Как рассчитать ток базы биполярного транзистора. Какие формулы использовать для расчета тока базы. Какие параметры транзистора нужны для расчета тока базы. Как учитывать коэффициент усиления транзистора при расчете тока базы.
Основные параметры биполярного транзистора
Для правильного расчета тока базы биполярного транзистора необходимо знать его основные параметры:
- Коэффициент усиления по току (β или h21) — показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы
- Максимально допустимый ток коллектора (Ic max)
- Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Vce sat)
- Напряжение база-эмиттер в открытом состоянии (Vbe on)
Эти параметры можно найти в технической документации на конкретную модель транзистора. Коэффициент усиления по току обычно лежит в диапазоне от 10 до 300 для маломощных транзисторов.
Формула для расчета тока базы
Основная формула для расчета тока базы биполярного транзистора в режиме насыщения:
Ib = Ic / β
Где:
- Ib — ток базы
- Ic — ток коллектора
- β — коэффициент усиления по току
Эта формула показывает, что для обеспечения требуемого тока коллектора, ток базы должен быть во столько раз меньше, во сколько раз коэффициент усиления больше единицы.
Расчет тока базы для работы транзистора в ключевом режиме
При использовании транзистора в качестве ключа необходимо обеспечить его гарантированное насыщение. Для этого ток базы рассчитывают с запасом по формуле:
Ib = (1.5-2) * Ic / β
Коэффициент 1.5-2 обеспечивает надежное насыщение транзистора с учетом разброса параметров и изменения температуры.
Особенности расчета для маломощных и мощных транзисторов
При расчете тока базы следует учитывать особенности разных типов транзисторов:
- Для маломощных транзисторов (до 1 Вт) достаточно коэффициента запаса 1.5-2
- Для мощных транзисторов (более 1 Вт) рекомендуется использовать коэффициент 3-5 из-за большего разброса параметров
- У мощных транзисторов коэффициент усиления существенно падает при больших токах коллектора, это нужно учитывать в расчетах
Пример расчета тока базы
Рассмотрим пример расчета тока базы для транзистора BC547B со следующими параметрами:
- Коэффициент усиления β = 200
- Максимальный ток коллектора Ic max = 100 мА
Пусть требуется обеспечить ток коллектора 50 мА. Рассчитаем ток базы:
Ib = 1.5 * 50 мА / 200 = 0.375 мА
Таким образом, для надежного открытия транзистора необходимо обеспечить ток базы не менее 0.375 мА.
Расчет резистора базы
После определения требуемого тока базы можно рассчитать сопротивление базового резистора по формуле:
Rb = (Vin — Vbe) / Ib
Где:
- Rb — сопротивление базового резистора
- Vin — входное напряжение
- Vbe — падение напряжения база-эмиттер (обычно 0.6-0.7 В)
- Ib — рассчитанный ток базы
Например, при входном напряжении 5 В для рассчитанного выше тока базы 0.375 мА:
Rb = (5 — 0.7) / 0.000375 = 11.5 кОм
Выбираем ближайшее стандартное значение 12 кОм.
Влияние температуры на параметры транзистора
При расчете тока базы следует учитывать, что параметры транзистора зависят от температуры:
- Коэффициент усиления по току β увеличивается с ростом температуры
- Напряжение база-эмиттер Vbe уменьшается с ростом температуры (примерно на 2 мВ/°C)
- Ток утечки коллектора увеличивается с ростом температуры
Для компенсации температурных эффектов рекомендуется:
- Использовать коэффициент запаса при расчете тока базы
- Применять термостабилизацию рабочей точки транзистора
- Учитывать изменение параметров в широком диапазоне температур
Измерение реального коэффициента усиления транзистора
Для повышения точности расчетов рекомендуется измерять реальный коэффициент усиления конкретного экземпляра транзистора. Это можно сделать двумя способами:
- С помощью специального прибора — измерителя параметров транзисторов
- Собрав простую измерительную схему на макетной плате
Второй способ позволяет измерить β в реальном режиме работы транзистора. Схема измерения включает:
- Источник питания
- Резистор нагрузки в цепи коллектора
- Переменный резистор в цепи базы
- Два мультиметра для измерения токов базы и коллектора
Изменяя ток базы, измеряют соответствующий ток коллектора и рассчитывают β = Ic / Ib.
