Preguntas básicas sobre transistores

Question

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

simular este circuito - Esquema creado utilizando CircuitLab

He realizado una serie de pruebas cambiando los valores de Rb y Rc con los siguientes resultados, aunque no tengo ni idea de 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 entre 200 y 450. Creo que la razón por la que hay valores inferiores a 200 en la tabla de 9V ref 3 y 4 es porque el circuito emisor del colector se ha saturado, y no puede subir más, causando que el beta caiga al aumentar la corriente Ib. ¿Es eso correcto?

2. En todos los libros de texto que he mirado, la beta es un valor estático. "Si la beta es X, calcula 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 beta varía constantemente, ¿cómo se selecciona un resistor que siempre funcione y/o que tenga demasiada corriente en la carga del colector?

3. La figura 1 de la hoja de datos, muestra que con una corriente de 50μA en la base, la corriente del colector no debería exceder unos 11mA SIN tener en cuenta el voltaje entre el colector y el emisor. Pero dados 9V ref 1 y 5V ref 2, que ambos tienen Ib ~ 50μA tengo un Ic más alto que el declarado. ¿Por qué es esto? ¿Qué me está diciendo la Figura 1?

4. La figura 3 de la hoja de datos muestra que el hFE es 200 para Ic < 40mA dado Vce = 5V. Eso obviamente no está sucediendo dado todos los resultados en la tabla de 5V en este post. Así que de nuevo, ¿qué es este gráfico?

5. Intenté conectar el circuito para que mi batería de 9V corriera del colector al emisor, y mi Arduino de 5V alimentara la base, esencialmente para lo que sirve un interruptor de transistor. Creo que eso va a cortocircuitar el Arduino. ¿Cómo puedo tener la batería de 9V corriendo de C a E y 5V en el extremo de la base? ¿Cómo puedo cablear esto?

Answer 1

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

El gran punto que parece faltarte es que no deberías preocuparte por la ganancia exacta. Un buen circuito con transistores bipolares funciona con la ganancia mínima garantizada en la región de funcionamiento prevista, pero por lo demás funciona bien con la ganancia en cualquier lugar desde ahí hasta el infinito. No está fuera de lugar que un transistor en un punto de funcionamiento concreto tenga 10 veces más ganancia que el mínimo garantizado por la hoja de datos. Después de tener esto en cuenta en el diseño del circuito, es realmente un paso menor para asegurarse de que el circuito funciona 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. Hay básicamente dos casos. Cuando el transistor se utiliza como interruptor, una corriente de base mínima, calculada a partir de la ganancia mínima garantizada, lo llevará a la saturación. Si la ganancia es mayor, entonces el transistor entrará más en saturación con la misma corriente de base, pero todas las tensiones a través de él y las corrientes a través de él seguirán siendo prácticamente las mismas. Dicho de otro modo, el resto del circuito (excepto en casos inusuales) no podrá notar la diferencia entre el transistor conducido 2x o 20x en saturación.

Cuando el transistor se utiliza en su región "lineal", se utiliza la retroalimentación negativa para convertir la ganancia grande e impredecible en una ganancia más pequeña pero bien controlada. Este es el mismo principio que se utiliza con los opamps. La retroalimentación de CC y de CA puede ser diferente, y la primera establece la punto de funcionamiento , que a veces se denomina polarización el transistor, y el segundo controla lo que ocurre cuando la señal deseada pasa por el circuito.

Añadido:

Este es un circuito de ejemplo que tolera un amplio rango de ganancia de los transistores. Amplificará pequeñas señales de audio en unas 10 veces, y la salida será de unos 6 V.

Para resolver esto manualmente, probablemente sea más fácil hacerlo de forma iterativa. Empieza asumiendo que OUT es 6V, y trabaja desde ahí. Dado que la ganancia es infinita, no hay corriente de base, y el voltaje de la base se establece directamente por el divisor R1-R2 de 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 de B-E de 600 mV, esto pone el emisor a 400 mV, y las corrientes de 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 vuelve a realizar los cálculos anteriores suponiendo que OUT está a 7,5 V, y quizás una vez más después. Verás que los resultados convergen rápidamente.

Este es uno de los pocos casos en los que un simulador es útil. El principal problema de los simuladores es que dan respuestas muy precisas y con apariencia de autoridad a pesar de que los parámetros de entrada son imprecisos. Sin embargo, en este caso queremos ver el efecto de cambiar sólo la ganancia del transistor, por lo que un simulador puede encargarse de todo el trabajo pesado por nosotros, como se ha realizado anteriormente. Todavía es útil para ir a través del proceso en el párrafo anterior una vez para tener una idea de lo que está pasando, en lugar de sólo mirar a los resultados de una simulación a 4 decimales.

En cualquier caso, puedes obtener el punto de polarización de CC para el circuito anterior suponiendo una ganancia infinita. Ahora asume una ganancia de 50 para el transistor y repite. Verás que el nivel de CC de OUT sólo cambia un poco.

