Kurs elektroniki – #7a – tranzystory bipolarne w praktyce

[MatJas]

Hej, nie mogłem dojść do ładu ze zrozumieniem wzmocnienia prądowego i innych zjawisk związanych z działaniem tranzystorów więc zrobiłem kilka pomiarów którymi chciałem się podzielić. Może komuś coś rozjaśnią:

Zmiany w układzie: rezystor 220Om zamiast 1k przy diodzie i zasilanie 6V zamiast 9V. 

/*
Rb(Ω)   Ib(A)   Ic(A)   Ic/Ib  Ube (V)  Uce (V)
2.7K    2.0m    17.6m   8      775.0µ   62.0µ
3.3K    1.6m    17.6m   10     771.0µ   67.0µ
4.7K    1.1m    17.6m   15     765.0µ   74.0µ
5.1K    1.1m    17.6m   16     764.0µ   76.0µ
10.0K   520.0µ  17.5m   33     754.0µ   96.0µ
22.0K   246.0µ  17.4m   70     747.0µ   125.0µ
51.0K   105.0µ  17.1m   162    739.0µ   198.0µ
100.0K  51.0µ   15.0m   294    720.0µ   784.0µ
220.0K  24.0µ   7.5m    312    694.0µ   2.5
470.0K  12.0µ   3.7m    305    673.0µ   3.3
820.0K  6.5µ    2.6m    400    656.0µ   3.7
1.0M    5.5µ    1.7m    316    651.0µ   3.8
1.1M    5.0µ    1.6m    311    694.0µ   3.8
1.2M    4.5µ    1.4m    311    673.0µ   3.9
1.5M    3.7µ    1.6m    432    656.0µ   3.9
1.8M    3.0µ    911.0µ  303    651.0µ   4.0
2.0M    2.8µ    842.0µ  300    629.0µ   4.0
3.0M    2.7µ    549.0µ  203    613.0µ   4.1
4.0M    1.8µ    409.0µ  227    601.0µ   4.1
5.0M    1.4µ    410.0µ  292    591.0µ   4.1
6.0M    1.1µ    324.0µ  294    579.0µ   4.2
7.0M    900.0n  267.0µ  296    568.0µ   4.2
8.0M    800.0n  229.0µ  286    555.0µ   4.2
9.0M    700.0n  199.0µ  284    540.0µ   4.2
10.0M   600.0n  177.0µ  295    520.0µ   4.2

Rb - rezystor bazy
Ib - prąd bazy
Ic - prąd kolektora
Ic/Ib - wzmocnienie prądowe
Ube - napięcie baza-emiter
Uce - napięcie kolektor-emiter
*/

Można z tego zestawienia wyciągnąć parę ciekawych obserwacji/wniosków na początek:

Napięcie baza-emiter jest praktycznie stałe dla wszystkich rezystancji.

We wszystkich przypadkach dioda świeciła się, choć dla większych rezystancji słabiej. Spodziewałem się, że nie będzie świecić w ogóle w związku z bardzo małymi wartościami prądu. Czy coś ciekawego z tej obserwacji powinno wynikać?

Wzmocnienie prądowe utrzymuje się na stałym poziomie ~300 dla rezystora bazy >=100K

Napięcie kolektor-emiter wyraźnie rośnie również w okolicach rezystora bazy >=100K. Czy to oznacza że tranzystor nie jest wtedy w stanie nasycenia?  I czy spowodowane jest to tym że tranzystor jest maksymalnie otwarty i w zasadzie nie wyrabia z dostarczeniem/przepuszczeniem prądu  optymalnego dla układu?

Maksymalny prąd kolektora zawiera się w przedziale17-18mA. Kiedy dobierałem rezystor 220 do diody, to spodziewałem się  ~30mA. Czy ten spadek jest spowodowany wewnętrznym oporem tranzystora?

Edytowano Luty 4, 2020 przez MatJas
aktualizacja formatowania tabeli

[Treker (Damian Szymański)]

@MatJas witam na forum!

3 godziny temu, MatJas napisał:

We wszystkich przypadkach dioda świeciła się, choć dla większych rezystancji słabiej. Spodziewałem się, że nie będzie świecić w ogóle w związku z bardzo małymi wartościami prądu. Czy coś ciekawego z tej obserwacji powinno wynikać?

Na pewno trzeba pamiętać o tym, że nowoczesne diody świecą już przy bardzo małym prądzie. Przy 20 mA diody świecą stosunkowo jasno, a delikatne świecenie będzie już czasami widać nawet przy prądzie typu 1 mA lub mniej 🙂

[Sabre]

8 godzin temu, MatJas napisał:

Napięcie baza-emiter jest praktycznie stałe dla wszystkich rezystancji.

