

Multiplizieren Sie diesen Wärmewiderstand des TO-92-Gehäuses mit$200\:\frac{^\circ\textrm{C}}{\textrm{W}}$durch die obige Dissipation und Sie finden, dass der Temperaturanstieg sein wird$5^\circ\textrm{C}$. Was in Ordnung ist.

---

Wenden Sie diese Ideen nun auf die anderen beiden Datenblätter an, die ich oben eingefügt habe, und sehen Sie, wie sich das alles hält.

Alle benötigten Nummern sind vorhanden. Die VBE ist mit zwei Prüfbedingungen gelistet. Der HFe hat mehrere Testbedingungen. Sie wählen einfach diejenige aus, die Ihrer Anwendung am nächsten kommt, und die Nummern sollten ähnlich sein.

In diesem Fall hätte ein 150-mA-Strom durch den Kollektor-Emitter-Übergang eine VCE von 1 V, eine Stromverstärkung von 100 bis 300 HFe und eine VBE zwischen 0,6 V und 1 V.

Natürlich hat Ihr tatsächlicher Transistor seine eigenen spezifischen Werte. Die auf dem Blatt sind typisch und variieren. Für die meisten Kleinsignaltransistoren, die als Schalter für kleine Lasten verwendet werden, können Sie 0,7 V VBE für Siliziumtransistoren verwenden und den VCE-Abfall ignorieren.