คำถามทรานซิสเตอร์เบื้องต้น

ฉันได้สร้างวงจรที่แสดง ฉันใช้แบตเตอรี่ 9V (จริง ๆ แล้วขว้างออก 9.53V) และ 5V มาจาก Arduino เพื่อทดสอบกับทั้ง 9 และ 5 โวลต์ ทรานซิสเตอร์เป็น BC 548B (แผ่นข้อมูลที่ฉันใช้อยู่ที่นี่ )

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ฉันได้ทำการทดสอบตัวเลขเพื่อเปลี่ยนค่าของ Rb และ Rc ด้วยผลลัพธ์ต่อไปนี้ไม่ทราบเลยว่าจริงหรือไม่

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

คำถามของฉันมีดังนี้

1. ฉันเข้าใจว่าจากแผ่นข้อมูลช่วงสำหรับทรานซิสเตอร์นี้สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 200 ถึง 450 ฉันคิดว่าสาเหตุที่มีค่าน้อยกว่า 200 ในตาราง 9V อ้างอิง 3 และ 4 เป็นเพราะวงจรตัวส่งสัญญาณมีความอิ่มตัวและสามารถ ' ไม่สูงขึ้นใด ๆ ทำให้เบต้าจะลดลงเมื่อกระแส Ib เพิ่มขึ้น ถูกต้องหรือไม่

2. ในหนังสือเรียนทั้งหมดที่ฉันได้ดูเบต้านั้นเป็นค่าคงที่ "ถ้าเบต้าเป็น X ให้หาค่าตัวต้านทานในฐานที่ต้องการเพื่อสร้างกระแสของ Y ในตัวสะสม" ฉันอ่านตั้งแต่ว่าเบต้าจะผันผวนตามอุณหภูมิและกระแสของนักสะสม (ฉันคิดว่ามันเป็นตัวสะสมในปัจจุบัน) ฉันจะหาข้อมูลนี้ได้จากที่ไหน? ตารางบอกตำแหน่งเบต้ากับไอซีให้ฉันที่ไหน หากเบต้ามีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาคุณจะเลือกการลงทะเบียนที่จะทำงานได้ตลอดเวลาและ / หรือมีกระแสมากเกินไปในสิ่งที่จะโหลดบนตัวสะสม

3. รูปที่ 1 จากแผ่นข้อมูลแสดงให้เห็นว่าด้วยกระแส50μAในฐานปัจจุบันกระแสสะสมไม่ควรเกิน 11mA ไม่คำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าระหว่างตัวสะสมและตัวส่ง แต่ให้ 9V ref 1 และ 5V ref 2 ซึ่งทั้งคู่มี Ib ~ 50μAฉันมี Ic สูงกว่าที่ระบุ ทำไมนี้ รูปที่ 1 คืออะไรบอกฉันจริง

4. รูปที่ 3 จากแผ่นข้อมูลแสดงให้เห็นว่า hFE คือ 200 สำหรับ Ic <40mA ที่กำหนด Vce = 5V เห็นได้ชัดว่าไม่เกิดขึ้นเนื่องจากผลลัพธ์ทั้งหมดในตาราง 5V ในโพสต์นี้ กราฟอีกอันคืออะไร?

5. ฉันพยายามเชื่อมต่อวงจรขึ้นเพื่อที่ฉันจะได้แบตเตอรี่ 9V ของฉันทำงานจากตัวสะสมไปยังตัวส่งและ 5V Arduino ของฉันเปิดฐานอยู่โดยพื้นฐานแล้วสวิตช์ทรานซิสเตอร์นั้นใช้ทำอะไร ฉันคิดว่านั่นจะทำให้ Arduino สั้นลง ฉันจะให้แบตเตอรี่ 9V ทำงานจาก C ถึง E และ 5V ที่ปลายฐานได้อย่างไร ฉันจะสายนี้ได้อย่างไร