Заключение
Правильный расчет тока базы биполярного транзистора критически важен для его корректной работы. Основные моменты, которые нужно учитывать:
- Использовать реальные параметры конкретной модели транзистора
- Учитывать режим работы — ключевой или линейный
- Применять коэффициент запаса для надежного насыщения
- Принимать во внимание изменение параметров от температуры
- По возможности измерять реальный коэффициент усиления
Соблюдение этих правил позволит рассчитать оптимальный ток базы и обеспечить стабильную работу транзисторного каскада в широком диапазоне условий.
Расчет параметров биполярного транзистора
Саратовский государственный технический университет
Методические указания
к самостоятельной работе студентов
под контролем преподавателя
по курсу «Промышленная электроника»
для специальности 1004
Одобрено
редакционно-издательским
советом СГТУ
Саратов 2006
Введение
В соответствии с действующей рабочей программой по дисциплине «Промышленная электроника» студенты специальности ЭПП должны выполнить 4 самостоятельных расчетно-графические работы под контролем преподавателя. В настоящих методических указаниях изложены материалы по первой работе «Расчет параметров биполярного транзистора. В
основных положениях указаний изложен
минимальный объем информации, позволяющий
студенту выполнить предлагаемое
задание.
Предполагается, что студент
в процессе подготовки к непосредственному
расчету должен изучить в полном объеме
необходимый материал по рекомендуемым
ниже учебникам и пособиям. При этом
следует обратить внимание на физические
явления, лежащие в основе работы
транзистора, разобраться во взаимосвязи
между его электрическими параметрами
, хорошо представлять порядок величин
параметров.
При сдаче работы со студентом проводится собеседование. Приведенные контрольные вопросы помогут студенту не только определить степень его готовности к выполнению расчетов, но и подготовиться к собеседованию.
Кроме формулировки задания, методические указания содержат справочные сведения по транзисторам, которыми студент обязан пользоваться.
Оформление выполненного задания в тетради должно быть аккуратным, с полной записью его условия. Графики выполняются с помощью графических принадлежностей.
Рекомендуются следующие учебники и пособия:
Забродин Ю.С. Промышленная электроника.
-М.:Высшая
школа, 1982 /стр. 42-64/.Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988 /стр. 20-28/.
Основы промышленной электроники. / Под ред. проф. В.Г.Герасимова.-М.: Высшая школа, 1986 /стр. 28-34/.
-М.:Высшая
школа, 1982 /стр. 42-64/.1. Основные положения
1.1. Биполярный транзистор и схемы его включения
Биполярный транзистор представляет собой кристалл проводника, состоящий из трех слоев с различной проводимостью, как
условно
показано на Рис.1. Каждый из слоев снабжён электродами,
необходимыми для подключения к внешней
цепи, которые называются эмиттер, база
и коллектор. Возможны два типа транзисторов и в соответствии с основными носителями
заряда в полупроводниковых материалах,
используемых в крайних эмиттерном и
коллекторном слоях, и в среднем-базовом
слое. Как видно из Рис.1.,
в биполярном транзисторе два перехода, которые называются эмиттерным
и коллекторным.
Рис.1
Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется типом основного носителя эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа – электроны.
В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые в своем дрейфе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала базового слоя. Биполярные транзисторы изготовлены так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя, поэтому в базовом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей, поступающая из эмиттера, а 90-99 % рабочих носителей заряда доходят до коллектора.
Для
обеспечения описанного выше процесса
дрейфа рабочих носителей заряда в
биполярном транзисторе необходимо
между его электродами подать напряжение
от источников ЭДС.
Одна из схем включения
транзистора типа приведена на Рис.2.
Рис.2
Чтобы поток рабочих носителей заряда (электронов) из эмиттерного слоя поступал в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан «минус», а к базовому -«плюс». С увеличением напряжения эмиттер — база увеличивается поток носителей заряда, а поэтому и ток эмиттера.
Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источника внешней цепи. Это обуславливает протекание тока базы, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли потока рабочих носителей заряда, которая нейтрализуется в базовом слое.
