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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