Układ z tranzystorem a prądy / spadki napięć

[jugan1]

Dzień dobry,

Mam problem ze zrozumieniem, skąd się biorą wszystkie wartości ( napięcie / natężenie / rezystancja ) na poszczególnych elementach elektronicznych w układzie. Układ jest zasilany baterią 6V, beta tranzystora to 361. Podejrzewam, że układ jest bez sensu - prąd kolektora jest mniejszy niż prąd bazy, a chyba robi się na odwrót. Niemniej chciałbym i tak zrozumieć, co się dzieje. W dalszej części będę używał skrótów:
R1 = 200 om
R2 = 201 om ( dałem taką nietypową rezystancję, aby łatwo dało się go odróżnić od R1, ale będę i tak robił obliczenia dla 200 om )
R3 = 1k om

Chcę, aby przez kolektor przepływał prąd około 20mA. Co robię? Obliczam, jaką rezystancję powinien mieć rezystor R1. Zatem:
( napięcie baterii - spadek napięcia na diodzie LED ) / 20 mA = 4V / 20 mA = 200 om. Wszystko jasne.

Weźmy odgałęzienie z dzielnikiem napięcia. Teraz robi się niezrozumiale dla mnie.

Przede wszystkim to jak mamy dzielnik napięcia, to na rezystorze R2 powinien być spadek = 6V * 200 om / ( 200 om + 1000om ) = 1V, natomiast na rezystorze R3 powinien być spadek = 6V * 1000 om / 1200 om = 5 V. W symulatorze widzę jednak, że spadek napięcia na R2 wynosi około 5.3V, natomiast na R3 wynosi 0.7V. Dlaczego? Wiem, że tranzystor zaczyna przewodzić, gdy napięcie między bazą, a emiterem to 0.7V. Czy zatem mam tak to rozumieć, że niezależnie jak małą rezystancję ( oczywiście mam na myśli taką sensowną jak np. 1 om, a nie 0.00000001 oma ) nie miałby rezystor R2, to tranzystor i tak sprawi, że na rezystorze R3 będzie "tylko" maxymalnie 0.7V - 0.8V spadku, a na tranzystorze R2 reszta? Jakby 0.7V tranzystorowe miało priorytet przed wyliczonymi przeze mnie spadkami napięć na dzielniku napięcia ( odpowiednio 1V i 5V )?

Teraz jeszcze chciałbym zrozumieć wielkości prądów płynących przez bazę i przez rezystor R3. Symulator mówi, że są to:
prąd bazy = 25,6 mA
prąd przepływający przez R3 = 0,7 mA
Oczywiście prąd przepływający przez R2, to ich suma, więc = 26,3mA
Jak to obliczyć?
Mogę przyjąć, że spadki napięć, to rzeczywiście 5.3V na R2 oraz 0.7V na R3. Wtedy:
prąd płynący przez R3 = 0.7V / 1000 om = 0,7 mA
prąd płynący przez R2 = 5.3V / 200 om = 26,5 mA
Czyli prąd płynący przez bazę = 26.5 mA - 0.7mA = 25.8 mA

Czy ma sens to, co piszę?

Pozdrawiam

 

 

[jand]

Powtórz swoje symulacje i obliczenia dla wartości opornika  w bazie tranzystora wynoszącej 5,1k, a nie 200 ohm.

[jugan1]

@jand

Powtórzyłem i wyszło mi:

Gałąź z diodą LED - podobne wartości, czyli prąd około 20mA

Spadki napięć na R2 i R3 są bardzo podobne tj. 5.3V i 0.7V. Zmalał znacząco prąd przepływający przez rezystor R2 ( wynosi około 1 mA ), co jest jasne, bo mamy większy rezystor.

Podejrzewam, że miałem wyciągnąć jakiś wniosek z tego, ale chyba niestety nic nie dostrzegam...

[Sylba]

1 godzinę temu, jugan1 napisał:

mamy dzielnik napięcia, to na rezystorze R2 powinien być spadek = 6V * 200 om / ( 200 om + 1000om ) = 1V, natomiast na rezystorze R3 powinien być spadek = 6V * 1000 om / 1200 om = 5 V. W symulatorze widzę jednak, że spadek napięcia na R2 wynosi około 5.3V, natomiast na R3 wynosi 0.7V. Dlaczego?

