Меню

Как рассчитать транзистор по току нагрузки

Урок 4.2. Биполярный транзистор — режим усиления.

npn_lВ предыдущей статье мы разбирались с основами усилителей, немного было сказано о том, что такое обратная связь и коэффициент усиления. Был приведен расчет схемы на операционном усилителе. Теперь мы готовы заглянуть чуть глубже, чтобы понять основы основ.

Транзистор можно представить в виде переменного сопротивления. Положение регулятора зависит от тока подаваемого на базу. Если ток не подается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер очень большое. При подаче на базу небольшого тока, сопротивление переменного резистора уменьшится, и по цепи К-Э потечет ток в h21 раз больше тока базы. H21 это величина коэффициента усиления транзистора, находится по справочнику.

tranzistor_model

Если ток базы постепенно увеличивать, то сопротивление перехода будет постепенно уменьшаться, до тех пор пока не станет близким к нулю. В этот момент транзистор будет полностью открыт, именно этот режим мы и рассматривали в статье про подключение нагрузки при помощи транзистора.

На этот раз нас интересует промежуточное состояние, так как вход и выход взаимосвязаны, то сигнал на выходе будет являться копией входного, но усиленный в несколько раз. Теперь разберемся с усилением. Дело в том, что h21, имеет довольно большой разброс для одного типа транзистора может находиться в пределах от 400 до 1000. Так же, он зависит от температуры. Поэтому, существует типовая схема усиления, которая учитывает все эти недостатки. Но для общего развития стоит рассказать какие они вообще бывают.

Вспомним что мы представляли усилитель, как черный ящик — две ножки вход и две выход. В случае с транзистором, одна из ножек будет постоянно общей для входа и для выхода. В зависимости от этого транзистор может быть включен по схеме с общем базой, с общим коллектором и общим эмиттером.

shema_tranzistorov

Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки. Наша цель рассмотреть включение по схеме с общим эмиттером, потому что данная схема позволяет усилить и ток, и напряжение.

На самом деле, информации с расчетом схемы с общим эмиттером в интернете полно, но на мой взгляд, она не годится для человека, который с трудом представляет себе как выглядит транзистор. Здесь мы будет рассматривать максимально упрощенный вариант, который позволит получить весьма приближенный, но, нам мой взгляд, понятный результат. Поэтому постараемся шаг за шагом разложить все по полочкам.

Реальный транзистор имеет несколько особенностей, которые нужно учитывать при разработке схемы. Например, если сигнал маленькой амплитуды подать на базу, то на выходе ничего не будет — транзистор просто напросто не откроется. Для того, чтобы на выходе появился сигнал, его нужно приоткрыть, т.е. подать на базу напряжение смещения, порядка 0,7В. Обычно это напряжение подается при помощи делителя напряжения. На номиналы резисторов пока не обращаем внимание, расчет будет чуть дальше.

emitter_base

Следующий момент, когда транзистор будет открываться, то по цепи коллектор-эмиттер потечет ток, причем когда транзистор будет полностью открыт, то ток будет ограничен только источником питания. Поэтому транзистор может сгореть. Величина максимального тока приводится в справочнике, поэтому для ограничения тока в цепь коллектора ставится токоограничивающий резистор (как для светодиода).

emitter_base2

Осталось добавить резистор в цепь эмиттера. Смысл его в том, что когда под влиянием окружающей температуры напряжение на выходе изменяется, изменяется и ток коллектора. Так как ток коллектора и эмиттера одинаков, то и на эмиттерном резисторе изменяется напряжение. Напряжение базы и эмиттера связаны формулой Uбэ = UбUэ. получается, что если на выходе напряжение увеличилось, то на базе оно уменьшится, при этом транзистор призакроется и наоборот. Таким образом транзистор сам себя регулирует, не давая напряжению изменяться под действием внешних факторов, т.е. эмиттерный резистор играет роль отрицательной обратной связи.

emitter_base3

Вспомним, что коэффициент усиления находится в довольно большом диапазоне. Поэтому эмиттерный резистор, кроме того, за счет обратной связи, позволяет контролировать величину коэффициента усиления схемы. Отношение сопротивления коллекторного резистора к эмиттерному, примерно, является коэффициентом усиления Ku.

