W poprzedniej części cyklu omawialiśmy karty katalogowe transili (TVS) - ostatniego rodzaju diod, o jakich mówimy w tym cyklu. W tej części zajmiemy się już bardziej złożonym urządzeniem półprzewodnikowym - tranzystorem bipolarnym. Elementy te zawsze stosowane są w połączeniu z elementami biernymi - kondensatorami i rezystorami - których parametry są kluczowe dla poprawnego działania układu. Jeśli elementy te nie są odpowiednio dobrane, to wygnał wyjściowy może być zniekształcony, lub zmieniać się z czasem.
Diody są niewątpliwie bardzo przydatnymi elementami, jednakże mają wadę - za każdym razem, gdy płynie przez nie prąd, napięcie spada. W elektronice potrzebny jest nam jednakże układ, który będzie mógł wzmacniać napięcie. Taką rolę pełni właśnie tranzystor. Element ten jest fundamentalny dla całej elektroniki, jako że z tranzystorów budowane są w zasadzie wszystkie inne elementy, w tym układy scalone.
Wyjaśnienie jak działają poszczególne rodzaje tranzystorów mogłoby zająć cały obszerny artykuł, jak nie niemałą książkę. Nie jest to jednak miejsce na to - w tym zakresie wspomóc się można literaturą fachową lub, chociażby, Wikipedią. Jeśli poszukamy w google pod hasłem tranzystor, to znajdziemy mnóstwo artykułów i poradników poświęconych temu jak działają etc. W niniejszym artykule skupimy się jedynie na analizie kart katalogowych tych elementów.
Tranzystory dzielą się na różne rodzaje - między innymi na tranzystory bipolarne (BJT) i tranzystory polowe (FET). Zasadniczo tranzystory BJT wzmacniają prąd, a FET napięcie. W tej części skupimy się na tranzystorach bipolarnych małej mocy.
Tranzystory BJT mogą być typu NPN lub PNP, co opisuje sposób domieszkowania poszczególnych warstw półprzewodnika w tych elementach (N lub P). W elektronice typowo stosuje się tranzystory NPN, aczkolwiek oczywiście dostępne są analogiczne elementy typu PNP.
Naszą analizę oprzemy na dwóch elementach i ich kartach katalogowych z ON Semiconductor - 2N3904 typu NPN oraz 2N3906 typu PNP. Jak zawsze, warto jest linkowane karty katalogowe mieć pod ręką czytając ten artykuł - otwarte w tle lub wydrukowane.
Elementy 2N3904 i 2N3906 są typowo stosowanymi tranzystorami małej mocy, lub tzw. tranzystorami małych sygnałów, to znaczy, że pracują one z stosunkowo niskim napięciem i niewielkim prądem. Tego rodzaju elementy nie są elementami mocy - takie tranzystory, wraz z ich charakterystycznymi elementami kart katalogowych, omówimy w innej części cyklu.
Na pierwszych stronach kart katalogowych widzimy, że 2N3904 to element popularniejszego typu NPN, a 2N3906 jest typu PNP. Oba elementy produkowane są w obudowie TO-92. Mają takie same maksymalne napięcie kolektor-emiter równe 40 V i ciągły prąd 200 mA. Jak można się domyśleć, jako że są w takiej samej obudowie, także parametry termiczne i maksymalna rozpraszana moc na tych elementach jest taka sama. Wartości te są w miliwatach, co jasno wskazuje, że element te nie są dedykowane do pracy w układach mocy. Jedyna widoczna na pierwszej stronie różnica jest w maksymalnym napięciu kolektor-baza oraz emiter-baza: dla elementy typu NPN jest wyższa.
Na drugiej stronie obu kart katalogowych znajdziemy tabelę z parametrami elektrycznymi, a na trzeciej informacje potrzebne do zamówienia elementów u tego producenta oraz układy w których zmierzono poszczególne parametry omawianych tranzystorów. Na stronach od 4 do 6 znajdziemy sporo wykresów i charakterystyk, a na końcu, na stronie siódmej, rysunek z wymiarami obudowy.
Na pierwszy rzut oka poszczególne charakterystyki, a przynajmniej większość z nich, jest podobna dla obu elementów. Jedyne co wyróżnia kartę elementu NPN to większa objętość, ale wynika to głównie z faktu, że w karcie tej opisany jest też element 2N3903. Koniecznie trzeba przyjrzeć się elementom bliżej, aby znaleźć różnice w niuansach obu elementów.
