Para este circuito de El arte de la electrónica, ¿por qué no se especifican los transistores? ¿Y qué transistores uso?

Si fuera a la escuela de EE, entonces se transferiría una gran cantidad de conocimiento simplemente pasando por todas las cosas habituales: laboratorios, tareas, exámenes, etc. Al enseñarme a mí mismo, es muy difícil cuando solo "Q1, Q2 , Q3, ..." y sé que la elección de los transistores individuales requiere una mayor toma de decisiones, y puedo hacerlo mal fácilmente. Me gustaría que colocaran una instancia más completa en una página posterior, como un diseño de referencia.

Específicamente, ¿puedo usar Jellybean 2N3904 y 2N3906 para Q1-Q8, el subcircuito similar al comparador? ¿O tengo que usar un par dual (como PMBT3904YS,115 ) o emparejado (como DMMT3904W-7-F )?

Lo que sigue son mis conjeturas semi-educadas. Aunque no estoy completamente seguro de con qué transistor empezar.

Me sentiría cómodo usando Jellybean 2N3904 y 2N3906 para Q9 a Q12. Quizás Q10 podría ser un 2N4401; depende de cuánto necesitemos para saturar Q11. Aunque pondría Q10 a una distancia de Q11 para separarlo térmicamente y, con suerte, mejorar el rendimiento. Y pondría un 2SA1908 en Q11, o algún otro transistor de potencia con un disipador de calor.

De todos modos, esa es mi visión actual, probablemente algo dividida, de lo que haría, mezclada con lo que creo que podría ser necesario.

Esquema del controlador de temperatura para calentador de 50 vatios

2.22 Controlador de temperatura : el diagrama esquemático de la figura 2.76 muestra un controlador de temperatura basado en un elemento sensor de termistor , un dispositivo que cambia la resistencia con la temperatura. Diferencial Darlington Q1-Q4 compara el voltaje del divisor de referencia ajustable R4-R6 con el divisor formado por el termistor
y R2 . (Al comparar relaciones del mismo suministro, la comparación se vuelve insensible a las variaciones del suministro; esta configuración particular se denomina puente de Wheatstone ) . El espejo de corriente Q5-Q6 proporciona una carga activa para aumentar la ganancia, y el espejo Q7-Q8 proporciona corriente de emisor. Q9compara la salida del amplificador diferencial con un voltaje fijo, saturando Darlington Q10-Q11 , que suministra energía al calentador, si el termistor está demasiado frío. R9 es una resistencia de detección de corriente que activa el transistor de protección Q12 si la corriente de salida supera los 6 amperios; que elimina la unidad base de Q10-Q11 , evitando daños.

(Énfasis añadido mío). El extracto anterior es de la página 105 de El arte de la electrónica, segunda edición, de Horowitz, Paul; Colina, Winfield. Prensa de la Universidad de Cambridge. Edición Kindle de tapa dura (ISBN 978-0-521-37095-0):

Nota: Estoy tratando de enseñarme a mí mismo, esto no es tarea ni trabajo escolar. Un desarrollador de software que intenta obtener más conocimiento del hardware, así que escribiré un mejor firmware.