คำถามของคุณน่าจะเป็นเกี่ยวกับเบต้าหรือเอชFE ใช่สิ่งนี้อาจแตกต่างกันอย่างมากระหว่างชิ้นส่วนแม้จากชุดการผลิตเดียวกัน นอกจากนี้ยังแตกต่างกันบ้างกับตัวสะสมกระแสและแรงดันตัวสะสม (ใช้ตัวส่งเป็นตัวอ้างอิง 0 V) อย่างไรก็ตามสำหรับทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งอัตราการขยายตัวของมันจะแตกต่างกันไปเล็กน้อยเนื่องจากฟังก์ชั่นของกระแสสะสมในช่วงที่เหมาะสมและสมมติว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุนั้นสูงพอ

ประเด็นใหญ่ที่คุณดูเหมือนจะหายไปคือคุณไม่ควรกังวลเกี่ยวกับการได้รับแน่นอน วงจรที่ดีที่มีทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ทำงานได้กับการรับประกันขั้นต่ำที่ได้รับในพื้นที่ปฏิบัติการที่ต้องการ มันไม่ได้อยู่นอกบรรทัดสำหรับทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งที่จุดปฏิบัติการเฉพาะเพื่อให้ได้รับเพิ่มขึ้น 10 เท่าจากแผ่นข้อมูลที่รับประกันขั้นต่ำ หลังจากคำนึงถึงเรื่องนี้ในการออกแบบวงจรแล้วมันเป็นเพียงขั้นตอนเล็กน้อยที่จะทำให้แน่ใจว่าวงจรทำงานกับทรานซิสเตอร์ที่ได้มาจนถึงอินฟินิตี้

การออกแบบเพื่อผลประโยชน์ที่หลากหลายเช่นนี้อาจฟังดูยาก แต่ที่จริงแล้วมันไม่ใช่ โดยทั่วไปมีสองกรณี เมื่อทรานซิสเตอร์ถูกใช้เป็นสวิตช์กระแสไฟฟ้าพื้นฐานขั้นต่ำซึ่งคำนวณจากกำไรที่ได้รับการรับประกันขั้นต่ำจะขับเข้าสู่ความอิ่มตัว หากได้รับสูงกว่าทรานซิสเตอร์ก็จะอิ่มตัวมากขึ้นที่กระแสฐานเดียวกัน แต่แรงดันไฟฟ้าทั้งหมดและกระแสผ่านมันจะยังคงเหมือนเดิม อีกวิธีหนึ่งส่วนที่เหลือของวงจร (ยกเว้นในกรณีที่ผิดปกติ) จะไม่สามารถบอกความแตกต่างระหว่างทรานซิสเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วย 2x หรือ 20x สู่ความอิ่มตัว

เมื่อทรานซิสเตอร์ถูกใช้ในพื้นที่ "เชิงเส้น" การตอบรับเชิงลบจะถูกใช้เพื่อแปลงอัตราขยายที่ใหญ่และคาดเดาไม่ได้ให้เป็นอัตราขยายที่เล็กลง แต่ควบคุมได้ดี นี่เป็นหลักการเดียวกับที่ใช้กับ opamps ความคิดเห็น DC และ AC อาจแตกต่างกันกับการตั้งค่าครั้งแรกที่จุดปฏิบัติการบางครั้งเรียกว่าbiasingทรานซิสเตอร์และการควบคุมที่สองเกิดอะไรขึ้นเมื่อสัญญาณที่ต้องการจะถูกส่งผ่านวงจร

ที่เพิ่ม:

นี่คือวงจรตัวอย่างที่สามารถทนต่อการได้รับทรานซิสเตอร์ที่หลากหลาย มันจะขยายสัญญาณเสียงขนาดเล็กประมาณ 10 เท่าและเอาต์พุตจะอยู่ที่ประมาณ 6 V

