Расчет резисторов смещения транзистора.
На рисунке 1 показана самая практически используемая схема, которая обеспечивает наилучшую температурную стабильность каскада. Здесь смещение транзистора обеспечивается базовым делителем из резисторов R1, R2 и эмиттерным резистором Rэ (см. Схема с последовательной отрицательной обратной связью).
Для быстрого определения R1, R2 используем номограмму (рис.2).
К примеру, имеем схему с германиевым транзистором, где напряжение питания равно U = 12 В; Uэ = 2,25 В, токи делителя Iд = 2 mА и базы Iб = 0,1 ma, а смещение Uбэ = 0,25 В. Тогда падение напряжения на R2 будет равно Uэ + Uбэ = 2,25 + 0,25 = 2,5 В.
Соединим в номограмме точки тока Iд = 2 mА, проходящего через R2 (левая шкала), и напряжение на нем (Uэ + Uбэ) = 2,5 (правая шкала), а на средней шкале определяем резистор R2 = 1,25 кОм.
Значение U1 на сопротивлении R1 будет равно U1 = U — (Uэ + Uбэ) = 12 — 2,5 = 9,5 В, а ток через R1 — Iд + Iб = 2 + 0,1 = 2,1 mА.
Так же соединяем в номограмме эти значения и получаем R1 = 4,5 кОм.
Значить резисторы смещения транзистора имеет следующие параметры: R1 =4,5 кОм, а R2 = 1,25 кОм.
Расчет входного сопротивления транзистора со стороны базы
Входное сопротивление со стороны базы соответствует входному сопротивлению транзистора без учета шунтирующего действия резистивного делителя в цепи базы: .
Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора
Резистивный делитель R1, R2, формирует потенциал базы относительно земли. Уровень данного потенциала не должен зависеть от тока эмиттера , протекающего по резистору . Последний является датчиком температуры. Если ток делителя значительно превышает ток базы , то потенциал определяется напряжением питания и соотношением резисторов R1, R2. Поскольку коэффициент , а ток , то потенциал базы не зависит от тока при условии:
Потенциал базы определяется по второму закону Кирхгофа:
где d статический потенциал эмиттерного рn — перехода.
Резисторы R1, R2 рассчитываются по закону Ома:
Определяются мощности , рассеиваемые на сопротивлениях R1, R2:
Примечание. Для германиевых транзисторов ; для кремневых транзисторов [9].
В среде «CIRCUITMAKER» принимается .
Расчет эквивалентного сопротивления базового делителя
При усилении сигналов переменного тока с частотой шина источника питания заземлена через внутренний конденсатор фильтра (на рисунке 1 не показан), т.к. емкостное сопротивление . Следовательно, по переменному току резисторы R1, R2 соединены параллельно. Эквивалентное сопротивление делителя .
Расчет активного входного сопротивления усилителя
На низких частотах, несоизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, входное сопротивление усилителя является чисто активным и соответствует параллельному соединению сопротивлений и :
Примечание. В области высоких частот, соизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, начинают влиять межэлектродные емкости: входное сопротивление (импеданс) транзистора является комплексной величиной
Расчет емкости разделительного конденсатора на входе усилителя
Разделительный конденсатор отделяет постоянный потенциал базы от источника информационного сигнала, подавляет низкие частоты и пропускает высокие частоты. Величина емкости рассчитывается на нижней частоте информационного сигнала по формуле:
Для уменьшения ослабления входного сигнала на низких частотах расчетное значение емкости увеличивается в 10-100 раз.
Расчет коэффициента усиления
Определяется емкость шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера для заданного значения модуля коэффициента усиления
Определяется модуль коэффициента усиления для расчетного значения емкости
Расчет амплитуды входного напряжения и тока
Номинальная амплитуда входного напряжения
Амплитуда входного тока .
Расчет коэффициента усиления по току и по мощности
Коэффициент усиления по току .
Коэффициент усиления по мощности .
Расчет номинальной мощности входного сигнала
Номинальная входная мощность определяется из тождества:
2.2 Расчет усилителя с общим коллектором
Исходными данными для расчета усилителя с общим коллектором (Рисунок 2) являются следующие параметры:
активное сопротивление нагрузки ;
активная мощность нагрузки ;
коэффициент передачи тока базы транзистора;
рабочая частота (частотный диапазон) информационного сигнала .
