Kompensacja napięcia na tranzystorach bipolarnych NPN

[PrzeMoc]

Nie mam dziś niestety dostatecznie dużo czasu, żeby przerobić te wszystkie zagadnienia, ale udało mi się przynajmniej wykonać pierwsze kroki do ulepszenia tego układu jeszcze z tranzystorami. Dziękuję bardzo za sugestie, bo poziom mojego zrozumienia tranzystorów bipolarnych znacznie urósł.

Przeprowadziłem ponownie na szybko selekcję dostępnych tranzystorów NPN i wytypowałem do dalszych testów: S9018, BC547B, S9014, A42
Z góry zaznaczę, że S9018 i S9014 nie do końca pasował mi po charakterystykach z dokumentacji, ale jeszcze mieściły się w zakresie.
Układ testowy pozostał ten sam co w poprzednim komentarzu zasilany z Arduino (baza od pina, a kolektor z VCC). Zaznaczam, że nie wszędzie dokonywałem pełnych pomiarów jeśli uznałem, że i tak wynik nie prowadzi do niczego sensownego. Kolejne opory dobrałem na bazie kalkulacji manualnych, żeby było widać różnice w parametrach. Poniżej wyniki testów:

Zgodnie z sugestiami, poprzednio tranzystory nie były właściwie nasycone i to był klucz do uzyskania właściwych parametrów (w tym strat napięcia).
Według tabeli najbardziej obiecujące wydają się rozwiązania na BC547B + opornik 3,3kOhma, S9014 + opornik 4,7kOhma lub 3,3kOhma). Z tym że S9014 z rezystorem 3,3kOhma w mojej opinii nie wnosi za wiele, bo zwiększa tylko prąd bazy, a zysków z tego prawie żadnych - rosną straty.
No i tu przechodzimy do charakterystyk:

- Dla BC547B + opornik 3,3kOhma

- Dla S9014 + opornik 4,7kOhma

Moje ogólne wnioski:

• oba tranzystory z tymi rezystorami wykonują swoją pracę jak trzeba, choć nie podoba mi się, że zarówno jeden i drugi są w takim punkcie niestabilności dla charakterystyk widocznych na wykresach powyżej,
• wreszcie udało się też uzyskać sensowne napięcie na wentylatorze około 4,5V, a według moich subiektywnych odczuć robi to mu ogromną różnicę w tym jak pracuje. 2V i 23mA w ogóle go nie rusza. Żeby zaczął chodzić potrzeba około 2,5V i 25mA = 62,5mW,
• natężenie prądu płynące przez wentylator jest teoretycznie za wysokie, ale nie mam do niego dokładnej karty katalogowej, a zostawiony na godzinę się nie przegrzał, więc nie będę drążył. Najwyżej będzie mieć krótszą żywotność. Można teoretycznie próbować rozdzielić prąd na równoległą nitkę, ale to chyba nie warte zachodu.
• Wytypowane tranzystory mają różne podłączenia, więc trzeba się pilnować not katalogowych,
• Do zweryfikowania pozostaje jeszcze rozwiązanie ze źródłem prądowym, ale muszę do tego przysiąść żeby zrozumieć idee, przeliczyć równania itp.

Póki co zdecyduję się na BC547B, choć to jeszcze nie koniec eksperymentów, ale już na tym etapie dziękuję za zaangażowanie i pomoc. 

PS: Opisuję to tak dokładnie trochę dla samego siebie, żeby widzieć ciąg logiczny kolejnych kroków (jako dodatkowe sprawdzenie), a trochę dla kogokolwiek kto to czyta. Może się przyda też innym.

[_LM_]

1 godzinę temu, PrzeMoc napisał:

PS: Opisuję to tak dokładnie trochę dla samego siebie, żeby widzieć ciąg logiczny kolejnych kroków (jako dodatkowe sprawdzenie), a trochę dla kogokolwiek kto to czyta. Może się przyda też innym.