Малая величина тока базы определяет функцию базового электрода как управляющего. Действительно, эффективное управление транзистором может быть только такое, которое потребляет малый уровень мощности.
Для
достижения коллектора электронами
эмиттера вошедшими в базовый слой,
необходимо, чтобы источник ЭДС, включенный
между коллекторным и базовым электродами,
обеспечивал подачу на коллектор
положительного потенциала относительно
базы.
На Рис.2 представлено включение транзистора по схеме с общей базой. Наряду с такой схемой, на Рис.3. представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешних цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схемы) и выходная (правые части). Наименование схемы
Рис.3
включения транзистора определяется электродом, который является общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе происходит управление работой транзистора, и в эту цепь включается источник входного сигнала. Нагрузка включается в выходную цепь.
Входные и выходные токи в представленных схемах включения транзистора, а также напряжения между электродами транзистора, определяемые источниками ЭДС, различны и приведены в таблице 1.
Таблица 1
Токи и напряжения во входной и выходной цепях
схем включения транзистора
Схема включения | Входной ток | Входное напряжение | Выходной ток | Выходное напряжение |
ОБ | IЭ | UЭБ | IК | UКБ |
ОЭ | IБ | UБЭ | IК | UКЭ |
ОК | IБ | UБК | IЭ | UЭК |
Полярность
напряжений источников ЭДС, показанная
на Рис.
3. соответствует транзистору типа
.
При использовании транзистора типа в связи с изменением типа рабочего
носителя заряда полярности напряжений
источников должны быть изменены.
1.2. Характеристики и параметры транзистора в схеме ОЭ
Сведения о конкретном типе транзистора, необходимые для правильного выбора режима его работы, обычно приводятся в виде характеристик и систем параметров.
Транзистор,
описывается, в первую очередь, семейством
входных и выходных характеристик.
Входными называется семейство
вольтамперных характеристик входной
цепи схемы включения транзистора,
построенных для ряда фиксированных
значений напряжения выходной цепи.
Выходными называется семейство
вольтамперных характеристик выходной
цепи транзистора, построенных для ряда
фиксированных значений входного тока.
Как видно из таблицы
1 каждой
схеме включения транзистора соответствует
определенное сочетание входных и
выходных токов и напряжений. Поэтому и
входные и выходные характеристики
транзистора будут определяться схемой
его включения.
Ниже будут рассматриваться характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ. Эта схема включения нашла наибольшее распространение.
Типичные
входная и выходная статические
характеристики транзистора типа представлены на рис.4 и 5*. Входная
характеристика — это семейство
вольтамперных характеристик IБ (UБЭ),
построенных при постоянных значениях
напряжения UКЭ.
Обычно, как видно из рис.4, приводятся
две характеристики: одна для UКЭ=0 , а другая для значения напряжения UКЭ ,соответствующего центру рабочего
интервала значений данного параметра.
Это связано с тем, что вольтамперные
характеристики входной цепи для рабочего
интервала значений UКЭ практически не отличаются друг от друга.
Выходная статистическая характеристика транзистора, как показано на Рис.5 – это семейство вольтамперных характеристик IК(UКЭ), построенных для ряда значений тока IБ. На выходной характеристике обычно строится рабочая область, т.е. область значений выходных параметров, при которых допускается эксплуатация транзистора. Границы этой области представленной на Рис.5. связаны с тремя факторами:
____________
*/
Для транзисторов типа напряжения UБЭ и UКЭ—
отрицательной полярности.
Рис.4
Рис.5
— максимальным значением напряжения UКЭмах , превышение которого приводит к электрическому пробою в коллекторном переходе транзистора;
— максимальным значением коллекторного тока IКмах , превышение которого может приводить к перегреву эмиттерного перехода;
— максимальным значением мощности, рассеиваемой в коллекторном переходе, превышение которого приводит к перегреву этого перехода, РКмах.
На выходной характеристике, Рис.5., последнему фактору соответствует гипербола
(1)
Как
видно из Рис.4 и 5, транзистор представляет
собой нелинейный элемент, поскольку
его входные и выходные вольтамперные
характеристики нелинейные, а следовательно,
величины входного и выходного сопротивлений
зависят от соответствующих токов и
напряжений.
