Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Układ z tranzystorem NPN, diodą i obliczenia

LinuksowyElektronik 20 Mar 2019 13:48 801 8
  • #1
    LinuksowyElektronik
    Level 4  
    Witam forumowiczów. Uczę się zasad działania tranzystorów NPN i w związku z tym mam kilka pytań na podstawie poniższego schematu. Załóżmy, że chciałbym aby przez diodę popłynął prąd 20mA. W takim przypadku robię założenia:

    Ic = 20mA <- wymagany prąd dla diody
    Ud = 2V <- spadek napięcia diody
    Ur = 2,8V <- wartość obliczona na podstawie Uce, Ud i 5V
    Uce = 0,2V <- nie mam pewności, czy aby napewno jest to dobre założenie
    Ube = 0,7V <- wymagane aby tranzystor wszedł w stan przewodzenia

    Na tym koniec założeń, ponieważ utknąłem ze spadkiem napięcia na rezystorze 2 i prądem bazy. Jak obliczyć owe wartości znając tylko rezystancję rezystora? Swoją drogą czy ten układ ma sens z tak dobranymi wartościami?
    Układ z tranzystorem NPN, diodą i obliczenia
  • #2
    Loker
    Level 39  
    Z katalogu odczytujesz wzmocnienie prądowe tranzystora - dla pewności bierzesz pod uwagę najniższą wartość. Masz założony prąd kolektora - 20mA, znając wzmocnienie prądowe obliczasz wymagany prąd bazy. Rezystor w bazie dobierasz tak, aby prąd bazy był większy niż ten obliczony ze wzmocnienia (tak żeby tranzystor na pewno pracował w nasyceniu) i tyle.
    Moderated By trymer01:

    Regulamin, pkt 3.1.11. Nie wysyłaj wiadomości, które nic nie wnoszą do dyskusji. Wprowadzają w błąd, są niebezpieczne czy nie rozwiązują problemu użytkownika.
    Prąd bazy nieco większy od wyliczonego z bety nie zapewnia pozostania w nasyceniu.

  • #3
    krzysiek_krm
    Level 40  
    W Twoim układzie tranzystor powinien pracować w nasyceniu.
    Dla użytego tranzystora producenci podają, że w nasyceniu współczynnik wzmocnienia prądowego β jest rzędu 10 - 20.
  • #4
    Marian B
    Level 37  
    W tego typu układzie o prądzie płynącym przez LED decyduje wartość rezystora R1, i wartość tego rezystora trzeba dobierać aby uzyskać żądany prąd. Tranzystor w tym układzie pracuje po prostu jako wyłącznik/klucz. Rezystor w bazie trzeba dobrać tak, aby uzyskać "maksymalne przewodzenie" tranzystora, nawet z pewnym zapasem (wartość rezystora powinna być taka aby nie przekroczyć dopuszczalnego prądu bazy). Bardziej "fachowo" taki stan przewodzenia tranzystora nazywa się nasyceniem.
    W nasyceniu rezystancja kolektor-emiter jest najmniejsza z możliwych, i w praktycznych układach tranzystor nie nagrzewa się (bardzo mało nagrzewa się) pomimo znacznego prądu kolektor-emiter.
  • #5
    trymer01
    VIP Meritorious for electroda.pl
    Dlaczego na schemacie +5V (zasilanie) jest podłączone do we. układu? - w ten sposób tranzystor jest cały czas włączony i nie możesz nim sterować (a chyba zamierzałeś - bo masz tam IP1).
    Obliczenia:
    Zakładasz Ucesat=0,1V ( https://www.arduino.cc/documents/datasheets/BC547.pdf - Figure 2)
    Ur1+Uled+Vcesat=Uzas
    Ur1=Uzas-Uled-Vcesat=5V-0,1V-2V=2,9V
    R1=Ur1/Iled=2,9V/20mA=145 Ohm - najblizsza wyzsza wartosć handlowa E24 to 150 Ohm.
    Aby tranzystor wprowadzić w pewne nasycenie, Ic=20Ib (patrz datasheet - tabela str 2 - warunki dla "Collector − Emitter Saturation Voltage", Fig.3) czyli Ib=0,05Ic
    Ib=0,05Ic=0,05 x 20mA=1mA
    R2=(Uster-Ube)/Ib, gdzie Uster to napięcie sterujace wejściem. Jeśli podłaczysz IP1 do +5V (jak na schemacie) to Uster=5V, jeśli sterujesz jakimś innym napięciem - to jego wartość, ale pod obciążeniem (ważne !)
    Np. jeśli Uster=5V, to R2=(5V-0,8V)/1mA=4,2k - przyjmujesz najbliższą mniejszą z szeregu E24 czyli 3,9k (z praktyki wiadomo, że 4,3k też może być).
    Ube=0,8V - patrz Fig.2, wykres Vbesat.
  • #6
    Loker
    Level 39  
    Loker wrote:
    Z katalogu odczytujesz wzmocnienie prądowe tranzystora - dla pewności bierzesz pod uwagę najniższą wartość.


    trymer01 wrote:
    Prąd bazy nieco większy od wyliczonego z bety nie zapewnia pozostania w nasyceniu.


