Preguntas básicas sobre transistores

He creado el circuito que se muestra. Estoy usando una batería de 9V (en realidad tirando 9.53V) y 5V provenientes de un Arduino para probar con 9 y 5 voltios. El transistor es un BC 548B (la hoja de datos que estoy usando está aquí ).

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

He llevado a cabo una serie de pruebas cambiando los valores de Rb y Rc con los siguientes resultados, aunque no tengo idea si realmente son correctos.

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

Mis preguntas son las siguientes;

1. Entiendo que, según la hoja de datos, el rango de este transistor puede variar de 200 a 450. Creo que la razón por la que hay valores inferiores a 200 en la tabla 9V ref 3 y 4 es porque el circuito del colector emisor se ha saturado y puede ' No aumenta más, lo que hace que la beta disminuya a medida que aumenta la corriente Ib. ¿Es eso correcto?

2. En todos los libros de texto que he visto, la versión beta es un valor estático. "Si la beta es X, calcule la resistencia en la base necesaria para crear una corriente de Y en el colector". Desde entonces he leído que la beta fluctuará con la temperatura y la corriente del colector (creo que es la corriente del colector). ¿Dónde encuentro realmente estos datos? ¿Dónde está la tabla que me dice la beta vs Ic? Si la versión beta varía constantemente, ¿cómo selecciona realmente una resistencia que siempre funcione y / o tenga demasiada corriente en lo que se cargaría en el recopilador?

3. La Figura 1 de la hoja de datos muestra que con una corriente de 50 μA en la base, la corriente del colector no debe exceder aproximadamente 11 mA SIN IMPORTAR el voltaje entre el colector y el emisor. Pero dado 9V ref 1 y 5V ref 2, que tienen Ib ~ 50μA, tengo un Ic más alto que el indicado. ¿Por qué es esto? ¿Qué me dice realmente la Figura 1?

4. La Figura 3 de la hoja de datos muestra que el hFE es 200 para Ic <40mA dado Vce = 5V. Obviamente, eso no está sucediendo dados todos los resultados en la tabla de 5V en esta publicación. Entonces, de nuevo, ¿qué es este gráfico?

5. Traté de conectar el circuito para que mi batería de 9V funcionara desde el colector al emisor, y mi Arduino de 5V alimentaba la base, esencialmente para lo que sirve un interruptor de transistor. Creo que eso va a acortar el Arduino. ¿Cómo hago que la batería de 9V funcione de C a E y 5V en el extremo de la base? ¿Cómo realmente conecto esto?

Su pregunta parece ser sobre beta o h _FE . Sí, esto puede variar significativamente entre las partes, incluso desde el mismo lote de producción. También varía algo con la corriente del colector y el voltaje del colector (usando el emisor como referencia de 0 V). Sin embargo, para cualquier transistor, su ganancia en realidad varía bastante poco en función de la corriente del colector en un rango razonable, y suponiendo que el voltaje del colector se mantenga lo suficientemente alto.

El gran punto que parece estar perdiendo es que no debería preocuparse por la ganancia exacta. Un buen circuito con transistores bipolares funciona con la ganancia mínima garantizada sobre la región operativa prevista, pero de lo contrario funciona bien con la ganancia desde cualquier lugar hasta infinito. No está fuera de línea que ningún transistor en un punto operativo particular tenga 10 veces más ganancia que el mínimo garantizado por la hoja de datos. Después de tomar eso en cuenta en el diseño del circuito, en realidad es solo un paso menor para asegurarse de que el circuito funcione con la ganancia del transistor hasta el infinito.

Diseñar para un rango de ganancia tan amplio puede parecer difícil, pero en realidad no lo es. Básicamente hay dos casos. Cuando el transistor se usa como interruptor, entonces una corriente base mínima, calculada a partir de la ganancia mínima garantizada, lo conducirá a la saturación. Si la ganancia es mayor, entonces el transistor solo estará más saturado a la misma corriente base, pero todos los voltajes a través de él y las corrientes a través de él seguirán siendo más o menos los mismos. Dicho de otra manera, el resto del circuito (excepto en casos inusuales) no podrá distinguir la diferencia entre el transistor accionado 2x o 20x en saturación.