Однако на входных и выходных
характеристиках транзистора можно
выделить участки, где зависимости близки
к линейным. В частности , линейными можно
считать зависимости в рабочей области Рис.5 , если исключить малые значения напряжения
коллектор – эмиттер. Область малых
значений UКЭ , где происходит резкое увеличение тока,
не используются при работе транзистора
в линейном режиме усилителей и генераторов.
Известно
из ТОЭ, что на участках, где вольтамперные
характеристики нелинейных элементов
могут быть аппроксимированные отрезками
прямых, эти элементы могут рассматриваться
как линейные. Поэтому транзистор в
рабочей области часто заменяется
эквивалентным четырехполюсником,
характеризующимся определенными
значениями h параметров, которые являются коэффициентами
в соотношениях, связывающих не величины
токов и напряжений, а величины их
приращений, т.е ∆IБ, ∆IK,
∆UБЭ,
∆UКЭ.
(2)
Из первого соотношения системы (2) при ∆UКЭ=0 (или UКЭ=const) следует
(3)
Из этого же соотношения при ∆IБ=0 (или IБ =const) следует
(4)
Аналогичным образом второе соотношение системы (2) позволяет записать:
(5)
(6)
Физический смысл h –параметров согласно соотношениям (3) – (6) следующий:
h11 – входное сопротивление транзистора, при постоянном значении напряжения UКЭ ;
h12 – коэффициент обратной связи по напряжению;
h21 – коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, характеризующий усилительные свойства транзистора при постоянном значении напряжения UКЭ и часто обозначаемый через β;
h22—
выходная проводимость транзистора при
постоянном токе базы.
1.3. Определение h параметров транзистора
Расчет значений h параметров производится для электрического режима транзистора, соответствующего рабочей точке (точке покоя) на его статических характеристиках. При работе в линейном режиме эта точка обычно располагается в центре рабочей области. Поэтому расчету значений h — параметров должно предшествовать определение рабочей области на выходной характеристике и выбор электрических параметров (IБП , IКП , UБЭП , UКЭП ), соответствующих рабочей точке.
Значения h— параметров определяются с помощью
построений на выходной или входной
статической характеристике и с
использованием соотношений (3) – (6). При
этом обозначения параметров транзистора,
входящих в соответствующее соотношение,
показывают, какую именно характеристику
следует использовать для определения
конкретного h— параметра.
Величины приращений электрических параметров транзистора в соотношениях (3) – (6) вычисляется как разность между двумя крайними значениями соответствующих параметров. Величина же параметра в рабочей точке должна располагаться в центре интервала между крайними значениями.
Расчет величины параметра h11 проводится по соотношению (3), где приращения значений тока базы и напряжения база-эмиттер определяются как разность соответствующих координат двух точек (крайних) на зависимости IБ(UБЭ) входной характеристики, показанной на Рис.6. Напряжение UКЭ , для которого приводятся построения, должно совпадать с рабочей точкой транзистора.
Рис.6
Построения
для расчета величины параметра h22 с помощью соотношения (6) проводится
аналогичным образом (см .Рис. 7) на
выходной характеристике. Вольтамперная
характеристика, на которой выполняются
построения, должна соответствовать
току базы рабочей точки.
Рис.7
Расчет величины параметра h21 (или β) проводится в два этапа. Сначала по выходным характеристикам строится зависимость IК (IБ) для значения напряжения коллектор-эмиттер в рабочей точке. Фиксированные значения IК этой зависимости, как видно из построения на Рис.8, определяются ординатами точек пересечения вертикальной прямой, проведенной через точку UКЭП, с вольтамперными характеристиками для фиксированных значений IБ. Затем по построенной кривой зависимости IК (IБ) (см. Рис.9) определяются приращения токов коллектора и базы для подстановки в соотношение (4).
Величина
параметра h12 близка к нулю. Об этом свидетельствует
тот факт, что в рабочем интервале значений
напряжения UКЭ вольтамперных характеристики IБ(UБЭ) транзисторов практически не отличаются
друг от друга.
Обычно величина параметра h12 не
определяется.