    Dlaczego? Bierzemy pod uwagę najgorszą wartość bety - co jeszcze trzeba uwzględnić? Zmiany wzmocnienia od temperatury? W sumie można - dlatego napisałem "najniższą".

    Tak na marginesie - dlaczego w swoich obliczeniach wziąłeś pod uwagę "test conditions"? Przecież to żaden parametr tranzystora - do testów ustawili takie parametry aby tranzystor na pewno był w głębokim nasyceniu i tyle...
  • #7
    trymer01
    VIP Meritorious for electroda.pl
    Loker wrote:
    Dlaczego? Bierzemy pod uwagę najgorszą wartość bety - co jeszcze trzeba uwzględnić? Zmiany wzmocnienia od temperatury? W sumie można - dlatego napisałem "najniższą".

    A przy jakim Ic podano katalogową wartość? - beta zależy mocno od Ic i ze zmianą Ic beta się zmieni - na jaką wartość?
    A przede wszystkim - katalogi wartość bety podają dla Uce=2-5V. Przy nasyceniu Uce=0,05-0,5V (małej mocy) i wówczas beta bardzo mocno maleje - jej wartość jest nieznana, na nic wtedy wartość katalogowa.
    Poza tym sygnał sterujący (Uster w zapisach w poście nr 5) prawie nigdy nie jest stały i może się zmieniać (od Uzas, od temp. itp)- wtedy Ib się zmienia i gdy zmaleje - tranzystor wyjdzie z płytkiego nasycenia ze wszystkimi konsekwencjami (spadek napięcia na obciążeniu, grzanie się tranzystora aż do jego spalenia).
    Czasem obciążenie też może się zmieniać i gdy "zażąda" większego prądu - tranzystor wyjdzie z nasycenia.
    Takich okoliczności jest więcej, np ze spadkiem temp. wzrasta Ube...
    Projektując klucz nasycony trzeba wszystkie te okoliczności uwzględnić, na każdą z nich należy zrobić "zapas" i wtedy dla zwykłego tranzystora (np. BD135) należy założyć Ic/Ib=10, dla takiego z wysoką beta (np. BC548) - Ic/Ib=20, dla wysokonapięciowych (np. BU508) Ic/Ib=3-5, a są specjalne typy gdzie można zakładać Ic/Ib=50-100.
    Producenci tranzystorów wszystko to wiedzą, dlatego podają parametry Vcesat, Vbesat dla określonych warunków.
    Loker wrote:
    dlaczego w swoich obliczeniach wziąłeś pod uwagę "test conditions"? Przecież to żaden parametr tranzystora - do testów ustawili takie parametry aby tranzystor na pewno był w głębokim nasyceniu i tyle...

