Понимание работы биполярного транзистора на практике

[Power-V]

Здравствуйте, пользуясь поиском форума, не нашел интересующую для себя информацию касаемо биполярных транзисторов, информацию или методическое пособие(лабораторного практикума), которое можно воспроизвести практически на стенде (макетной платы и т.д.), по итогу закрепить полученные знания и понимания работы транзистора.

Рассмотрим режимы работы транзистора:

1) Насыщение

Теория гласит: транзистор входит в насыщение, когда прекращается рост коллекторного тока, остается неизменным, а ток базы продолжает расти.

Собрал простую схему на макетной плате, которая состоит из NPN транзистора, блока потенциометров, резистора нагрузки коллектора 2000 Ом. Измерительные приборы два мультиметра в режиме измерения тока. Напряжение источника питания 5 вольт.

Измерил, полученные результаты заполнил в таблице Excel, подсчитал коэффициент усиления по формуле hFE = Iколлектора / Iбазы.

Вопрос: правильно ли я понял, что подопытный транзистор вошел в насыщение на моем стенде с 0,0025 Ампер, выделил красным шрифтом в таблице на технической иллюстрации? 

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[Falconist]

Правильно.

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[Power-V]

4 часа назад, Falconist сказал:

Правильно.

Заменил резистор нагрузки коллектора с 2000 Ом на 510 Ом. Правильно ли я понимаю, что насыщение транзистора зависит от максимального тока нагрузки, в данном случае резистор, который может пропустить через себя ток, который рассчитывают: Iколлектора = Uпитания / Rнагрузки; Iколлектора = 5V / 510 Ом = 0,0098 Ампер? Насыщение  транзистора ~ 0,0096 - 0,0097.

Изменено 18 марта, 2020 пользователем Power-V

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[valentinovich]

27 минут назад, Power-V сказал:

Насыщение  транзистора ~ 0,0096 - 0,0097.

Не читайте электроно-научно-фантастическую литературу. Особенно на ночь.  Имхо, чтоб не возникало странных вопросов и не менее странных экспериментов, лучше начать с законов: Киргофа и Ома. И не только уметь при этом презрительно надувать губы, а и уметь их использовать в своих рассуждениях. Именно в этом явно видятся ваши пробелы.

На практике не существует понятия "насыщение транзистора". Он (биполярный транзистор) в любом случае будет/должен честно осуществлять передачу по току (согласно своего Ку).. Всё. Далее по вашей схеме будет работать закон Ома.

То, чем вы сейчас занимаетесь, увы, есть "собственноручное"  :) закакивание мозгов и совершенно не с того конца начинаете освоение. Поверьте моему многолетнему преподавательскому опыту. Попробуйте найти наставника, который вас поведёт на начальном периоде и покажет вам правильный путь по освоению электроники.

Удачи.

[Lexter]

16 часов назад, valentinovich сказал:

На практике не существует понятия "насыщение транзистора". Он (биполярный транзистор) в любом случае будет/должен честно осуществлять передачу по току (согласно своего Ку).. Всё.

Абсолютно неверное утверждение.

 

17 часов назад, Power-V сказал:

Правильно ли я понимаю, что насыщение транзистора зависит от максимального тока нагрузки

"На пальцах" объяснить процесс насыщения биполярного транзистора можно примерно так: Представьте, что вы постепенно увеличиваете ток в базу. Напряжение на коллекторе при этом постепенно уменьшается до маленького остаточного напряжения между коллектором и эмиттером - до напряжения открытого транзистора, U_{КЭ нас}. Ничего не мешает увеличивать ток в базу дальше, но при этом напряжение U_КЭ уменьшаться дальше уже не будет. Это область насыщения. Чем ток в базу больше минимально-необходимого тока, при котором транзистор открылся, тем глубже насыщение, в области базы образуется больше "лишних" неосновных носителей, и тем больше потом потребуется времени, чтобы транзистор закрыть, т.к. потребуется "рассосать" больше неосновных носителей в базе. На работу схемы глубокое насыщение влият так: чем более глубокое насыщение вы используете, тем медленнее переключается ваша схема.

Ну а для более глубокого понимания нужно всё-таки читать литературу.

[colorad]

17 часов назад, Power-V сказал:

 Насыщение  транзистора

 В первом приближении работа транзистора выглядит так  : oтсечка - линейный режим - насыщение . Далее начинается выяснение определения границ.  

[_abk_]

Также нет смысла вычислять h21 в вашем случае, так как ток базы вы можете увеличивать неограниченно (пока  переход БЭ не разрушится), а ток коллектора ограничен сопротивлением по закону Ома. Вычисленные вами величины  вблизи ограничения Ik не есть h21.