1.4. Схема замещения транзистора и определении значений ее параметров
Рассмотренные выше h -параметры транзистора вводятся, в известной степени, формально. Поэтому для расчетов электрических схем на транзисторах предпочтительнее использовать схему
Рис.8
Рис.9
замещения полупроводникового прибора. Под схемой замещения понимают электрическую схему, составленную из линейных элементов (сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей, генераторов тока или напряжений), по своим свойствам отличающихся от реального объекта (в данном случае — транзистора).
В
соответствии с Рис.3 схему замещения транзистора целесообразно
представить в виде Т-образной схемы.
Такая простейшая схема приведена на Рис.10.
Очевидно, схема замещения справедлива
для тех участков статических характеристик
транзистора, где вольтамперные
характеристики можно считать линейными,
т.
е. для тех участков, для которых выше
определялись значения h –параметров. В связи с этим на Рис.10 токи и напряжения, обозначенные
прописными буквами, являются малыми
величинами (по сравнению со значениями
параметров в рабочей точке) и соответствуют
приращениям токов и напряжений, которые
использовались при расчете h –параметров.
Рис.10
Схема замещения Рис.10 справедлива для области низких частот к включает в себя три активных сопротивления, величины которых можно определить как отношение приращений напряжений в цепях транзистора к соответствующим им приращениям токов:
дифференциальное сопротивление эмиттерного p—n перехода,
численные значения которого обычно лежат в пределах от
единиц до десятков Ом;
объёмное сопротивление базы, величина которого в зависимости от типа транзистора составляет 100 — 400 Ом:
дифференциальное
сопротивление коллекторного p—n перехода, величина которого при включении
транзистора по схеме ОЭ составляет
несколько кОм и выше.
Кроме того, схема замещения включает генератор тока в цепи коллектора, указывающий на то, что транзистор является активным элементом. Значение тока этого генератора пропорционально значению тока базы (βiб).
С целью учета частотных свойств транзистора в схеме замещения обычно предусматривается емкость коллекторного p—n перехода, шунтирующая источник тока. В связи с тем, что при низких частотах влияние этой емкости незначительно, определение величины этого параметра ниже не предусматривается. Поэтому на схеме Рис.10 присоединение емкости коллекторного перехода обозначено пунктиром.
Как
видно из Рис.10 в схему замещения транзистора входят
четыре элемента. Величину электрических
параметров этих элементов можно связать
с величинами четырех h –параметров. Для этого можно использовать
законы Кирхгофа, рассмотрев схему
замещения транзистора при тех же
условиях, при которых были получены
соотношения (3) – (6), т.
е. при или
.
При условии , т.е при коротком замыкании выходных клейм схемы 10 выходной ток, по существу, определяется только величиной тока источника, поскольку сопротивление весьма велико, а , т.е.
(7)
Так как ikи iбэквивалентны приращениям соотвествующих токов и
(8)
Таким образом, параметры h21и β эквивалентны, о чем отмечалось выше.
С учетом эквивалентности параметров и второй закон Кирхгофа, записанный для входного контура схемы Рис.10, дает
(9)
Поскольку токи, протекающие через электроды транзистора, связаны между собой первым законом Кирхгофа
, (10)
а также в соответствии с соотношением (7)
(11)
После замены и эквивалентными им приращениями параметров соотношение (11) представляется в виде
(12)
Откуда
(13)
Условие IБ=const эквивалентно режиму, при котором IБ=0 .
Для этого режима второй закон Кирхгофа
для выходной цепи позволяет записать
соотношение
(14)
С учетом того, что rК(Э)>>rЭ , а величины и эквивалентны величинам приращений параметров и , из соотношения (14) следует
(15)
Второй закон Кирхгофа для входной цепи схемы Рис.10 в режиме с IБ=const позволяет записать
(16)
Откуда вследствие соотношения (14) и эквивалентности и соответственно и получается
(17)
Из соотношений (8), (13), (15), (17) нетрудно получить выражения для определения параметров схемы замещения транзистора через его h—параметры
(18)
(19)
(20)
(21)
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор является одним из старейших, но самым известным типом транзисторов, и до сих пор находит применение в современной электронике.
Транзистор незаменим, когда требуется управлять достаточно мощной нагрузкой, для которой устройство управления не может обеспечить достаточный ток. Они бывают разного типа и мощности, в зависимости от исполняемых задач. Базовые знания и формулы о транзисторах вы можете найти в этой статье.