Любой источник сигнала имеет свое внутреннее сопротивление, поэтому для того чтобы ток от внешнего источника VCC не протекал через источник V1 ставят блокировочный конденсатор С1. В итоге мы получили схему усилителя с общим эмиттером.

emitter_base4

Теперь, задача рассчитать его. Пусть дан источник сигнала 50mV, который нужно усилить примерно в 10 раз.

Чтобы не было искажения сигнала, на базу необходимо подавать напряжение смещения, т.е. транзистор должен быть постоянно приоткрыт, поэтому даже при отсутствии сигнала на входе, по цепи коллектор-эмиттер постоянно будет протекать ток. Этот ток называется ток покоя, его рекомендуемая величина 1-2мА. Остановимся на 1мА.

Теперь нужно выбрать резисторы R3 и R4, Их величина будет определять ток покоя, но необходимо учесть, что транзистор не сможет усиливать напряжение ниже 0,7В, поэтому сигнал на выходе обычно колеблется относительно некоторой точки, в качестве которой обычно выбирают половину напряжения питания. Поэтому половина напряжения должна падать на этих резисторах, а вторая половина будет падать на транзисторе.

R3+R4 = (Uпит/2)/Iк = 2,5В/0,001 = 2,5кОм.
Требуемый коэффициент усиления 10, т.е. R3 должен быть больше R4 в 10 раз. Исходя из этого есть два условия:
R3+R4=2500
R3=10*R4

Подставим в первую формулу второе выражение
10R4+R4=2500
11R4=2500
R4=227 Ом ближайший реально существующий номинал 220 Ом
R3=10*R4=2270 ближайший номинал 2,2кОм

Пересчитаем напряжение средней точки на выходе, с учетом выбранных резисторов:
Uк=Uпит-(Rк*Iк)=5-2,2*0,001=2,8В

Теперь нужно вычислить ток базы, для транзистора BC547C h21min=420
Iб=(Uпит/(Rк+Rэ))/h21=(5/(2200+220))/420=0,00000492А

Ток делителя R1,R2 должен быть в 5-10раз больше тока базы, для того, чтобы не оказывать на него влияния
Iд=Iб*10=0,0000492А

Рассчитаем общее сопротивление делителя R1,R2
R12=Uпит/Iд=5/0,0000492=101 692 Ом

Резистор R2 можно рассчитать зная напряжение на базе, для начала определим напряжение эмиттера:
Uэ=Iк0*Rэ= 0,001*220=0,22В

Напряжение Uбэ типовое для всех транзисторов, находится в пределах 0,55-0,7В. По знакомой формуле вычисляем напряжение на базе:
Uб=Uэ+Uбэ=0,22+0,66=0,88В

Отсюда вычислим сопротивление R2:
Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Eп=(101*0,88)/5=17 776 или 18кОм по номинальному ряду

Из их суммы R1,R2 можно найти R1
R1=R12-R2=101-18=83кОм или 82кОм из существующих

Остался только блокировочный конденсатор, его величина должна быть больше
C>>1/2*pi*f*R2||R1 f — нижняя граница усиливаемой частоты, возьмем 20Гц
С=1/(6,28*20*((82000*18000)/82000+18000))=0,53мкФ, можно поставить 0.47мкФ

В результате мы получили следующую схему:

emitter_base6

Как видно выходной вольтметр показывает 432мВ, т.е. коэффициент усиления схемы получился Кu=432/50

8,5. Чуть меньше ожидаемого, но в целом неплохо. И еще один момент, на графиках видно, что сигнал, как уже говорилось, смещен относительно нуля, убрать постоянную составляющую можно поставив на выход конденсатор. Так же обратите внимание, что усиленный сигнал смещен относительно входного на 180 градусов.

tranzs_graph

64 комментария: Урок 4.2. Биполярный транзистор — режим усиления.

Будьте любезны,подскажите пожалуйста,как скинуть сюда какое либо изображение?Мог бы скинуть фото или рисунок своей схемы,для понятия обоих сторон.

Вот эту ссылку выделить,потом посмотреть можно в Яндексе,там обсуждалась эта схема.Только без понижающего трансформатора,пытаюсь собрать,параметры конечно тоже другие,как ранее описал.