Nie jest stałe, gdy rezystor bazy był zbyt dużej wartości (powyżej 100k), napięcie baza emiter było zbyt niskie aby tranzystor się otworzył. No napięcie jest w okolicach 0,6V i u Ciebie gdy zmieniłeś rezystor bazy z 200k na 100k to tranzystor nagle zaczął przewodzić. Może to niewielka różnica dla Ciebie, ale te 0,1V pomiędzy 0,5 a 0,6V to różnica pomiędzy tranzystorem zatkanym a otwartym. Spadło też od razu napięcie C-E gdy tranzystor zaczął przewodzić. Widać też wyraźnie moment nasycenia tranzystora gdy spadek napięcia C-E przestaje maleć i jest to w okolicach prądu bazy powyżej 1mA.

 

8 godzin temu, MatJas napisał:

We wszystkich przypadkach dioda świeciła się, choć dla większych rezystancji słabiej. Spodziewałem się, że nie będzie świecić w ogóle w związku z bardzo małymi wartościami prądu. Czy coś ciekawego z tej obserwacji powinno wynikać?

Diody obecnie produkowane potrafią świecić już od bardzo małych prądów, rzędu µA więc nie jest to nic niezwykłego. Do tego dodam to jako ciekawostkę, że przy bardzo ale to bardzo małych prądach dioda świeci jaśniej niż powinna świecić przy przepływie tego prądu. Nie pamiętam tylko jakich konkretnie to dotyczyło warunków ale na pewno były to warunki laboratoryjne i prądy rzędu µ czy nawet nA. Ale zaobserwowano zjawisko pobierania ciepła z otoczenia przez diodę przez co dioda świeciła jaśniej 😀. Nie spodziewałbym się jednak lodówek czy klimatyzatorów działających na tej zasadzie. Dla wszystkich sceptyków, to były jakieś naukowe badania, ale z racji, że było to już co najmniej kilka lat temu to nie dysponuję żadnym linkiem prowadzącym do tych badań. Jak ktoś poszuka to pewnie znajdzie.

8 godzin temu, MatJas napisał:

Napięcie kolektor-emiter wyraźnie rośnie również w okolicach rezystora bazy >=100K. Czy to oznacza że tranzystor nie jest wtedy w stanie nasycenia?

Tranzystor wtedy nie przewodzi w ogóle.

8 godzin temu, MatJas napisał:

Maksymalny prąd kolektora zawiera się w przedziale17-18mA. Kiedy dobierałem rezystor 220 do diody, to spodziewałem się  ~30mA. Czy ten spadek jest spowodowany wewnętrznym oporem tranzystora?

Nie mogłeś uzyskać większego prądu kolektora dla napięcia zasilania 6V. Policzmy to, spadek napięcia na rezystorze dla prądu 17,6mA będzie wynosił U=I*R=0,0176A*220Ω=3,87V tak więc spadek napięcia na diodzie dla tego prądu będzie wynosił w zasadzie 6V-3,87V=2,13V. Zakładając, że użyłeś czerwonej diody to jest to napięcie niewiele po jej napięciu przewodzenia. Tak więc gdybyś chciał uzyskać wyższy prąd musiałbyś użyć wyższego napięcia zasilania, bądź sporo mniejszego rezystora. Szczegółowiej należy dodać, że tranzystor przy prądzie bazy powyżej 1mA był już w stanie nasycenia i wartość prądu C-E wynika już wtedy tylko i wyłączenie z połączonych w gałęzi C-E elementów czyli diody i jej rezystora. Cały spadek napięcia masz już tylko na rezystorze i diodzie.

[grg0]

@MatJas możesz też w miejsce diody i rezystora 220Ω wstawić pojedynczy rezystor 10kΩ i robiąc te same pomiary sprawdzić czy faktycznie tranzystor nie nasyca się przy rezystorach bazy większych od 100kΩ. Pomiary można powtórzyć dla różnych rezystorów w kolektorze np.: 100kΩ i 1MΩ, i spróbować wyciągnąć jakieś wnioski.