Введение
Прежде чем начать урок, давайте договоримся, что мы обсуждаем только один тип способ включения транзистора. Транзистор может быть использован в усилителе или приемнике, и, как правило, каждая модель транзисторов производится с определенными характеристиками, чтобы сделать его более узкоспециализированым для лучшей работы в определённом включении.
Транзистор имеет 3 вывода: база, коллектор и эмиттер. Нельзя однозначно сказать какой из них вход, а какой выход, так как все они связаны и влияют друг на друга так или иначе. При включении транзистора в режиме коммутатора (управление нагрузкой) он действует так: ток базы контролирует ток от коллектора к эмиттеру или наоборот, в зависимости от типа транзистора.
Есть два основных типа транзисторов: NPN и PNP. Чтобы это понять, можно сказать, что основное различие между этими двумя типами это направления электрического тока. Это можно видеть на рисунке 1.А, где указано направление тока. В транзисторе NPN, один ток течет от основания внутрь транзистора, а другой ток течет от коллектора к эмиттеру, а в PNP транзисторе всё наоборот. С функциональной точки зрения, разница между этими двумя типами транзисторов это напряжение на нагрузке. Как вы можете видеть на рисунке, транзистор NPN обеспечивает 0В когда он открыт, а PNP обеспечивает 12В. Вы позже поймете, почему это влияет на выбор транзистора.
Для простоты мы будем изучать только NPN транзисторы, но всё это применимо к PNP, принимая во внимание, что все токи меняются на противоположные.
Рисунок ниже показывает аналогию между переключателем (S1) и транзисторным ключом, где видно, что ток базы закрывает или открывает путь для тока от коллектора к эмиттеру:
Точно зная характеристики транзистора, от него можно получить максимальную отдачу.
Основным параметром является коэффициент усиления транзистора по постоянному току, который обычно обозначается Hfe или β. Также важно знать максимальный ток, мощность и напряжение транзистора. Эти параметры можно найти в документации на транзистор, и они помогут нам определить значение резистора на базе, о чем рассказано дальше.
Использование NPN транзистора как коммутатора
На рисунке показано включение NPN транзистора в качестве коммутатора. Вы встретите это включение очень часто при анализе различных электронных схем. Мы будем изучать, как запустить транзистор в выбранном режиме, рассчитать резистор базы, коэффициент усиления транзистора по току и сопротивление нагрузки. Я предлагаю самый простой и самый точный способ для этого.
1. Предположим, что транзистор находится в режиме насыщения: При этом математическая модель транзистора становится очень простой, и нам известно напряжение на точке Vc. Мы найдем значение резистора базы, при котором всё будет правильно.
2. Определение тока насыщения коллектора: Напряжение между коллектором и эмиттером (Vce) взято из документации транзистора. Эмиттер подключен к GND, соответственно Vce= Vc — 0 = Vc. Когда мы узнали эту величину, мы можем рассчитать ток насыщения коллектора по формуле:
Иногда, сопротивления нагрузки RL неизвестно или не может быть точным, как сопротивление обмотки реле; В таком случае, достаточно знать, необходимый для запуска реле ток.
Убедитесь, что ток нагрузки не превышает максимальный ток коллектора транзистора.
3. Расчет необходимого тока базы: Зная ток коллектора, можно вычислить минимально необходимый ток базы для достижения этого тока коллектора, используя следующую формулу:
Из неё следует что:
4. Превышение допустимых значений: После того как вы рассчитали ток базы, и если он оказался ниже указанного в документации, то можно перегрузить транзистор, путем умножения расчетного тока базы например в 10 раз.
Таким образом, транзисторный ключ будет намного более устойчивым. Другими словами, производительность транзистора уменьшится, если нагрузка увеличится. Будьте осторожны, старайтесь не превышать максимальный ток базы, указанный в документации.
5. Расчёт необходимого значения Rb: Учитывая перегрузку в 10 раз, сопротивление Rb может быть рассчитано по следующей формуле:
где V1 является напряжением управления транзистором (см. рис 2.а)
Но если эмиттер подключен к земле, и напряжение база-эмиттер известно (около 0,7В у большинстве транзисторов), а также предполагая, что V1 = 5V, формула может быть упрощена до следующего вида:
Видно, что ток базы умножается на 10 с учётом перегрузки.
