Tranzystory Bipolar Junction w trybie aktywnym

The Internet of Things by James Whittaker of Microsoft (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Tranzystory Bipolar Junction w trybie aktywnym

Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe i obwody


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zanotuj wszystkie wartości składowe przed budową obwodu, wybierając wartości rezystorów wystarczająco wysokie, aby uszkodzić jakiekolwiek aktywne komponenty, które są mało prawdopodobne.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Kiedy uczniowie najpierw zapoznają się z urządzeniami półprzewodnikowymi i najprawdopodobniej ich uszkodzą poprzez niewłaściwe połączenia w swoich obwodach, polecam eksperymentować z dużymi komponentami o dużej mocy (diody prostownicze 1N4001, tranzystory mocy TO-220 lub TO-3) itp.), a zamiast tego korzysta się z zasilanych bateriami suchych ogniw. Zmniejsza to prawdopodobieństwo uszkodzenia podzespołów.

Jak zwykle, unikaj bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystorów, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" licznika (na wyższym końcu) i uniknąć wypalenia tranzystora (na niskim końcu). Polecam rezystory od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

Modele złożonych elementów elektronicznych są użyteczne w analizie obwodów, ponieważ pozwalają nam wyrazić przybliżone zachowanie urządzenia w kategoriach idealnych komponentów ze stosunkowo prostymi matematycznymi zachowaniami. Tranzystory są dobrym przykładem komponentów często modelowanych w celu analizy obwodów wzmacniacza:

Należy zrozumieć, że modele nigdy nie są doskonałymi replikami prawdziwej rzeczywistości. W pewnym momencie wszystkie modele nie są w stanie precyzyjnie naśladować modelowanego obiektu. Jedynym prawdziwym problemem jest to, jak dokładne chcemy nasze przybliżenie: które cechy najbardziej nas interesują, a które nie.

Na przykład podczas analizy odpowiedzi obwodów wzmacniacza tranzystorowego na małe sygnały prądu przemiennego często zakłada się, że tranzystor będzie "odchylony" przez sygnał DC, tak że dioda bazy-nadajnika zawsze przewodzi. Jeśli tak jest, a wszystko, co nas interesuje, to jak tranzystor reaguje na sygnały AC, możemy bezpiecznie wyeliminować złącze diody z naszego modelu tranzystora:

Jednak nawet przy 0, 7 woltowym (nominalnym) spadku napięcia DC nieobecnym w modelu, nadal istnieje pewna impedancja, z jaką napotkany zostanie sygnał AC, gdy przepływa przez tranzystor. W rzeczywistości w samym tranzystorze występuje kilka wyraźnych impedancji, zwykle symbolizowanych przez rezystory i małe litery "r":

Z punktu widzenia prądu przemiennego przechodzącego przez złącze bazy-emiter tranzystora wyjaśnij, dlaczego następujące modele tranzystorów są równoważne:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Te dwa modele są równoważne, ponieważ dany prąd (i b ) spowoduje dokładnie taką samą wielkość spadku napięcia między bazą i emiterem (v = ir):

v = i b r ' b + (i b + βi b ) r' e Model lewostronny

v = i b (r ' b + (β + 1) r' e ) Model prawostronny

Matematyczna równoważność tych dwóch wyrażeń może być przedstawiona przez faktoring i b ze wszystkich wyrażeń w równaniu modelu z lewej strony.