Вставлять обычными html тегами.

По поводу самой схемы уровень сигнала подстраивается r2, r4, r6, но вопрос скорее не в этом.

Так в чем тогда?В этой схеме транзисторы прямой проводимости,а D13009 обратной.А сопротивления база коллектор,пока еще нет.Вот и пытаюсь у Вас как у специалиста спросить,возможен ли он там?Быть может собрать эту схему на кт315,с нее выход подать на D13009.Пробовал кт 972,это составной транзистор,но почему то не пошло ничего.

Тут нет места гаданиям. По Вашим фразам можно понять, что Вы не представляете, что есть на входе и что должно получиться на выходе, отсюда и все проблемы. Составьте для себя максимально подробное тз, какой сигнал должен быть на входе, какой сигнал должен быть на выходе, какие частоты должны проходить, какие не должны. Ответы на эти вопросы, кроме Вас никто не знает. Когда Вы самостоятельно дадите ответы, тогда еще раз прочитайте статью и все остальные вопросы отвалятся. Останется практическая часть. Берёте генератор, подаете на вход сигналы нужной частоты, смотрите осциллографом уровень сигнала до и после транзистора. Подстраиваете уровни. И наверняка не нужно сразу лепить 220В, заведите сначала на каких нибудь лампочках для фонарика, это существенно облегчит задачу.

😀 Пока общался с Вами,еще раз просмотрел много разных схем.Привлекла одна из них,это прометей-1.Выходит да,нужно спаять схему на более низкое напряжение,потом с нее подать на выходные транзисторы,которые задумал поставить.Низковольтные схемы цветомузыки чем не заинтересовали меня.У них для того чтобы осветить экран хотя бы по 4 лампочки на канал,нужен такой большой и мощный трансформатор.Вот и зародилась такая идея.Ведь технологии не стоят на месте.Сейчас стали более доступны мощные транзисторы.А светодиодная работа,тоже не подходит.У них режим работы не тот что у лампочек накаливания.Про тиристоры и не буду писать.Так что большое спасибо.А цветомузыка это всегда работа раздумий,а не изготовление шаблонов.Ведь творишь искусство,рисования музыки на экране.А не простые всполохи того или иного цвета.И еще на всякий случай,посоветуйте на Ваш вкус какую либо схему.Очень рад общению.

Читайте также:  Как найти внутреннее сопротивление источника тока формулы

Источник

Транзисторы для начинающих

Безопасная зона работы

Ток коллектора

В начале вопрос: может ли быть ток коллектора бесконечно большим? Теоретически, увеличением тока базы, вы можете свободно увеличивать ток коллектора.

Тем не менее, в той или иной схеме максимальный ток коллектора транзистора только в состоянии насыщении и, главное, не определяется транзистором, а только напряжением питания и сопротивлением нагрузки. При снижении сопротивления нагрузки увеличивается ток.

Как вы догадались, этот ток нельзя увеличивать произвольно. Каждый транзистор имеет максимальный ток коллектора, обозначается в каталогах производителей — ICmax.

Значение этого тока, зависит от конструкций и толщины переходов транзистора.

При протекании тока через сопротивление, выделяется тепло. Вы наверное, догадываетесь, или, может быть, вы видели своими глазами, что связи между слоями кремния транзистора и проводники сделаны из тонкой проволоки. Хотя ее часто делают из золотой проволоки, они при избыточном токе ведут себя как самые обычные предохранители – разогреваются и перегорают.

Не только проводники. Кремниевая структура транзистора так же имеет не большие геометрические размеры. Если пропустить большой ток через эту структуру имеющую малое сечение, мы получим, ток очень большой плотности. Не забывайте, мы имеем дело с чувствительной структурой полупроводника и чрезмерное увеличение плотности тока приводит не только к повышению температуры, а также целый ряд других негативных явлений. Я буду говорить только об уменьшении коэффициента усиления по току (β) с ростом тока коллектора.

Таким образом. Ограничение коллекторного тока производителем обосновано допустимой плотностью тока, и температурой плавления структуры, вы не можете ее превышать.

Если вы думаете о мгновениях, то можно придти к выводу, что если транзистор будет работать в импульсном режиме, открылся, пропустил ток только на короткое мгновение, за это мгновение структура не успевает разогреться и расплавиться. Таким образом, ток в импульсе может быть и больше максимальной ток в не прерывном режиме.

