Die Analyse von Transistorschaltungen ist für uns ein Grundwissen und eine Grundkompetenz der Elektrotechnik.
Ein Gleichstromtransistor ist das einfachste leistungselektronische Gerät mit mehreren Funktionen.
Es ist üblich, dass wir täglich mit elektronischen Produkten zu tun haben und Erfahrungen mit PCs sammeln.
Eine grundlegende Komponente für die integrierten Schaltkreise, die in diesen Elektronikgeräten und Computern zu finden sind, ist das aktive Bauelement mit drei Anschlüssen, das als Transistor bekannt ist.
Gleichstromtransistor
Wie Sie in Abbildung (1) sehen können, sind einige verschiedene Arten von Transistoren im Handel erhältlich. Es gibt zwei Grundtypen von Transistoren: Bipolartransistoren (BJTs) und Feldeffekttransistoren (FETs).
Abbildung 1.
Dieses Mal werden wir nur die BJTs behandeln, die die ersten der beiden waren und auch heute noch verwendet werden.
Transistorschaltplan
Unser Ziel ist es, etwas über BJTs zu lernen und die bisher entwickelte Technik zur Analyse von Gleichstromtransistorschaltungen anwenden zu können.
Abbildung 2. NPN- und PNP-Transistoren
Es gibt zwei Arten von BJTs: NPN und PNP, deren Schaltsymbol in Abbildung (2) dargestellt ist. Jeder Typ verfügt über drei Anschlüsse, die als Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) bezeichnet werden.
Die folgende Berechnung hat einen Zusammenhang mit der Transistorkennlinie.
Analyse von Transistorschaltungen
Für einen NPN-Transistor sind die Ströme und Spannungen des Transistors als dessen Transistor-Ersatzschaltbild in Abbildung (3) angegeben.
Abbildung 3. Transistor-Ersatzschaltbild
Die Anwendung von KCL auf Abbildung (3a) ergibt
wobei IE, IC und IB Emitter-, Kollektor- bzw. Basisströme sind. In ähnlicher Weise ergibt die Anwendung von KVL auf Abbildung (3b).
Dabei sind VCE, VEB und VBC Kollektor-Emitter-, Emitter-Basis- und Basis-Kollektor-Spannungen. Der BJT kann in einem von drei Modi betrieben werden: Aktiv, Cutoff und Sättigung.
Wenn Transistoren im aktiven Modus arbeiten, beträgt typischerweise VBE = 0,7 V,
wobei α die Stromverstärkung in Basisschaltung bezeichnet. In Abbildung (3) bezeichnet α den Anteil der vom Emitter injizierten Elektronen, die vom Kollektor gesammelt werden. Auch,
wobei β als Stromverstärkung am gemeinsamen Emitter bekannt ist. α und β sind charakteristische Eigenschaften eines bestimmten Transistors und nehmen für diesen Transistor konstante Werte an.
Typischerweise nimmt α Werte im Bereich von 0,98 bis 0,999 an, während β Werte im Bereich von 50 bis 1000 annimmt. Aus den Gleichungen (1) bis (4) ist dies ersichtlich
Und
Diese Gleichungen zeigen, dass der BJT im aktiven Modus als abhängige stromgesteuerte Stromquelle modelliert werden kann.
Daher kann in der Schaltungsanalyse das Gleichstromäquivalentmodell in Abbildung (4b) verwendet werden, um den NPN-Transistor in Abbildung (4a) zu ersetzen.
Da β in Gleichung (6) groß ist, steuert ein kleiner Basisstrom den großen Strom im Ausgangskreis.
Folglich kann der Bipolartransistor als Verstärker dienen und sowohl eine Stromverstärkung als auch eine Spannungsverstärkung erzeugen.
Solche Verstärker können verwendet werden, um Wandler wie Lautsprecher oder Steuermotoren mit beträchtlicher Leistung zu versorgen.
Unten ist das Transistor-Ersatzschaltbild dargestellt.
Abbildung 4. Analyse der Transistorschaltung
In den folgenden Beispielen ist zu beachten, dass Transistorschaltungen aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen den Anschlüssen des Transistors nicht direkt mithilfe der Knotenanalyse analysiert werden können.
Erst wenn der Transistor durch das entsprechende Modell ersetzt wird, können wir die Knotenanalyse anwenden.
DC-Analyse von BJT
Wie oben erwähnt, ist der häufigste Typ eines Gleichstromtransistors ein BJT. Jetzt werden wir versuchen, es ein wenig zu analysieren, bevor wir zu den Beispielen und Berechnungen übergehen.
Beachten Sie die Abbildung unten.
Das obige Gleichstromtransistordiagramm zeigt uns eine Konfiguration mit gemeinsamem Emitter, da der Emitter (E) zwischen dem Steuerkreis, Basis (B) und dem gesteuerten Kreis, Kollektor (C), angeschlossen ist.