Методика расчета
Расчет амплитуды выходного напряжения и тока нагрузки
Амплитуда выходного напряжения и ток нагрузки усилителя определяется в соответствии с разделом 2.1, п.1.
Выбор транзисторов
Выбор транзисторов осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.2.
Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе усилителя
Расчет емкости разделительного конденсатора на выходе осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.3: .
Расчет резистора в цепи эмиттера и его мощности
Для исключения искажений информационного сигнала потенциал эмиттера и ток эмиттера в статическом режиме (при отсутствии входного сигнала) выбираются из условия: , .
Резистор в цепи эмиттера . Мощность , рассеиваемая на сопротивлении R3: .
Расчет эквивалентного сопротивления эмиттерной цепи
При достаточно большой емкости разделительного конденсатора С3 эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи соответствует параллельному соединению сопротивлений и : .
Расчет входного сопротивления транзистора
Для схемы с общим коллектором входное сопротивление транзистора определяется без учета шунтирующего действия резистивного делителя со стороны базы: .
Расчет тока базы в статическом режиме
При известном значении параметров и транзистора статический ток базы .
Расчет резистивного делителя в цепи базы транзистора
Резистивный делитель R1, R2, формирует потенциал базы относительно земли. Элементы делителя выбираются таким образом, чтобы минимизировать шунтирование входного сопротивления . По первому закону Кирхгофа в базовом узле ток растекается: по резистору R2 течет ток , а по резистору R1 – ток . Для уменьшения шунтирующего действия делителя R1, R2 величина тока выбирается из условия: .
Расчет сопротивлений делителя R1, R2:
расчет потенциала базы в статическом режиме: .
расчет сопротивления R2 делителя: .
расчет сопротивления R1 делителя: .
расчет мощностей резисторов делителя: , .
Примечание. Для германиевых транзисторов ; для кремневых транзисторов . В среде «CIRCUITMAKER» принимается .
Расчет эквивалентного сопротивления делителя в цепи базы
При достаточно большой емкости фильтра эквивалентное сопротивление базового делителя на переменном токе соответствует параллельному соединению его элементов: .
Расчет активного входного сопротивления усилителя
На низких частотах, несоизмеримых с быстродействием выбранного транзистора, входное сопротивление усилителя является чисто активным и соответствует параллельному соединению сопротивлений и :
Расчет емкости разделительного конденсатора на входе усилителя
Расчет емкости разделительного конденсатора на входе осуществляется в соответствии с разделом 2.1, п.12: .
Расчет коэффициента усиления по напряжению
Модуль коэффициента усиления по напряжению зависит от коэффициента транзистора, а также от соотношения эквивалентных сопротивлений участка коллектор-эмиттер и цепи эмиттера : .
Входной и выходной сигналы ЭП формируются относительно коллектора, имеющего на переменном токе нулевой потенциал. Следовательно, эквивалентное сопротивление эмиттерной цепи подключено параллельно динамическому сопротивлению участка коллектор – эмиттер транзистора :
Расчет амплитуды входного напряжения и тока
Номинальная амплитуда входного напряжения
Амплитуда входного тока .
Расчет коэффициента усиления по току и по мощности
Коэффициент усиления по току .
Коэффициент усиления по мощности .
Расчет номинальной мощности входного сигнала
Номинальная мощность информационного сигнала на входе усилителя определяется из тождества: .
Transistor Base Resistor Calculator
Engineers often have to consider the required value of the base resistor that controls the amount of current entering the base junction of a bipolar junction transistor (BJT) to cause it to conduct in the saturation region. This resistor determines the amount of saturation current I b(sat) flowing into the base junction, and that controls the amount of saturation current I c(sat) flowing through the collector and emitter junctions. For hard saturation, engineers usually use a DC current gain h FE value of 10.
An NPN transistor requires a positive voltage at the base junction to switch ON and control a load (RL) such as a low-voltage relay with a known resistance value. In these types of switching applications, we require the transistor to behave as a switch and conduct fully in the saturation region. A proper value of base resistance is therefore required for conduction in this region, and this value is different for different input switching voltages. There are two calculators in this multi-page section of the article, and the first one is for when the load resistance is known, whilst the second, is for when the load current is known.
Calculator 1: Compute Rb When Load Resistance is known
In order to use this calculator, you will need to know the input switching voltage (Vi), supply voltage Vcc, and the load resistance RL.