Вы правы! В каталогах часто приводят максимальном токе коллектора при непрерывной работе и максимальный ток коллектора для импульса. Вы можете это увидеть в характеристиках силового транзистора.

Но сейчас, мы не будем связываться с этим вопросом. Как вы думаете или если не превышать ток Icmax каталога, и напряжения UCEmax, ваш транзистор не находится в опасности?

Рассеиваемая мощность

Мы начинаем обсуждать важную и, как выясняется – трудную тему. Но вы должны понять ее! Самую сложную информацию я дам вам в следующем месяце, а сейчас все элементарно.

Наверное, вы слышали такой термин: мощность транзистора.

Что такое мощность транзистора? И что такое общая мощность?

Термин мощность относиться ко многим устройствам:
Двигатель имеет мощность 100 Вт,
Электрический обогреватель имеет мощность до 2000 Вт,
Паяльник 40 Вт,
У нас есть две лампочки в 60 Вт, одна на 220 Вольт, другая на автомобильные 12 Вольт.

Все эти машины используют электроэнергию от источника и конвертируют ее в другие формы энергии: тепло в механическую энергию (двигатель) энергию света (лампа).

Чем больше мощность, тем больше энергии потребляет в каждый момент это устройство. Обе эти лампы потребляют ту же мощность 60 Вт. В чем разница? Конечно, что одна работает при напряжении 12 вольт и потребляет 5 ампер тока (12Вх5A=60W) а другая, которая работает при напряжении 220 В, потребляет немного больше чем 0,27 ампер (что также дает 220×0,27=60 Вт).

Таким образом, одни и те же мощности могут быть достигнуты с различными токами и напряжениями. Вот простые формулы, необходимые для расчета мощности. Я беру электрические оборудование, работающего на постоянном токе (переменный ток работающий на активное сопротивление). Запомните раз и навсегда:

Возвращаясь к вопросу о мощности транзистора: это мощность, рассеиваемая нагрузкой? Может мощность, рассеиваемая транзистором? Или, может быть даже что-то еще? Ранее я объяснил вам, что коллекторная цепь – это регулируемый источник тока, а не переменный резистор, однако это не меняет тот факт что, когда через структуру транзистора будет течь ток будут потери мощности на тепло. Величина этих потер, определяется по формуле: P UCE IC Где Uce это напряжение между коллектором и эмиттером, Ic – ток коллектора. Строго говоря, мы должны так взять во внимание потери мощности в базовой цепи Ube*Ib, но так как эта мощность очень маленькая, по сравнению с мощностью рассеваемой на коллекторе, она не учитывается.

И что происходит дальше с этим теплом? Если оно остается в транзисторе?

Ни в коем случае! У вас нет ни каких сомнений, что если транзистор не будет хорошо термоизолирован от окружающей среды, это выделяемое тепло приведет к повышению температуры. И это вредное тепло необходимо рассеять во внешней среде. Смотри рисунок 43.

Тут работает простой принцип: тепло передается от горящего к холодному.

Вы уже знаете, что такое потери мощности транзистора. Но именно здесь, кроиться кардинальная ошибка начинающих. Они рассуждают следующим образом: если транзистор может работать при максимальном напряжении коллектора UCE0 и максимальном токе коллектора Icmax, максимальная «мощность транзистора» равна Р = UCE0 × ICmax.

Это абсолютная ерунда, нельзя так просто рассчитать мощность. Посмотрите в каталог любого транзистора и найдите там его мощность, она обозначается Ptot. Запомните раз и навсегда: общая мощность транзистора всегда меньше чем произведение Р = UCE0 × ICmax.

А теперь вычислите. Какая мощность рассеивается на транзисторе, а какая на нагрузке схем на рисунке 44. Возьмем схему 44а, сначала рассчитаем напряжение на резисторе, потом на транзисторе, а потом обе мощности. Напряжение на резисторе:

Мощность рассеиваемая на резисторе:

(То же самое можно вычислить по формуле ) Напряжение на транзисторе:

Мощность рассеиваемая на транзисторе:

Для других схем на рисунке 44, рассчитайте самостоятельно.