Die Basis-Emitter-Verbindung ist der Eingangskreis, während die Emitter-Kollektor-Verbindung der Ausgangskreis ist.
Da wir nur einen kleinen Teil des Basisstroms benötigen, legen wir einen höheren Widerstand an der Basis (RB) und einen kleineren Widerstand am Kollektor (RC) fest.
Das bedeutet, dass wir nur mit kleinem Strom höhere Ströme steuern können.
Im Ausgangszustand ist der Schalter geöffnet und es fließt kein Strom zur Basis, sodass der Transistor derzeit nicht in Betrieb ist.
Sobald wir den Schalter schließen, fließt ein kleiner Strom zur Basis (B) des Transistors und schaltet die LED A schwach ein.
Der kleine Strom zur Basis (Basisstrom, IB) wird vom Transistor verstärkt, damit der größere Strom durch den Kollektor (Kollektorstrom, IC) zum Emitter fließen kann. Da der Kollektorstrom IC viel größer ist, leuchtet die LED B hell.
Diese Konfiguration ist zusammen mit Common-Base und Common-Collector sehr verbreitet.
So lösen Sie DC-Transistorschaltungen
Zu lernen, wie man jede Variable in einem Transistor berechnet, wird uns nicht viel helfen, wenn wir ihn in unserer Schaltung verwenden wollen. Wir sollten zumindest verstehen, wie es im Idealfall funktioniert.
Wie das Beispiel oben zeigt, können wir es als elektrischen Schalter betreiben.
Aber wie?
Beachten Sie die Abbildung unten.
Das obige Transistordiagramm hilft uns zu verstehen, wie ein Transistor funktioniert.
Sie sollten ein Diodensymbol gesehen haben, wenn wir einen Schaltkreis entwerfen oder analysieren, der aus mindestens einem Transistor besteht.
Der Pfeil wird also wie im Diagramm oben beobachtet als Diode behandelt
Der Basis-Emitter-Übergang fungiert als Diode.
Da es sich um eine Diode handelt, hat sie eine Durchlassspannung VF von 0,7 V. Das bedeutet, dass wir für den Betrieb mindestens 0,7 V an den Basis-Emitter-Übergang liefern müssen. Dann,
Der Basisstrom (IB) kann nur fließen, wenn die an der Basis-Emitter-Verbindung (VBE) angelegte Spannung gleich oder höher als 0,7 V ist.
Der kleine Basisstrom (IB) kann den höheren Kollektorstrom (IC) abhängig vom Kollektorwiderstand RCE und der Kollektorspannung (VCC) steuern.
Der Transistor hat eine Stromverstärkung hFE:
hFE ist eine Konstante und hat einen typischen Wert von 100 (ohne Maßeinheit).
Es gibt drei Betriebsarten eines Transistors:
- Abgeschnitten (vollständig ausgeschaltet), IB = 0, dann VB < VE und VB < VC
- Aktiv, hier wird ein Transistor als Verstärker betrieben und ein kleiner Basisstrom fließt, IB > 0, dann VC > VB > VE
- Sättigung (vollständig eingeschaltet), der Basisstrom wird erhöht, während RCE verringert wird, VB > VE und VB > VC.
Rückblickend auf KCL beträgt der Emitterstrom:
Da der Basisstrom grob gesagt viel kleiner ist als der Kollektorstrom
Beispiele für die Analyse von Gleichstromtransistorschaltungen
Schauen wir uns zum besseren Verständnis das folgende Beispiel an:
Finden Sie IC, IB und vo in der Transistorschaltung von Abbildung (5). Nehmen Sie an, dass der Transistor im aktiven Modus arbeitet und dass β = 50.
Abbildung 5. Beispiel für eine Analyse einer Gleichstromtransistorschaltung
Lösung :
Für die Eingabeschleife gibt KVL an
Da VBE = 0,7 V im aktiven Modus ist,
Aber
Für die Ausgabeschleife gibt KVL an
Beachten Sie, dass in diesem Fall vo = VCE ist.
Zusätzliche Hinweise zum Gleichstromtransistor
Bei der Verwendung eines Transistors sollten wir einige Dinge beachten:
- Der Basisstrom ist begrenzt, daher sollten wir darauf achten, ihn nicht zu unterbrechen.
- Jeder Transistor hat einen maximalen Kollektornennstrom. Überprüfen Sie zuerst das Datenblatt.
- Die Stromverstärkung (hFE) variiert selbst bei gleichem Transistortyp stark.
- Wenn ein Transistor im Sättigungsmodus arbeitet (vollständig eingeschaltet), ist RCE = 0, VCE wird auf Null verringert und der Kollektorstrom hängt von der Kollektorspannung (VCC) ab.
- Der Emitterstrom ist IE = IB + IC oder IE = IC, da IB sehr klein ist und daher vernachlässigbar ist.