Perguntas básicas sobre transistor

Eu criei o circuito mostrado. Estou usando uma bateria de 9V (na verdade jogando fora 9,53V) e 5V provenientes de um Arduino para testar com 9 e 5 volts. O transistor é um BC 548B (a folha de dados que estou usando está aqui ).

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Realizei vários testes alterando os valores de Rb e Rc com os seguintes resultados, não faço ideia se eles estão realmente certos.

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

Minhas perguntas são as seguintes;

1. Entendo que, a partir da folha de dados, o intervalo desse transistor pode variar de 200 a 450. Acho que a razão pela qual existem valores menores que 200 na tabela 9V ref 3 e 4 é porque o circuito emissor do coletor está saturado e pode ' não aumenta mais, fazendo com que o beta caia à medida que a corrente Ib aumenta. Isso está correto?

2. Em todos os livros que observei, o beta é um valor estático. "Se o beta for X, calcule o resistor na base necessária para criar uma corrente de Y no coletor". Desde então, li que o beta varia com a temperatura e a corrente do coletor (acho que é a corrente do coletor). Onde eu realmente encontro esses dados? Onde está a tabela diz-me o beta vs Ic? Se a versão beta está constantemente variando, como você realmente seleciona um resister que sempre funcionará e / ou tem muita corrente no que seria carregado no coletor?

3. A Figura 1 da folha de dados mostra que, com uma corrente de 50μA na base, a corrente do coletor não deve exceder cerca de 11mA, independentemente da tensão entre o coletor e o emissor. Mas, considerando 9V ref 1 e 5V ref 2, que possuem Ib ~ 50μA, tenho um Ic maior do que o indicado. Por que é isso? O que a Figura 1 está realmente me dizendo?

4. A Figura 3 da folha de dados mostra que o hFE é 200 para Ic <40mA, dado Vce = 5V. Obviamente, isso não está acontecendo, considerando todos os resultados na tabela 5V deste post. Então, novamente, o que é esse gráfico?

5. Tentei conectar o circuito para que minha bateria de 9V funcionasse do coletor ao emissor e meu Arduino de 5V alimentando a base, essencialmente para que serve uma chave de transistor. Eu acho que isso vai dar um curto no Arduino. Como eu tenho a bateria de 9V funcionando de C a E e 5V no final da base? Como eu realmente fio isso?

Sua pergunta parece ser sobre beta ou h _FE . Sim, isso pode variar significativamente entre as peças, mesmo do mesmo lote de produção. Também varia um pouco com a corrente e a tensão do coletor (usando o emissor como referência de 0 V). No entanto, para qualquer transistor, seu ganho realmente varia um pouco em função da corrente do coletor em uma faixa razoável e assumindo que a tensão do coletor seja mantida alta o suficiente.

O grande ponto que você parece estar perdendo é que você não deve se preocupar com o ganho exato. Um bom circuito com transistores bipolares funciona com o ganho mínimo garantido na região de operação pretendida, mas, de outro modo, funciona bem com o ganho em qualquer lugar a partir do infinito. Não está fora de linha que nenhum transistor em um ponto operacional específico tenha um ganho 10 vezes mais do que o mínimo garantido pela folha de dados. Depois de levar isso em consideração no design do circuito, é realmente apenas um pequeno passo para garantir que o circuito funcione com o ganho do transistor até o infinito.

Projetar para uma gama tão ampla de ganhos pode parecer difícil, mas na verdade não é. Existem basicamente dois casos. Quando o transistor é usado como comutador, alguma corrente base mínima, calculada a partir do ganho mínimo garantido, o leva à saturação. Se o ganho for maior, o transistor ficará mais saturado na mesma corrente base, mas todas as tensões e correntes através dele ainda serão praticamente as mesmas. Em outras palavras, o restante do circuito (exceto casos incomuns) não será capaz de diferenciar a diferença entre o transistor acionado 2x ou 20x na saturação.