    Przede wszystkim, Ic/Ib nie jest parametrem - więc jak inaczej mieli go podać?
    To jest warunek w jakim tranzystor pracuje i przy jakim ten tranzystor ma takie a takie Vcesat - producent to gwarantuje (max. wartosć Vcesat). To wg kolegi podano tam wyssane z palca dane? - nierealne, niepotrzebne?
    Kolega zbuduje układ z wartością np. Ib=1,1Ic/beta (inną niżby wynikało z zalecanego Ic/Ib) - i będzie zdziwiony, że Vcesat się nie zgadza?
    Nie, producent nie podaje "księżycowych" wartości parametrów (Vcesat) przy wydumanych warunkach (Ic/Ib), lecz realne, w warunkach jakie trzeba zapewnić aby to Vcesat uzyskać. I to producent gwarantuje bez względu np. na temperaturę, w całym zakresie dozwolonych Ic.
    Klucz nasycony to tranzystor w głębokim nasyceniu - na tyle głębokim aby uzyskać niskie Vcesat i małe straty mocy P=I x Vcesat. Oczywiście są tu ograniczenia - np. nie ma sensu zwiększać mocy strat w obwodzie bazy ponad korzyści z obniżenia strat w obwodzie kolektora, czasem brak mocy (prądu) sygnału sterującego, albo sygnał jest wysokiej częstotliwości co wyklucza głębokie nasycenie (długi czas storage time).
    To ostatnie jest dobrym przykładem - proszę poczytać o sposobach sterowania kluczy wys. częstotliwości (dioda Schottky w złączu B-C, Baker clamp) i jak te sposoby pomagają w uzyskaniu niskich czasów przełączania. I proszę zauważyć, że te sposoby to swego rodzaju automat utrzymujący stałe, płytkie nasycenie - bo sposób kolegi (opornik w bazie ustalający Ib=1,1Ic/beta) nie jest takim automatem i gdy warunki się zmienią - tranzystor wyjdzie z nasycenia i będzie klops.
    Pomysł
    Loker wrote:
    Z katalogu odczytujesz wzmocnienie prądowe tranzystora - dla pewności bierzesz pod uwagę najniższą wartość. Masz założony prąd kolektora - 20mA, znając wzmocnienie prądowe obliczasz wymagany prąd bazy. Rezystor w bazie dobierasz tak, aby prąd bazy był większy niż ten obliczony ze wzmocnienia (tak żeby tranzystor na pewno pracował w nasyceniu)

    to nawet nie jest czysta teoria kogoś kto zrozumiał definicję nasycenia BJT - to przepis na kłopoty kogoś kto nie zdaje sobie sprawy z zależności parametrów tranzystora jednych od drugich (np. bety od Uce) i zagrożeń z tym związanych.
    Proszę doczytać w literaturze, np. w "Sztuka elektroniki" Horowitz pisze o tym w dwóch czy nawet trzech miejscach.
    Kolega nie jest osamotniony w swych poglądach - podobne, całkowicie błędne rozumienie zjawiska nasycenia BJT w praktyce prezentuje wielu amatorów. Temat szerzej nieznany i lekceważony, podobnie jak sprawa ciepła (chłodzenia i rezystancji termicznych) w półprzewodnikach.
  • #8
    Loker
    Level 39  
    OK, zgadzam się - w przypadku nasycenia nie ma czegoś takiego jak beta, albo inaczej - jest nieokreślona. Natomiast minimalne wzmocnienie napięciowe biorę jak wartość wyjściową do wyznaczenia warunków nasycenia. A jaki margines bezpieczeństwa? To już każdy decyduje sam.
    Jeśli chodzi o gwarantowaną wartość Uce - to nie lepiej użyć wartości Ib z wykresu 3 zamiast "test conditions" z tabelki - które tak na marginesie podawane są dla niewiadomo jakiej temperatury?

    Ilu elektroników - tyle sposobów liczenia. Najlepiej - dać maksymalną katalogową wartość Ib, zapewnić odpowiednie chłodzenie i mieć pewność, że tranzystor będzie w nasyceniu ;) Żeby nie było - oczywiście żartuję.
  • #9
    trymer01
    VIP Meritorious for electroda.pl
    Loker wrote:
    Natomiast minimalne wzmocnienie napięciowe biorę jak wartość wyjściową do wyznaczenia warunków nasycenia.

    Tego nie rozumiem. Wzmocnienie napięciowe dla klucza?
    Loker wrote:
    A jaki margines bezpieczeństwa? To już każdy decyduje sam.

    Pewnie, że można sobie dobrać samemu. Ale nikt tak dobrze nie zna danego tranzystora jak producent - on przeprowadził wiele badań i testów i podaje wartość Ic/Ib (to nie jest beta, ale - aby było śmieszniej? - czasem w datasheet zamiast Ic/Ib=10 producenci piszą beta=10) w danych warunkach gwarantującą pełne nasycenie i bezpieczną pracę.
    Ten warunek Ic/Ib=10 czy 20 jest restrykcyjny i w praktyce można go rozluźnić, np. tam gdzie producent podaje 10 - można stosować 15, tam gdzie 20 - nawet 30. Powyżej ryzyko wzrasta szybko.
    Loker wrote:
    Jeśli chodzi o gwarantowaną wartość Uce - to nie lepiej użyć wartości Ib z wykresu 3

    Jak najbardziej, można, ale trzeba pamiętać że wykresy podają wartości typowe, nie max.
    Loker wrote:
    zamiast "test conditions" z tabelki - które tak na marginesie podawane są dla niewiadomo jakiej temperatury?

    Wiadomo - w nagłówku tabeli napisano: " (TA = 25°C unless otherwise noted)".