Как вы можете видеть, расчеты совсем не сложные. Таким образом, мы идем дальше. Вы уже знаете три условия работы транзистора:
1 Напряжение питания не должно быть больше, чем указанное в каталоге напряжение UCE0. Самое высокое напряжение присутствует на коллекторе транзистора в состоянии отсечки.
2 Ток коллектора не может быть больше, чем ICmax. Самый большой ток протекает через транзистор в состоянии насыщения.
3 Рассеиваемая мощность транзистора, ни при каких обстоятельствах не превышает допустимую Ptot.

Рассмотрим эти три ограничений на примере транзистора с параметрами (UCE0 = 25В, ICmax = 100mA, Ptot = 500 мВт) смотри рисунок 45. Если напряжение и ток на графике это прямые лини, тогда линия, представляющая мощность Р = U × I) будет иметь вид гиперболы, как это показано на рисунке 45. Однако если ток и напряжение отложить на логарифмических шкалах, то кривая мощности станет прямой. Что видно на рисунке 46. Тут нет никакого мошенничества — рисунки 45 и 46 показывают одни и те же значения, но не много по разному: в линейном масштабе, и в логарифмическом. В каталогах приводятся характеристики похожие на рисунок 46. На Рисунке 47 вы можете найти копии конкретных характеристик транзисторов BD243 и BD244, взятых из каталога. Тут для вас есть масса информации, если транзистор будет работать в импульсном режиме, то мгновенный ток и мгновенную мощность можно будет взять больше чем при постоянной работе. Заметим, однако, что характеристика на рисунке 47 имеет еще одно ограничение по сравнению с рисунком 46. Это «отсечение», что является дополнительным ограничением, связанным с явлением так называемого вторичного пробоя (второй пробой). Появление вторичного пробоя приводит к повреждению транзистора. Подробнее об этом можно найти в книгах. Я не буду сейчас объяснять, потому что это сейчас не нужно. В любом случае, у нас есть еще одно ограничение.

В любом случае, мы достигли пиковой точки нашего сегодняшнего обсуждения: проектируемая схема должны вписываться в безопасную рабочую область транзистора. В каталогах она часто обозначается SOAR или SOA. Это сокращение от английского область безопасной работы (Area). Рисунок 47 показывает безопасную рабочую область для транзистора BD243 и BD244.

Строго говоря, при проектировании схемы вы должны найти график показывающий область безопасной работы транзистора (такой, как на рисунке 47), выполнять расчеты, или выбрать на графике ток транзистора и убедиться что мощность находиться в разрешенной зоне. Примеры, которые мы обсуждали несколько минут назад это простейшие случай – транзистор работает на активное сопротивление нагрузки. Во многих схемах, дело обстоит сложнее. Так, например, транзисторы в усилителе мощности выходного каскада также должны работать в безопасной зоне работы при любых условиях — даже в случае короткого замыкания на выходе, подключении к емкостной нагрузкой (длинный кабель) или индуктивной (динамик). В базовый курс мы не будет иметь дело с такими расчетами. Я просто хочу, чтобы указать, на проблему, а вы получите для себя со временем достаточно знаний, чтобы справиться с более сложными задачами.

Читайте также:  Массаж током для похудения как называется

На данный момент, вы можете придерживаться простого правила: используйте транзисторы с параметрами выше необходимого минимума. На практике, как правило, для безопасной работы используют транзисторы с параметрами на 50…100% выше, чем расчетные, напряжение, ток, мощность. Тогда у нас есть запас прочности, и не придется беспокоиться о надежности. Использование транзисторов «больше и сильнее» также выгодно по ряду других причин при возможной небольшая разнице в цене, которая не имеет значения. Но не подобает использовать силовые транзисторы и транзисторы высокого напряжения, там где это не нужно.

Казалось бы, что все просто и легко, при выборе условий работы транзистора (напряжение питания и сопротивление нагрузки) и можете сами установить транзистор в разрешенный диапазон. Действительно учесть напряжение и максимальный ток, это просто, но потери мощности определить не так просто. На кону здесь два важных вопроса вы должны понять:
— Зависимость потерь мощности от напряжения питания и сопротивления нагрузки,
— Вопрос отвода тепла от транзистора.