Когда значение Rb известно, транзистор «настроен» на работу в качестве переключателя, что также называется «режим насыщения и отсечки «, где «насыщение» — когда транзистор полностью открыт и проводит ток, а «отсечение» – когда закрыт и ток не проводит.
Примечание: Когда мы говорим , мы не говорим, что ток коллектора должен быть равным . Это просто означает, что ток коллектора транзистора может подниматься до этого уровня. Ток будет следовать законам Ома, как и любой электрический ток.
Расчет нагрузки
Когда мы считали, что транзистор находится в режиме насыщения, мы предполагали что некоторые его параметры не менялись. Это не совсем так. На самом деле эти параметры менялись в основном за счет увеличения тока коллектора, и поэтому он является более безопасным для перегрузки. В документации указано изменение параметров транзистора при перегрузке. Например, в таблице на рисунке 2.В показано два параметра которые значительно меняются:
HFE (β) меняется в зависимости от тока коллектора и напряжения VCEsat. Но VCEsat само меняется в зависимости от тока коллектора и базы, что показано в таблице дальше.
Расчет может быть очень сложным, так как все параметры тесно и сложно взаимосвязаны, поэтому лучше взять худшие значения.
Т.е. наименьший HFE, крупнейший VCEsat и VCEsat.
Типичное применение транзисторного ключа
1. Управление реле
В современной электронике транзисторный ключ используется для контроля электромагнитных реле, которое потребляют до 200 мА. Если вы хотите управлять реле логической микросхемой или микроконтроллером то транзистор незаменим. На рисунке 3.A, сопротивления резистора базы рассчитывается в зависимости от необходимого для реле тока. Диод D1 защищает транзистор от импульсов, которые катушка генерирует при выключении.
2. Подключение транзистора с открытым коллектором:
Многие устройства, такие как семейство микроконтроллеров 8051 имеют порты с открытым коллектором. Сопротивление резистора базы внешнего транзистора рассчитывается, как описано в этой статье. Заметим, что порты могут быть более сложными, и часто используют полевые транзисторы вместо биполярных и называются выходами с открытым стоком, но всё остаётся точно таким же как на рисунке 3.
B
3. Создание логического элемента ИЛИ-НЕ (NOR):
Иногда в схеме необходимо использовать один логический элемент, и вы не хотите использовать 14-контактную микросхему с 4 элементами либо из-за стоимости или местом на плате. Её можно заменить парой транзисторов. Отметим, что частотные характеристики таких элементов зависят от характеристик и типа транзисторов, но обычно ниже 100 кГц. Уменьшение выходного сопротивления (Ro) приведет к увеличению потребления энергии, но увеличит выходной ток.
Вам надо найти компромисс между этими параметрами.
На рисунке выше показан логический элемент ИЛИ-НЕ построенный с использованием 2х транзисторов 2N2222. Это может быть сделано на транзисторах PNP 2N2907, с незначительными изменениями. Вы просто должны учитывать, что все электрические токи тогда текут в противоположном направлении.
Поиск ошибок в транзисторных схемах
При возникновении проблемы в цепях, содержащих много транзисторов, может быть весьма проблематично узнать, какой из них неисправен, особенно когда они все впаяны.
Я даю вам несколько советов, которые помогут вам найти проблему в такой схеме достаточно быстро:
1. Температура: Если транзистор сильно греется, вероятно, где-то есть проблема. Необязательно что проблема в горячем транзисторе. Обычно дефектный транзистор даже не нагревается. Это повышение температуры может быть вызвано другим транзистором, подключенным к нему.
2. Измерение VCE транзисторов: Если они все одного типа и все работают, то они должны иметь приблизительно одинаковое VCE. Поиск транзисторов, имеющих различные VCE это быстрый способ обнаружения дефектных транзисторов.
3. Измерение напряжения на резисторе базы: Напряжение на резисторе базы достаточно важно (если транзистор включен). Для 5 В устройства управления транзистором NPN, падения напряжения на резисторе должно быть более 3В. Если нет падения напряжения на резисторе, то либо транзистор, либо устройство управления транзистора имеют дефект.