Jeżeli napięcie U_CE jest mniejsze od 6V, ale większe od U_CEsat to tranzystor jest otwarty i przepuszcza przez siebie tyle prądu ile może w zależności od wzmocnienia prądowego w danych warunkach.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[MatJas]

Dzięki wszystkim za pomocne dowyjaśnienia. Fajnie poczytać artykuły i samemu to pomierzyć, ale chyba najważniejszy jest feedback starych bywalców którzy się tą materią żywią. Poniżej rezultaty i szybka analiza pomiarów zaproponowanych przez @grg0

/*
Prąd kolektora w zależności od prądu bazy (A):
        Rb->
Rc      2.7K    5.1K    10.0K   22.0K   51.0K   100.0K  220.0K  470.0K  1.0M
56.0    99.6m   87.0m   72.5m   58.2m   32.9m   17.5m   8.4m    4.0m    1.9m
68.0    83.0m   79.3m   67.2m   55.0m   32.3m   17.0m   8.4m    4.0m    1.9m
100.0   59.5m   59.2m   56.1m   47.6m   30.8m   16.5m   8.1m    3.9m    1.8m
1.0K    6.2m    6.2m    6.2m    6.2m    6.2m    6.1m    6.0m    3.6m    1.7m
2.7K    2.3m    2.3m    2.3m    2.3m    2.3m    2.3m    2.3m    2.3m    1.7m
5.1K    1.2m    1.2m    1.2m    1.5m    1.2m    1.1m    1.1m    1.1m    1.1m
10.0K   595.0µ  595.0µ  595.0µ  595.0µ  593.0µ  592.0µ  591.0µ  588.0µ  586.0µ


Napięcie kolektor-emiter w zależności od prądu bazy (V):
        Rb->
Rc      2.7K    5.1K    10.0K   22.0K   51.0K   100.0K  220.0K  470.0K  1.0M
56.0    320.0m  1.1     1.9     2.7     4.2     5.0     5.6     5.8     5.9
68.0    220.0m  510.0m  1.4     2.2     3.8     4.9     5.5     5.8     5.9
100.0   150.6m  196.3m  528.0m  1.4     3.0     4.4     5.2     5.6     5.8
1.0K    26.0m   35.0m   46.0m   64.0m   92.0m   124.0m  192.0m  2.6     4.4
2.7K    14.6m   19.0m   24.0m   36.0m   57.0m   80.0m   106.0m  145.0m  1.7
5.1K    11.0m   12.0m   15.8m   24.1m   40.2m   58.6m   82.2m   108.6m  150.6m
10.0K   8.7m    8.9m    1.1m    1.6m    27.3m   42.2m   62.1m   84.3m   111.1m


Wzmocnienie prądowe Ic/Ib:
        Rb->
Rc      2.7K    5.1K    10.0K   22.0K   51.0K   100.0K  220.0K  470.0K  1.0M
56.0    49      82      139     236     313     343     352     335     338
68.0    41      74      129     223     307     333     348     332     336
100.0   29      55      107     193     293     323     339     323     329
1.0K    3       5       11      25      58      119     252     301     312
2.7K    1       2       4       9       22      45      95      190     305
5.1K    0       1       2       6       10      22      47      94      205
10.0K   0       0       1       2       5       11      24      49      106

Rc - rezystor kolektora
Rb - rezystor bazy
*/

Rzucają mi się w oczy dwie rzeczy:

Widać tutaj wyraźnie że dla wzmocnienia prądowego <~100 (a w kilku przypadkach <~200) napięcie kolektor-emiter jest bardzo małe więc tranzystor jest nasycony.

Wydajność tranzystora spada bardzo szybko dla dużych prądów kolektora przy bardzo małych spadkach prądu bazy. Jak rozumiem, do takich zastosowań (przepuszczanie stosunkowo dużych prądów) ten typ tranzystorów się najczęściej używa więc to chyba najważniejsza i najciekawsza częśc pomiarów?

[Wojteek]

Mam pytanie do bywalców i mądrzejszych ode mnie (czyli znacznej większości jak nie wszystkich 🙂 )  Czy rezystor to w skrócie przekaźnik "zał/wył" tylko pracujący na niższych parametrach: ("Dzięki niemu z naszego delikatnego układu pobierzemy tylko mały prąd, który "powie" tranzystorowi, że ma się "włączyć" i wziąć na siebie ten duży prąd") czy jednak coś więcej? Bo jeśli  dobrze zrozumiałem z artykułu, to napięcie C-E zależy od napięcia B-E? (" zmieniając prąd bazy, czyli ilość odprowadzanych elektronów, regulujemy prąd kolektora"). Bo różnica napięć i prądów (w moich pomiarach przy różnych rezystorach) niewielka. W skrócie: Czy mogę np arduinem zasterować tranzystor który załączy mi cewkę przekaźnika 12V? 

