Questions de base sur les transistors

J'ai créé le circuit montré. J'utilise une batterie de 9V (jetant en fait 9,53V) et 5V provenant d'un Arduino à tester avec des tensions de 9 et 5 volts. Le transistor est un BC 548B (la fiche technique que j'utilise est ici ).

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

J'ai effectué un certain nombre de tests modifiant les valeurs de Rb et Rc avec les résultats suivants, sans savoir s'ils ont raison.

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

Mes questions sont les suivantes.

1. Je comprends que, d'après la fiche technique, la plage de ce transistor peut aller de 200 à 450. Je pense que la raison pour laquelle il existe des valeurs inférieures à 200 dans les tableaux 3 et 4 de 9 V est parce que le circuit collecteur émetteur est saturé et peut " n'augmente pas plus haut, causant une chute de la bêta à mesure que le courant Ib augmente. Est-ce exact?

2. Dans tous les manuels que j'ai consultés, la version bêta est une valeur statique. "Si la version bêta est X, déterminez la réserve dans la base nécessaire pour créer un courant de Y dans le collecteur". J'ai depuis lu que la version bêta fluctuerait avec la température et le courant du collecteur (je pense que c'est le courant du collecteur). Où puis-je trouver ces données? Où est la table la me dit la bêta vs Ic? Si la version bêta varie constamment, comment sélectionnez-vous un revendeur qui fonctionnera toujours et / ou avez trop de courant dans la charge qui serait chargée sur le collecteur?

3. La figure 1 de la fiche technique montre qu’avec un courant de 50 µA dans la base, le courant du collecteur ne devrait pas dépasser environ 11 mA sans égard à la tension entre le collecteur et l’émetteur. Mais avec 9V ref 1 et 5V ref 2, qui ont tous les deux Ib ~ 50μA, j'ai un Ic plus élevé que celui indiqué. Pourquoi est-ce? Qu'est-ce que la figure 1 me dit réellement?

4. La figure 3 de la fiche technique montre que le hFE est 200 pour Ic <40mA étant donné Vce = 5V. Cela ne se produit évidemment pas compte tenu de tous les résultats du tableau 5V de cet article. Encore une fois, quel est ce graphique?

5. J'ai essayé de connecter le circuit afin que ma batterie 9V fonctionne du collecteur à l'émetteur et que mon Arduino 5V alimente la base, ce à quoi sert un commutateur à transistor. Je pense que cela va court-circuiter l'Arduino. Comment la batterie 9V fonctionne-t-elle de C à E et 5V à l'extrémité de la base? Comment est-ce que je câble réellement ceci?

Votre question semble porter sur la version bêta ou h _FE . Oui, cela peut varier considérablement entre les pièces, même à partir du même lot de production. Il varie également quelque peu avec le courant et la tension du collecteur (en utilisant émetteur comme référence 0 V). Cependant, pour un transistor donné, son gain varie en fait assez peu en fonction du courant du collecteur sur une plage raisonnable, et en supposant que la tension du collecteur soit maintenue suffisamment élevée.

Le gros point qui semble vous manquer est que vous ne devriez pas vous inquiéter du gain exact. Un bon circuit avec des transistors bipolaires fonctionne avec le gain minimum garanti sur la région de fonctionnement prévue, mais fonctionne également très bien avec un gain allant de là à l'infini. Il n'est pas hors de propos qu'un transistor à un point de fonctionnement donné ait un gain 10 fois supérieur au minimum garanti par la fiche technique. Après avoir pris cela en compte dans la conception du circuit, il ne s’agit en réalité que d’une étape mineure pour s’assurer que le circuit fonctionne avec le gain du transistor à l’infini.

Concevoir pour une gamme de gain aussi large peut sembler difficile, mais ce n'est pas le cas. Il y a fondamentalement deux cas. Lorsque le transistor est utilisé comme commutateur, un courant de base minimal, calculé à partir du gain minimum garanti, le conduira à la saturation. Si le gain est plus élevé, le transistor sera simplement plus saturé au même courant de base, mais toutes les tensions et courants traversant le transistor seront toujours à peu près les mêmes. En d'autres termes, le reste du circuit (à l'exception des cas inhabituels) ne sera pas en mesure de faire la différence entre la saturation du transistor 2 ou 20 fois entraîné par le transistor.

