Câu hỏi bóng bán dẫn cơ bản

Tôi đã tạo ra các mạch hiển thị. Tôi đang sử dụng pin 9V (thực tế là ném ra 9,53V) và 5V đến từ Arduino để thử nghiệm với cả 9 và 5 volt. Transitor là BC 548B (bảng dữ liệu tôi đang sử dụng ở đây ).

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Tôi đã tiến hành một số thử nghiệm thay đổi giá trị của Rb và Rc với các kết quả sau, không biết liệu chúng có thực sự đúng hay không.

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

Câu hỏi của tôi như sau;

1. Tôi hiểu rằng từ biểu dữ liệu, phạm vi của bóng bán dẫn này có thể dao động từ 200 đến 450. Tôi nghĩ rằng lý do có các giá trị nhỏ hơn 200 trong bảng 9V ref 3 và 4 là do mạch phát xạ collector đã bão hòa và có thể ' t tăng cao hơn, làm cho beta giảm khi dòng Ib tăng. Đúng không?

2. Trong tất cả các sách giáo khoa tôi đã xem, bản beta là một giá trị tĩnh. "Nếu phiên bản beta là X, hãy tìm ra resister trong cơ sở cần thiết để tạo ra dòng Y trong bộ thu". Kể từ khi tôi đọc bản beta sẽ dao động theo nhiệt độ và dòng thu (tôi nghĩ đó là dòng thu). Tôi thực sự tìm thấy dữ liệu này ở đâu? Bảng ở đâu cho tôi biết bản beta vs Ic? Nếu phiên bản beta liên tục thay đổi, làm thế nào để bạn thực sự chọn một resister sẽ luôn hoạt động và / hoặc có quá nhiều dòng điện trong cái gì sẽ được tải trên trình thu thập?

3. Hình 1 từ biểu dữ liệu, cho thấy rằng với dòng điện 50μA trong cơ sở, dòng thu không nên vượt quá khoảng 11mA KHAI THÁC điện áp giữa bộ thu và bộ phát. Nhưng với 9V ref 1 và 5V ref 2, cả hai đều có Ib ~ 50μA tôi có Ic cao hơn so với đã nêu. Tại sao lại thế này? Hình 1 thực sự nói với tôi là gì?

4. Hình 3 từ biểu dữ liệu cho thấy hFE là 200 cho Ic <40mA được cung cấp Vce = 5V. Điều đó rõ ràng là không xảy ra với tất cả các kết quả trong bảng 5V trong bài viết này. Vậy một lần nữa, biểu đồ này là gì?

5. Tôi đã cố gắng kết nối mạch lên để tôi có pin 9V chạy từ bộ thu đến bộ phát, và Arduino 5V của tôi cung cấp năng lượng cho cơ sở, về cơ bản là công tắc bóng bán dẫn dùng để làm gì. Tôi nghĩ rằng điều đó sẽ rút ngắn Arduino. Làm cách nào để pin 9V chạy từ C đến E và 5V ở cuối đế? Làm thế nào để tôi thực sự dây này?

Câu hỏi của bạn dường như là về beta hoặc h _FE . Có, điều này có thể thay đổi đáng kể giữa các bộ phận, thậm chí từ cùng một lô sản xuất. Nó cũng thay đổi phần nào với dòng điện collector và điện áp collector (sử dụng bộ phát làm tham chiếu 0 V). Tuy nhiên, đối với bất kỳ một bóng bán dẫn nào, mức tăng của nó thực sự thay đổi rất ít do chức năng của dòng thu trong một phạm vi hợp lý và giả sử điện áp của bộ thu được giữ đủ cao.

Điểm quan trọng mà bạn dường như đang thiếu là bạn không nên lo lắng về mức tăng chính xác. Một mạch tốt với các bóng bán dẫn lưỡng cực hoạt động với mức tăng được đảm bảo tối thiểu trên vùng vận hành dự định, nhưng mặt khác hoạt động tốt với mức tăng ở bất kỳ đâu từ đó đến vô hạn. Nó không nằm ngoài khả năng của bất kỳ một bóng bán dẫn nào tại một điểm vận hành cụ thể để có mức tăng gấp 10 lần so với mức tối thiểu được đảm bảo bởi biểu dữ liệu. Sau khi tính đến điều đó trong thiết kế mạch, thực sự chỉ là một bước nhỏ để đảm bảo mạch hoạt động với mức tăng của bóng bán dẫn đến vô tận.