[valentinovich]

6 часов назад, _abk_ сказал:

Также нет смысла вычислять h21 в вашем случае, так как ток базы вы можете увеличивать неограниченно (пока  переход БЭ не разрушится), а ток коллектора ограничен сопротивлением по закону Ома. Вычисленные вами величины  вблизи ограничения Ik не есть h21.

Спасибо друг!

Вы спасли меня от растущей почти уверенности, что здесь в напергонки пытаются учить только неучи.от закона Ома и вольт-амперной характеристики простого диода.

А ещё - даже чего-то очень хорошо уметь на практике, совсем не значит, правильно про это рассказать. Увы, для сего действа (как выясняется) тоже некое умение надобно.

[Power-V]

11 часов назад, Lexter сказал:

"На пальцах" объяснить процесс насыщения биполярного транзистора можно примерно так: Представьте, что вы постепенно увеличиваете ток в базу. Напряжение на коллекторе при этом постепенно уменьшается до маленького остаточного напряжения между коллектором и эмиттером - до напряжения открытого транзистора, U_{КЭ нас}. Ничего не мешает увеличивать ток в базу дальше, но при этом напряжение U_КЭ уменьшаться дальше уже не будет. Это область насыщения. Чем ток в базу больше минимально-необходимого тока, при котором транзистор открылся, тем глубже насыщение, в области базы образуется больше "лишних" неосновных носителей, и тем больше потом потребуется времени, чтобы транзистор закрыть, т.к. потребуется "рассосать" больше неосновных носителей в базе. На работу схемы глубокое насыщение влият так: чем более глубокое насыщение вы используете, тем медленнее переключается ваша схема.

Именно то, что мне и требовалось понять и чем проще "на пальцах" тем лучше в освоении материала и понимания сути процессов.

С насыщением разобрались.

 

2) Линейный (усилительный) режим работы транзистора.

 

Теория: что бы транзистор начал усиливать, необходимо задать точку смещения базы, которая будет выше отсечки, приоткрыть транзистор выполнив расчет необходимых номиналов резисторов.

Расчет состоит из установки тока покоя коллектора и дальнейшего расчета тока смещения базы.

Какой задать ток покоя коллектора не совсем понятно?!.

1) Номинал резистора коллектора рассчитывают по формуле: Rколлектора = Uпитания / Iток покоя коллектора;

2) Рассчитывают ток базы по формуле: Iбазы =  Iток покоя коллектора / hFE, значение коэффициента усиления hFE берут из даташита, либо узнают с помощью измерительной аппаратурой(мультиметр в режиме измерения hFE), либо двумя мультиметрами с заданным током коллектора 0,010 Ампера, находят разницу Iк/Iб;

3) Номинал резистора базы рассчитывают по формуле: Rбазы = (Uпитания  - Uпадения кремния(0,6 ... 0,7 V)/ Iбазы.

Для примера выберем ток покоя коллектора равным Iток покоя коллектора = 0,0025 А;

1) Находим номинал резистора Rколлектора = 5V / 0,0025 А = 2000 Ом;

2) Находим ток смещения базы  Iбазы =   0,0025 А / 300  (hFE измерил мультметр) = 0,0000083  А или 8,3 мкА;

3) Находим номинал резистора Rбазы = (5V - 0,6V)/0,0000083 = 528 Ом ... пусть это будет блок потенциометров настроенных на 528 Ом.

Собираем схему, используем для измерения два мультиметра в режиме измерения силы тока, потом используем двухканальный осциллограф и генератор.

Сначала измерения проводим с помощью постоянного тока составляя таблицу зависимости ток коллектора от тока базы, далее подключаем генератор синуса к базе и смотрим усиленный сигнал на осциллографе и далее вопрос в иллюстрации...

1) Почему расчетное смещение базы так близко к насыщению транзистора?

2) Почему нельзя выбрать (из таблицы измерений) ток базы ниже расчетного, где наиболее высший коэффициент hFE, не изменяя номинал (сопротивление) расчетного нагрузочного резистора в коллекторе?

Изменено 20 марта, 2020 пользователем Power-V

[_abk_]

1 hour ago, Power-V said:

С насыщением разобрались.

2) Линейный (усилительный) режим...

Пора читать учебники.

[Power-V]

20.03.2020 в 04:23, _abk_ сказал:

Пора читать учебники.

Если бы в книге/учебнике - теории все было бы предельно ясно, то я бы не обращался на данный тематический форум.

[_abk_]

Там все предельно ясно, а здесь не учебный портал. Где, по-вашему, все это узнали те, у кого вы спрашиваете? 

Вы задали такие вопросы, ответы на которые есть ВЕЗДЕ. Может, вы не читали не те книги?

А что именно вы читали по этой теме? Дайте ссылку, чтобы понять ваш уровень и дельно порекомендовать.