Calculator 2: Compute Rb When Load Current is known
In order to use this calculator, you will need to know the input switching voltage (Vi), supply voltage Vcc, and the load current iL.
hFE and Collector Current Theory
In transistor literature, there are two different types of gain parameters with the same three letters. Small case «h fe » represents the small-signal current gain or AC gain, and we do not use this parameter when using the transistor as a switch. The parameter «h FE » represents the DC gain, and this is the parameter to consider. When selecting the h FE value for transistor switching purposes we always choose the minimum rating as the worst case because we want the transistor to conduct in the saturation region. For hard saturation, engineers usually choose a value of 10.
Remember that a bipolar transistor is a current amplifier, because a small amount of current «Ib» through the base controls a larger amount of current «Ic» flowing through its collector. How large this current flow is depends upon a gain factor known as «h FE «, also sometimes called the DC current gain, and beta. Hence, the current flowing through the collector is proportional to the base current multiplied by gain, as shown by the formula below.
Ic = Ib × h FE
The h FE parameter is not a constant though, because a transistor may have many ratings for different collector currents Ic. Students often find it difficult to visualise the relationship between h FE and collector current. The graph above shows h FE on the y-axis and collector current on the x-axis for a general-purpose transistor. As you can see, when the collector current increases, h FE decreases.
When to use NPN and PNP Transistors
It is important to note that when the switching voltage to the base junction is positive, it is customary, to use an NPN transistor. However, when the switching voltage is 0 V or negative, then PNP transistor is used to switch the load. Usually, a general-purpose transistor such as the PN2222 has maximum collector rating (Ic) of 600 mA DC. If your load requires more current, then it is common sense to consider transistors with a larger Ic rating. Engineers tend to use Darlington transistors in cases where greater currents are required to drive larger loads such as relays and motors.
Как рассчитать резистор для базы транзистора
Основная задача любого транзисторного ключа состоит в коммутации мощной нагрузки по команде маломощного сигнала.
Как работает транзисторный ключ
В данной статье мы рассмотрим, как работает транзисторный ключ на биполярном транзисторе. Такие полупроводниковые элементы производятся двух типов – n-p-n и p-n-p структуры, которые различаются типом применяемого полупроводника (в p-полупроводнике преобладают положительные заряды – «дырки»; в n-полупроводнике – отрицательные заряды – электроны).
Выводы БТ называются база, коллектор и эмиттер, которые имеет графическое обозначение на чертежах электрических схем, как показано на рисунке.
С целью понимания принципа работы и отдельных процессов, протекающих в биполярных транзисторах, их изображают в виде двух последовательно и встречно соединенных диодов.
Наиболее распространенная схема БТ, работающего в ключевом режиме, приведена ниже.
Чтобы открыть транзисторный ключ нужно подвести потенциалы определенного знака к обеим pn-переходам. Переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении, а переход база-эмиттер – в прямом. Для этого электроды источника питания UКЭ подсоединяют к выводам базы и коллектора через нагрузочный резистор RК. Обратите внимание, положительный потенциал UКЭ посредством RК подается на коллектор, а отрицательный потенциал – на эмиттер. Для полупроводника p-n-p структуры полярность подключения источника питания UКЭ изменяется на противоположную.
Резистор в цепи коллектора RК служит нагрузкой, которая одновременно защищает биполярный транзистор от короткого замыкания.
Команда на открытие БТ подается управляющим напряжением UБЭ, которое подается на выводы базы и эмиттера через токоограничивающий резистор RБ. Величина UБЭ должна быть не меньше 0,6 В, иначе эмиттерный переход полностью не откроется, что вызовет дополнительные потери энергии в полупроводниковом элементе.
Чтобы не спутать полярность подключения напряжения питания UКЭ и управляющего сигнала UБЭ БТ разной полупроводниковой структуры, обратите внимание на направление эмиттерной стрелки. Стрелка обращена в сторону протекания электрического тока. Ориентируясь на направление стрелки достаточно просто расположить правильным образом источники напряжения.
Входная статическая характеристика
Биполярный транзистор может работать в двух принципиально разных режимах – в режиме усилителя и в режиме ключа. Работа БТ в усилительном режиме уже подробно рассмотрена с примерами расчетов в нескольких статьях. Очень рекомендую ознакомиться с ними. Ключевой режим работы БТ рассматривается в данной статье.