В обоих случаях ток базы равен 0.
Оригинал статьи
Теги:
- Перевод
Bipolar Junction Transistors Уравнение анализа постоянного тока
Библиотека уравнений
Уравнения, связанные с электроникой, и многое другое.
Clear
Electronics Reference
Bipolar Junction Transistor (BJT)
| DC Currents | |
| Common-Base Amplification Factor (Alpha, α) | |
| Common-Emitter Forward Коэффициент усиления тока (бета, β) | |
| Collector Current | |
| Emitter Current | |
| Collector Maximum Power Dissipation |
Fixed-Bias Configuration
| Base to Emitter Voltage | |
| Ток базы | |
| Ток коллектора | |
| Напряжение между коллектором и эмиттером | |
| Saturation Current |
Emitter-Bias Configuration
| Base to Emitter Voltage | |
| Base Current | |
| Collector to Emitter Напряжение | |
| Ток насыщения |
Конфигурация смещения делителя напряжения
Exact Analysis:
| Base to Emitter Voltage | |
| Thévenin Equivalent Network Resistor | |
| Thévenin Equivalent Network Voltage | |
| Base Current | |
| Ток коллектора | |
| Ток эмиттера | |
| Напряжение между коллектором и эмиттером | |
| Saturation Current |
Approximate Analysis:
| Base to Emitter Voltage | |
| Approximation | |
| Base Terminal Voltage | |
| Напряжение на клеммах эмиттера | |
| Ток эмиттера | |
| Базовый ток | |
| Collector to Emitter Voltage | |
| Saturation Current |
Collector Feedback Configuration
| Base to Emitter Voltage | |
| Base Current | |
| Ток коллектора | |
| Ток эмиттера | |
| Collector to Emitter Voltage |
Emitter Follower Configuration
| Base to Emitter Voltage | |
| Base Current | |
| Collector Current | |
| Ток эмиттера | |
| Напряжение между коллектором и эмиттером |
Common-Base Configuration
| Base to Emitter Voltage | |
| Emitter Current | |
| Base Current | |
| Collector Current | |
| Collector to Emitter Напряжение | |
| Напряжение между коллектором и базой |
Конфигурация Дарлингтона
| Net Beta | |
| Base to Emitter Voltages | |
| Net Base to Emitter Voltage | |
| Base Current (First Transistor) | |
| Emitter Current (второй транзистор) | |
| Напряжение на клеммах эмиттера (второй транзистор) | |
| Напряжение на коллекторе (второй транзистор) | |
| Collector to Emitter Voltage (Second Transistor) |
Cascode Configuration
| Base Terminal Voltage (First Transistor) | |
| Base Terminal Voltage ( Второй транзистор) | |
| Напряжение между базой и эмиттером | |
| Напряжение на клеммах эмиттера (первый транзистор) | |
| Emitter Terminal Voltage (Second Transistor) | |
| Emitter and Collector Currents | |
| Collector Terminal Voltage (First Transistor) | |
| Collector Terminal Voltage (Second Transistor) | |
| Токи резисторов смещения | |
| Базовый ток (первый транзистор) | |
| Базовый ток (второй транзистор) |
Конфигурация пары обратной связи
Коллектор. Ток (первый транзистор) | |
| Напряжение на клеммах базы (первый транзистор) | |
| Напряжение на клеммах базы (второй транзистор) | |
| Collector Terminal Voltage (First Transistor) | |
| Collector Terminal Voltage (Second Transistor) | |
| Collector to Emitter Voltage (Second Transistor) | |
| Emitter to Collector Voltage (Первый транзистор) |
Коэффициент усиления по току транзистора — это то, что важно стабилизировать, потому что при изменении температуры коэффициент усиления по току меняется. Также разные транзисторы одной и той же модели могут иметь немного разный коэффициент усиления по току (бета постоянного тока). Например, другой транзистор той же модели транзистора 2N39.04 может иметь различный коэффициент усиления по току.
Чтобы сместить транзистор для этого выходного тока и напряжения, нам нужно использовать резистор R 1 , R 2 , R C и R E для смещения цепи.