Cuando el transistor se usa en su región "lineal", se usa retroalimentación negativa para convertir la ganancia grande e impredecible en una ganancia más pequeña pero bien controlada. Este es el mismo principio utilizado con opamps. La retroalimentación de CC y CA puede ser diferente, con el primer ajuste del punto de operación , a veces denominado polarización del transistor, y el segundo control de lo que sucede cuando la señal deseada pasa a través del circuito.

Adicional:

Aquí hay un circuito de ejemplo que tolera un amplio rango de ganancia de transistor. Amplificará pequeñas señales de audio en aproximadamente 10x, y la salida será de alrededor de 6 V.

Para resolver esto manualmente, probablemente sea más fácil hacerlo de forma iterativa. Comience asumiendo que OUT es 6V, y trabaje desde allí. Como la ganancia es infinita, no hay corriente base, y el voltaje base lo establece directamente el divisor R1-R2 desde lo que sea OUT. El divisor tiene una ganancia de 1/6, por lo que la base está a 1.00 V. Menos la caída BE de 600 mV, que pone el emisor a 400 mV, y las corrientes del emisor y colector a 400 µA. La ruta R1-R2 consume 50 µA, por lo que el total extraído de OUT es de 450 µA, por lo que la caída a través de R3 es de 4.5 V, por lo que OUT está a 7.5 V. Ahora, realice los cálculos anteriores nuevamente suponiendo que OUT es de 7.5 V, y tal vez Una vez más después de eso. Verá que los resultados convergen rápidamente.

Este es en realidad uno de los pocos casos en que un simulador es útil. El principal problema con los simuladores es que le brindan respuestas muy precisas y autoritarias a pesar de que los parámetros de entrada son vagos. Sin embargo, en este caso queremos ver el efecto de cambiar solo la ganancia del transistor, por lo que un simulador puede encargarse de todo el trabajo de drudge para nosotros, como se realizó anteriormente. Todavía es útil pasar por el proceso en el párrafo anterior una vez para tener una idea de lo que está sucediendo, en lugar de solo mirar los resultados de una simulación a 4 decimales.

En cualquier caso, puede encontrar el punto de polarización de CC para el circuito anterior suponiendo una ganancia infinita. Ahora suponga una ganancia de 50 para el transistor y repita. Verá que el nivel DC de OUT solo cambia un poco.

Otra cosa a tener en cuenta es que hay dos formas de retroalimentación de CC, pero solo una para las señales de audio de CA.

Dado que la parte superior de R1 está conectada a OUT, proporciona una retroalimentación de CC que hace que el punto de operación sea más estable y menos sensible a las características exactas del transistor. Si OUT sube, la corriente en la base de Q1 sube, lo que genera más corriente de colector, lo que hace que OUT baje. Sin embargo, esta ruta de retroalimentación no se aplica a la señal de audio. La impedancia en el divisor R1-R2 es R1 // R2 = 17 kΩ. La frecuencia de caída del filtro de paso alto formada por C1 y estos 17 kΩ es de 9,5 Hz. Incluso a 20 Hz, R1 // R2 no es una gran carga en la señal que llega a través de C1, y se vuelve más irrelevante proporcional a la frecuencia. Dicho de otra manera, R1 y R2 ayudan a establecer el punto de polarización de CC, pero no se interponen en la señal de audio deseada.

En contraste, R4 proporciona retroalimentación negativa tanto para DC como para AC. Mientras la ganancia del transistor sea "grande", la corriente del emisor es lo suficientemente cercana a la corriente del colector. Esto significa que cualquier voltaje que esté a través de R4 aparecerá en R3 en proporción a sus resistencias. Como R3 es 10x R4, la señal a través de R3 será 10x la señal a través de R4. Como la parte superior de R4 está a 12 V, OUT es 12 V menos la señal a través de R3, que es 12 V menos 10 veces la señal a través de R4. Así es como este circuito logra una ganancia de CA bastante fija de 10 siempre que la ganancia del transistor sea significativamente mayor que eso, como 50 o más.

Siga adelante y simule este circuito mientras varía los parámetros del transistor. Observe tanto el punto de funcionamiento de CC como la función de transferencia general de IN a OUT de una señal de audio.

1. ¿Qué causa la disminución beta aparente a medida que aumenta la corriente base?