Bardzo dobre, pragmatyczne podejście. Im więcej takich wpisów tym lepiej

[jand]

Będąc pod wrażeniem metodycznego podejścia do tematu, chciałbym podzielić się swoimi uwagami.

1. Przy tranzystorach pracującym jako klucz nie ma potrzeby studiowania ich dokładnych charakterystyk. Myślę że każdy z rozpatrywanych typów będzie OK.
2. Nie wiem czemu mierzyłeś napięcie baza - kolektor, podczas gdy dla Ciebie najistotniejsze jest napięcie kolektor - emiter.
3. Jeśli lubisz eksperymenty, to weź jeden ze swoich tranzystorów i podłącz go do układu odwrotnie -  zamieniając miejscami kolektor i emiter. Zmierz napięcie U_CE. Opornik w bazie musi być z tych mniejszych (3,3k).

4. 3 godziny temu, PrzeMoc napisał:

   zarówno jeden i drugi są w takim punkcie niestabilności dla charakterystyk

   O jakiej niestabilności mówisz? Nic takiego nie widzę.

5. 3 godziny temu, PrzeMoc napisał:

   natężenie prądu płynące przez wentylator jest teoretycznie za wysokie, ale nie mam do niego dokładnej karty katalogowej,

   Skoro nie masz karty katalogowej, to skąd wiesz że prąd jest zbyt duży? Jeśli buzzer jest na 5V, to prąd płynie taki, jaki trzeba.

Edytowano 6 czerwca przez jand

[miro88]

@PrzeMoc

Tutaj masz kompendium wiedzy o tranzystorach.
Może Ci się przydać przy dalszych eksperymentach.

Możesz zamieścić kod do Arduino?
Mam tranzystory BC547 oraz S9014.
Wtedy bym przedstawił swoje wyniki pomiarów.

[jand]

37 minut temu, miro88 napisał:

Możesz zamieścić kod do Arduino?

Do tych eksperymentów wystarczy powszechnie znany Blink do błyskania diodą.

[_LM_]

A nawet "ręczne" przełączanie bazy do +5V

[PrzeMoc]

@miro88 , tak jak jand napisał. To jest najprostszy program typu Blink, albo ciągły stan wysoki na pinie.

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(7, OUTPUT); //Ustalenie Pinu 7 arduino jako wyjście
  digitalWrite(7, HIGH);  //Nadanie stanu wysokiego 5V na pinie 7
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:

}

8 godzin temu, jand napisał:

Będąc pod wrażeniem metodycznego podejścia do tematu, chciałbym podzielić się swoimi uwagami.

1. Przy tranzystorach pracującym jako klucz nie ma potrzeby studiowania ich dokładnych charakterystyk. Myślę że każdy z rozpatrywanych typów będzie OK.
2. Nie wiem czemu mierzyłeś napięcie baza - kolektor, podczas gdy dla Ciebie najistotniejsze jest napięcie kolektor - emiter.
3. Jeśli lubisz eksperymenty, to weź jeden ze swoich tranzystorów i podłącz go do układu odwrotnie -  zamieniając miejscami kolektor i emiter. Zmierz napięcie U_CE. Opornik w bazie musi być z tych mniejszych (3,3k).

4. O jakiej niestabilności mówisz? Nic takiego nie widzę.

5. Skoro nie masz karty katalogowej, to skąd wiesz że prąd jest zbyt duży? Jeśli buzzer jest na 5V, to prąd płynie taki, jaki trzeba.

@jand , Ad 2 to głupia sytuacja, bo mam je na kartce, a nie przeniosłem do tabeli.  W wybranym rozwiązaniu wynosi 0,15V. Trochę się spieszyłem jak składałem wyniki do kupy i mi jakoś umknęło. Zasadniczo stwierdziłem, że zmierzę wszystko co moim zdaniem mogę sobie w oczkach też przeliczyć i porównać teorię z praktyką, a dodatkowo motywowałem się zebraniem jak największej liczby danych, żeby to samemu zrozumieć na ile jestem w stanie oraz odnieść do charakterystyk. Możliwe, że dla kogoś obeznanego i tak jeszcze czegoś zabrakło. 

