จะคำนวณการกระจายพลังงานในทรานซิสเตอร์ได้อย่างไร?

20

พิจารณาภาพร่าง CircuitLab อย่างง่าย ๆ ของวงจร (แหล่งกระแส):

วงจรไฟฟ้า

ฉันไม่แน่ใจว่าจะคำนวณการกระจายพลังงานของทรานซิสเตอร์ได้อย่างไร

ฉันเรียนวิชาอิเล็กทรอนิกส์และมีสมการต่อไปนี้ในบันทึกย่อของฉัน (ไม่แน่ใจว่าช่วยได้หรือไม่):

P = P_{C E} + P_{B E} + P_{b a s e - r e s i s t o r}

$P = P_{CE} + P_{BE} + P_{base-resistor}$

ดังนั้นการกระจายอำนาจคือการกระจายอำนาจทั่วสะสมและอีซีแอล, กระจายอำนาจข้ามฐานและอีซีแอลและเป็นปัจจัยลึกลับ $P_{base-resistor}$ Rโปรดทราบว่าβของทรานซิสเตอร์ในตัวอย่างนี้ตั้งไว้ที่ 50

ฉันสับสนค่อนข้างโดยรวมและอีกหลาย คำถาม ที่นี่ในทรานซิสเตอร์ได้รับประโยชน์มาก

transistors bjt

— David Chouinard
แหล่งที่มา

สเปคของ transister ทำให้มันเป็น Pc = Ic * Vce

— Arjob Mukherjee

26

พลังไม่ใช่สิ่งที่ "ข้าม" กำลังคือแรงดันไฟฟ้าที่บางครั้งคูณกับกระแสที่ไหลผ่าน เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเล็กน้อยที่ไหลเข้าสู่ฐานนั้นไม่เกี่ยวข้องกับการกระจายพลังงานให้คำนวณแรงดันไฟฟ้า CE และกระแสไฟฟ้าสะสม กำลังงานที่ทรานซิสเตอร์ลดลงจะเป็นผลผลิตของสองตัวนั้น

ลองมาแทงอย่างรวดเร็วที่นี่ทำให้มีสมมติฐานที่ง่ายขึ้น เราจะบอกว่าได้รับไม่สิ้นสุดและการลดลงของ BE คือ 700 mV ตัวแบ่ง R1-R2 ตั้งค่าฐานไว้ที่ 1.6 V ซึ่งหมายความว่าตัวส่งคือ 900 mV ดังนั้น R4 จึงตั้งค่า E และ C ปัจจุบันเป็น 900 µA การกระจายพลังงานในกรณีที่เลวร้ายที่สุดในไตรมาสที่ 1 คือเมื่อ R3 เป็น 0 เพื่อให้ตัวสะสมอยู่ที่ 20 V. ด้วย 19.1 V ที่ตรงข้ามทรานซิสเตอร์และ 900 µA ผ่านมันจะกระจาย 17 mW ไม่เพียงพอที่จะสังเกตเห็นความอบอุ่นเป็นพิเศษเมื่อวางนิ้วของคุณบนมันแม้จะเป็นเคสขนาดเล็กเช่น SOT-23

— แลงทรอฟ
แหล่งที่มา

ขอบคุณแลง ชื่นชมมากตอนนี้ก็ชัดเจนกว่ามาก

— David Chouinard

"หลักการ" นี้สามารถปรับขนาดได้ให้กับไดร์เวอร์ IGBT ขนาดใหญ่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง แต่คุณจำเป็นต้องอ่านเอกสารข้อมูลส่วนประกอบที่จำเป็นต้องพิจารณาความต้านทานที่มีประสิทธิภาพในกระแสเฉพาะ ยังนำไปใช้กับไดโอด, SCRs และตัวเหนี่ยวนำเช่นกัน ในความเป็นจริงทุกสิ่งที่สร้างแรงดันตกคร่อมและหรือต้านทาน

— Spoon

"พลังงานคือแรงดันข้ามบางครั้งที่กระแสไหลผ่าน" เราต้องระวังว่านี่คือพลังงานไฟฟ้าทั้งหมด แต่ไม่จำเป็นต้องกระจายพลังงานเพียงส่วนประกอบของกระแสไฟฟ้าที่อยู่ในเฟสที่มีแรงดันไฟฟ้าก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีใน ระบบ