Uwagi:

Celem tego pytania jest zapoznanie studentów z koncepcją modelowania BJT, a także zapoznanie ich z niektórymi symbolami i wyrażeniami powszechnie używanymi w tych modelach (a także trochę teorii sieci rezystorów DC i algebry, oczywiście !).

pytanie 3

Linie obciążenia są użytecznymi narzędziami do analizy obwodów wzmacniacza tranzystorowego, ale na początku mogą być trudne do zrozumienia. Aby pomóc ci zrozumieć, do czego służą "linie obciążeniowe" i jak są one określone, zastosuję jeden do tego prostego obwodu dwóch rezystorów:

Będziemy musieli wykreślić linię obciążenia dla tego prostego obwodu dwuzaworowego wraz z "krzywą charakterystyczną" dla rezystora R1, aby zobaczyć korzyść z linii obciążenia. Linie ładunkowe mają znaczenie tylko wtedy, gdy nakładają się na inne wykresy. Najpierw charakterystyka dla R1, określona jako stosunek napięcia / prądu między zaciskami A i B :

Następnie wykreśliłem linię obciążenia zgodnie z definicją rezystora obciążenia 1, 5 kΩ. Ta "linia obciążenia" wyraża napięcie dostępne pomiędzy tymi samymi dwoma zaciskami (V AB ) w funkcji prądu obciążenia, aby uwzględnić spadek napięcia na obciążeniu:

Przy jakiej wartości prądu (I R1 ) dwie linie przecinają się "# 3"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

I R = 8 mA to ta sama wartość prądu, którą obliczylibyście, gdybyście przeanalizowali ten obwód jako prostą sieć rezystorów szeregowych.

Pytanie uzupełniające: możesz się zastanawiać, "jaki jest sens wykreślania" krzywej charakterystycznej "i" linii ładunkowej "w tak prostym obwodzie, jeśli wszystko, co musieliśmy zrobić, aby rozwiązać dla prądu, to dodać dwa opory i podzielić tę całkowitą wartość rezystancji na całkowite napięcie? "Cóż, szczerze mówiąc, nie ma sensu analizowanie tak prostego obwodu w ten sposób, z wyjątkiem zilustrowania działania linii obciążenia. Moje następne pytanie brzmi następująco: gdzie wykreślenie linii ładunkowej faktycznie byłoby pomocne w analizie zachowania obwodu? Czy możesz wymyślić jakieś modyfikacje tego obwodu z dwoma opornikami, które wymagałyby analizy linii obciążenia w celu rozwiązania problemu?

Uwagi:

Chociaż takie podejście do analizy obwodów może wydawać się głupie - przy użyciu linii obciążenia do obliczenia prądu w obwodzie z dwoma rezystorami - demonstruje zasadę linii obciążenia w kontekście, który powinien być oczywisty dla studentów w tym momencie w ich badaniu. Przedyskutuj z uczniami, w jaki sposób uzyskuje się dwie linie (jedna dla rezystora R1 i druga, przedstawiająca napięcie dostępne dla R1 na podstawie całkowitego napięcia źródła i wartości rezystora obciążenia).

Omów także znaczenie przecinania dwóch linii. Matematycznie, co oznacza przecięcie dwóch wykresów? Co oznaczają wartości współrzędnych punktu przecięcia w systemie funkcji równoczesnych? W jaki sposób ta zasada odnosi się do obwodu elektronicznego?

Pytanie 4

Linie obciążenia są użytecznymi narzędziami do analizy obwodów wzmacniacza tranzystorowego, ale mogą być również stosowane do innych typów obwodów. Weźmy na przykład ten obwód rezystora diody:

Krzywa charakterystyczna diody została już wykreślona na poniższym wykresie. Twoim zadaniem jest wykreślić linię obciążenia dla obwodu na tym samym wykresie i zanotować, gdzie dwie linie przecinają się:

Jakie jest praktyczne znaczenie przecięcia tych dwóch działek "# 4"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Dwie linie przecinają się z prądem około 1, 72 mA:

Pytanie uzupełniające: wyjaśnij, dlaczego użycie linii obciążenia znacznie upraszcza wyznaczanie prądu obwodu w takim obwodzie rezystora diodowego.