Thiết kế cho một phạm vi rộng như vậy nghe có vẻ khó khăn, nhưng thực tế không phải vậy. Về cơ bản có hai trường hợp. Khi bóng bán dẫn được sử dụng như một công tắc, thì một số dòng cơ sở tối thiểu, được tính từ mức tăng được đảm bảo tối thiểu, sẽ đưa nó vào trạng thái bão hòa. Nếu mức tăng cao hơn, thì bóng bán dẫn sẽ trở nên bão hòa hơn ở cùng một dòng cơ sở, nhưng tất cả các điện áp trên nó và dòng điện qua nó vẫn sẽ khá giống nhau. Nói cách khác, phần còn lại của mạch (trừ trường hợp bất thường) sẽ không thể cho biết sự khác biệt giữa các bóng bán dẫn được điều khiển 2x hoặc 20x thành bão hòa.

Khi bóng bán dẫn được sử dụng trong khu vực "tuyến tính" của nó, thì phản hồi tiêu cực được sử dụng để chuyển đổi mức tăng lớn và không thể đoán trước thành mức tăng nhỏ hơn nhưng được kiểm soát tốt. Đây là nguyên tắc tương tự được sử dụng với opamp. Phản hồi DC và AC có thể khác nhau, với những người đầu tiên thiết lập các điểm hoạt động , đôi khi được gọi là xu hướng transistor, và lần thứ hai kiểm soát những gì xảy ra khi tín hiệu mong muốn được đi qua mạch.

Thêm:

Dưới đây là một mạch ví dụ có thể chịu được một phạm vi rộng của bóng bán dẫn. Nó sẽ khuếch đại tín hiệu âm thanh nhỏ khoảng 10 lần và đầu ra sẽ vào khoảng 6 V.

Để giải quyết vấn đề này một cách thủ công, có lẽ dễ dàng nhất để thực hiện lặp đi lặp lại. Bắt đầu bằng cách giả sử OUT là 6V và làm việc từ đó. Vì mức tăng là vô hạn, không có dòng cơ sở và điện áp cơ sở được đặt trực tiếp bởi bộ chia R1-R2 từ bất kỳ OUT nào. Bộ chia có mức tăng 1/6, vì vậy cơ sở ở mức 1,00 V. Trừ đi mức giảm BE là 600 mV, đặt bộ phát ở 400 mV, và dòng phát và bộ thu ở 400 400A. Đường dẫn R1-R2 rút ra 50 PhaA, do đó, tổng số được rút ra từ OUT it 450 PhaA, do đó, mức giảm trên R3 là 4,5 V, do đó OUT ở mức 7,5 V. Bây giờ hãy thực hiện lại các tính toán ở trên với giả sử OUT là 7,5 V và có thể một lần nữa sau đó Bạn sẽ thấy kết quả hội tụ nhanh chóng.

Đây thực sự là một trong số ít trường hợp giả lập là hữu ích. Vấn đề chính với các trình giả lập là chúng cung cấp cho bạn các câu trả lời tìm kiếm rất chính xác và có thẩm quyền mặc dù các tham số đầu vào rất mơ hồ. Tuy nhiên, trong trường hợp này, chúng tôi muốn thấy ảnh hưởng của việc thay đổi chỉ mức tăng của bóng bán dẫn, do đó, một trình giả lập có thể đảm nhiệm tất cả các công việc vất vả cho chúng tôi, như được thực hiện ở trên. Nó vẫn hữu ích để trải qua quá trình trong đoạn trước một lần để cảm nhận về những gì đang diễn ra, vì đã chỉ nhìn vào kết quả của một mô phỏng đến 4 chữ số thập phân.

