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Transistor BJT II
© Roland Küng, 2011
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Bias –BerechnungNäherung mit iB = 0
Vereinfachungen:• Spannungsteiler an Basis unbelastet• IC = IE
Do not forget: check Diode Operation
gilt für β >>100 oderR1, R2 << β/10 * RC, RE
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2CCBB RR
RVV
+=
7.0VV BE −=
CE
EE I
RV
I ==
CCCCC RIVV ⋅−=
Arbeitspunkt: engl. Bias
3
60k
10 V
40k
4k
3k3
Vereinfachungen:• Spannungsteiler an Basis unbelastet• IC = IE
Do not forget: check Diode Operation VCB und IB ≈ 0 Assumption
IC =
VE =
VC =
VCB =
Arbeitspunkt: engl. Bias
Bsp –BerechnungNäherung mit iB = 0
L: IC = 1 mA,, VC = 6 V, VCB = 2 V
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Unstabile Bias-Einstellung
Serie-Widerstand in Basis, ohne RE: IB ≠ 0 Annahme ist hier notwendig !
IB = (5 - 0.7) / RB
IC = β IB
Nachteil: IC hängt direkt von β ab !!!
Berechnungsgang:
Nicht zu empfehlen für Verstärkerdenn β streut um Faktor 2…4
+ 5V + 5V
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Stabile Bias-Einstellung I
RE macht IC unabhängiger von β
Emitter Feedback Bias
RE
VBB VCC
RCRB
Praktische Ausführung
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Stabile Bias-Einstellung I Analyse mit IB ≠ 0
Transformation nach Thevenin empfohlen für einfachen Berechnungsgang
Wann?
β klein, << 100oderR1, R2 >> β/10 * RC, RE
BE I)1(I +β=Nutze: BC II β=
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RE
B
EBBBB R
)RI)1(7.0V(I
⋅⋅+β−−= Solver liefert IB
P.S.: für grosse β bzw. RB/β << RE/10 :
EB
BB
EB
BBC
RR
)7.0V(
R1R
)7.0V(I
+β
−≈
β
+β+
β
−=
E
BBC R
)7.0V(I
−=Emitter Bias
unabhängig von β !
Analyse:
Design Gleichung:
VBB VCC
RCRB
Stabile Bias-Einstellung I Analyse mit IB ≠ 0
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Bsp. Arbeitspunkt mit IB ≠ 0
Rechnen sie Schritt für Schritt nach!
β=100
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Stabile Bias-Einstellung II
RB über CB macht IC unabhängiger von β
RE
B
CBCCB R
)RI)1(7.0V(I
⋅⋅+β−−= Solver liefert IB
CB
CC
CB
CCC
RR
)7.0V(
R1R
)7.0V(I
+β
−≈
β
+β+
β
−=
Kollektor-Feedback Bias
P.S.: für RB/β << RC wenig geeignet:
C
CCC R
)7.0V(I
−=
Analyse:
Design Gleichung:
zwar unabhängig von β, aber VCB = 0V
Wahl: RB/β ≈ RC
IB ≠ 0 Annahme isthier notwendig !
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Anwendung v.a. für Verstärker
Arbeitspunkt stabil durch RE undunabhängig von Quelle Rsig und Last RL
CE schliesst RE für Signal kurz
C‘s gross genug machen: Koppel-Csind für Signal Kurzschluss
Mehr dazu in EK2
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Zweistufiges Beispiel
β > 400
Gesucht:Spannungen Ströme
L: IB = 0, IE1 = 1.15 mA, VC1 = 6.7 V, VCE1 = 4.4 V, IE2 = 16 mA, VC2 = 1.6 V, VCE2 = 5.8 V
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Transistor als Schalter
Last hochohmig (rote Linie)�
VCB < 0 V�
BC Diode leitet auch�
VCB max -0.7 V�
VCE � 0 V Praxis 0.1...0.3 V
verhält sich wieQC: Schalter auf ON
Annahme: Diode VBE leitet
QD: Schalter OFF: VBE < 0.7 V machen
QC
QD
m
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Transistor als Schalter
Off
On
Modell
• Beide Dioden off
• Beide Dioden on• IB fliesst über E und C nach Gnd
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Transistor als Schalter
Häufige Anwendung: Logik schaltet Last
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Transistor als SchalterDie Dimensionierung
Schalter OFF: VC = VCC
VBE = 0 V machen (ist unabhängig von Last)
Schalter ON: VCE ≈ 0 V, Last Rc gegeben
Annahme VCE = 0 V bzw. VC = 0 V
Berechne ICSetze IB > IC/βmin z.B. 2…10 mal grösser
Berechne RB
Schalter invertiert!