Beta no está realmente cambiando. La corriente del colector está limitada por Rc. Con Rc = 500 Ω, la corriente máxima del colector es de aproximadamente 18 mA. Con Rc = 1.2 kΩ, la corriente máxima es de aproximadamente 7.5 mA. Esto viene de la Ley de Ohm - 9V / 1.2kΩ = 7.5 mA. Con beta> 300, solo necesita 25 uA de corriente base para maximizar la corriente del colector. Agregar corriente base adicional no cambia nada.

$I_C$

Esta hoja de datos no proporciona información sobre cómo la beta varía con la temperatura. Beta vs. Ic se discute en la pregunta 4 a continuación. Revisé algunas otras hojas de datos y tampoco vi ninguna variación de temperatura allí. Según esta nota de la aplicación , la beta aumenta en aproximadamente un 0,5% por grado C. Una comprensión más detallada podría requerir el uso del modelo Ebers-Moll , que incluye la temperatura en forma de voltaje térmico (kT / q). No soy un maestro de BJT, así que quizás alguien más pueda aclarar esto.

$I_C$

Esta sección de la hoja de datos ofrece características de rendimiento típicas . Estos son valores promedio que no muestran la variación de una unidad a otra. Un gráfico típico le da una idea del comportamiento de una unidad promedio, pero de ninguna manera proporciona límites reales sobre ese comportamiento. Para eso es la tabla de características eléctricas.

4. ¿Cómo puede ser beta mayor que lo que se muestra en la Figura 3 de la hoja de datos?

Dos cosas están sucediendo aquí. Primero, su Vce no es en realidad 5V en su tabla de 5V, ya que parte del voltaje se cae a través de Rc, por lo que esta cifra no representa su circuito real. Segundo, este es otro diagrama que muestra el comportamiento típico. Lo que te muestra es que la beta generalmente comienza a caer alrededor de Ic = 100 mA. Dado que el Ic máximo absoluto es de 100 mA, esto significa que debe esperar que la beta sea aproximadamente constante en todo el rango actual del dispositivo. La figura usa 200 como una versión beta típica, pero como puede ver en la tabla de clasificación hFE, la versión beta de un BC548B individual podría estar entre 200 y 450.

5. ¿Cómo se puede usar un Arduino para conducir la base de este transistor?

Primero, necesitará obtener la máxima corriente de salida continua de la hoja de datos de Arduino. Esto probablemente estará en el rango de miliamperios. Su corriente base debe ser menor que eso, lo que no debería ser un problema ya que beta> 200 e Icmax <100 mA. Si sabe cuánta corriente de colector necesita (cuál debería), puede calcular la corriente base mínima:

Eso te permitirá elegir una resistencia base. De acuerdo con la tabla de Características Eléctricas del transistor, el Vbe debería estar alrededor de 0.7 V. Usted sabe que su Arduino produce 5V, por lo que ahora puede usar la Ley de Ohm:

Conecte esta resistencia entre el Arduino IO y la base del transistor. Conecte el emisor del transistor, el terminal negativo de la batería de 9V y la conexión a tierra del Arduino.

Complementando la información dada en la respuesta de O. Lathrop Me gustaría dar un breve ejemplo que puede sorprenderle:

Supongamos que ha diseñado una etapa de ganancia simple (como se muestra en su publicación) utilizando un transistor con una ganancia actual de beta = 200 . La corriente de CC inactiva es Ic = 1 mA y la ganancia de voltaje medida (Rc = 2.5kohms) es G = -100 . Ahora, si cambia el transistor que tiene un valor más bajo beta = 100 , observará que la ganancia de voltaje G NO cambiará, siempre que haya sintonizado la resistencia de polarización RB a un valor más bajo que permita la misma corriente de reposo Ic = 1 mA. (Esto es necesario para una comparación justa).

La razón es la siguiente: la ganancia de voltaje está determinada por la transconductancia gm del transistor (pendiente de la característica Ic = f (Vbe)). Eso significa que la "ganancia de corriente" no juega ningún papel: reducir el valor beta de 200 a 100 aumenta solo la corriente de entrada, sin influir en la ganancia de voltaje (siempre que el punto de funcionamiento no cambie).