Ad 3, spróbuję również jak się tylko z pracą zawodową odkopię.
Ad 4. Chodzi mi o to, że dla BC547B niewielka zmiana prądu kolektora może spowodować relatywnie sporą zmianę współczynnika wzmocnienia (znormalizowanego?), a w wypadku S9014 przy 5V jestem cały czas w obszarze gdzie niewielka zmiana napięcia VCE może powodować spore zmiany prądu kolektora IC. Nie mam takiego doświadczenia z elektroniką, ale w większości zagadnień, którymi się zajmowałem w życiu, unika się takich miejsc na krzywych charakterystyk, bo to zwykle niepotrzebne ryzyko. Krótko mówiąc, jakaś nieoczekiwana drobna zmiana w układzie teoretycznie może tu sporo namieszać. Chociaż może jestem przeczulony i powinienem to "olać".

Ad 5, do buzzera mam, bo to jest HCM12, czyli chyba taki dość klasyczny, ale nie mam do wentylatora. Kupiłem go na botlandzie: Wentylator 5V 40x40x10mm 2 przewody - złącze JST Sklep Botland
Szukałem w internecie czegokolwiek o nim, ale nic za bardzo nie idzie znaleźć. Jedyne co mi się udało to porównać go z innymi o podobnych parametrach i tamte działają zwykle przy prądach rzędu 300-400mA i kosztują kilka razy, co ten, zatem trudno mi się do tego odnieść.
Na Botlandzie natomiast jest podana informacja, że pobór prądu to 0,03A przy 5V co daje 150mW mocy. U mnie w układzie z pomiarów wychodzi 4,5V i 45mA co daje 202mW, zatem chyba ponad opisaną normę na Botlandzie. Docelowo będę go pewnie chciał zmienić na coś mocniejszego, bo ten zakupiłem głównie do nauki i testów właśnie, ale nic więcej o nim nie mam.

Edytowano 6 czerwca przez PrzeMoc
Poprawka programu

[jand]

Twój program wyglądałby lepiej, gdybyś przeniósł digitalWrite() do setup(), pozostawiając loop() puste.

24 minuty temu, PrzeMoc napisał:

niewielka zmiana prądu kolektora może spowodować relatywnie sporą zmianę współczynnika wzmocnienia

To chyba jest nieprawda. Skala wykresu jest logarytmiczna, by objąć szeroki zakres wartości.

W twoich doświdczeniach tranzystory pracują w takim nasyceniu, że ich parametry i wartości opornika (w badanym zakresie) nie mają znaczenia. Nie pokazałeś tego, ale jestem przekonany, że wartości U_CE we wszystkich przypadkach są praktycznie takie same.

Jeśli planujesz wykorzystanie wentylatora o większym poborze prądu, to pamiętaj o dobraniu tranzystora o odpowiednio dużym dopuszczalnym prądzie kolektora.

[PrzeMoc]

3 godziny temu, jand napisał:

Twój program wyglądałby lepiej, gdybyś przeniósł digitalWrite() do setup(), pozostawiając loop() puste.

Poprawione. W 100% racja, że program bez potrzeby mieliłby na okrągło wstawianie stanu wysokiego.

W sumie racja z tą skalą dla BC547. Kompletnie mi to umknęło.

Jeśli chodzi o same wyniki i pozostałe kwestie to wrócę do tego, bo nie mam ich teraz dostępnych.

A jak chodzi o nowy wentylator to jasna sprawa. To będzie praktycznie dobranie go na nowo.

[PrzeMoc]

Wracam po małej przerwie do tematu.
Uzupełniłem tabelkę o napięcia kolektor emiter, które to faktycznie jest dość istotne w tego typu połączeniu gdzie tranzystor działa jako klucz. Dodałem jeszcze wariant z rezystorem 2,2 kOhma, żeby lepiej pokazać zmienność parametrów w stanie nasycenia.