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

Como la parte superior de R1 está conectada a OUT, proporciona cierta retroalimentación de CC que hace que el punto de funcionamiento 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 hace que haya más corriente de colector, lo que hace que OUT baje. Sin embargo, este camino de retroalimentación no se aplica a la señal de audio. La impedancia que mira al 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 para la señal que pasa por C1, y se vuelve más irrelevante proporcionalmente a la frecuencia. Dicho de otro modo, R1 y R2 ayudan a establecer el punto de polarización de CC, pero no se interponen en la señal de audio prevista.

Por el contrario, R4 proporciona retroalimentación negativa tanto para CC como para CA. Mientras la ganancia del transistor sea "grande", la corriente de emisor se aproxima bastante a la corriente de colector. Esto significa que cualquier voltaje que esté a través de R4 aparecerá a través de 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 10x 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.

Sigue adelante y simula este circuito variando los parámetros del transistor. Fíjate tanto en el punto de funcionamiento de CC como en cuál es la función de transferencia global de entrada a salida de una señal de audio.

Answer 2

1. ¿Qué causa la disminución de la beta aparente al aumentar la corriente de base?

La beta no está cambiando realmente. La corriente de colector está limitada por Rc. Con Rc = 500 Ω, la corriente de colector máxima es de unos 18 mA. Con Rc = 1,2 kΩ, la corriente máxima es de unos 7,5 mA. Esto viene de la Ley de Ohm -- 9V / 1,2kΩ = 7,5 mA. Con beta > 300, sólo necesitas 25 uA de corriente de base para maximizar la corriente de colector. Añadir una corriente de base adicional no cambia nada.

2. ¿Dónde se describe en la hoja de datos el comportamiento de beta frente a la temperatura y \$I_C\$ ?

Esta hoja de datos no da ninguna información sobre cómo varía beta con la temperatura. Beta vs. Ic se discute en la pregunta 4 más abajo. He comprobado otras hojas de datos y tampoco he visto ninguna variación de la temperatura. Según esta nota de la aplicación beta aumenta aproximadamente un 0,5% por grado C. Una comprensión más detallada podría requerir el uso de la Modelo Ebers-Moll que incluye la temperatura en forma de tensión térmica (kT/q). No soy un maestro de BJT, así que tal vez alguien más puede aclarar esto.

3. ¿Cómo puede \$I_C\$ ser mayor que lo que se muestra en la Figura 1 de la hoja de datos?

Esta sección de la ficha técnica ofrece típico características de rendimiento. Son valores medios que no muestran la variación de una unidad a otra. Un gráfico típico le da una idea del comportamiento de una unidad media, pero no da de ninguna manera los límites reales de ese comportamiento. Para eso está 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?

Aquí ocurren dos cosas. En primer lugar, su Vce no es realmente 5V en su tabla de 5V, ya que parte de la tensión se está cayendo a través de Rc, por lo que esta figura no representa su circuito real. En segundo lugar, este es otro diagrama que muestra el comportamiento típico. Lo que muestra es que beta típicamente comienza a caer alrededor de Ic = 100 mA. Dado que la Ic máxima absoluta es de 100 mA, esto significa que deberías esperar que beta sea más o menos constante en todo el rango de corriente del dispositivo. La figura utiliza 200 como beta típica, pero como puede ver en la tabla de clasificación hFE, la beta de un BC548B individual podría estar en cualquier lugar entre 200 y 450.

5. ¿Cómo se puede utilizar un Arduino para accionar la base de este transistor?

En primer lugar, tendrás que obtener la corriente máxima de salida continua de la hoja de datos del Arduino. Probablemente estará en el rango de los miliamperios. Tu corriente de base debe ser menor que eso, lo que no debería ser un problema ya que beta > 200 e Icmax < 100 mA. Si sabes cuánta corriente de colector necesitas (que deberías), puedes calcular la corriente de base mínima:

$$I_B = \frac{I_C}{\beta_{min}}$$

Eso te permitirá elegir una resistencia de base. Según la tabla de características eléctricas del transistor, el Vbe debería ser de unos 0,7 V. Ya sabes que tu Arduino emite 5 V, así que ahora puedes utilizar la ley de Ohm:

$$R_B = \frac{V_o - V_{BE}}{I_B}$$

Conecta esta resistencia entre el Arduino IO y la base del transistor. Conecta el emisor del transistor, el terminal negativo de la batería de 9V y la masa del Arduino.

Answer 3

Como complemento a la información dada en la respuesta de O. Lathrop, me gustaría dar un breve ejemplo que puede sorprenderle:

Supongamos que has diseñado una etapa de ganancia simple (como se muestra en tu post) utilizando un transistor con una ganancia de corriente de beta=200 . La corriente continua de reposo es Ic=1mA y la ganancia de tensión medida (Rc=2,5kohms) es G=-100 . Ahora bien, si se cambia el transistor que tiene un valor más bajo beta=100 observará que la ganancia de tensión G NO siempre que se haya ajustado la resistencia de polarización RB a un valor inferior que permita la misma corriente de reposo Ic=1mA. (Esto es necesario para una comparación justa).

La razón es la siguiente: La ganancia de tensión viene determinada por la transconductancia gm del transistor (pendiente de la característica Ic=f(Vbe)). Es decir: La "ganancia de corriente" no juega ningún papel: bajando el valor de beta de 200 a 100 se incrementa sólo la corriente de entrada, sin influir en la ganancia de tensión (siempre que no cambie el punto de funcionamiento).