Trong mọi trường hợp, bạn có thể đưa ra điểm thiên vị DC cho mạch ở trên giả sử mức tăng vô hạn. Bây giờ giả sử mức tăng 50 cho bóng bán dẫn và lặp lại. Bạn sẽ thấy mức DC của OUT chỉ thay đổi một chút.

Một điều cần lưu ý là có hai dạng phản hồi DC, nhưng chỉ có một dạng cho tín hiệu âm thanh AC.

Do đỉnh của R1 được kết nối với OUT, nó cung cấp một số phản hồi DC giúp điểm hoạt động ổn định hơn và ít nhạy cảm hơn với các đặc tính của bóng bán dẫn chính xác. Nếu OUT tăng, dòng điện vào cơ sở của Q1 tăng lên, điều này làm cho dòng điện thu nhiều hơn, làm cho OUT đi xuống. Tuy nhiên, đường dẫn phản hồi này không áp dụng cho tín hiệu âm thanh. Trở kháng nhìn vào dải phân cách R1-R2 là R1 // R2 = 17 kΩ. Tần số rolloff bộ lọc thông cao được hình thành bởi C1 và 17 kΩ này là 9,5 Hz. Ngay cả ở tần số 20 Hz, R1 // R2 không tải quá nhiều tín hiệu truyền qua C1 và nó có tỷ lệ không liên quan nhiều hơn theo tần số. Nói cách khác, R1 và R2 giúp đặt điểm thiên vị DC, nhưng không cản trở tín hiệu âm thanh dự định.

Ngược lại, R4 cung cấp phản hồi tiêu cực cho cả DC và AC. Chừng nào mức tăng của bóng bán dẫn là "lớn", thì dòng phát phát gần đủ với dòng điện thu. Điều này có nghĩa là bất cứ điện áp nào trên R4 sẽ xuất hiện trên R3 tương ứng với điện trở của chúng. Vì R3 là 10x R4, tín hiệu trên R3 sẽ là tín hiệu gấp 10 lần trên R4. Vì đỉnh của R4 là 12 V, OUT là 12 V trừ tín hiệu trên R3, tức là 12 V trừ 10 lần tín hiệu trên R4. Đây là cách mạch này đạt được mức tăng AC khá cố định là 10 miễn là mức tăng của bóng bán dẫn lớn hơn đáng kể, như 50 hoặc cao hơn.

Đi trước và mô phỏng mạch này trong khi các thông số khác nhau của bóng bán dẫn. Nhìn vào cả điểm vận hành DC và chức năng truyền tổng thể từ IN sang OUT của tín hiệu âm thanh là gì.

1. Điều gì gây ra sự giảm beta rõ ràng khi dòng cơ sở tăng?

Beta không thực sự thay đổi. Dòng thu được giới hạn bởi Rc. Với Rc = 500, dòng thu tối đa là khoảng 18 mA. Với Rc = 1,2 kΩ, dòng điện tối đa khoảng 7,5 mA. Điều này xuất phát từ Luật Ohm - 9V / 1.2kΩ = 7.5 mA. Với beta> 300, bạn chỉ cần 25 uA dòng cơ sở để tối đa hóa dòng thu. Thêm hiện tại cơ sở không thay đổi bất cứ điều gì.

$I_C$

Bảng dữ liệu này không cung cấp bất kỳ thông tin nào về cách beta thay đổi theo nhiệt độ. Beta so với Ic được thảo luận trong câu hỏi 4 dưới đây. Tôi đã kiểm tra một vài bảng dữ liệu khác và cũng không thấy bất kỳ sự thay đổi nhiệt độ nào ở đó. Theo ghi chú của ứng dụng này , beta tăng khoảng 0,5% mỗi độ C. Một sự hiểu biết chi tiết hơn có thể yêu cầu sử dụng mô hình Ebers-Moll , bao gồm nhiệt độ ở dạng điện áp nhiệt (kT / q). Tôi không phải là bậc thầy về BJT, vì vậy có lẽ ai đó có thể làm rõ điều này.