Dlatego że spadek napięcia na złączu BE Vbe=0,7V (około). Spadek napięcia na równolegle połączonym R3 = 0,7V to oczywiste.

Prąd IR3 = VR3/R3=0,7/1000=0,7mA

Prąd IR2 = VR2/R2= 5,3/200=26,5mA

Prąd bazy IB=IR2-IR3=26,5-7=25,8mA

Żeby obliczyć prąd kolektora trzeba znać współczynnik wzmocnienia prądowego. Zakładając minimalną wartość hFE=100

prąd kolektora wyniósłby IC=hFE*IB=100*25,8=2580mA=2,58A

Przy takim prądzie kolektora spadek napięcia na rezystorze R1=200R, VR1=R1*IC=2,58*200=516V co oczywiście nie jest możliwe. Oznacza to, że przy takich wartościach rezystorów tranzystor pracuje w stanie nasycenia. W tym układzie można przyjąć w uproszczeniu, że napięcie złącza kolektor - emiter wynosi VCE=0V (dokładniej około 0,2V). Przyjmując, że ta czerwona kropka to LED, na którym spadek napięcia wynosi około 2V można obliczyć spadek napięcia na R1=Vcc-VLED-VCE=6-2-0=4V.

Prąd kolektora IC=VR1/R1=4/200=20mA, a wzmocnienie prądowe tranzystora w punkcie pracy hFE=IC/IB=20/25,8=0,78.

W LTSpice wygląda to tak:

 

Istotne różnice symulacji w LTSpice w stosunku do obliczeń uproszczonych to wynikają z różnicy pomiędzy założonym napięciem złącza baza-emiter: 0,7V i w LT Spice VBE=0,836V oraz napięcie na złączu kolektor emiter: w obliczeniach VCE=0V w LTSpice VCE=Vc=0,063V. Generalnie rzecz biorąc wartości są porównywalne.

[jand]

1 godzinę temu, jugan1 napisał:

Gałąź z diodą LED - podobne wartości, czyli prąd około 20mA

W obu przypadkach tranzystor jest nasycony, więc tak będzie.

 

1 godzinę temu, jugan1 napisał:

miałem wyciągnąć jakiś wniosek

Martwiłeś się, że prąd bazy jest większy niż emitera - teraz już nie. Jest to bliższe rzeczywistym rozwiązaniom.

 

2 godziny temu, jugan1 napisał:

Czy zatem mam tak to rozumieć, że niezależnie jak małą rezystancję ( oczywiście mam na myśli taką sensowną jak np. 1 om, a nie 0.00000001 oma ) nie miałby rezystor R2, to tranzystor i tak sprawi, że na rezystorze R3 będzie "tylko" maxymalnie 0.7V - 0.8V spadku, a na tranzystorze R2 reszta?

Tak, ale jak będzie zbyt mała,to spalisz tranzystor (kłania się maksymalny prąd bazy).

2 godziny temu, jugan1 napisał:

Jakby 0.7V tranzystorowe miało priorytet

To nie priorytet,  ale charakterystyka tranzystora - napięcie baza-emiter w niewielkim stopniu zależy od prądu bazy.

2 godziny temu, jugan1 napisał:

Czy ma sens to, co piszę?

Właśnie tak to się robi - obliczasz prądy w opornikach, a ich różnica wpływa do bazy.

Edytowano Kwiecień 21, 2024 przez jand

[fribble3]

Należy tak dobrać rezystor "Rb" aby prąd bazy był ok. 100 razy mniejszy od prądu kolektora: Ib = Ic/β.

[Sylba]

6 godzin temu, fribble3 napisał:

Należy tak dobrać rezystor "Rb" aby prąd bazy był ok. 100 razy mniejszy od prądu kolektora: Ib = Ic/β.

