Pertanyaan transistor dasar

Saya telah membuat rangkaian yang ditampilkan. Saya menggunakan baterai 9V (benar-benar membuang 9.53V) dan 5V yang berasal dari Arduino untuk menguji dengan volt 9 dan 5. Transistornya adalah BC 548B (datasheet yang saya gunakan ada di sini ).

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Saya telah melakukan sejumlah tes mengubah nilai Rb dan Rc dengan hasil berikut, tidak tahu apakah mereka benar.

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

Pertanyaan saya adalah sebagai berikut;

1. Saya mengerti bahwa dari datasheet, kisaran untuk transistor ini dapat berkisar dari 200 hingga 450. Saya pikir alasan bahwa ada nilai kurang dari 200 dalam tabel 9V ref 3 dan 4 adalah karena rangkaian emitor kolektor telah jenuh, dan dapat ' t naik lebih tinggi, menyebabkan beta turun karena arus Ib meningkat. Apakah itu benar?

2. Di semua buku teks yang saya lihat, beta adalah nilai statis. + Msgstr "Jika beta adalah X, buatlah resister di pangkalan yang diperlukan untuk membuat arus Y di kolektor". Saya sejak membaca bahwa beta akan berfluktuasi dengan suhu dan arus kolektor (saya pikir itu arus kolektor). Di mana saya sebenarnya menemukan data ini? Di mana tabel memberitahu saya beta vs Ic? Jika beta terus bervariasi, bagaimana Anda benar-benar memilih resister yang akan selalu berfungsi, dan / atau memiliki terlalu banyak arus dalam apa yang akan dimuat pada kolektor?

3. Gambar 1 dari lembar data, menunjukkan bahwa dengan arus 50μA di pangkalan, arus kolektor tidak boleh melebihi sekitar 11mA TERKAIT dengan tegangan antara kolektor dan emitor. Tetapi diberikan 9V ref 1 dan 5V ref 2, yang keduanya memiliki Ib ~ 50μA saya memiliki Ic lebih tinggi daripada yang dinyatakan. Kenapa ini? Apa yang dikatakan Gambar 1 kepada saya?

4. Gambar 3 dari datasheet menunjukkan bahwa hFE adalah 200 untuk Ic <40mA diberikan Vce = 5V. Itu jelas tidak terjadi mengingat semua hasil dalam tabel 5V dalam posting ini. Jadi sekali lagi, grafik apa ini?

5. Saya mencoba menghubungkan rangkaian ke atas sehingga saya akan memiliki baterai 9V saya berjalan dari kolektor ke emitor, dan 5V Arduino saya memberi daya pada basis, pada dasarnya apa gunanya saklar transistor. Saya pikir itu akan mempersingkat Arduino. Bagaimana saya menjalankan baterai 9V dari C ke E dan 5V di ujung dudukan? Bagaimana saya benar-benar mengirim ini?

Pertanyaan Anda tampaknya tentang beta atau h _FE . Ya, ini dapat sangat bervariasi antar bagian, bahkan dari batch produksi yang sama. Ini juga agak bervariasi dengan arus kolektor dan tegangan kolektor (menggunakan emitor sebagai referensi 0 V). Namun, untuk satu transistor, penguatannya sebenarnya bervariasi sedikit sebagai fungsi arus kolektor pada rentang yang masuk akal, dan dengan asumsi tegangan kolektor ditahan cukup tinggi.

Poin besar yang tampaknya Anda lewatkan adalah bahwa Anda tidak perlu khawatir tentang keuntungan yang sebenarnya. Sirkuit yang baik dengan transistor bipolar bekerja dengan gain minimum yang dijamin atas wilayah operasi yang dimaksud, tetapi sebaliknya berfungsi dengan baik dengan gain berada di mana saja dari sana hingga tak terbatas. Ini tidak keluar dari jalur untuk satu transistor pada titik operasi tertentu untuk mendapatkan keuntungan 10x lebih dari minimum yang dijamin oleh datasheet. Setelah memperhitungkan hal itu dalam desain sirkuit, itu benar-benar hanya langkah kecil untuk memastikan rangkaian bekerja dengan gain transistor hingga tak terhingga.

Mendesain untuk kisaran gain yang luas mungkin terdengar sulit, tetapi sebenarnya tidak. Pada dasarnya ada dua kasus. Ketika transistor digunakan sebagai saklar, maka beberapa arus basis minimum, dihitung dari keuntungan minimum yang dijamin, akan membuatnya menjadi saturasi. Jika penguatannya lebih tinggi, maka transistor hanya akan menjadi lebih jenuh pada arus basis yang sama, tetapi semua tegangan yang melewatinya dan arus yang melewatinya akan tetap hampir sama. Dengan kata lain, sisa rangkaian (kecuali untuk kasus yang tidak biasa) tidak akan dapat membedakan antara transistor didorong 2x atau 20x ke saturasi.