[grg0]

Tranzystor w nasyceniu pracuje jako klucz, czyli w przypadku tranzystora NPN łączy nam obwód do masy. Może przepuścić jakiś maksymalny prąd przy jakimś napięciu U_CEsat. Zazwyczaj chcemy przez tranzystor przepuścić prąd znacznie mniejszy od maksymalnego (I_c<<β*I_B) i dlatego prąd płynący przez kolektor jest zależny tylko od rezystora RC. Pisał o tym wyżej @Sabre. Skoro prąd kolektora nie zależy od prądu bazy to nie można policzyć wzmocnienia prądowego. Mam nadzieję, że widzisz to w tabelkach z pomiarami.

Wzmocnienie prądowe na pewno zależy od prądu kolektora (im większy prąd tym mniejsze wzmocnienie) i od napięcia U_CE. Przy tranzystorach pracujących jako klucz zależy nam na jak najmniejszym napięciu U_CE i dużym prądzie I_C, i dlatego musimy dawać duży prąd bazy żeby to osiągnąć.

O trazystorach/kluczach było dużo na forum. Więcej pisał o tym @marek1707.

I w tym wątku:

 

Edytowano Luty 5, 2020 przez grg0

[Wojteek]

Dzięki za wyjaśnienie. Próbowałem z mercedesa zaprzęg konny zrobić.  Powinienem najpierw przeczytać cały kurs albo nr 9 powinien być przed tranzystorami. Bo o proste przekaźniki mi chodziło i zastanawiałem się czy tranzystor je zastępuje  

[Zuraw]

Jak odróżnić tranzystor PNP  od tranzyztora NPN  bo nie wiem ☹️☹️

[Belferek]

Może omomierzem. Przy sprawnym tranzystorze + na bazę i - na emiter omomierz pokaże przewodzenie dla tranzystora NPN, a dla PNP odwrotnie. Z pewnością warto zajrzeć do noty katalogowej tranzystora.

Edytowano Luty 10, 2020 przez Belferek

[Treker (Damian Szymański)]

@Zuraw najszybciej wpisać symbol do wyszukiwarki z dopiskiem "datasheet" i sprawdzić w nocie katalogowej 🙂 Tranzystory nie mają na obudowach żadnych oznaczeń, które określą ich typ.

[Sabre]

@Zuraw najprościej za pomocą testu diody. Tranzystor NPN i PNP składa się niejako z 2 diod połączonych od emitera i kolektora do bazy. Testem diod odróżnisz w którą stronę są ułożone diody. Tranzystor NPN przewodzi od bazy do emitera i kolektora a PNP od kolektora do bazy i emitera do bazy. Szukaj w google model diodowy tranzystora NPN i PNP.

[Wojteek]

Tak wyszło z mojej zabawy.Wnioski na szybko:

1.Przy NPN Ic (w zależności od Ib) nie zmienia się wcale (chociaż wzmocnienie już tak), a przy PNP znaczne różnice prądu (a wzmocnienia prawie wcale)

2. Przy NPN napięcie jest rzędu mV a przy PNP już w V. I to jest jednostka dla mnie bardziej "namacalna", bo chociażby "coś zrobi" 🙂. Dla mnie jako "budowlańca" jak prund nie kopie panie to ni ma fazy więc jakieś tam mV to... 

3. Spadek Ib = wzrost β - chociaż przy PNP tyle co kot napłakał

 

Oczywiście miło by było, gdyby ktoś wyszydził moje wnioski i napisał czy dobrze rozumuję  

Edytowano Luty 10, 2020 przez Wojteek

[grg0]

Skoro prąd kolektora nie zmienia się w zależności od prądu bazy to znaczy, że wzmocnienie prądowe jest na tyle duże i że prąd kolektora zależy tylko od rezystora wpiętego szeregowo z kolektorem. Oznacza to, że nie da się policzyć wzmocnienia prądowego. Było o tym na poprzedniej stronie w tym wątku, w artykule i pewnie jeszcze w paru innych miejscach. Jeżeli tranzystor PNP podłączyłeś w miejsce tranzystora NPN, bez zmiany polaryzacji zasilania, to trudno mówić o liczeniu wzmocnienia prądowego. To co widać to pewnie przebicie złącza B-E spolaryzowanego w kierunku zaporowym, a może odwrotnie podłączony tranzystor NPN, nie potrafię tego zinterpretować. W swoich rozważaniach założyłem napięcie zasilania 6V i rezystory w gałęziach bazy i kolektora.

[Wojteek]

Oczywiście polaryzację zmieniłem. Nie pomyślałem rozrysować sobie układu, zanim go rozebrałem - może gdzieś był błąd.