[avv_rem]

20.03.2020 в 04:14, Power-V сказал:

1) Почему расчетное смещение базы так близко к насыщению транзистора?

2) Почему нельзя выбрать (из таблицы измерений) ток базы ниже расчетного, где наиболее высший коэффициент hFE, не изменяя номинал (сопротивление) расчетного нагрузочного резистора в коллекторе?

Просто потому, что это ты его неправильно выбрал.
Обычно известно сопротивление нагрузки. С нее и начинают расчет.
Ток покоя выбирается таким, чтобы на нагрузке падала (примерно) половина напряжения питания. Только в этом случае получается максимальный размах неискаженного сигнала на нагрузке.

hFE транзистора настолько нестабильный параметр, что в расчетах от него по возможности избавляются вообще. Просто оговаривают, что он должен быть не менее какого-то значения. Например, не менее 100 и все.

Выбранная схема вряд ли будет стабильно работать на практике, т.к. у нее отсутствуют элементы температурной стабилизации. Температурный дрейф параметров транзистора – основная головная боль проектировщика.

[Power-V]

11 часов назад, _abk_ сказал:

Там все предельно ясно, а здесь не учебный портал

Еще раз, теория никогда от слова совсем не заменит практику, читать можно много толку от этого ноль, это раз, далее этот раздел для начинающих и в данной теме я имею полное право задавать вопросы касаемо происходящих процессов, свои виденье, понимания процесса, а именно в транзисторе, а транзистор у нас радиоэлемент и значит я не ошибся разделом форума это два, если вам хочется пофлеймить, для этого у вас есть товарищ выше с "огроооомной преподавательской деятельностью" у которого не существует в его понимании насыщение транзистора, а с вами я вынужден прекратить дальнейшее общение в стиле выяснения отношений это три.

11 часов назад, avv_rem сказал:

Ток покоя выбирается таким, чтобы на нагрузке падала (примерно) половина напряжения питания.

Я так понимаю, что половина питания напряжения на резисторе задается с целью создания виртуального резистивного делителя со средней точкой?

Задал ток покоя 0,0025А, рассчитал резистор уже с учетом половины питания Rк=(5V/2)/0,0025А= 1000 Ом, заменил резистор коллектора на 1000 Ом, действительно у меня была ошибка, я так понимаю теперь ток коллектора покоя равный 0,0025 A c широкой рабочей областью и находится в середине таблицы между токами насыщения и отсечки. Воспроизвел на стенде См. иллюстрацию.

Линейный (усилительный) режим работы:

 

Правильно ли я понял, судя по обрезанной синусоиде на осциллограммах "Отсечку" и "Насыщение"?

Изменено 22 марта, 2020 пользователем Power-V

[avv_rem]

5 часов назад, Power-V сказал:

Правильно ли я понял, судя по обрезанной синусоиде на осциллограммах "Отсечку" и "Насыщение"?

В общем… Да.
Расчетный коэффициент усиления около 100. Поэтому нельзя подавать на вход синусоидальный сигнал с амплитудой более 2,5в / 100 = 0,025В = 25мВ.

Обрати внимание также на сильное искажение синусоиды в линейном режиме. Коэффициент нелинейных искажений около 18%. Это нормально для такой простой схемы. Эта схема, вообще говоря, не подходит для усиления сигналов с большой амплитудой.
Но она даст коэффициент нелинейных искажений 5% уже при амплитуде входного сигнала 7мВ.
И 1% при амплитуде входного сигнала 1,4мВ.

[Power-V]

3 часа назад, avv_rem сказал:

Расчетный коэффициент усиления около 100. Поэтому нельзя подавать на вход синусоидальный сигнал с амплитудой более 2,5в / 100 = 0,025В = 25мВ.

Почему около 100? Как вы нашли  данный коэффициент?

 

3 часа назад, avv_rem сказал:

Но она даст коэффициент нелинейных искажений 5% уже при амплитуде входного сигнала 7мВ.
И 1% при амплитуде входного сигнала 1,4мВ.

Т.е. чем меньше входное напряжение тем меньше THD нелинейные искажения?

[avv_rem]

5 часов назад, Power-V сказал:

Почему около 100? Как вы нашли  данный коэффициент?

Да как обычно.
1. Берем уравнение Эберса-Молла. Iк = f(Uбэ)
2. Находим дифференциальное сопротивление эмиттера. Т.е. берем производную dUбэ/dIк. В конечном итоге оно выразится через rэ = Фт / Iк.
Фт ~ 0,025в.
Iк = 0,0025А.
rэ = 10ом.
3. По причине особенностей выходной вольт-амперной характеристики транзистора примерное значение коэффициента усиления транзистора можно оценить как
Rк / rэ = 1000ом / 10ом = 100.
4. В действительности коэффициент усиления будет немного меньше (на 5…10%), т.к. кроме дифференциального сопротивления rэ (обусловлено нелинейностью уравнения Эберса-Молла) у эмиттерного вывода транзистора есть еще и «омическое» сопротивление контактов.