 

@jand , przeprowadziłem proponowany eksperyment i dokształciłem się z materiałów zaproponowanych przez @miro88 . Poniżej zamieszczam zmierzone wartości dla normalnie podłączonego tranzystora bipolarnego i z zamienionymi przyłączami kolektor-emiter. Wygląda na to, że wszystko dzieje się zgodnie z teorią, gdzie wzmocnienie prądowe jest o rząd wielkości mniejsze niż "normalnie" i można się pokusić o próby większego nasycenia, ale w moim przypadku raczej tego nie zastosuję przy obecnym projekcie.  Natomiast trzeba przyznać, iż jest to dość ciekawe, chyba niszowe rozwiązanie.

 

@_LM_ , pobawiłem się trochę tym układem w falstadzie i jak dla mnie fakt, że przy różnych napięciach zasilania on na odbiorniku generuje ten sam prąd i napięcie jest na swój sposób genialny. Mam z nim jednak pewien problem, bo nie jestem pewien czy rozumiem dokładnie jak on działa i czy w rzeczywistości wymaga jeszcze uzupełnienia o jakieś dodatkowe elementy?
Z wyglądu nieco przypomina lustro prądowe, choć nim nie jest, bo przecież jeden z tranzystorów nie ma połączonych kolektora i bazy, żeby funkcjonował jak dioda. Próbowałem to przełożyć na schemat, z Arduino żeby łatwiej mi było się odnieść do tego co robię. Diodę zastąpiłem wentylatorem, ale to może też być cokolwiek innego chyba.

Ja to rozumiem tak, że mając wszystko podłączone, w pierwszej kolejności rezystor R1 wymusza przepływ prądu z Arduino podającego napięcie 5V, który trafia do bazy tranzystora Q2, by przepłynąć do GND. Do Q1 jeszcze nie może, bo jego połączenie C-E jeszcze tego nie umożliwia (brak prądu na bazie). Następuje nasycenie tranzystora Q2, co umożliwia zasilenie odbiornika mocy M8 wraz z rezystorem R2 i one wymuszają przepływ prądu z zewnętrznego źródła napięciowego. Jednocześnie natomiast z racji obecności opornika R2, część prądu płynie do tranzystora Q1, umożliwiając przepływ między jego złączem C-E z Arduino do uziemienia, co zmniejsza przepływ prądu do bazy tranzystora Q2. W ten sposób powstało sprzężenie zwrotne.
W tym wypadku "nadmiar" prądu płynący przez odbiornik powoduje większe otwarcie tranzystora Q1 regulując prąd płynący do Q2, żeby nie był za wysoki.

Z tego co znalazłem to ten rezystor R2 jest "czujnikiem prądowym" i służy do regulacji ilości prądu przepływającego przez odbiornik i w moim wypadku około R1=1kOhm i R2=20 Ohmów zapewnia w okolicach 30mA na odbiorniku.
Byłbym wdzięczny, za potwierdzenie, czy moje rozumienie tego rozwiązania jest prawidłowe?
Czy tak jak w lustrze oba tranzystory wypadałoby ze sobą złączyć, by pracowały w takich samych temperaturach?
I czy taki układ ma jakąś swoją specyficzną nazwę?

Edytowano 17 czerwca przez PrzeMoc
Korekta gramatyczna

[jand]

3 godziny temu, PrzeMoc napisał:

Następuje nasycenie tranzystora Q2,

Aby to źródło prawidłowo działało żaden tranzystor nie może być w nasyceniu, po prostu przewodzi, będąc w obszarze aktywnym.

Reszta rozumowania jest OK.

3 godziny temu, PrzeMoc napisał:

Czy tak jak w lustrze oba tranzystory wypadałoby ze sobą złączyć, by pracowały w takich samych temperaturach?

Nie ma potrzeby, bo w tym układzie zmiany temperaturowe i tak by się nie kompensowały.