No estoy de acuerdo con que los discretos sacados de una bolsa vayan necesariamente a funcionar bien aquí. Se trata principalmente de la variación de corriente de saturación, que puede ser una diferencia de alrededor de 10: 1 entre BJT aleatorios de la misma familia. ¿Peor de los casos? Casi 60 mV de diferencia en la base. Y en un espejo de corriente esto significa alrededor de 10:1 en corrientes de colector. Lo que efectivamente está completamente a un lado o al otro y no está cerca del equilibrio medio que desearía. El único espejo donde eso importa es Q5/Q6. Así que querría resistencias de emisor allí. Sin embargo, podría funcionar sin ellos.
Si no se especifican los transistores, es posible que no se pretenda que el circuito represente un diseño copiable completo.
La mayoría de la gente hoy en día probablemente usaría un microcontrolador para implementar un controlador de temperatura para un calentador de 50 vatios.
@MicroservicesOnDDD Si tuviera tiempo e inclinación para diseñar esto (y construir uno para probar y validar, incluida la aplicación de una pistola de calor) para discretos, escribiría algo. Ayudaría a algunos. Pero no tengo tiempo. Puedes hacer algunas pruebas simples. Conecte sus BJT con diodos y tome algunas medidas. Luego use el script sympy aquí para calcular RS, ISAT y el coeficiente de emisión (que debe estar cerca de 1). Solo 3 mediciones por BJT deberían ser suficientes. Puedes probar lo que escribí en el comentario, al menos.
@MicroservicesOnDDD Si encuentra que los extremos de variación que menciono son posibles (aunque no probables, deberá probar varios BJT para ver el intervalo más completo), entonces mi argumento probablemente se mantenga, ya que se basa en la idea central de cómo un espejo hace lo que hace. El diferencial de temperatura también puede desempeñar un papel aquí, pero puede solucionarlo con piezas como BCV61 y BCV62, que son piezas "apenas coincidentes" en el mismo troquel térmico. El BCM847 y el BCM857 están mucho mejor combinados. Y si quieres volverte loco, hazte con el PMP4201G y el PMP5501G. Esos están más seriamente emparejados. (O haga coincidir el suyo).
Me quito el sombrero si vas a construir esto como un ejercicio de aprendizaje, pero ciertamente puedes hacerlo si quieres. Hay mucho que aprender de la construcción de un circuito de este tipo y mucho por hacer. Buena suerte.
Respeto por tratar de aprender a diseñar electrónica analógica, pero como alguien que aprendió electrónica y ahora está haciendo programación integrada, puedo asegurarle que muchos de estos diseños analógicos antiguos resuelven problemas que ni siquiera existen en los circuitos digitales/analógicos modernos. Puede usarlos más como un ejercicio de "No lo hagas de esta manera".
No responde a su pregunta, pero ¿conoce 'aprender el arte de la electrónica: un curso de laboratorio práctico' de Hayes y Horowitz (978-0521177238)?
Algunas de las respuestas parecen estar completamente perdiendo el punto aquí. El propósito del libro no es brindarle diseños listos para construir, sino enseñarle cómo funcionan los circuitos electrónicos . Si no sabe por qué un IC moderno es "mejor" que un circuito simple hecho de componentes discretos, no es un "diseñador de circuitos" en ningún sentido real de la palabra IMO. Simplemente está cortando y pegando fragmentos de información de hojas de datos (y otras fuentes) y esperando tener suerte cuando los conecte.
Está en la página 124 de la tercera edición, pero no puedo copiar el diagrama mucho más limpio de la edición digital porque lo cambiaron un poco (ahora 250W) aunque todos los designadores son iguales.
Creo que algunos de los otros comentarios exageran la necesidad de hacer coincidir. Esto no parece un circuito delicado para mí. Hace unas décadas, por diversión, copié el diseño de un opamp CA3080 con 2N3904 y 2N3906. Funcionó bien (más rápido que el IC).
Por cierto, si realmente lee el libro desde la página uno en lugar de la página 100, le habrá enseñado todo lo que está preguntando: dónde necesita transistores coincidentes, qué hacer si no los tiene, una práctica tabla de diferentes transistores reales.
@mkeith Difícilmente. Eche un vistazo a un termostato industrial muy utilizado (.pdf) . Es básicamente un enfoque moderno de la solución bimetálica que todos conocemos, no un microcontrolador a la vista. Personalmente, he usado ese artículo muchas veces para un calentador de 50 W y similares.
tangencialmente, puede encontrar el libro relacionado, pero mucho menos técnico, "Electrónica práctica para inventores" de Scherz y Monk ISBN: 978-0071771337 ¡espectacular!

Respuestas (4)

Si está construyendo esto a nivel de placa, no compraría transistores individuales para ninguna de las partes alimentadas por +15 V (excepto Q9). Simplemente compraría un circuito integrado de amplificador operacional. Y si construyó esto en los últimos 20 años, probablemente lo alimentaría con 5 V o 3,3 V en lugar de 15 V.

Para la parte alimentada por 50 V, debe elegir transistores que puedan soportar los 50 V que atravesarán cuando estén "apagados", que puedan manejar las corrientes directas que deberán transportar cuando estén "encendidos" y pueden disipar el calor que estarán generando cuando se encuentren en un estado intermedio entre "encendido" y "apagado". Dado que este circuito opera con cambios de voltaje muy lentos, no hay necesidad especial de preocuparse por la respuesta de frecuencia de estos transistores.