— lurscher

11

พลังงานคืออัตราที่พลังงานถูกแปลงเป็นพลังงานอื่น พลังงานไฟฟ้าเป็นผลิตภัณฑ์ของแรงดันและกระแส :

P = V I

$P = VI$

โดยปกติแล้วเรากำลังแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนและเราใส่ใจเรื่องพลังงานเพราะเราไม่ต้องการละลายส่วนประกอบของเรา

ไม่สำคัญว่าคุณต้องการคำนวณพลังงานในตัวต้านทานทรานซิสเตอร์วงจรหรือวาฟเฟิลพลังงานยังคงเป็นผลิตภัณฑ์ของแรงดันและกระแส

เนื่องจาก BJT เป็นอุปกรณ์สามเทอร์มินัลซึ่งแต่ละอันอาจมีกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันสำหรับจุดประสงค์ในการคำนวณกำลังไฟมันช่วยในการพิจารณาทรานซิสเตอร์เป็นสองส่วน บางคนปัจจุบันเข้าสู่ฐานและออกอีซีแอลที่ผ่านบางส่วนแรงดัน Eบางหมุนเวียนอื่นเข้ามาสะสมและใบอีซีแอลผ่านบางส่วนแรงดัน Eกำลังทั้งหมดในทรานซิสเตอร์คือผลรวมของสองสิ่งนี้: $V_{BE}$ $V_{CE}$

P = V_{B E} I_{B} + V_{C E} I_{C}

$P = V_{BE}I_B + V_{CE}I_C$

เนื่องจากเป้าหมายของการใช้ทรานซิสเตอร์มักจะขยายวงจรกระแสของตัวสะสมจะมีขนาดใหญ่กว่ากระแสฐานและกระแสฐานจะเล็กเล็กพอที่จะถูกทอดทิ้ง ดังนั้นและอำนาจในทรานซิสเตอร์ได้ง่ายไปที่: $I_B \ll I_C$

P \approx V_{C E} I_{C}

$P \approx V_{CE} I_{C}$

— Phil Frost
แหล่งที่มา

ขอบคุณ Phil มีประโยชน์ สมมติฐานดังกล่าวมีความยาวในการทำให้การคำนวณง่ายขึ้น

— David Chouinard

ยิ่งไปกว่านั้นβของทรานซิสเตอร์คือ 50 เนื่องจากค่านั้นมีขนาดเล็กไม่แน่ใจว่าจะทำให้ปัจจัยอื่น ๆ มีความสำคัญพอที่จะมีความสำคัญหรือไม่

— David Chouinard

2

@DavidChouinard ความสำคัญสัมพัทธ์ของอำนาจยังขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของ

ต่อ

แต่ถ้า

มีขนาดใหญ่กว่า

50 เท่ามันจะยากสำหรับพลังงานเนื่องจากกระแสฐานเป็นสำคัญ ฉันได้เพิ่มการคำนวณที่ไม่ได้ปรับปรุงเพื่อให้คุณสามารถดูว่ามีความเกี่ยวข้องกันอย่างไร

V_{B E}

$V_{BE}$

V_{C E}

$V_{CE}$

I_{C}

$I_C$

I_{B}

$I_B$

— Phil Frostst

ถ้าใครจะใช้

กับตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำเราจะได้รับพลังงานสะสม แต่ไม่ใช่พลังงานที่กระจายไปเนื่องจากส่วนประกอบเหล่านั้น (ในรูปบริสุทธิ์) ไม่เพิ่มเอนโทรปีของระบบ ฉันไม่เชื่อเรื่องนี้

V \times I

$V \times I$

— lurscher

@lurscher ถูกต้องตัวเก็บประจุในอุดมคติไม่ร้อน แต่นั่นไม่ได้หมายความว่า P = VI เป็นเท็จ พลังงานคืออัตราของการทำงาน: ไม่มีข้อกำหนดว่างานจะต้องมีความร้อน (แม้ว่าจะเป็นกรณีที่พบบ่อยมากและสิ่งหนึ่งที่ใช้ในกรณีของทรานซิสเตอร์เรื่องของคำถาม)

— Phil Frostst

1

ในกรณีพิเศษของวงจรของคุณเนื่องจากมีทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวคุณสามารถค้นหาว่ามันเป็นการกระจายพลังงานโดยใช้การอนุรักษ์พลังงานในวงจรของคุณ:

P_{s o u r c e} = P_{R 1} + P_{R 2} + P_{R 3} + P_{R 4} + P_{B J T}

$P_{source}=P_{R1}+P_{R2}+P_{R3}+P_{R4}+P_{BJT}$

I_{R 1} = I_{R 2} = \frac{V_{1}}{R_{1} + R_{2}} = 0.16 m A

$I_{R1}=I_{R2}=\frac{V_1}{R_1+R_2}=0.16mA$

ตอนนี้เราพบกระแสของ R1 และ R2 กระแสของฐานถูกละเลย:

V_{R 4} + V_{B E} = V_{R 2} \to I_{R 3} = I_{R 4} = 0.9 m A

$V_{R4}+V_{BE}=V_{R2}\to I_{R3}=I_{R4}=0.9mA$

ดังนั้นกำลังทั้งหมดที่กระจายในตัวต้านทานจะเป็น:

\sum_{R_{1}}^{R_{4}} R_{i} I_{i}^{2} = 12.11 m W

$\sum_{R_1}^{R_4}R_iI_i^2=12.11mW$

พลังงานที่แหล่งจ่ายให้กับวงจรคือ:

P_{s o u r c e} = I_{s o u r c e} V_{s o u r c e} = 21.2 m W

$P_{source}=I_{source}V_{source}=21.2mW$

ตอนนี้เราพบการกระจายพลังงานในทรานซิสเตอร์โดยใช้ความสัมพันธ์แรกข้างต้น:

P_{B J T} = 9.09 m W

$P_{BJT}=9.09mW$

— Zorich
แหล่งที่มา

ค่าของ R3 คืออะไร? มันเป็นตัวแปรตามคำแถลงปัญหา

— Fizz

1

@ เกิดใหม่ fluff 10k

— Zorich

1

นี่คือคำตอบที่หยาบกว่า แต่ง่ายต่อการจำและเป็นประโยชน์ในการประมาณครั้งแรก มีเพียงกรณีของทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก NPN เท่านั้นที่ได้รับการจัดการที่นี่ สิ่งที่คล้ายกันสำหรับ PNP ทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก

I_{E} = I_{C} = I .

$I_E = I_C = I.$ หากสมมติฐานนี้ไม่ได้มีไว้แสดงว่าทรานซิสเตอร์นั้นอาจถูกนำไปใช้งานในทางที่ผิดหรืออาจเกิดความล้มเหลวอย่างรุนแรง

P = V_{C E} I .

$P = V_{CE} I.$

V_{C C}

$V_{CC}$

R_{3}

$R_3$

R_{4}

$R_4$

V_{C E} = V_{C C} - R_{3} I - R_{4} I = V_{C C} - (R_{3} + R_{4}) I,

$V_{CE} = V_{CC} - R_3 I - R_4 I = V_{CC} - (R_3+R_4)I,$

P = (V_{C C} - (R_{3} + R_{4}) I) I .

$P = (V_{CC} - (R_3 + R_4)I) I.$

I = V_{C C} / 2 (R_{3} + R_{4}),

$I = V_{CC}/2(R_3+R_4),$

P^{*} = V_{C C}^{2} / 4 (R_{3} + R_{4}) .

$P^* = V_{CC}^2/4(R_3+R_4).$

R_{3}

$R_3$

R_{4}

$R_4$

ทฤษฎีบท: กำลังงานที่เกิดจากทรานซิสเตอร์ไม่มากไปกว่า ${1\over 4}$ ของกำลังที่จะลดลงโดยตัวต้านทานทั้งสอง $R_3$ และ $R_4$ หากพวกเขาเชื่อมต่อโดยตรง

ในปัญหา OP $R_3$ ได้รับอนุญาตนอกจากนี้จะแตกต่างกันระหว่าง 0 และ 10kOhm ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าการแสดงออกของ $P^*$ จะสูงสุดสำหรับ $R_3=0$ . This gives the upper bound

P^{* *} = V_{C C}^{2} / 4 R_{4} = 100 m W,

$P^{**} = V_{CC}^2/4R_4 = 100mW,$ larger than, but not so far from, Olin Lathrop's bound.

— MikeTeX
แหล่งที่มา