$I_C$

Phần này của biểu dữ liệu cho các đặc tính hiệu suất điển hình . Đây là các giá trị trung bình không hiển thị biến thể từ đơn vị này sang đơn vị khác. Một biểu đồ điển hình cung cấp cho bạn ý tưởng về hành vi của một đơn vị trung bình, nhưng nó không đưa ra giới hạn thực tế cho hành vi đó. Đó là những gì bảng Đặc tính điện dành cho.

4. Làm thế nào beta có thể lớn hơn những gì được hiển thị trong Hình 3 của biểu dữ liệu?

Hai điều đang xảy ra ở đây. Đầu tiên, Vce của bạn không thực sự là 5V trong bảng 5V của bạn, vì một số điện áp đang bị rơi trên Rc, vì vậy con số này không thể hiện mạch thực tế của bạn. Thứ hai, đây là một sơ đồ khác cho thấy hành vi điển hình. Những gì nó cho bạn thấy là beta thường bắt đầu giảm xuống ở khoảng Ic = 100 mA. Vì Ic tối đa tuyệt đối là 100 mA, điều này có nghĩa là bạn nên mong đợi beta gần như không đổi trong phạm vi hiện tại của thiết bị. Con số sử dụng 200 như một bản beta điển hình, nhưng như bạn có thể thấy từ bảng Phân loại hFE, bản beta cho một BC548B riêng lẻ có thể ở bất kỳ đâu từ 200 - 450.

5. Làm thế nào một Arduino có thể được sử dụng để lái cơ sở của bóng bán dẫn này?

Trước tiên, bạn sẽ cần lấy dòng đầu ra liên tục tối đa từ bảng dữ liệu của Arduino. Điều này có thể sẽ nằm trong phạm vi milliamp. Dòng cơ sở của bạn phải nhỏ hơn mức đó, điều này không phải là vấn đề vì beta> 200 và Icmax <100 mA. Nếu bạn biết bạn cần bao nhiêu bộ thu hiện tại (mà bạn nên), bạn có thể tìm ra dòng cơ sở tối thiểu:

Điều đó sẽ cho phép bạn chọn một điện trở cơ sở. Theo bảng Đặc tính điện của bóng bán dẫn, Vbe nên ở khoảng 0,7 V. Bạn biết Arduino của bạn đầu ra 5V, vì vậy bây giờ bạn có thể sử dụng Định luật Ohm:

Kết nối điện trở này giữa Arduino IO và cơ sở của bóng bán dẫn. Kết nối bộ phát của bóng bán dẫn, cực âm của pin 9V và nối đất của Arduino với nhau.

Bổ sung thông tin được đưa ra trong câu trả lời của O. Lathrop Tôi muốn đưa ra một ví dụ ngắn có thể làm bạn ngạc nhiên:

Giả sử bạn đã thiết kế một giai đoạn khuếch đại đơn giản (như được hiển thị trong bài đăng của bạn) bằng cách sử dụng một bóng bán dẫn với mức tăng hiện tại là beta = 200 . Dòng điện dc hoạt động là Ic = 1mA và mức tăng điện áp đo được (Rc = 2,5kohms) là G = -100 . Bây giờ - nếu bạn thay đổi bóng bán dẫn có giá trị beta = 100 thấp hơn, bạn sẽ quan sát rằng mức tăng điện áp G sẽ KHÔNG thay đổi - miễn là bạn đã điều chỉnh điện trở thiên vị RB thành giá trị thấp hơn cho phép cùng dòng điện tĩnh Ic = 1mA. (Điều này là cần thiết để so sánh công bằng).

Lý do là như sau: Độ tăng điện áp được xác định bởi gm độ dẫn điện của bóng bán dẫn (độ dốc của đặc tính Ic = f (Vbe)). Điều đó có nghĩa là: "mức tăng hiện tại" không có vai trò - giảm giá trị beta từ 200 xuống 100 chỉ làm tăng dòng điện đầu vào, mà không ảnh hưởng đến mức tăng điện áp (miễn là điểm vận hành không thay đổi).