หากต้องการแก้ปัญหาด้วยตนเองอาจเป็นเรื่องง่ายที่สุดที่จะทำซ้ำ เริ่มต้นด้วยการสมมติว่า OUT เป็น 6V และทำงานจากที่นั่น เนื่องจากเกนจ์ไม่มีที่สิ้นสุดจึงไม่มีกระแสฐานและแรงดันไฟฟ้าฐานถูกตั้งค่าโดยตรงโดยตัวหาร R1-R2 โดยตรงจากค่า OUT ตัวหารมีผลกำไรเป็น 1/6 ดังนั้นฐานอยู่ที่ 1.00 V. ลบด้วยการหยด BE 600 mV ที่ทำให้อีซีเตอร์ที่ 400 mV และอีซีแอลและกระแสสะสมที่ 400 µA เส้นทาง R1-R2 วาด 50 µA ดังนั้นผลรวมจาก OUT 450 µA ดังนั้นการลดลงของ R3 คือ 4.5 V ดังนั้น OUT อยู่ที่ 7.5 V ทีนี้ลองคำนวณข้างต้นอีกครั้งโดยสมมติว่า 7.5 V และอาจ อีกครั้งหลังจากนั้น คุณจะเห็นผลลัพธ์ที่บรรจบกันอย่างรวดเร็ว

นี่เป็นหนึ่งในไม่กี่กรณีที่เครื่องมือจำลองมีประโยชน์ ปัญหาหลักของตัวจำลองคือพวกมันให้คำตอบที่ถูกต้องและเชื่อถือได้อย่างมากแม้ว่าพารามิเตอร์อินพุตจะคลุมเครือ อย่างไรก็ตามในกรณีนี้เราต้องการเห็นผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงเพียงแค่การได้รับทรานซิสเตอร์ดังนั้นเครื่องจำลองสามารถดูแลการทำงานที่น่าเบื่อหน่ายทั้งหมดสำหรับเราได้ ยังคงมีประโยชน์ที่จะดำเนินการตามกระบวนการในย่อหน้าก่อนหน้าหนึ่งครั้งเพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งที่เกิดขึ้นตามที่เห็นเพียงแค่ดูผลลัพธ์ของการจำลองเป็นทศนิยม 4 ตำแหน่ง

ไม่ว่าในกรณีใดคุณสามารถหาจุดไบแอส DC สำหรับวงจรข้างต้นโดยสมมติว่าได้รับไม่ จำกัด ทีนี้สมมติว่าได้รับ 50 สำหรับทรานซิสเตอร์และทำซ้ำ คุณจะเห็นว่าระดับ DC ของ OUT มีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

สิ่งที่ควรทราบอีกประการหนึ่งคือความคิดเห็น DC มีสองรูปแบบ แต่มีเพียงรูปแบบเดียวสำหรับสัญญาณเสียง AC

เนื่องจากด้านบนของ R1 เชื่อมต่อกับ OUT จะให้ข้อเสนอแนะ DC บางอย่างที่ทำให้จุดปฏิบัติการมีเสถียรภาพมากขึ้นและมีความไวน้อยลงต่อลักษณะทรานซิสเตอร์ที่แน่นอน หาก OUT ขึ้นไปกระแสในฐานของ Q1 จะสูงขึ้นซึ่งจะทำให้เกิดการสะสมมากขึ้นซึ่งทำให้ OUT ลงไป อย่างไรก็ตามเส้นทางข้อเสนอแนะนี้ไม่ได้ใช้กับสัญญาณเสียง อิมพิแดนซ์ที่มองเข้าไปในตัวหาร R1-R2 คือ R1 // R2 = 17 kΩ ความถี่การกรองตัวกรองผ่านความถี่สูงเกิดขึ้นจาก C1 และ 17 kΩนี้คือ 9.5 Hz แม้แต่ที่ 20 เฮิร์ตซ์ R1 // R2 ก็ยังไม่โหลดสัญญาณที่ผ่าน C1 มากและมันก็ไม่ได้สัดส่วนตามความถี่มากขึ้น ใส่อีกวิธีหนึ่ง R1 และ R2 ช่วยกำหนดจุดไบอัส DC แต่ไม่เข้าไปในสัญญาณเสียงที่ต้องการ

