Transistorcircuitanalyse – uitleg en voorbeelden

Transistorcircuitanalyse is een basiskennis en vaardigheid voor ons elektrotechniek.

Een DC-transistor is het meest basale vermogenselektronische apparaat met verschillende functies.

Het is heel gebruikelijk dat we dagelijks met elektronische producten omgaan en enige ervaring opdoen met personal computers.

Een basiscomponent voor de geïntegreerde schakelingen in deze elektronica en computers is het actieve apparaat met drie aansluitingen dat bekend staat als de transistor.

DC-transistor

U kunt in figuur (1) zien dat er verschillende soorten transistors in de handel verkrijgbaar zijn. Er zijn twee basistypen transistors: bipolaire junctietransistors (BJT’s) en veldeffecttransistors (FET’s).

Figuur 1.

Deze keer behandelen we alleen de BJT’s, die de eerste van de twee waren en nog steeds worden gebruikt.

Transistorschakelschema

Ons doel is om meer te leren over BJT’s en de tot nu toe ontwikkelde techniek toe te kunnen passen om DC-transistorcircuits te analyseren.

Figuur 2. NPN- en PNP-transistors

Er zijn twee soorten BJT’s: npn en pnp, met hun circuitsymbool zoals weergegeven in figuur (2). Elk type heeft drie aansluitingen, aangeduid als emitter (E), basis (B) en collector (C).

De onderstaande berekening heeft een relatie met de karakteristieke curve van de transistor.

Transistorcircuitanalyse

Voor een NPN-transistor worden de stromen en spanningen van de transistor gespecificeerd als zijn transistorequivalentcircuit in figuur (3).

Figuur 3. Transistor-equivalent circuit

Het toepassen van KCL op figuur (3a) geeft

waarbij I_E, I_C en I_B respectievelijk emitter-, collector- en basisstromen zijn. Op soortgelijke wijze levert het toepassen van KVL op figuur (3b) het volgende op

waarbij V_CE, V_EB en V_BC collector-emitter-, emitter-basis- en basis-collectorspanningen zijn. De BJT kan in een van de drie modi werken: actief, afgesneden en verzadiging.

Wanneer transistors in de actieve modus werken, is doorgaans V_BE = 0,7 V,

waarbij α de stroomversterking op de gemeenschappelijke basis wordt genoemd. In figuur (3) geeft α het deel van de elektronen aan die door de emitter worden geïnjecteerd en die door de collector worden verzameld. Ook,

waarbij β bekend staat als de stroomversterking van de gemeenschappelijke emitter. De α en β zijn karakteristieke eigenschappen van een bepaalde transistor en nemen voor die transistor constante waarden aan.

Doorgaans neemt α waarden aan in het bereik van 0,98 tot 0,999, terwijl β waarden aanneemt in het bereik van 50 tot 1000. Uit vergelijkingen (1) tot (4) blijkt duidelijk dat

En

Deze vergelijkingen laten zien dat de BJT in de actieve modus kan worden gemodelleerd als een afhankelijke stroomgestuurde stroombron.

Bij circuitanalyse kan dus het gelijkstroom-equivalentmodel in figuur (4b) worden gebruikt om de npn-transistor in figuur (4a) te vervangen.

Omdat β in vergelijking (6) groot is, regelt een kleine basisstroom de grote stroom in het uitgangscircuit.

Bijgevolg kan de bipolaire transistor als versterker dienen en zowel stroomversterking als spanningsversterking produceren.

Dergelijke versterkers kunnen worden gebruikt om een aanzienlijke hoeveelheid vermogen te leveren aan transducers zoals luidsprekers of regelmotoren.

Hieronder ziet u het transistor-equivalentcircuit.

Figuur 4. Analyse van transistorcircuits

In de volgende voorbeelden moet worden opgemerkt dat men transistorcircuits niet rechtstreeks kan analyseren met behulp van knooppuntanalyse vanwege het potentiaalverschil tussen de aansluitingen van de transistor.

Alleen wanneer de transistor wordt vervangen door het equivalente model kunnen we knooppuntanalyse toepassen.

DC-analyse van BJT

Zoals hierboven vermeld, is het meest voorkomende type DC-transistor een BJT. Nu zullen we proberen het een beetje te analyseren voordat we naar de voorbeelden en berekeningen springen.

Bekijk onderstaande figuur.

Het bovenstaande DC-transistordiagram toont ons een gemeenschappelijke emitterconfiguratie, aangezien de emitter (E) is aangesloten tussen het stuurcircuit, Basis (B) en het bestuurde circuit, Collector (C).