Ketika transistor digunakan di wilayah "linier", maka umpan balik negatif digunakan untuk mengubah keuntungan besar dan tidak terduga menjadi keuntungan yang lebih kecil tetapi terkontrol dengan baik. Ini adalah prinsip yang sama digunakan dengan opamps. Umpan balik DC dan AC mungkin berbeda, dengan pengaturan pertama titik operasi , kadang-kadang disebut sebagai bias transistor, dan yang kedua mengendalikan apa yang terjadi ketika sinyal yang diinginkan melewati sirkuit.

Ditambahkan:

Berikut adalah contoh rangkaian yang toleran terhadap berbagai gain transistor. Ini akan memperkuat sinyal audio kecil sekitar 10x, dan output akan sekitar 6 V.

Untuk mengatasinya secara manual, mungkin paling mudah untuk melakukannya secara iteratif. Mulailah dengan mengasumsikan OUT adalah 6V, dan bekerja dari sana. Karena gain tidak terbatas, tidak ada arus basis, dan tegangan basis diatur langsung oleh pembagi R1-R2 dari OUT apa pun. Pembagi memiliki gain 1/6, sehingga basisnya di 1,00 V. Minus drop BE 600 mV, yang menempatkan emitor pada 400 mV, dan arus emitor dan kolektor pada 400 μA. Jalur R1-R2 menarik 50 µA, jadi total yang ditarik dari OUT itu 450 μA, jadi drop pada R3 adalah 4,5 V, jadi OUT berada di 7,5 V. Sekarang, lanjutkan dengan perhitungan di atas lagi dengan asumsi OUT adalah 7,5 V, dan mungkin sekali lagi setelah itu. Anda akan melihat hasilnya menyatu dengan cepat.

Ini sebenarnya salah satu dari beberapa kasus yang berguna. Masalah utama dengan simulator adalah mereka memberikan jawaban yang sangat akurat dan berwibawa meskipun parameter inputnya tidak jelas. Namun, dalam kasus ini kami ingin melihat pengaruh perubahan hanya pada gain transistor, sehingga simulator dapat menangani semua pekerjaan membanting tulang bagi kami, seperti yang dilakukan di atas. Masih bermanfaat untuk menjalani proses pada paragraf sebelumnya satu kali untuk merasakan apa yang sedang terjadi, seperti yang disarankan untuk hanya melihat hasil simulasi ke 4 tempat desimal.

Dalam kasus apa pun, Anda dapat menemukan titik bias DC untuk rangkaian di atas dengan asumsi gain tak terbatas. Sekarang asumsikan gain 50 untuk transistor dan ulangi. Anda akan melihat bahwa level DC OUT hanya berubah sedikit.

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa ada dua bentuk umpan balik DC, tetapi hanya satu untuk sinyal audio AC.

Karena bagian atas R1 terhubung ke OUT, ia memberikan beberapa umpan balik DC yang membuat titik operasi lebih stabil dan kurang sensitif terhadap karakteristik transistor yang tepat. Jika OUT naik, arus ke basis Q1 naik, yang membuat lebih banyak arus kolektor, yang membuat OUT turun. Namun, jalur umpan balik ini tidak berlaku untuk sinyal audio. Impedansi yang melihat pembagi R1-R2 adalah R1 // R2 = 17 kΩ. Frekuensi rolloff filter lulus tinggi yang dibentuk oleh C1 dan 17 kΩ ini adalah 9,5 Hz. Bahkan pada 20 Hz, R1 // R2 tidak banyak dari beban pada sinyal yang datang melalui C1, dan itu menjadi lebih tidak relevan dengan frekuensi. Dengan kata lain, R1 dan R2 membantu mengatur titik bias DC, tetapi jangan menghalangi sinyal audio yang dimaksud.

Sebaliknya, R4 memberikan umpan balik negatif untuk DC dan AC. Selama gain dari transistor adalah "besar", maka arus emitor cukup dekat dengan sama dengan arus kolektor. Ini berarti tegangan apa pun yang melintasi R4 akan muncul di R3 secara proporsional dengan hambatannya. Karena R3 adalah 10x R4, sinyal di R3 akan menjadi 10x sinyal di R4. Karena bagian atas R4 berada pada 12 V, OUT adalah 12 V minus sinyal di R3, yaitu 12 V minus 10x sinyal di R4. Ini adalah bagaimana rangkaian ini mencapai penguatan AC yang cukup tetap sebesar 10 selama gain transistor secara signifikan lebih besar dari itu, seperti 50 atau lebih tinggi.

Teruskan dan simulasikan rangkaian ini sambil memvariasikan parameter transistor. Lihatlah titik operasi DC dan fungsi transfer keseluruhan dari IN ke OUT dari sinyal audio.