Quando o transistor é usado em sua região "linear", o feedback negativo é usado para converter o ganho grande e imprevisível em um ganho menor, mas bem controlado. Este é o mesmo princípio usado com os opamps. O feedback CC e CA pode ser diferente, com a primeira configuração do ponto de operação , às vezes chamada de polarização do transistor, e a segunda controlando o que acontece quando o sinal desejado é passado através do circuito.

Adicionado:

Aqui está um exemplo de circuito que é tolerante a uma ampla faixa de ganho de transistor. Amplificará pequenos sinais de áudio em cerca de 10x e a saída será em torno de 6 V.

Para resolver isso manualmente, é provavelmente mais fácil fazê-lo iterativamente. Comece assumindo que OUT é 6V e trabalhe a partir daí. Como o ganho é infinito, não há corrente de base e a tensão de base é definida diretamente pelo divisor R1-R2 de qualquer saída OUT. O divisor possui um ganho de 1/6, portanto a base está em 1,00 V. Menos a queda de 600 mV de BE, que coloca o emissor em 400 mV e as correntes do emissor e coletor em 400 µA. O caminho R1-R2 extrai 50 µA, então o total extraído de OUT é 450 µA, então a queda em R3 é de 4,5 V, então OUT é de 7,5 V. Agora, repita os cálculos acima assumindo OUT de 7,5 V e talvez mais uma vez depois disso. Você verá os resultados convergirem rapidamente.

Este é realmente um dos poucos casos em que um simulador é útil. O principal problema dos simuladores é que eles fornecem respostas muito precisas e com autoridade, apesar dos parâmetros de entrada serem vagos. No entanto, neste caso, queremos ver o efeito de alterar apenas o ganho do transistor, para que um simulador possa cuidar de todo o trabalho de drenagem para nós, conforme executado acima. Ainda é útil seguir o processo no parágrafo anterior uma vez para ter uma ideia do que está acontecendo, em vez de apenas olhar os resultados de uma simulação com 4 casas decimais.

Em qualquer caso, você pode obter o ponto de polarização DC para o circuito acima, assumindo um ganho infinito. Agora assuma um ganho de 50 para o transistor e repita. Você verá que o nível CC de OUT muda apenas um pouco.

Outra coisa a observar é que existem duas formas de feedback DC, mas apenas uma para os sinais de áudio CA.

Como a parte superior do R1 está conectada à OUT, ela fornece algum feedback CC que torna o ponto de operação mais estável e menos sensível às características exatas do transistor. Se OUT aumentar, a corrente na base de Q1 aumenta, o que torna mais corrente do coletor, o que diminui a OUT. No entanto, esse caminho de feedback não se aplica ao sinal de áudio. A impedância que olha para o divisor R1-R2 é R1 // R2 = 17 kΩ. A frequência de rolloff do filtro passa-alto formada por C1 e esses 17 kΩ é 9,5 Hz. Mesmo a 20 Hz, R1 // R2 não carrega muita carga no sinal que passa por C1 e fica mais irrelevante proporcional à frequência. Em outras palavras, R1 e R2 ajudam a definir o ponto de polarização DC, mas não atrapalham o sinal de áudio pretendido.

Por outro lado, R4 fornece feedback negativo para DC e AC. Enquanto o ganho do transistor for "grande", a corrente do emissor estará próxima o suficiente da mesma corrente do coletor. Isso significa que qualquer voltagem que atravesse R4 aparecerá em R3 proporcionalmente às suas resistências. Como R3 é 10x R4, o sinal em R3 será 10x o sinal em R4. Como a parte superior do R4 está em 12 V, OUT é 12 V menos o sinal em R3, que é de 12 V menos 10x o sinal em R4. É assim que este circuito alcança um ganho CA razoavelmente fixo de 10, desde que o ganho do transistor seja significativamente maior que isso, como 50 ou superior.

Vá em frente e simule esse circuito enquanto varia os parâmetros do transistor. Observe o ponto de operação CC e qual é a função geral de transferência de IN para OUT de um sinal de áudio.