Este circuito funciona y sería más barato sin el amplificador operacional, y "más barato" podría ser un requisito. Para mí, uno de los propósitos de poner en marcha circuitos discretos es comprender mejor las cosas. (Por ejemplo, ¿cuál es el voltaje más bajo con el que se podría reemplazar el +15v y el amplificador operacional discreto aún funciona correctamente?) Así que agradecería una respuesta al aspecto de la gominola, tal vez además de "usar un amplificador operacional".
Quiero decir, usar un amplificador operacional es una buena idea, pero también tenemos que poder prescindir de uno.
@MicroservicesOnDDD, si paga, digamos, $ 0.05 por componente para el ensamblaje, entonces 1 amplificador operacional es más barato que 8 transistores, incluso si el amplificador operacional cuesta $ 0.50 y los transistores cuestan solo $ 0.05 cada uno.
Sí, pero estoy vendiendo kits a gente pobre, y ellos mismos no pagan absolutamente nada por el montaje. Y en el carrete, esas gominolas que he valorado recientemente en 1 centavo o menos para el transistor, y significativamente menos para las resistencias de orificio pasante.
@MicroservicesOnDDD, estoy muy sorprendido si el mercado de gente pobre que quiere ensamblar este circuito como pasatiempo es lo suficientemente grande como para permitirle comprar sus componentes en carretes completos.
Para un costo más bajo (discreto), elimine Q7, Q8 y use R1 desde la unión de Q2,3 a GND.; hazlo 8.2k en su lugar. Luego elimine Q1,Q4 y conecte la base de Q2,3 donde estaba la base de Q1,Q4. Tenga en cuenta que Q11 puede disipar tanto calor como el calentador; NO desea que esté acoplado al termistor.
@MicroservicesOnDDD En un minorista de piezas en línea al azar que acabo de verificar, el amplificador operacional más barato (un LM358 similar) cuesta solo € 0.06-0.10 dependiendo de la cantidad. No hay forma de que lo haga significativamente más barato en discretos.
@TooTea: me gusta mucho el kit de amplificador operacional discreto XL741 de Evil Mad Scientists, no porque sea el más barato, sino porque puedo entenderlo y solucionarlo . Y vender otros kits educativos. Esta pregunta no se trata realmente de construir lo más barato, sino de aprender mientras se construye algo que funcione. En esencia, me encanta el circuito Joule Thief simple, tiene un solo transistor y lo acepto a pesar de todos sus defectos, incluida la falta de un amplificador operacional. Quiero construir una regulación de voltaje de salida de histéresis de transistor, pero aún no puedo.
Ey. Te dije desde el principio que estoy tratando de enseñarme a mí mismo. ;-)
En ese caso, intente construirlo con los transistores que tenga (aparte del Q11 que necesita manejar mucha energía) y si no funciona, intente averiguar por qué no. O constrúyalo primero en un simulador y podrá probar tantos transistores diferentes como modelos tenga.
Esa es realmente una gran idea, @ThePhoton. Como desarrollador, pienso demasiado y necesito probar más, y agradezco los problemas y errores por el aprendizaje más profundo que me brindarán. ¡Gracias!

Este circuito no es algo que le gustaría construir en 2021. El rendimiento será deficiente en comparación con un amplificador operacional de unos pocos centavos porque no puede (a bajo costo) comprar transistores combinados y en el mismo sustrato para los dos espejos actuales y la entrada darlingtons- 8 transistores en total).

El circuito de salida tiene una función de límite de corriente (R9/Q12) que haría que Q11 se disipara alrededor de 350 W si el calentador está en cortocircuito, pero por lo demás no hace mucho. Ese tipo de disipación requeriría un enorme disipador de calor e incluso un transistor PNP de metal TO-3 robusto como el MJ2955 no puede sobrevivir más de un par de cientos de microsegundos (SOA). También disipará bastante calor durante el funcionamiento normal (en el rango de 5-10 W cuando está "encendido"), por lo que se requiere un disipador de calor sustancial y costoso.

Si desea diseñar un controlador de temperatura de termistor, use un amplificador operacional o un comparador de suministro único y cambie la carga limpiamente con un MOSFET que no requiera un disipador de calor. O use un relé si no le importa la vida útil y desea más flexibilidad.

Esto no es algo que deberías querer copiar.

El circuito AoE bien puede ser instructivo (es útil para comprender el funcionamiento interno de algo como un LM393), pero es menos que útil en un sentido práctico.

Si desea construir uno para jugar, los transistores SMT de los bolsillos adyacentes en la cinta generalmente se combinan muy bien (al menos de los principales fabricantes) ya que tienden a salir de áreas cercanas en la misma oblea en una línea automatizada). Si se montan en una placa con poca disipación de energía, tenderán a estar a temperaturas similares. En este caso, tiene muchos vatios que se disipan, por lo que tendería a que la compensación se desplace violentamente a medida que la placa se calienta y se enfría. Los amplificadores operacionales tienen un problema similar (aunque son mW y no vatios) y utilizan un diseño inteligente para colocar partes diferenciales en isotermas para reducir la distorsión inducida por compensación. Solo como un número aproximado, una diferencia de temperatura de 0,05 grados C cambiará el sesgo en alrededor del 10% si lo calculo correctamente.