Na stronie drugiej karty 2N3904 widzimy, że w tabeli osobno opisano oba tranzystory NPN. Tutaj poszukajmy różnic. Pierwszą jest wzmocnienie prądowe (hFE) dla sygnału stałego (DC) - 2N3904 ma je niemalże dwa razy większe. To główna różnica pomiędzy tymi tranzystorami, która jednocześnie wyjaśnia, dlaczego 2N3904 jest popularniejszy. Jeśli spojrzymy teraz do karty 2N3906 to widzimy, że dla wyższych prądów hFE tego elementu jest takie same jak dla 2N3904, ale dla niższych prądów kolektora (IC ≦ 1.0 mA DC) wzmocnienie jest minimalnie wyższe.
Warto dodać, że w starszej dokumentacji znaleźć możemy element 2N3095, który był odpowiednikiem PNP tranzystora 2N3903, ale został on wycofany z produkcji przez ON Semiconductor.
Każdy, kto wie jak działa tranzystor, ale nie analizował dotychczas karty katalogowej takiego elementu, szuka teraz najpewniej bety tych tranzystorów. Producent jednakże zamiast bety podaje hFE do opisania wzmocnienia DC tych elementów oraz hfe do opisu wzmocnienia dla sygnału zmiennego o niewielkiej amplitudzie. Wyjaśnienie różnicy, pomiędzy tymi parametrami, możemy znaleźć na tej stronie.
Zasadniczy wniosek z linkowanych powyżej poradników jest taki, że do większości obliczeń można wykorzystać hFE zamiast bety. Problem jednak zaczyna się w momencie, gdy musimy wybrać którą z podanych wartości hFE wykorzystać. Dla tranzystora 2N3094 tabela zaczyna się od hFE równego 40 dla IC = 0,1 mA, zwiększa się do 100 dla IC = 10 mA, następnie spada do 30 przy IC = 100 mA. Co gorsza, maksymalne hFE, równe 300, podane jest dla prądu kolektora... 10 mA. Rozpiętość jest ogromna - cały rząd wielkości. Jakie zatem hFE wykorzystać do obliczeń?
Tego rodzaju wariacja jest typowa dla elementów BJT. Dlatego też konieczne jest takie zaprojektowanie układu, aby działał on niezależnie od wzmocnienia samego tranzystora.
Jeśli chcemy korzystać z tranzystora jako przełącznika, to jest to całkiem proste - wystarczy upewnić się, że podawany na bazę prąd jest dostatecznie duży by wprowadzić tranzystor w stan nasycenia przy minimalnych wzmocnieniu jakie podaje karta katalogowa (zależnym oczywiście od prądu kolektora). Jednakże jeśli chcemy wykonać wzmacniacz liniowy, to polaryzacja bazy tranzystora staje się już większym problemem. Konieczne jest zaprojektowanie układu tak, aby tranzystor pracował w swoim liniowym zakresie.
Spójrzmy najpierw co stanie się, jeśli nie wykonamy powyższych kroków przed projektowaniem układu. Po lewej stronie widzimy schemat z symulatora SPICE układu z wspólnym emiterem. Wyniki symulacji pokazane są na oscylogramie po prawej stronie. Widzimy, że jeżeli rezystory i kondensatory w układzie nie zostaną poprawnie dobrane, to przez nieodpowiednie wzmocnienie sygnał jest albo zniekształcony, albo wzmocnienie zmienia się w czasie.
Jak widzimy, dla większości poziomów ustawionego wzmocnienia, sygnał wyjściowy jest bardzo zniekształcony, a źle dobrana pojemność kondensatora powoduje płynięcie amplitudy sygnału w czasie.
Na szczęście w internecie jest bardzo dużo poradników dotyczących podstaw projektowania układów z tranzystorami, które - z różnym sukcesem - tłumaczą jak się do tego zabrać. Autora artykułu poleca np. ten lub ten poręczny kalkulator on-line.
Po krótkich obliczeniach wyznaczamy wartości elementów i otrzymujemy nowy układ (poniżej po lewej stronie).
Na wynikach symulacji (po prawej stronie) widzimy, że poprawnie zaprojektowany układ działa o wiele lepiej. Sygnał wyjściowy nie jest zniekształcony, a wzmocnienie układu jest zasadniczo niezależne od wzmocnienia tranzystora.