Dobry temat do dyskusji. Wzmocnienie prądowe jest dobierane zależnie od funkcji tranzystora w układzie, czy pełnić będzie on rolę klucza czy wzmacniacza.

W tym przypadku - włączanie LED, to raczej będzie rola klucza (przełącznika). W takich przypadkach wskazane będzie raczej wzmocnienie na poziomie 10-20. Rezystor R3 jest raczej zbędny, gdyż nie pełni istotnej dla działania układu funkcji, nie ustala poziomu napięcia VBE, ani nie ma bezpośredniego wpływu na prąd bazy.
Dobierając rezystory trzeba oczywiście brać pod uwagę także to o czym napisał jand - dopuszczalne parametry pracy stosowanego tranzystora. 

[jand]

25 minut temu, Sylba napisał:

wskazane będzie raczej wzmocnienie na poziomie 10-20

Nie wiem, z czego to ma wynikać. W pierwszym poście autor napisał, że jego tranzystor ma wzmocnienie 361, więc przyjęcie do obliczeń wartości równej  100 jest całkiem OK i daje wystarczający margines.

Zbyt silne nasycenie tranzystora wcale nie jest dobre, gdyż spowalnia pracę klucza. Oczywiście przy sterowaniu  diodą LED można się tym  nie przejmować.

25 minut temu, Sylba napisał:

Rezystor R3 jest raczej zbędny, gdyż nie pełni istotnej dla działania układu funkcji,

Tego nie wiemy. Tak naprawdę to ten układ na razie do niczego nie służy - tranzystor jest cały czas wysterowany, dioda się pali bez przerwy. Dopiero jak doprowadzimy jakiś sygnał zewnętrzny, zapalający i gaszący diodę będzie widać co jest potrzebne, a co nie.

[Sylba]

9 godzin temu, jand napisał:

Nie wiem, z czego to ma wynikać. W pierwszym poście autor napisał, że jego tranzystor ma wzmocnienie 361, więc przyjęcie do obliczeń wartości równej  100 jest całkiem OK i daje wystarczający margines.

W materiałach, które widziałem do obliczania prądu bazy stosowano współczynnik przesterowania kf o wartości minimum 3. Ib=kf*Ic/Beta. Dla konkretnego tranzystora, którego Beta jest 361 przyjęcie Beta 100 może być wystarczające. Ale jeśli bierze się pod uwagę dane z noty katalogowej, w której jest określony przedział Beta np. 110 - 450, to jaką wartość Beta przyjąć do obliczeń? Ja bym przyjął minimalną.

Szczerze mówiąc brakuje informacji o tym dlaczego i kiedy przyjmować  kf = 3, 10 lub 20.

[jand]

1 godzinę temu, Sylba napisał:

brakuje informacji o tym dlaczego i kiedy przyjmować  kf = 3, 10 lub 20

To jest tak zwana praktyka inżynierska. Do obliczeń przyjmujemy na wszelki wypadek wartość wzmocnienia tranzystora 2-3 razy mniejszą niż minimalna, podana w karcie katalogowej.

[Sylba]

10 godzin temu, jand napisał:

To jest tak zwana praktyka inżynierska.

O to właśnie chodzi. To albo doświadczenie zespołu, który nad czymś pracuje i w drodze prób i błędów nabywa doświadczenie, albo wywodzi się z teorii. Najczęściej jest to jedno i drugie. Pytanie czy ta wiedza jest gdzieś spisana? A jeśli tak, to gdzie?

[jand]

13 minut temu, Sylba napisał:

Pytanie czy ta wiedza jest gdzieś spisana?

W epoce internetu zapewne należy powiedzieć, że tak. Ale konkretnego miejsca nie wskażę.

Jak się czyta opisy (te bardziej szczegółowe) różnych projektów, to takie rzeczy można wychwycić.

No i własne doświadczenie.

Edytowano Kwiecień 22, 2024 przez jand

[Sylba]

44 minuty temu, jand napisał:

Jak się czyta opisy (te bardziej szczegółowe) różnych projektów, to takie rzeczy można wychwycić.

Tylko tego czytania jest tyleeee, że nie wiadomo od czego zacząć.