Как и электрический ключ, транзисторный ключ может (и должен) находится только в одном из двух состояний – включенном (открытом) и выключенном (закрытом), что отображено на участках нагрузочной прямой, расположенной на входной статической характеристике биполярного транзистора. На участке 3-4 БТ закрыт, а на его выводах потенциалы UКЭ. Коллекторный ток IК близок к нулю. При этом ток в цепи базы IК также отсутствует, собственно по этой причине БТ и закрыт. Область на входной статической характеристике, отвечающая закрытому состоянию называется областью отсечки.
Второе состояние – БТ полностью открыт, что показано на участке 1-2. Как видно из характеристики, ток IК имеет некое значение, которое зависит от величин UКЭ и RК. В цепи база-эмиттер также протекает ток IБ, величина которого достаточна для полного открытия биполярного транзистора.
Падение напряжения на pn-переходе коллектор-эмиттер в зависимости от серии транзистора и его мощности находится в пределах от сотых до десятых вольта. Такая рабочая область БТ, в которой он полностью открыт, называется областью насыщения.
В третьей области полупроводниковый ключ занимает среднее положение между открыто-закрыто, то есть он приоткрыт или призакрыт. Такая область, используется для транзистора, работающего усилителем, называется активной областью.
Расчет транзисторного ключа
Расчет транзисторного ключа на биполярном транзисторе выполним на примере подключения светодиода к источнику питания 9 В, то есть к кроне. В качестве управляющего сигнала подойдет обычная батарейка 1,5 В. Для примера, возьмем БТ n-p-n структуры серии 2222A. Хотя подойдет любой другой, например 2N2222, PN2222, BC547 или советский МП111Б и т.п.
Рассматриваемую схему транзисторного ключа довольно просто собрать на макетной плате и произвести соответствующие измерения с помощью мультиметра, тем самым оценить точность наших расчетов.
Далее все расчеты сводятся к определению сопротивлений резистора коллектора RК и базы RБ. Хотя более логично, особенно при подключении мощной нагрузки, сначала подобрать транзистор по току и напряжению, а затем рассчитывать параметры резисторов. Однако в нашем и большинстве других случаев ток нагрузки относительно не большей и U источника питания невысокое, поэтому подходит практически любой маломощный БТ.
Все исходные данные сведены в таблицу.
Порядок расчета
Расчет начнем с определения сопротивления резистора RК, который предназначен для ограничения величины тока IК, протекающего через светодиод VD. RК находится по закону Ома:
Величина IК равна IVD = 0,01 А. Найдем падение напряжения на резисторе:
Значение UКЭ нам известно, оно равно 9 В, ΔUVD также известно и равно 2 В. А падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер для большинства современных маломощных БТ составляет до 0,1 В. Поэтому примем с запасом ΔUКЭ = 0,1 В. Теперь подставим все значения в выше представленную формулу:
Находим сопротивление RК:
Ближайший стандартный номинал резистора 680 Ом и 750 Ом. Выбираем резистор большего номинала RК = 750 Ом. При этом ток, протекающий через светодиод IVD в цепи коллектора, несколько снизится. Пересчитаем его величину:
Теперь осталось определить сопротивление резистора в цепи базы RБ:
Формула содержит сразу две неизвестны – ΔURб и IБ. Найдем сначала падение напряжения на резисторе ΔURб:
UБЭ нам известно – 1,5 В. А падение напряжения на переходе база-эмиттер в среднем принимают 0,6 В, отсюда:
Для определения тока базы IБ необходимо знать IК, который мы ранее пересчитали (IК = 0,0092 А), и коэффициент усиления биполярного транзистора по току, обозначаемы буквой β (бэта). Коэффициент β всегда приводится в справочниках или даташитах, но гораздо удобнее и точнее определить его с помощью мультиметра. Используемый нами 2222A имеет β = 231 единицу.
Из таблицы стандартных номиналов резисторов выбираем ближайший меньший номинал (для гарантированного открытия БТ) 22 кОм.
Для более точного выбора параметров вместо постоянных резисторов в цепи включают переменные резисторы, включенные по схеме, приведенной ниже.
Таким образом, мы выполнили расчет транзисторного ключа, то есть определили RК и RБ по заданным исходным данным. Более полный расчет включает определение мощности рассеивания указанных резисторов, но ввиду незначительной нагрузки в нашем примере, подойдут резисторы с минимальной мощность рассеивания.