Układ z wspólnym emiterem na tranzystorze NPN jest chyba najpopularniejszym zastosowaniem tranzystorów BJT. Jednakże nie jest jedyny - są jeszcze układy z wspólną bazą oraz wspólnym kolektorem (tak zwany wtórnik emiterowy) oraz analogiczne wersję z tranzystorami PNP. Są także rozmaite układy złożone z dwóch lub więcej tranzystorów (część z nich opisywałem tutaj- przyp.red.).
Na tym kończymy część cyklu poświęconą kartom katalogowym tranzystorów bipolarnych małej mocy. Zachęcam do komentowania i zadawania pytań, a w kolejnej części skupimy się na tranzystorach wysokiej mocy.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-small-signal-bjts
Diody są niewątpliwie bardzo przydatnymi elementami, jednakże mają wadę - za każdym razem, gdy płynie przez nie prąd, napięcie spada. W elektronice potrzebny jest nam jednakże układ, który będzie mógł wzmacniać napięcie. Taką rolę pełni właśnie tranzystor. Element ten jest fundamentalny dla całej elektroniki, jako że z tranzystorów budowane są w zasadzie wszystkie inne elementy, w tym układy scalone.
Wyjaśnienie jak działają poszczególne rodzaje tranzystorów mogłoby zająć cały obszerny artykuł, jak nie niemałą książkę. Nie jest to jednak miejsce na to - w tym zakresie wspomóc się można literaturą fachową lub, chociażby, Wikipedią. Jeśli poszukamy w google pod hasłem tranzystor, to znajdziemy mnóstwo artykułów i poradników poświęconych temu jak działają etc. W niniejszym artykule skupimy się jedynie na analizie kart katalogowych tych elementów.
Tranzystory dzielą się na różne rodzaje - między innymi na tranzystory bipolarne (BJT) i tranzystory polowe (FET). Zasadniczo tranzystory BJT wzmacniają prąd, a FET napięcie. W tej części skupimy się na tranzystorach bipolarnych małej mocy.
Tranzystory BJT mogą być typu NPN lub PNP, co opisuje sposób domieszkowania poszczególnych warstw półprzewodnika w tych elementach (N lub P). W elektronice typowo stosuje się tranzystory NPN, aczkolwiek oczywiście dostępne są analogiczne elementy typu PNP.
Naszą analizę oprzemy na dwóch elementach i ich kartach katalogowych z ON Semiconductor - 2N3904 typu NPN oraz 2N3906 typu PNP. Jak zawsze, warto jest linkowane karty katalogowe mieć pod ręką czytając ten artykuł - otwarte w tle lub wydrukowane.
Elementy 2N3904 i 2N3906 są typowo stosowanymi tranzystorami małej mocy, lub tzw. tranzystorami małych sygnałów, to znaczy, że pracują one z stosunkowo niskim napięciem i niewielkim prądem. Tego rodzaju elementy nie są elementami mocy - takie tranzystory, wraz z ich charakterystycznymi elementami kart katalogowych, omówimy w innej części cyklu.
Na pierwszych stronach kart katalogowych widzimy, że 2N3904 to element popularniejszego typu NPN, a 2N3906 jest typu PNP. Oba elementy produkowane są w obudowie TO-92. Mają takie same maksymalne napięcie kolektor-emiter równe 40 V i ciągły prąd 200 mA. Jak można się domyśleć, jako że są w takiej samej obudowie, także parametry termiczne i maksymalna rozpraszana moc na tych elementach jest taka sama. Wartości te są w miliwatach, co jasno wskazuje, że element te nie są dedykowane do pracy w układach mocy. Jedyna widoczna na pierwszej stronie różnica jest w maksymalnym napięciu kolektor-baza oraz emiter-baza: dla elementy typu NPN jest wyższa.
Na drugiej stronie obu kart katalogowych znajdziemy tabelę z parametrami elektrycznymi, a na trzeciej informacje potrzebne do zamówienia elementów u tego producenta oraz układy w których zmierzono poszczególne parametry omawianych tranzystorów. Na stronach od 4 do 6 znajdziemy sporo wykresów i charakterystyk, a na końcu, na stronie siódmej, rysunek z wymiarami obudowy.
Na pierwszy rzut oka poszczególne charakterystyki, a przynajmniej większość z nich, jest podobna dla obu elementów. Jedyne co wyróżnia kartę elementu NPN to większa objętość, ale wynika to głównie z faktu, że w karcie tej opisany jest też element 2N3903. Koniecznie trzeba przyjrzeć się elementom bliżej, aby znaleźć różnice w niuansach obu elementów.