Lorsque le transistor est utilisé dans sa région "linéaire", une rétroaction négative est utilisée pour convertir le gain important et imprévisible en un gain plus petit mais bien contrôlé. C'est le même principe que celui utilisé avec les opamps. Les retours CC et CA peuvent être différents, le premier déterminant le point de fonctionnement , parfois appelé polarisation du transistor, et le second contrôlant ce qui se passe lorsque le signal souhaité passe dans le circuit.

Ajoutée:

Voici un exemple de circuit tolérant une large gamme de gain de transistor. Il va amplifier les petits signaux audio d’environ 10x et la sortie sera d’environ 6 V.

Pour résoudre ce problème manuellement, il est probablement plus facile de le faire de manière itérative. Commencez par supposer que OUT est 6V et travaillez à partir de là. Comme le gain est infini, il n'y a pas de courant de base et la tension de base est définie directement par le diviseur R1-R2 à partir de la sortie OUT. Le diviseur a un gain de 1/6, donc la base est à 1,00 V. Moins la chute BE de 600 mV, ce qui place l’émetteur à 400 mV et les courants d’émetteur et de collecteur à 400 µA. Le trajet R1-R2 utilise 50 µA, donc le total tiré de OUT sur 450 µA, de sorte que la chute sur R3 est de 4,5 V, ce qui fait que OUT est à 7,5 V. Maintenant, relancez les calculs ci-dessus en supposant que OUT est à 7,5 V et peut-être une fois de plus après ça. Vous verrez les résultats converger rapidement.

C’est en fait l’un des rares cas où un simulateur est utile. Le principal problème des simulateurs est qu’ils vous donnent des réponses très précises et faisant autorité, en dépit du fait que les paramètres d’entrée soient vagues. Cependant, dans ce cas, nous voulons voir l’effet de changer uniquement le gain du transistor, de sorte qu’un simulateur puisse s’occuper de tout le travail fastidieux pour nous, comme indiqué ci-dessus. Il est toujours utile de parcourir le processus décrit dans le paragraphe précédent une fois pour avoir une idée de ce qui se passe. Il suffit de regarder les résultats d'une simulation à 4 décimales.

Dans tous les cas, vous pouvez définir le point de polarisation CC du circuit ci-dessus en supposant un gain infini. Supposons maintenant un gain de 50 pour le transistor et recommencez. Vous verrez que le niveau DC de OUT ne change que légèrement.

Une autre chose à noter est qu’il existe deux formes de retour CC, mais une seule pour les signaux audio CA.

Le sommet de R1 étant connecté à OUT, il fournit une rétroaction CC qui rend le point de fonctionnement plus stable et moins sensible aux caractéristiques exactes du transistor. Si OUT augmente, le courant dans la base de Q1 augmente, ce qui crée plus de courant de collecteur, ce qui fait que OUT diminue. Cependant, ce chemin de retour ne s'applique pas au signal audio. L'impédance qui regarde dans le diviseur R1-R2 est R1 // R2 = 17 kΩ. La fréquence de coupure du filtre passe-haut formée par C1 et celle de 17 kΩ est de 9,5 Hz. Même à 20 Hz, R1 // R2 ne charge pas beaucoup le signal qui passe par C1 et il perd de son importance proportionnellement à la fréquence. En d'autres termes, R1 et R2 aident à définir le point de polarisation CC, mais ne gênent pas le signal audio souhaité.

En revanche, R4 fournit une rétroaction négative pour DC et AC. Tant que le gain du transistor est "grand", le courant de l'émetteur est suffisamment proche du même que celui du collecteur. Cela signifie que toute tension présente sur R4 apparaîtra sur R3 proportionnellement à leurs résistances. Puisque R3 est 10x, R4, le signal sur R3 sera 10x le signal sur R4. Puisque le sommet de R4 est à 12 V, OUT est à 12 V moins le signal sur R3, ce qui correspond à 12 V moins 10x le signal sur R4. C’est ainsi que ce circuit réalise un gain alternatif relativement fixe de 10 tant que le gain du transistor est nettement supérieur, 50 ou plus.

Allez-y et simulez ce circuit en faisant varier les paramètres du transistor. Regardez à la fois le point de fonctionnement CC et la fonction de transfert globale d’un signal audio entre IN et OUT.