1. Apa yang menyebabkan penurunan beta yang terlihat saat arus basis meningkat?

Beta tidak benar-benar berubah. Arus kolektor dibatasi oleh Rc. Dengan Rc = 500 Ω, arus kolektor maksimum adalah sekitar 18 mA. Dengan Rc = 1.2 kΩ, arus maksimum adalah sekitar 7,5 mA. Ini berasal dari Hukum Ohm - 9V / 1.2kΩ = 7.5 mA. Dengan beta> 300, Anda hanya perlu 25 uA arus basis untuk memaksimalkan arus kolektor. Menambahkan arus basis tambahan tidak mengubah apa pun.

$I_C$

Lembar data ini tidak memberikan informasi tentang bagaimana beta bervariasi dengan suhu. Beta vs Ic dibahas dalam pertanyaan 4 di bawah ini. Saya memeriksa beberapa lembar data lain dan tidak melihat variasi suhu di sana. Menurut catatan aplikasi ini , beta meningkat sekitar 0,5% per derajat C. Pemahaman yang lebih rinci mungkin memerlukan penggunaan model Ebers-Moll , yang mencakup suhu dalam bentuk tegangan termal (kT / q). Saya bukan master BJT, jadi mungkin orang lain bisa menjelaskan ini.

$I_C$

Bagian ini dari datasheet memberikan khas karakteristik kinerja. Ini adalah nilai rata-rata yang tidak menunjukkan variasi dari unit ke unit. Grafik tipikal memberi Anda gambaran tentang perilaku unit rata-rata, tetapi grafik tersebut tidak memberikan batasan aktual pada perilaku itu. Itulah gunanya tabel Karakteristik Listrik.

4. Bagaimana beta bisa lebih besar dari apa yang ditampilkan dalam Gambar 3 lembar data?

Dua hal terjadi di sini. Pertama, Vce Anda sebenarnya bukan 5V dalam tabel 5V Anda, karena beberapa tegangan jatuh di Rc, jadi angka ini tidak mewakili sirkuit Anda yang sebenarnya. Kedua, ini adalah diagram lain yang menunjukkan perilaku khas. Apa yang ditunjukkan kepada Anda adalah bahwa beta biasanya mulai turun di sekitar Ic = 100 mA. Karena Ic maksimum absolut adalah 100 mA, ini berarti Anda harus memperkirakan beta kira-kira konstan di seluruh rentang perangkat saat ini. Angka ini menggunakan 200 sebagai beta biasa, tetapi seperti yang Anda lihat dari tabel Klasifikasi hFE, beta untuk BC548B individu dapat berkisar antara 200 - 450.

5. Bagaimana Arduino dapat digunakan untuk menggerakkan basis transistor ini?

Pertama, Anda harus mendapatkan arus keluaran kontinu maksimum dari lembar data Arduino. Ini mungkin berada dalam kisaran milliamp. Arus basis Anda harus kurang dari itu, yang seharusnya tidak menjadi masalah karena beta> 200 dan Icmax <100 mA. Jika Anda tahu berapa arus kolektor yang Anda butuhkan (yang seharusnya), Anda dapat mengetahui arus basis minimum:

Itu akan membiarkan Anda memilih basis resistor. Menurut tabel Karakteristik Listrik transistor, Vbe harus sekitar 0,7 V. Anda tahu output Arduino Anda 5V, jadi sekarang Anda dapat menggunakan Hukum Ohm:

Hubungkan resistensi ini antara Arduino IO dan basis transistor. Hubungkan emitor transistor, terminal negatif baterai 9V, dan ground Arduino bersama-sama.

Melengkapi informasi yang diberikan dalam jawaban O. Lathrop Saya ingin memberikan contoh singkat yang mungkin mengejutkan Anda:

Mari kita asumsikan Anda telah merancang tahap penguatan sederhana (seperti yang ditunjukkan dalam posting Anda) menggunakan transistor dengan gain beta = 200 saat ini . Arus dc diam adalah Ic = 1mA dan gain tegangan yang diukur (Rc = 2.5kohms) adalah G = -100 . Sekarang - jika Anda mengubah transistor yang memiliki nilai beta lebih rendah = 100 Anda akan mengamati bahwa gain tegangan G TIDAK akan berubah - asalkan Anda telah menyetel resistor bias RB ke nilai yang lebih rendah yang memungkinkan arus diam yang sama Ic = 1mA. (Ini diperlukan untuk perbandingan yang adil).

Alasannya adalah sebagai berikut: Gain tegangan ditentukan oleh transkonduktansi gm dari transistor (kemiringan karakteristik Ic = f (Vbe)). Itu berarti: "Gain saat ini" tidak berperan - menurunkan nilai beta dari 200 menjadi 100 hanya meningkatkan arus input saja, tanpa memengaruhi penguatan voltase (selama titik operasi tidak berubah).