De basis-emitterverbinding is het ingangscircuit, terwijl de emitter-collector het uitgangscircuit is.

Omdat we slechts een klein deel van de basisstroom nodig hebben, plaatsen we een hogere weerstand op de basis (R_B) en een kleinere weerstand op de collector (R_C).

Dit betekent dat we alleen met een kleine stroom een hogere stroom kunnen regelen.

In de begintoestand is de schakelaar open en is er geen stroom naar de basis, waardoor de transistor momenteel niet werkt.

Op het moment dat we de schakelaar sluiten, stroomt er een kleine stroom naar de basis (B) van de transistor, waardoor LED A gedimd gaat branden.

De kleine stroom naar de basis (basisstroom, I_B) wordt door de transistor versterkt, zodat de grotere stroom door de collector (collectorstroom, I_C) naar de emitter kan stromen. Omdat de collectorstroom I_C veel groter is, brandt LED B helder.

Deze configuratie is heel gebruikelijk, samen met common-base en common-collector.

Hoe DC-transistorcircuits op te lossen

Leren hoe we elke variabele in een transistor kunnen berekenen, zal ons niet veel helpen als we deze in ons circuit willen gebruiken. We moeten op zijn minst begrijpen hoe het idealiter werkt.

Net zoals het voorbeeld hierboven laat zien, kunnen we hem als een elektrische schakelaar bedienen.

Maar hoe dan?

Bekijk de onderstaande afbeelding.

Het bovenstaande transistordiagram zal ons helpen begrijpen hoe een transistor werkt.

Je had een diodesymbool moeten zien toen we een circuit ontwerpen of analyseren dat uit ten minste één transistor bestaat.

De pijl wordt dus als een diode behandeld, net zoals we in het bovenstaande diagram zien

De basis-emitterovergang fungeert als een diode.

Omdat het een diode is, heeft deze een voorwaartse spanning, V_F, van 0,7 V. Het betekent dat we minimaal 0,7 V aan de basis-emitterovergang moeten leveren om deze te laten werken. Dan,

De basisstroom (I_B) kan alleen stromen als de aangelegde spanning op de basis-emitterovergang (V_BE) gelijk is aan of hoger is dan 0,7 V.

De kleine basisstroom (I_B) kan de hogere collectorstroom (I_C) regelen, afhankelijk van de collectorweerstand R_CE en de collectorspanning (V_CC)

Transistor heeft een stroomversterking h_FE:

h_FE is een constante en heeft een typische waarde van 100 (zonder meeteenheid).

Er zijn drie werkingsmodi van een transistor, deze zijn:

• Afgesneden (volledig uitgeschakeld), I_B = 0, dan V_B < V_E en V_B < V_C
• Actief, dit is waar een transistor werkt als versterker en er een kleine basisstroom vloeit, I_B > 0, dan V_C > V_B > V_E
• Verzadiging (volledig aan), basisstroom wordt verhoogd terwijl R_CE wordt verlaagd, V_B > V_E en V_B > V_C.

Terugkijkend op de huidige wet van Kirchhoff is de emitterstroom:

Omdat de basisstroom grofweg veel kleiner is dan de collectorstroom

Voorbeelden van DC-transistorcircuitanalyse

Laten we voor een beter begrip het onderstaande voorbeeld bekijken:
Zoek I_C, I_B en v_o in het transistorcircuit van figuur (5). Neem aan dat de transistor in de actieve modus werkt en dat β = 50.

Figuur 5. Voorbeeld van DC-transistorcircuitanalyse

Oplossing :
Voor de invoerlus geeft KVL

Omdat V_BE = 0,7 V in de actieve modus,

Maar

Voor de uitgangslus geeft KVL

Merk op dat v_o = V_CE in dit geval.

DC-transistor Aanvullende opmerkingen

Er zijn een paar dingen waar we rekening mee moeten houden bij het gebruik van een transistor, namelijk:

• Er is een limiet aan de basisstroom, dus we moeten oppassen dat we deze niet onderbreken.
• Elke transistor heeft een maximale collectorstroom, controleer eerst de datasheet.
• De stroomversterking (h_FE) varieert sterk, zelfs voor hetzelfde type transistor.
• Wanneer een transistor in de verzadigingsmodus werkt (volledig aan), is de R_CE = 0, wordt V_CE verlaagd tot nul, en is de collectorstroom afhankelijk van de collectorspanning (V_CC).
• De emitterstroom is I_E = I_B + I_C of I_E = I_C, aangezien I_B erg klein is en dus verwaarloosbaar is.