1. Quelles sont les causes de la diminution apparente de la bêta lorsque le courant de base augmente?

La bêta ne change pas vraiment. Le courant du collecteur est limité par Rc. Avec Rc = 500 Ω, le courant maximum du collecteur est d'environ 18 mA. Avec Rc = 1,2 kΩ, le courant maximal est d'environ 7,5 mA. Cela vient de la loi d'Ohm - 9V / 1,2kΩ = 7,5 mA. Avec bêta> 300, vous n’avez besoin que de 25 µA de courant de base pour maximiser le courant du collecteur. L'ajout d'un courant de base supplémentaire ne change rien.

2. Où la fiche décrit-elle le comportement de la température bêta par rapport à la température et de ?$I_C$

Cette fiche technique ne donne aucune information sur la manière dont la bêta varie avec la température. Beta vs. Ic est traité à la question 4 ci-dessous. J'ai vérifié quelques autres feuilles de données et je n'y ai vu aucune variation de température. Selon cette note d'application , la bêta augmente d'environ 0,5% par degré C. Une compréhension plus détaillée pourrait nécessiter l'utilisation du modèle d'Ebers-Moll , qui inclut la température sous la forme de la tension thermique (kT / q). Je ne suis pas un maître du BJT, alors quelqu'un d'autre peut peut-être clarifier cela.

3. Comment peut- être supérieur à ce qui est indiqué dans la figure 1 de la fiche technique?$I_C$

Cette section de la fiche technique donne les caractéristiques de performance typiques . Ce sont des valeurs moyennes qui ne montrent pas la variation d'une unité à l'autre. Un graphique typique vous donne une idée du comportement d'une unité moyenne, mais il ne donne en aucun cas une limite réelle à ce comportement. C'est à cela que sert le tableau Caractéristiques électriques.

4. Comment la version bêta peut-elle être supérieure à celle indiquée dans la figure 3 de la fiche technique?

Deux choses se passent ici. Tout d’abord, votre Vce n’est pas réellement 5 V dans votre tableau 5 V, car une partie de la tension tombe sur Rc, ce chiffre ne représente donc pas votre circuit actuel. Deuxièmement, ceci est un autre diagramme montrant un comportement typique. Cela vous montre que la bêta commence généralement à chuter vers Ic = 100 mA. Étant donné que le maximum absolu Ic est de 100 mA, cela signifie que vous devez vous attendre à ce que la version bêta soit à peu près constante sur toute la plage de courant de l'appareil. La figure utilise 200 comme bêta typique, mais comme vous pouvez le constater dans le tableau de classification hFE, la bêta pour un BC548B individuel peut varier de 200 à 450.

5. Comment un Arduino peut-il être utilisé pour piloter la base de ce transistor?

Tout d'abord, vous devez obtenir le courant de sortie continu maximum de la fiche technique de l'Arduino. Ce sera probablement dans la gamme milliampères. Votre courant de base doit être inférieur à cela, ce qui ne devrait pas poser de problème puisque bêta> 200 et Icmax <100 mA. Si vous savez combien de courant de collecteur vous avez besoin (ce que vous devriez), vous pouvez déterminer le courant de base minimum:

Cela vous permettra de choisir une résistance de base. Selon le tableau des caractéristiques électriques du transistor, le Vbe devrait être d'environ 0,7 V. Vous savez que vos sorties Arduino 5V, vous pouvez donc maintenant utiliser la loi d'Ohm:

Connectez cette résistance entre l’Arduino IO et la base du transistor. Connectez l'émetteur du transistor, la borne négative de la batterie 9V et la masse de l'Arduino ensemble.

Complétant les informations données dans la réponse de O. Lathrop, j’aimerais donner un bref exemple qui pourrait vous surprendre:

Supposons que vous avez conçu un étage à gain simple (comme indiqué dans votre message) utilisant un transistor avec un gain de courant de beta = 200 . Le courant continu au repos est Ic = 1mA et le gain de tension mesuré (Rc = 2.5kohms) est G = -100 . Maintenant, si vous changez le transistor ayant une valeur inférieure bêta = 100, vous constaterez que le gain de tension G ne changera PAS , à condition que vous ayez réglé la résistance de polarisation RB sur une valeur inférieure permettant le même courant de repos Ic = 1mA. (Ceci est nécessaire pour une comparaison équitable).

La raison en est la suivante: Le gain en tension est déterminé par la transconductance gm du transistor (pente de la caractéristique Ic = f (Vbe)). Cela signifie que: le "gain de courant" ne joue aucun rôle - abaisser la valeur bêta de 200 à 100 augmente uniquement le courant d'entrée, sans influencer le gain de tension (tant que le point de fonctionnement ne change pas).