Supongo que los paquetes de transistores duales son 2 dados en 1 paquete, ¿entonces?
@ThreePhaseEel Algunos lo son, otros no. Si sus especificaciones coincidentes cumplen con sus requisitos, no le importa. Pero, ¿cuáles son los requisitos? Trabajar desde el nivel superior hasta los requisitos de los componentes es parte de un ejercicio como este, abordable de varias maneras. Cree un prototipo y vea qué consecuencias tiene un desajuste deliberado. O analizar en papel. O simular. Domina todo esto para varios tipos de circuitos, eres un diseñador.
@ThreePhaseEel: ¿Estaba buscando un componente de dos transistores de una sola matriz?
@MicroservicesOnDDD: me preguntaba si los paquetes duales comúnmente disponibles podrían resolver los problemas de transistores coincidentes del OP de manera económica
@ThreePhaseEel son los baratos, por lo que están aislados eléctricamente entre sí. Los hay en un solo dado, como el venerable (y descontinuado) MAT02, pero están destinados a aplicaciones especializadas y son caros.
Las razones para construirlo en 2021 serían exactamente las mismas que para construirlo en 1970. ¡Para aprender!

Sí, puede usar dispositivos de gominolas para todos los elementos de este circuito, excepto Q11, como menciona. Un 2N3055 sería adecuado para eso, aunque debe asegurarse de que su ganancia (beta) sea buena (más de 50) para que Q9 y Q10 puedan manejarlo. Para los otros dispositivos, los transistores discretos estándar como usted menciona serán adecuados: su versión beta es lo suficientemente alta, su capacidad de transporte de corriente es adecuada y su clasificación de voltaje es suficiente.

No necesita dispositivos compatibles para esta aplicación, lo que significa que el opamp probablemente tendrá un pequeño voltaje de compensación (quizás 10 mV). Eso no es crítico.

Tenga en cuenta que no hay compensación de estabilidad de CA en este circuito y una placa de prueba o una implementación simple pueden oscilar. Si bien el retraso térmico del calentador al termistor puede ser suficiente, esto depende de la construcción física. Una capacitancia desde la base de Q9 a tierra podría compensarlo. Pruebe 1 uF para comenzar.

+1 por señalar la necesidad de compensación y dar una sugerencia inicial. Gracias
2N3055 es NPN. Necesita PNP.
@JohnDoty: tienes razón. en cambio, elijo el 2SA1908 de Sanken BJT PNP 120 V 8A 20MHz 75 W Through Hole TO-3PF,
@JohnDoty ¿Todos han olvidado que el complemento PNP del 2N3055 es el 2N2955? ;)
@AndrewMorton Bueno, lo hice. No he usado ninguno en décadas. Siendo un cobarde, tiendo a usar LM395 ;-)
@JohnDoty: parece que tiene un voltaje demasiado bajo para esta aplicación, aunque a 36 V o 42 V para la versión ti.

¿Por qué estás construyendo esto?

¿Estás realmente tratando de construir esto? Parece que el esquema proviene de un libro de texto donde se usaría para ejemplificar cosas como fuentes de corriente, espejos de corriente, amplificadores diferenciales, etc. En otras palabras, es un gran esquema para usar combinado con "ideal" (es decir, "simplificado" ) modelos de transistores para enseñar conceptos.

Pero como otros han señalado, esta no es la forma de hacerlo si está tratando de construir un circuito que funcione. Si está tratando de construir esto porque realmente necesita un controlador de temperatura que funcione para un elemento calefactor de 50 W, diablos, puede comprar cosas como esa en la mayoría de las ferreterías.

Por otro lado, si solo está tratando de construirlo por la diversión de aprender cómo hacerlo, reemplace el elemento calefactor con una bombilla incandescente de linterna de 3.3vdc (puede conseguirlos en cualquier ferretería) y olvídese de usar los controladores monstruosos. elemento calefactor requeriría. Haga eso y después de escalar algunas de las resistencias para mantener los niveles actuales, puede usar transistores de vainilla y una fuente de 5vdc para todas las fuentes.

O, mejor aún, descargue un simulador SPICE gratuito y simule. Aprenderá todo lo que no sea la frustración de usar una placa de prueba. (Y agradezca que no está envolviendo cables... lo que tuve que hacer en la universidad y me alegro de no haber tenido que hacerlo nunca más).