Сегодня мы ответим только на первый вопрос.

Часто, не требуется считать потери мощности указанным выше способом. На практике, как правило, нас интересует самый худший случай. Если рассчитать потери мощности в худшем случае нет необходимости проводить дальнейшие расчеты.

Рисунок 48 помогает понять, что я имею в виду, говоря о худшем случае. Транзистор работает с сопротивлением нагрузки RL при постоянном напряжении питания (в данном случае, RL = 250 Ом, Usup = 20В).



Что можно понять из того рисунка?

Рисунок 48b это то же самое что и на рисунке 44г. Когда нет базового тока, то нет и коллекторного тока и напряжение на коллекторе равно напряжению питания. Когда вы пустите ток в базу, и начнете его увеличивать, увеличиться ток коллектора а напряжение на нем уменьшиться. Зная напряжение питания и сопротивление нагрузки RL можно выполнять вычисления для нескольких или нескольких десятков значений напряжения UT. Вы можете рассчитывать не только ток коллектора, но и мощность, рассеиваемая на нагрузке, и на транзисторе для различных напряжений коллектора (т.е. различных токах базы). По этим значениям можно построит график такой как на рисунке 48г.

На этом рисунке синей линей я изобразил зависимость тока от напряжения Uсе (напряжение на транзисторе), шкала тока находиться слева. Здесь простая нагрузка Rl. Красная линия – потери мощности на транзисторе. Фиолетовая, какая мощность рассеивается на нагрузочном резисторе. (Внимание! Шкала мощности нарисована справа).

Примечание: в отсутствие тока базы и тока коллектора, потери мощности транзистора равны нулю, потому что P = Usup × 0. На рисунке 48б показана точка А. Очевидно в состоянии отсечки ток не течет, и нет потери мощности на транзистор и на нагрузке.

Теперь обратите внимание на то, что происходит в состоянии насыщения – посмотрите на точку B. Хотя сейчас ток очень большой, но напряжение на транзисторе очень мало (Ucesat напряжения насыщения десятки или сотни милливольт). Таким образом, рассеивание тепла в режиме насыщения транзистора мало, можно сказать, близко к нулю, потому что P = Ucesat × I. Вы удивлены?

Оказалось, что в состоянии насыщения, когда ток самый большой, рассеиваемая мощность транзистора практически равна нулю! Да, это так! Высокая мощность (P = Usup × I) рассеивается, на сопротивлении нагрузки, а не на транзисторе. Короче говоря, если транзистор работает как переключатель, во время открытия и насыщения он выделяет очень мало тепла. Прямо сейчас вы должны знать, что потери при импульсе будут только на короткое время переключения. К этой проблеме мы еще вернемся. В настоящее время нас интересует работа в линейном режиме.

Как вы можете видеть на рисунке 48b, сама большая мощность рассеивается на транзисторе когда напряжение на коллекторе равно половине напряжения питания. И это тот самый худший случай, о котором я упоминал. Худший, так как потери мощности на транзисторе самые большие. На рисунке 48б это показано точкой С.

Как вы можете видеть, потери мощности на транзисторе при этом равна потери мощности на нагрузке. Если это так, то максимальная рассеиваемая мощность, при каких пропорциях, может быть рассчитана очень просто: потому что в худшем случае рассеиваемая мощность транзистора равна рассеиваемой мощности на сопротивлении нагрузки RL. Тогда значение напряжения делим на две равные части и считаем


Это расчетная мощность, очевидно, не может быть больше чем указанная в каталоге мощность транзистора Ptot.

Эта формула позволяет вычислить минимальное сопротивление нагрузки для данного напряжения питания и мощности из каталога:

По ней также можно рассчитать максимальное напряжение для данного сопротивления нагрузки и выбранной мощности

Вы можете не быть орлом в математике, но эти формулы нужно запомнить или записать себе на видном месте.

Можно спросить, как эти расчеты соотнести с кривой допустимой мощности рассеивания на рисунках 45 и 46?

Это интересный вопрос!

Давайте посмотрим вместе, смогут ли наши транзисторы с характеристиками на рисунках 45 и 46 работать в схеме, показанной на рисунке 48а при напряжении 25В с сопротивлением нагрузки 250Ω, где напряжение на транзисторе может плавно изменяться от нуля до полного напряжения?