vI = 0 V � VC = VCCvI = VBB � VC = 0
Im Datenblatt:βmin suchen
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Transistor als Schalter
Beispiel: Ansteuerung LED mit Logiksignal 0V / 5V
OFF: VBB = 0 V � VBE = 0 V
ON: VCE = 0 V � ILED = 10 mA
IB = 1mA (Reserve 4)
R2 = (5 - 0.7)/ 1m = 4.3 kβmin = 40
VF = 2V
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Transistor als Schalter
Ihr Beispiel: Ansteuerung Relais mit Logiksignal 0V / 3.3V
OFF:
ON:
βmin = 40
24 V
240
240
Diode:Freilaufdiodewegen vL = LdiL/dt,iL darf nicht springen!
Lösung: IC = 50 mA, IB = 2.5 mA, RB = 1 k
Reserve Faktor 2
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Ausschaltvorgang
Grund: • BC- und BE- Diode mit Ladungsträgern
überflutet• Ausräumen erfordert Zeit• Schalter sperrt verzögert
Der Transistor schaltet nicht sofort aus!Verzögerung abhängig von Dimensionierung und Stromstärke
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Ausschaltvorgang
Abhilfe:• SD verwenden da kein Ladungsspeichereffekt• Schottky Diode mit Fluss Spannung 0.3 V• SD übernimmt anstelle BC Diode• Transistor arbeitet ungesättigt• IB ist genau richtig eingestellt • Dimensionierung gleich
Nachteil: • VCE erreicht nicht mehr ganz 0V
sondern typisch 0.4 V• SD Nicht für Hochspannung geeignet
Berechnung• wie ohne SD• Reservestrom fliesst durch SD
Schottky Diode (SD)
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Ausschaltzeiten
Schottky Dioden Problem: Geringe Sperrspannung < 40 V
Alternative: Baker Clamp
• Standard Dioden verwenden• DF verhindert Sättigung im BJT• DB wegen Flussspannung von DF, so dass BC Diode sicher sperrt• DR wegen DB, erlaubt Ladungsabfluss aus Basis beim Abschalten
Und PNP ?Weil sich Löcher langsamer bewegen als Elektronen sind PNP in schnellen Schaltanwendungen weniger bevorzugt
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TTL Inverter
Dioden in T4: BE und BC: Vein = 0 V: BE ON Strom fliesst nur zum Eingang, BC OFFVein = 5 V: BE OFF, BC ON, Strom fliesst in T3
0/5
5/1
0/0.7
3.6/0.3
Bsp. TINA Sim
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ZusammenfassungBipolar Transistoren sollten für den Arbeitspunkt möglichst unabhängig von β eingestellt werden.Dies geschieht mit Emitter Bias oder Kollektor-Feedback Bias.Beim Schalter mit Reserve auf βmin arbeiten.
Bei Designs mit kleine β und hochohmiger Basiswiderständen darf IBnicht mehr vernachlässigt werden.
Für induktive Lasten (Relais, Motoren..) muss eine Freilaufdiode den Stromsprung in der Induktivität verhindern und so den Transistor vor Überspannung schützen.
Transistor als Schalter nutzt die Betriebszustände BE-Diode OFF
sowie BE-Diode und BC-Diode ON. Transistor in Sättigung. Die Sättigungsspannung VCE beträgt < 100 mV.IB sollte etwas mehr als den für βmin berechneten Wert haben.Schottky Diode macht Ausschaltvorgang schneller durch Verhinderung der Sättigung. Nachteil: VCE = 300 mV.
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IB≠0 IB≠0
IB≠0IB=0
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Praxis Switch Design
ohne SD:VCC = 12 VVin = 0/5 V, 1 HzILED = 10 mAβmin > 50
T1/T2 Zustände? Berechnen und aufbauen:VCC = 12 VVin = 0/5 V 1 Hz On/OffILED = 9 mAβmin > 50
Verkehrsampel ModellbauµP gesteuertes Relais gegen Masse
Vin
Anzeige
mit SD:Vin 0/5 V, 10 kHzToff messenVergleich rot/grün
240
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L: Praxis Switch Design
ohne SD:VCC = 12 VVin = 0/5 V, 1 HzILED = 10 mAβmin > 50
T1/T2 Zustände? Berechnen und aufbauen:VCC = 12 VVin = 0/5 V 1 Hz On/OffILED = 9 mAβmin > 50
Verkehrsampel ModellbauµP gesteuertes Relais gegen Masse
Vin
Anzeige
mit SD:Vin 0/5 V, 10 kHzToff messenVergleich rot/grün
Reserve 145k
23k5
1k1k
50mA
1mA
10mA
9mA
23k5
11k3
240
Reserve 1