Preguntas básicas sobre transistores

Su pregunta parece ser sobre beta o h _FE . Sí, esto puede variar significativamente entre piezas, incluso del mismo lote de producción. También varía un poco 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 por lo demás funciona bien con la ganancia desde allí hasta el infinito. No está fuera de lugar que un transistor en un punto de operación en particular tenga 10 veces más ganancia que el mínimo garantizado por la hoja de datos. Después de tener 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 una gama tan amplia de ganancia puede parecer difícil, pero en realidad no lo es. Básicamente hay dos casos. Cuando el transistor se usa como un interruptor, alguna 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 estará más saturado con la misma corriente base, pero todos los voltajes y corrientes a través de él seguirán siendo prácticamente iguales. Dicho de otra manera, el resto del circuito (excepto en casos inusuales) no podrá notar la diferencia entre el transistor impulsado 2x o 20x hasta la saturación.

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

Adicional:

Aquí hay un circuito de ejemplo que tolera una amplia gama de ganancia de transistor. Amplificará las señales de audio pequeñas 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. Dado que la ganancia es infinita, no hay corriente base y el voltaje base lo establece directamente el divisor R1-R2 de lo que sea OUT. El divisor tiene una ganancia de 1/6, por lo que la base está en 1,00 V. Menos la caída de BE de 600 mV, que pone el emisor en 400 mV, y las corrientes de emisor y colector en 400 µA. La ruta R1-R2 consume 50 µA, por lo que el total extraído de la SALIDA es de 450 µA, por lo que la caída en R3 es de 4,5 V, por lo que la SALIDA está en 7,5 V. Ahora realice los cálculos anteriores nuevamente suponiendo que la SALIDA 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 los que un simulador es útil. El principal problema con los simuladores es que le brindan respuestas muy precisas y autorizadas 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 pesado por 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 simplemente mirar los resultados de una simulación con 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 de CC 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 cierta retroalimentación de CC que hace que el punto de operación sea más estable y menos sensible a las características exactas del transistor. Si OUT aumenta, la corriente en la base de Q1 aumenta, lo que genera más corriente de colector, lo que hace que OUT disminuya. Sin embargo, esta ruta 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 llega a través de C1, y se vuelve más irrelevante en proporción a la frecuencia. Dicho de otra manera, R1 y R2 ayudan a establecer el punto de polarización de CC, pero no se interponen en el camino de la señal de audio deseada.

Por el contrario, R4 proporciona retroalimentación negativa tanto para CC como para CA. Siempre que la ganancia del transistor sea "grande", entonces la corriente del emisor está lo suficientemente cerca de la misma que la corriente del colector. Esto significa que cualquier voltaje que haya en R4 aparecerá en R3 en proporción a sus resistencias. Dado que R3 es 10x R4, la señal a través de R3 será 10x la señal a través de R4. Dado que la parte superior de R4 está a 12 V, OUT es 12 V menos la señal en R3, que es 12 V menos 10 veces la señal en 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.

Continúe y simule este circuito mientras varía los parámetros del transistor. Mire tanto el punto de operación 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 de base?

Beta realmente no está cambiando. La corriente del colector está limitada por Rc. Con Rc = 500 Ω, la corriente máxima del colector 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, solo necesita 25 uA de corriente base para maximizar la corriente del colector. Agregar corriente de base adicional no cambia nada.

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

Esta hoja de datos no brinda información sobre cómo varía la beta con la temperatura. Beta vs. Ic se analiza en la pregunta 4 a continuación. Revisé algunas otras hojas de datos y tampoco vi ninguna variación de temperatura allí. De acuerdo con esta nota de la aplicación , la beta aumenta 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.

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 hoja de datos brinda características típicas de rendimiento. Estos son valores promedio que no muestran la variación de unidad a unidad. Un gráfico típico le da una idea del comportamiento de una unidad promedio, pero de ninguna manera le da límites reales a ese comportamiento. Para eso está la tabla de Características Eléctricas.

4. ¿Cómo puede beta ser 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 cae en Rc, por lo que esta cifra no representa su circuito real. En segundo lugar, este es otro diagrama que muestra el comportamiento típico. Lo que 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 beta sea aproximadamente constante en todo el rango actual del dispositivo. La figura usa 200 como una beta típica, pero como puede ver en la tabla de clasificación de hFE, la beta para un BC548B individual podría estar entre 200 y 450.

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

Primero, deberá obtener la corriente de salida continua máxima 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 (que 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 debe ser de alrededor de 0,7 V. Sabes que tu Arduino genera 5 V, por lo que ahora puedes usar la Ley de Ohm:

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

Complementando la información dada en la respuesta de O. Lathrop, me gustaría dar un breve ejemplo que puede sorprenderlo:

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 continua de reposo es Ic=1mA 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 ajustado 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: 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 operación no cambie).