1. O que causa o beta aparente diminuir à medida que a corrente base aumenta?

Beta não está realmente mudando. A corrente do coletor é limitada por Rc. Com Rc = 500 Ω, a corrente máxima do coletor é de cerca de 18 mA. Com Rc = 1,2 kΩ, a corrente máxima é de cerca de 7,5 mA. Isso vem da Lei de Ohm - 9V / 1,2kΩ = 7,5 mA. Com beta> 300, você precisa apenas de 25 uA de corrente base para maximizar a corrente do coletor. A adição de corrente base extra não muda nada.

$I_C$

Esta folha de dados não fornece nenhuma informação sobre como o beta varia com a temperatura. Beta vs. Ic é discutido na pergunta 4 abaixo. Verifiquei algumas outras folhas de dados e também não vi nenhuma variação de temperatura. De acordo com esta nota de aplicativo , o beta aumenta em cerca de 0,5% por grau C. Um entendimento mais detalhado pode exigir o uso do modelo Ebers-Moll , que inclui a temperatura na forma de tensão térmica (kT / q). Eu não sou um mestre de BJT, então talvez alguém possa esclarecer isso.

$I_C$

Esta seção da folha de dados fornece características típicas de desempenho. Estes são valores médios que não mostram a variação de unidade para unidade. Um gráfico típico fornece uma idéia do comportamento de uma unidade média, mas não fornece limites reais para esse comportamento. É para isso que serve a tabela Características elétricas.

4. Como o beta pode ser maior do que o mostrado na Figura 3 da folha de dados?

Duas coisas estão acontecendo aqui. Primeiro, seu Vce não é realmente 5V na sua tabela de 5V, já que parte da tensão está sendo cortada em Rc, portanto, este número não representa seu circuito real. Segundo, este é outro diagrama que mostra o comportamento típico. O que mostra é que o beta normalmente começa a cair em torno de Ic = 100 mA. Como o Ic máximo absoluto é de 100 mA, isso significa que você deve esperar que o beta seja aproximadamente constante na faixa atual do dispositivo. A figura usa 200 como uma beta típica, mas como você pode ver na tabela de classificação hFE, a beta de um BC548B individual pode estar entre 200 e 450.

5. Como um Arduino pode ser usado para acionar a base desse transistor?

Primeiro, você precisará obter a corrente de saída contínua máxima da folha de dados do Arduino. Provavelmente, isso estará na faixa de miliamperes. Sua corrente base deve ser menor que isso, o que não deve ser um problema, pois beta> 200 e Icmax <100 mA. Se você sabe quanta corrente de coletor você precisa (o que você deve), você pode descobrir a corrente base mínima:

Isso permitirá que você escolha um resistor de base. De acordo com a tabela de características elétricas do transistor, o Vbe deve estar em torno de 0,7 V. Você conhece o seu Arduino com saída de 5V, então agora você pode usar a Lei de Ohm:

Conecte essa resistência entre o Arduino IO e a base do transistor. Conecte o emissor do transistor, o terminal negativo da bateria de 9V e o terra do Arduino juntos.

Completando as informações fornecidas na resposta de O. Lathrop, eu gostaria de dar um pequeno exemplo que pode surpreendê-lo:

Vamos supor que você tenha projetado um estágio de ganho simples (como mostrado no seu post) usando um transistor com um ganho atual de beta = 200 . A corrente CC quieta é Ic = 1mA e o ganho de tensão medido (Rc = 2,5kohms) é G = -100 . Agora - se você mudar o transistor com um valor mais baixo beta = 100 , observará que o ganho de tensão G NÃO mudará - desde que você tenha ajustado o resistor de polarização RB para um valor mais baixo que permita a mesma corrente de repouso Ic = 1mA. (Isso é necessário para uma comparação justa).

O motivo é o seguinte: O ganho de tensão é determinado pela transcondutância gm do transistor (inclinação da característica Ic = f (Vbe)). Isso significa: O "ganho de corrente" não desempenha nenhum papel - reduzir o valor beta de 200 para 100 aumenta apenas a corrente de entrada, sem influenciar o ganho de tensão (desde que o ponto de operação não mude).