ในทางตรงกันข้าม R4 ให้ข้อเสนอแนะเชิงลบสำหรับทั้ง DC และ AC ตราบใดที่การได้รับของทรานซิสเตอร์เป็น "ใหญ่" จากนั้นกระแสอีซีแอลนั้นก็ใกล้เคียงกับพอร์เทอเรเตอร์ปัจจุบัน ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าใดก็ตามที่อยู่ใน R4 จะปรากฏใน R3 ตามสัดส่วนของความต้านทาน เนื่องจาก R3 เป็น 10x R4 สัญญาณทั่วทั้ง R3 จะเป็น 10 เท่าของสัญญาณทั่ว R4 เนื่องจากด้านบนของ R4 อยู่ที่ 12 V, OUT คือ 12 V ลบสัญญาณข้าม R3 ซึ่งเป็น 12 V ลบ 10 เท่าของสัญญาณข้าม R4 นี่คือวิธีที่วงจรนี้จะได้รับ AC ที่แน่นอนพอสมควรตราบใดที่ทรานซิสเตอร์มีขนาดใหญ่กว่านั้นอย่างเช่น 50 หรือสูงกว่า

ไปข้างหน้าและจำลองวงจรนี้ในขณะที่เปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของทรานซิสเตอร์ ดูทั้งจุดปฏิบัติการ DC และฟังก์ชั่นถ่ายโอนโดยรวมจาก IN ถึง OUT ของสัญญาณเสียง

1. อะไรทำให้เบต้าชัดเจนลดลงเมื่อกระแสฐานเพิ่มขึ้น

เบต้าไม่เปลี่ยนแปลง ตัวสะสมในปัจจุบันถูก จำกัด โดย Rc ด้วย Rc = 500 Ωกระแสสะสมสูงสุดคือประมาณ 18 mA ด้วย Rc = 1.2 kΩกระแสสูงสุดจะอยู่ที่ประมาณ 7.5 mA สิ่งนี้มาจากกฎของโอห์ม - 9V / 1.2kΩ = 7.5 mA ด้วยเบต้า> 300 คุณต้องใช้กระแสไฟฟ้า 25 uA เท่านั้นเพื่อสะสมกระแสไฟฟ้าสูงสุด การเพิ่มกระแสฐานพิเศษไม่เปลี่ยนแปลงอะไรเลย

$I_C$

แผ่นข้อมูลนี้ไม่ได้ให้ข้อมูลใด ๆ ว่าเบต้าแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิอย่างไร Beta กับ Ic ถูกกล่าวถึงในคำถามที่ 4 ด้านล่าง ฉันตรวจสอบเอกสารข้อมูลทางเทคนิคอื่น ๆ อีกสองสามฉบับและไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิใด ๆ ตามหมายเหตุของแอพนี้เบต้าเพิ่มขึ้นประมาณ 0.5% ต่อองศาเซลเซียสความเข้าใจที่ละเอียดยิ่งขึ้นอาจต้องใช้โมเดล Ebers-Mollซึ่งรวมถึงอุณหภูมิในรูปของแรงดันความร้อน (kT / q) ฉันไม่ใช่อาจารย์ BJT ดังนั้นบางทีคนอื่นก็สามารถอธิบายได้

$I_C$

ส่วนของแผ่นข้อมูลนี้ให้คุณสมบัติด้านประสิทธิภาพโดยทั่วไป เหล่านี้คือค่าเฉลี่ยที่ไม่แสดงการเปลี่ยนแปลงจากหน่วยหนึ่งไปยังอีกหน่วยหนึ่ง กราฟทั่วไปแสดงแนวคิดเกี่ยวกับพฤติกรรมของหน่วยโดยเฉลี่ย แต่ก็ไม่ได้ให้ข้อ จำกัด ที่แท้จริงเกี่ยวกับพฤติกรรมนั้น นั่นคือสิ่งที่ตารางลักษณะไฟฟ้าสำหรับ