Na stronie drugiej karty 2N3904 widzimy, że w tabeli osobno opisano oba tranzystory NPN. Tutaj poszukajmy różnic. Pierwszą jest wzmocnienie prądowe (hFE) dla sygnału stałego (DC) - 2N3904 ma je niemalże dwa razy większe. To główna różnica pomiędzy tymi tranzystorami, która jednocześnie wyjaśnia, dlaczego 2N3904 jest popularniejszy. Jeśli spojrzymy teraz do karty 2N3906 to widzimy, że dla wyższych prądów hFE tego elementu jest takie same jak dla 2N3904, ale dla niższych prądów kolektora (IC ≦ 1.0 mA DC) wzmocnienie jest minimalnie wyższe.
Warto dodać, że w starszej dokumentacji znaleźć możemy element 2N3095, który był odpowiednikiem PNP tranzystora 2N3903, ale został on wycofany z produkcji przez ON Semiconductor.
Każdy, kto wie jak działa tranzystor, ale nie analizował dotychczas karty katalogowej takiego elementu, szuka teraz najpewniej bety tych tranzystorów. Producent jednakże zamiast bety podaje hFE do opisania wzmocnienia DC tych elementów oraz hfe do opisu wzmocnienia dla sygnału zmiennego o niewielkiej amplitudzie. Wyjaśnienie różnicy, pomiędzy tymi parametrami, możemy znaleźć na tej stronie.
Zasadniczy wniosek z linkowanych powyżej poradników jest taki, że do większości obliczeń można wykorzystać hFE zamiast bety. Problem jednak zaczyna się w momencie, gdy musimy wybrać którą z podanych wartości hFE wykorzystać. Dla tranzystora 2N3094 tabela zaczyna się od hFE równego 40 dla IC = 0,1 mA, zwiększa się do 100 dla IC = 10 mA, następnie spada do 30 przy IC = 100 mA. Co gorsza, maksymalne hFE, równe 300, podane jest dla prądu kolektora... 10 mA. Rozpiętość jest ogromna - cały rząd wielkości. Jakie zatem hFE wykorzystać do obliczeń?
Tego rodzaju wariacja jest typowa dla elementów BJT. Dlatego też konieczne jest takie zaprojektowanie układu, aby działał on niezależnie od wzmocnienia samego tranzystora.
Jeśli chcemy korzystać z tranzystora jako przełącznika, to jest to całkiem proste - wystarczy upewnić się, że podawany na bazę prąd jest dostatecznie duży by wprowadzić tranzystor w stan nasycenia przy minimalnych wzmocnieniu jakie podaje karta katalogowa (zależnym oczywiście od prądu kolektora). Jednakże jeśli chcemy wykonać wzmacniacz liniowy, to polaryzacja bazy tranzystora staje się już większym problemem. Konieczne jest zaprojektowanie układu tak, aby tranzystor pracował w swoim liniowym zakresie.
Jak widzimy, dla większości poziomów ustawionego wzmocnienia, sygnał wyjściowy jest bardzo zniekształcony, a źle dobrana pojemność kondensatora powoduje płynięcie amplitudy sygnału w czasie.
Na szczęście w internecie jest bardzo dużo poradników dotyczących podstaw projektowania układów z tranzystorami, które - z różnym sukcesem - tłumaczą jak się do tego zabrać. Autora artykułu poleca np. ten lub ten poręczny kalkulator on-line.
Po krótkich obliczeniach wyznaczamy wartości elementów i otrzymujemy nowy układ (poniżej po lewej stronie).
Układ z wspólnym emiterem na tranzystorze NPN jest chyba najpopularniejszym zastosowaniem tranzystorów BJT. Jednakże nie jest jedyny - są jeszcze układy z wspólną bazą oraz wspólnym kolektorem (tak zwany wtórnik emiterowy) oraz analogiczne wersję z tranzystorami PNP. Są także rozmaite układy złożone z dwóch lub więcej tranzystorów (część z nich opisywałem tutaj- przyp.red.).
Na tym kończymy część cyklu poświęconą kartom katalogowym tranzystorów bipolarnych małej mocy. Zachęcam do komentowania i zadawania pytań, a w kolejnej części skupimy się na tranzystorach wysokiej mocy.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-small-signal-bjts
Cool? Ranking DIY