Si lee el historial de edición de preguntas, alguien eliminó el contexto importante de arriba hacia abajo. En la parte superior, justo al frente, solía decir: "Estoy tratando de aprender por mí mismo; esto no es tarea ni trabajo escolar. Un desarrollador de software que intenta obtener más conocimiento del hardware, así que escribiré un mejor firmware". Entonces, lea la pregunta con más atención y cambie su respuesta, porque no tiene sentido para mí. Preguntas "por qué estás construyendo esto", pero en mi pregunta, dije que estoy tratando de aprender. Además, la referencia "Arte de la electrónica" demuestra una fuente de libro.
Una vez que escriba su respuesta, es posible que desee, en el futuro, volver a leer la pregunta para asegurarse de que su respuesta tenga sentido y de que realmente respondió la pregunta.
@MicroservicesOnDDD Su punto sobre el uso de Stack Exchange está bien tomado. ¿Por qué no estás usando un simulador otra vez? De hecho, ¿por qué construirías físicamente un circuito cuando simplemente estás tratando de aprender por ti mismo?
Tengo miles de simulaciones de LTSpice en mi haber. Mi pregunta sigue siendo: "¿Por qué no se especifican los transistores y cuáles uso?" Al ponerlo en LTSpice, todavía no sé qué transistores usar. Un simulador realmente no responde a mi pregunta de por qué, en un gran libro, el "Arte de la electrónica", ponen diagramas que ni siquiera se acercan a especificar los transistores, y no puedes usar cualquier transistor en cualquier lugar. . Hay implicaciones de que ya tiene la parte anterior del libro en su haber y, probablemente, que está en una clase y tiene un maestro.
El hecho de que sea autodidacta hace que mi experiencia de aprendizaje sea diferente y, en cierto modo, mucho más desafiante. Probablemente soy unos 10 años más joven que usted, por lo que he estado presente, pero soy un desarrollador de software sénior que intenta aprender electrónica de potencia, ¡y es un tema difícil! Probablemente debería ir a la escuela, pero tengo que mantener a mi familia, así que es difícil.
En cuanto a "¿Por qué estás construyendo esto?" porque me encanta el circuito Joule Thief , que es todo analógico, y me gustaría entender el diseño analógico, especialmente el diseño del transistor BTJ, para poder agregar algunas de las estructuras (o todo el "comparador") al Joule Thief, así que Puedo agregarle una mejor regulación . ¿Por qué quiero hacer eso? Aprender. Y posiblemente para enseñar a otros. Y quizás el circuito sea lo suficientemente bueno como para que sea útil.
El libro no usa transistores de la vida real porque los detalles de esos transistores se interpondrían en el camino de los conceptos que enseña. En este punto del libro, deberías haberte enseñado las ecuaciones básicas para que puedas hacer las operaciones matemáticas a mano. Me sorprendería si LTSpice no tuviera modelos básicos NPN/PNP. Deberías estar usando esos. Si no los tiene, visite esta página y cree dos utilizando los parámetros predeterminados de Gummel-Poon. Parece que estás dando dos pasos cuando deberías estar dando uno.
tu derecho Pero tengo 51 años y sufrí pérdidas personales masivas durante 10 años, y aunque obtuve una A en cálculo de honores en la escuela secundaria, es como si hubiera perdido ciertas habilidades, y la fórmula parece ser un desafío en este momento. Entonces, como si estuviera en la universidad, estoy aprendiendo mucho por ósmosis, como absorbiéndolo, hasta que ya no veo el mensaje de error en mi cerebro "demasiadas referencias sin resolver". En este momento, mi cerebro está mejorando muy rápidamente, sin embargo, en este tema, tengo mucho camino por recorrer. También se han logrado avances en la solución del mandato de desarrollo de software masivo para minimizar la complejidad.
@MicroservicesOnDDD Me disculpo mucho. Me temo que las debilidades comunes de las redes sociales suelen ser mi enemigo.
@MicroservicesOnDDD Estoy completamente de acuerdo con usted sobre la debilidad de esta respuesta en el contexto original de su pregunta. Leí su pregunta e inmediatamente me llamó la atención lo bien que estaba escrita, el esfuerzo requerido para construirla y la claridad con la que expresó lo que quería saber. Ojalá todas las preguntas fueran tan elocuentes. Sin embargo, espero que esta respuesta se mantenga, porque es verdadera y relevante, independientemente de su relación algo vaga con la pregunta real.
@SimonFitch: estoy de acuerdo. También me gusta esta respuesta, y espero que también se mantenga.
@JoinJBHonCodidact -- No hay necesidad de disculparse. Le agradezco mucho su respuesta y nuestra discusión. Mi frustración realmente fue con el cambio de mi pregunta cuidadosamente creada. Así es la vida, y la disfruto. Aprecio todo lo que has dicho.
Para este circuito de El arte de la electrónica, ¿por qué no se especifican los transistores? ¿Y qué transistores uso?
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