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Transistor BJT I
© Roland Küng, 2009
Aufbau-BezeichnungenTyp NPN
Typ PNP
Aufbau Praktisch
Typ NPN
• B Schicht dünn• E Schicht hoch dotiert (viel Phosphor bei n, Bor bei p)
E
B
C
Funktionsweise I
• E hoch dotiert viele freie Elektronen, B niedrig dotiert wenig freie Löcher• BC Diode wird in Sperrrichtung vorgespannt • BE Diode wird in Flussrichtung vorgespannt Löcher werden von B nach E , Elektronen von E nach B injiziert
Funktionsweise II
• Wegen hoher Dotierung von E fliessen viele Elektronen in die Basis • Da Basis Schicht sehr dünn die meisten Elektronen schaffen es bis zur
Kollektor Grenzschicht (Diffusionsprozess)• Dort werden die Elektronen (Minoritätsträger in Basis) vom Kollektor über
die Grenzzone angezogen
pn sperrendpn leitend
E B CHoch dotiert tief dotiert normal
-
Diode
Transistor
Funktionsweise populär
Für die Elektronen des Emitters stellt die E-B-Grenzschicht energetisch geseheneinen "Berg" dar, sie müssen durch eineäußere Spannung vBE in diese Grenzschichtgeschoben werden.
Ebenso stellt die B-C-Grenzschicht für dieLöcher der Basis einen "energ. Berg" dar,der durch die Sperrspannung vBC hoch ist.
Für die Elektronen, die vom Emitter ausin die p-Schicht gelangt sind, stellt die B-C-Grenzschicht dagegen eine"energetische Rutsche" dar. Sie werden durch die elektrischenAnziehungskräfte zum Kollektor gezogen.
Modell; http://www.learnabout-electronics.org/bipolar_junction_transistors_05.php
T- Ersatzbild NPN
iE = iC + iB iC = α iE
TBE V/vSC eIi = iE = iC + iB
Effektives Is von BE Diode
α ≈ 1
Einfaches Modell mit VD = 0.7 V
VCB > 0 VCB > 0
π- Ersatzbild NPN
iE = iC + iBiC = β iB
TBEV/v
SCeIi = iE = iC + iB
β sehr gross
Einfaches Modell mit VD = 0.7 V
VCB > 0 VCB > 0
Effektives Is von BE Diode
T- Ersatzbild PNP
Ströme:nur Pfeilrichtungen sind geändert
Spannungen:nur Polaritätsrichtung geändert (CB BC
BE EB)
iE = iC + iBTBE V/v
SC eIi =
VBC > 0
=ααααiE
Transistor “linear” or “off” ?
Diodenbetrieb widerspruchsfreiBE - Diode onVCB > 0 V BC - Diode off
Bedingung
PraktischeRealisation
Test: Handrechnung
5 kΩΩΩΩ
7 kΩΩΩΩ
+
+
BE - Diode onBC - Diode off
Linearer Betrieb
Transistor “on” and “linear” ?
Ihre Beispiele
2 kΩΩΩΩ2 kΩΩΩΩ
+ 1 V
L: off, on/lin, on/not lin, on/lin
Kennlinie NPN
vCB
iC
-
CB leitet CB sperrt
BE sperrt
Off
On
Kennlinie NPN
nicht massstäblich!VA typ. 100 V
vCE
iC
vBE
< 0.7 V
Off
On
vBE
> 0.7 V
ib
= …
ib
= …
ib
= …
ib
= …
Kennlinie NPN Beispiel
vCE
vBE
iC
iB
Steigung β
BJT Kennlinie ausmessen
1. Connect the NPN 2N2219A on the Lab Board as shown in Fig. Let RC= 2.7 kΩΩΩΩ, RB = 1 MΩΩΩΩand RE = 100 ΩΩΩΩ. Let VCC = 5 V.
Circuit Measurements
BCII β=
1+β
β=α
Grafik zeichnen:
BJT Kennlinie ausmessen
Kennlinie NPN idealIE
e
Golden Rules BJT
• Spannung Basis-Emitter ist konstant 0.7 V
• Emitterstrom ist gleich gross wie Kollektorstrom
• Kollektorstrom hängt nicht von Spannung vCE ab
• Basis-Kollektor-Diode muss sperren
• Kollektorstrom iC ist proportional zum Basisstrom iB
• Proportionalitätsfaktor: Stromverstärkung iC/iB = β
• Typischer Wert β (wenn nichts spezifiziert): β = 100
Arbeitspunkt Wahl I
Arbeitspunkt Wahl II
Graphische Überlegung
Arbeitspunkt
Signal
Arbeitspunkt Wahl III
Graphische Überlegung
Last
Analyse Arbeitspunkt IB = 0
Vereinfachungen:• Spannungsteiler an Basis unbelastet• VBE = 0.7 V, IC = IE
Do not forget: check BC Diode Operation: must be off
gilt für β ∞
21
2CCBB RR
RVV
+=
7.0VV BBE −=
CE
EE I
RV
I ==
CCCCC RIVV ⋅−=
Erzeugung von VBB
Design Beispiele
Berechnung VOUT für 75 Grad Celsius
Transistor Bauformen
Transistor Data Sheet
Transistor Data Sheet
β = hFE
VBE
Switch
Synthese ArbeitspunktGuidance 1
Vcc/2
Vcc/2
Vcc/3
Vcc/3
Vcc/30.7
0.7
2 Elemente über VCC-VEE
VEE
VEE
3 Elemente über VCC-VEE
Synthese für:
VCC und RC oder IC vorgeben
Synthese ArbeitspunktGuidance 2
IE
IE/10
IE/10 IE/100≈0
IC
VCC und RC oder IC vorgeben
Zusammenfassung
Bipolar Transistoren gibt es in NPN und PNP Aufbau. Symbolpfeil zeigt in Richtung Emitterstrom im linearen Betrieb.Die BE Diode muss in Flussrichtung gepolt sein VBE = 0.7 V,die BC Diode in Sperrrichtung im linearen Betrieb.
Golden Rules: Kollektorstrom entspricht dem linear um typ. Faktor β = 100. verstärkten Basisstrom. wenn BE-Diode leitet und BC-Diode sperrt.VBE = 0.7 V.VCB kann beliebig sein, solange BC-Diode sperrt.
Dimensionierung Handentwurf: Speisespannung gleich verteilen.VBE = 0.7 V, IE vorgeben oder Last RC.. Querstrom Basisteiler ≈ IC/10. iB = 0. iE = iC.
Praxis Design Beispiel
Aufgabe 1:Mit Hilfe der Design Guidanceberechne sie RB1, RB2, RC, RE
für die LED Vorgabe (rot)
Aufgabe 2:Messen sie VC, VE, VB am Transistor Vergleich mit Rechnung, Berechnen sie IC.Messen sie IB und bestimmen sie β
Aufgabe 3:Temperatur-, Brandalarm:Ersetzen sie in der Fig. RB2 durch PTC und tauschen sie RE gegen eine 3V9 Z DiodeWie funktioniert der Alarm ?
Aufgabe 4 - Advanced:Ändern sie die Schaltung für PNP TypGleiche Versorgungsspannung, gleiche LED
Einbruch Alarm, Optische Klingel…
BC107, BCY59