4. เบต้าสามารถมากกว่าสิ่งที่แสดงในรูปที่ 3 ของแผ่นข้อมูลได้อย่างไร

มีสองสิ่งเกิดขึ้นที่นี่ ก่อนอื่น Vce ของคุณไม่ได้เป็น 5V จริง ๆ ในตาราง 5V ของคุณเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าบางส่วนกำลังลดลงทั่ว Rc ดังนั้นตัวเลขนี้ไม่ได้แสดงวงจรจริงของคุณ ประการที่สองนี่เป็นแผนภาพที่แสดงพฤติกรรมทั่วไป สิ่งที่แสดงให้คุณเห็นคือโดยทั่วไปแล้วเบต้าเริ่มย่อหย่อนที่ประมาณ Ic = 100 mA เนื่องจากค่าสูงสุดแน่นอนคือ 100 mA นี่หมายความว่าคุณควรคาดหวังว่าเบต้าจะคงที่ในช่วงปัจจุบันของอุปกรณ์ รูปใช้ 200 เป็นเบต้าทั่วไป แต่อย่างที่คุณเห็นจากตารางการจำแนก hFE เบต้าสำหรับแต่ละ BC548B อาจอยู่ที่ใดก็ได้จาก 200 - 450

5. สามารถใช้ Arduino เพื่อขับฐานของทรานซิสเตอร์นี้ได้อย่างไร

ก่อนอื่นคุณจะต้องได้รับกระแสต่อเนื่องสูงสุดจากแผ่นข้อมูลของ Arduino นี่อาจจะอยู่ในช่วง milliamp ปัจจุบันฐานของคุณจะต้องน้อยกว่านั้นซึ่งไม่น่าจะมีปัญหาตั้งแต่เบต้า> 200 และ Icmax <100 mA หากคุณรู้ว่าคุณต้องการตัวสะสมกระแสไฟฟ้าเท่าไร (ซึ่งคุณควร) คุณสามารถหาค่ากระแสพื้นฐานขั้นต่ำได้ดังนี้

ที่จะให้คุณเลือกตัวต้านทานพื้นฐาน ตามตารางลักษณะทางไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ Vbe ควรอยู่ที่ประมาณ 0.7 V คุณรู้ว่า Arduino เอาท์พุท 5V ของคุณดังนั้นตอนนี้คุณสามารถใช้กฎของโอห์มได้:

เชื่อมต่อความต้านทานนี้ระหว่าง Arduino IO และฐานของทรานซิสเตอร์ เชื่อมต่อตัวส่งสัญญาณของทรานซิสเตอร์ขั้วลบของแบตเตอรี่ขนาด 9 โวลต์และกราวด์ของ Arduino เข้าด้วยกัน

การเสริมข้อมูลที่ให้ไว้ในคำตอบของ O. Lathrop ฉันต้องการยกตัวอย่างสั้น ๆ ที่อาจทำให้คุณประหลาดใจ:

Let`s ถือว่าคุณได้รับการออกแบบขั้นตอนง่ายกำไร (ดังแสดงในโพสต์ของคุณ) โดยใช้ทรานซิสเตอร์ที่มีกำไรในปัจจุบันของเบต้า = 200 นิ่ง dc ปัจจุบันคือIc = 1mAและได้รับแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ (Rc = 2.5kohms) เป็นG = -100 ทีนี้ถ้าคุณเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ที่มีค่าต่ำกว่าbeta = 100คุณจะสังเกตได้ว่าแรงดันไฟฟ้า G จะไม่เปลี่ยนแปลงหากคุณได้ปรับความต้านทานไบแอส RB ให้เป็นค่าที่ต่ำกว่าซึ่งจะช่วยให้ค่ากระแสคงที่ Ic = 1mA (สิ่งนี้จำเป็นสำหรับการเปรียบเทียบอย่างยุติธรรม)

เหตุผลมีดังต่อไปนี้: แรงดันไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดย transconductance gm ของทรานซิสเตอร์ (ความชันของลักษณะ Ic = f (Vbe)) ซึ่งหมายความว่า: "อัตราขยายปัจจุบัน" ไม่มีบทบาท - การลดค่าเบต้าจาก 200 เป็น 100 จะเพิ่มเฉพาะกระแสอินพุตเท่านั้นโดยไม่ส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าที่ได้รับ (ตราบใดที่จุดปฏิบัติการไม่เปลี่ยนแปลง)