Рассчитаем потери мощности в худшем случае:

Потому что во время работы может возникнуть самая тяжелая ситуация, и наш транзистор будет перегружен. Но если он будет работать в ключевом режиме, т.е. находиться в одном из двух состояний: отсечки или насыщения. Так как в обоих этих условиях мощность, рассеиваемая на транзисторе равна или близка к нулю, насколько это возможно. И нам не нужно, прибегать в расчетах к наихудшему случаю, потому что в схемах переключения такое состояние не встречается.

Возвращаясь к рисунку 45, можно сказать, что мы не превысили допустимые потери мощности, и наша нагрузка находиться в безопасной рабочей области транзистора. Некоторые примеры можно найти на рисунке 49 при простой нагрузке для различных напряжений питания и различные сопротивлений.

На рисунке 49 нагрузка показана прямой линией. Попробуйте самостоятельно построить подобных линий на рисунках 46 и 47. Будет ли это легко? Проверьте, построив несколько точек.

В реальной схеме транзистор будет работать при напряжениях Usup гораздо меньше, чем допустимо напряжения UCE0, и сопротивление нагрузки в коллекторе будет ограничивать максимальный ток до величины, значительно меньше, чем ICmax. Как я уже сказал, нормальный запас здесь 50 .. 100%. А теперь поупражняйтесь самостоятельно.

Задача 1

Транзистор имеет следующие параметры: UCE0=25V, ICmax=300mA, Ptot=100mW. Дорисуйте на рисунке 50 кривые максимальной выходной мощности 100 мВт. Рассчитайте максимально мощность (в худшем случае) при условии транзистора в следующих условиях:
1.Uzas = 10V, RL = 1kΩ
2.Uzas = 25V, RL = 390Ω
3.Uzas = 9V, RL = 51Ω
4.Uzas = 25V, RL = 100Ω

Отметьте эти случаи на рисунке 50. Может ли транзистор может работать при таких условиях?

Источник

Расчет тока базы транзистора

Для того, чтобы правильнее понять процедуру расчета, необходимо понимать каких видов и типов бывают транзисторы и в каких режимах они могут работать.

Типы транзисторов и режимы работы

Различают два основных класса триодов (транзисторов):

1. Биполярные (управляются током на база-эмиттерном переходе, конструктивно имеют два различных перехода p-n и n-p, то есть могут быть n-p-n или p-n-p типа);

2. Униполярные или полевые (управляются напряжением на база-эмиттерном переходе, конструктивно состоят из двух однотипных переходов p-n или n-p, выделяют два типа полевых транзисторов – с изолированным затвором и с затвором из p-n-перехода).

Здесь для понимания обозначений:

  • p-n – дырочно-электронный (основной носитель – пустые места в кристаллической решетке, понимаемые под положительным зарядом),
  • n-p – электронно-дырочный переход (основной носитель – электроны).

Чтобы исключить путаницу, вводы и выводы различных классов транзисторов называются по-разному:

  • В биполярных – база, эмиттер, коллектор;
  • В полевых – исток, сток, затвор.

Так как речь идет о расчете тока базы, то далее рассмотрим режимы работы только полевых транзисторов:

1. Активный режим (напряжение эмиттер-база > 0, напряжение коллектор-база Инверсивный (обратная ситуация для активного режима, равносилен стандартной логике работы p-n-p транзисторов),

3. Насыщение (когда оба перехода эмиттер-база и база-коллектор открыты, между эмиттером и коллектором течет ток – ток насыщения),

4. Отсечка (напряжение коллектор-база Барьерный (база соединяется с коллектором, транзистор работает как диод).

Читайте также:  Синусоидальные модульные токи это

Напряжения на эмиттере, базе, коллекторе

Смещение перехода база-эмиттер для типа n-р-n

Смещение перехода база-коллектор для типа n-р-n

Источник



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:

Аналогия транзистора с переключателем

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

Включение транзистора

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.

Таблица

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

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:

Включение транзистора

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):

Включение транзистора

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.

beginner88-15.jpg

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.

Шпакунов А. Опубликована: 2012 г. 0 1
Вознаградить Я собрал 0 0

Источник