Ситуацию с линейностью можно значительно улучшить, если установить в эмиттерной цепи транзистора резистор с сопротивлением около 47ом. Коэффициент усиления, разумеется, упадет раза в три. Однако форма синусоиды заметно улучшится.

Изменено 23 марта, 2020 пользователем avv_rem

[Power-V]

23.03.2020 в 09:15, avv_rem сказал:

1. Берем уравнение Эберса-Молла. Iк = f(Uбэ)

Не совсем понятно.

Далее...

Ключевой режим транзистора, я так понимаю это транзистор в насыщении?

Расчеты из теории: ток базы находят по формуле Iбазы = k * (Iколлектора/hFE), где k это коэффициент насыщения в пределах от 2 до 5. Резистор в коллекторе рассчитывают без учета половины питания Rк = Uпит/Iк.

Резистор эмиттер - база рассчитывают как Rэб=Rбазы * 10, почему 10?

В случае если в нагрузке светодиод, то резистор коллектора рассчитывают Rк = (Uпит.-Uпит.светодиода-Uэк)/Iсветодиода

Набросал простенькую схему управления светодиодом в ключевом режиме работы транзистора.

[Falconist]

По поводу R_эб Вы что-то то насчитали: https://forum.cxem.net/index.php?/blogs/entry/320-база-эмиттерный-резистор/

 

[avv_rem]

16 часов назад, Power-V сказал:

Не совсем понятно.

Да вот как это все выглядит.

К расчету rэ биполярного транзистора.pdf

[Power-V]

Работа транзистора с общим коллектором. Эмиттерный повторитель.

В ходе измерений ток эмиттера достиг своего максимума 0,0045 Ампер, а ток базы 0,0000138 А, правильно ли я понимаю, что установленный резистор в эмиттер не дает войти транзистору в насыщение, ограничивает ток?

С изменением сопротивления на блоке потенциометров - смещения базы изменяется ток и напряжение на эмиттере транзистора,  но с сигналом от генератора все иначе, правильно ли я понимаю, что транзистор повторяет входное напряжение от генератора с вычетом падения напряжения PN перехода (0,6...0,7) т.е. если на базе 2 V, то на эмиттере 2 - 0,6 = 1,4 V, но при при этом усиливает входной ток в зависимости от коэффициента усиления транзистора который равен Ib*hFE?

Собрал схему, задал три варианта смещения базы, в двух вариантах, виден один тот же пик - пик входного и выходного напряжения, за исключением третьего.

Изменено 2 апреля, 2020 пользователем Power-V

[avv_rem]

02.04.2020 в 05:24, Power-V сказал:

Собрал схему, задал три варианта смещения базы, в двух вариантах, виден один тот же пик - пик входного и выходного напряжения, за исключением третьего.

Разумеется. Так и должно быть. В третьем случае рабочая точка транзистора выбрана так, что он полностью открыт (Uкэ=0,69в). А ты ему на вход еще и синусоидальное напряжение подаешь. Т.е. требуешь открыться еще больше, по крайней мере, на положительных полуволнах синусоиды.

В простых схемах почти всегда идеальным выбором рабочей точки транзистора является такой, когда напряжение на транзисторе и на нагрузке делится примерно поровну. В данном случае, при токе коллектора 2,5мА будет получена неискаженная синусоида на выходе с наибольшей амплитудой.

Но усиления по напряжению эта схема не даст. Он обычно 0,95…0,99. Подключи последовательно с конденсатором резистор с сопротивлением 10кОм. Выходной сигнал почти не изменится по амплитуде. Эта схема применяется для усиления слабых сигналов с очень большим выходным сопротивлением.

[Power-V]

03.04.2020 в 10:20, avv_rem сказал:

Разумеется. Так и должно быть.

Понял.

03.04.2020 в 10:20, avv_rem сказал:

Подключи последовательно с конденсатором резистор с сопротивлением 10кОм

Подключил, амплитуда сигнала не изменилась.

 

Правильно ли я понимаю процесс зарядки и разрядки разделительного конденсатора на входе и распределение потенциалов на схеме при подключенном источнике переменного тока?

Изменено 5 апреля, 2020 пользователем Power-V

[Александр 2\]

19.03.2020 в 16:23, Lexter сказал:

Абсолютно неверное утверждение.

 

Представьте, что вы постепенно увеличиваете ток в базу. Напряжение на коллекторе при этом постепенно уменьшается 

Так это что, схема с общим э фазу инвертирует?

[Falconist]

Конечно!