Pytanie dotyczące wyzwania: przypuśćmy, że wartość rezystora została zwiększona z 2, 5 kΩ do 10 kΩ. Jaka będzie to różnica w wykresie linii ładunkowej, oraz w punkcie przecięcia między dwoma wykresami "uwagi ukryte"> Uwagi:

Chociaż takie podejście do analizy obwodów może wydawać się głupie - przy użyciu linii obciążenia do obliczenia prądu w obwodzie rezystora diodowego - demonstruje zasadę linii obciążenia w kontekście, który powinien być oczywisty dla studentów w tym momencie ich badania. Przedyskutuj z uczniami, w jaki sposób uzyskuje się linię obciążenia dla tego obwodu i dlaczego jest prosta, a charakterystyka diody nie.

Omów także znaczenie przecinania dwóch linii. Matematycznie, co oznacza przecięcie dwóch wykresów? Co oznaczają wartości współrzędnych punktu przecięcia w systemie funkcji równoczesnych? W jaki sposób ta zasada odnosi się do obwodu elektronicznego?

Pytanie 5

Bardzo ważną miarą zachowania tranzystora są jego charakterystyczne krzywe, zestaw wykresów pokazujący prąd kolektora w szerokim zakresie spadków napięcia kolektor-emiter, dla danej ilości prądu podstawowego. Poniższy wykres jest typową krzywą dla tranzystora bipolarnego o stałej wartości prądu podstawowego:

"Obwód testowy" do zbierania danych do wykonania tego wykresu wygląda następująco:

Zidentyfikuj trzy różne regiony na tym wykresie: nasycenie, aktywność i podział oraz wyjaśnij, co oznaczają te terminy. Ponadto, określ, która część tej krzywej tranzystor działa najbardziej jak urządzenie regulujące prąd.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Najlepsze zachowanie tranzystora w zakresie regulacji prądu występuje w jego "aktywnym" regionie.

Pytanie uzupełniające: jak mogą wyglądać charakterystyczne krzywe tranzystora, którego zwarcie nie powiodło się między końcówkami kolektora i nadajnika "notatki ukryte"> Uwagi:

Zapytaj uczniów, jak mogłaby wyglądać idealna krzywa regulacji prądu. W jaki sposób ta idealna krzywa jest porównywana z charakterystyczną krzywą pokazaną w tym pytaniu dla typowego tranzystora?

Należy zachować ostrożność: Nie zalecam budowania obwodu testowego, takiego jak przedstawiony w pytaniu, do zbierania danych krzywych. Jeśli tranzystor rozproszy energię przez jakikolwiek znaczny czas, to się nagrzeje, a jego krzywe zmienią się radykalnie. Rzeczywiste krzywe tranzystorowe są generowane przez kawałek urządzenia testowego zwanego "znacznikiem krzywej", który zmiata napięcie kolektor-emiter i bardzo szybko obniża prąd bazowy (wystarczająco szybko, aby "pomalować" wszystkie krzywe na ekranie oscyloskopu, zanim luminofor przestanie świecić ).

Pytanie 6

Jeżeli tranzystor jest poddawany kilku różnym prądom podstawowym, a napięcie kolektor-emiter (V CE ) "przepływa" przez pełny zakres dla każdej z tych wartości prądu bazowego, dane dla całej "rodziny" charakterystycznych krzywych mogą być uzyskane i wykreślone :

Co te charakterystyczne krzywe wskazują na kontrolę prądu podstawowego przez prąd kolektora "# 6"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prąd kolektora jest (w większej części) wprost proporcjonalny do prądu podstawowego, podczas gdy w "aktywnym" regionie.

Uwagi:

Zapytaj swoich studentów, jak będą wyglądać charakterystyczne krzywe na idealny tranzystor: taki, który był idealnym regulatorem prądu kolektora w całym zakresie napięcia kolektor-emiter.

Pytanie 7

Przewodzenie prądu elektrycznego przez końcówkę kolektora tranzystora z dwubiegunowym złączem wymaga, aby nośniki mniejszościowe były "wtryskiwane" do obszaru podstawowego przez prąd bazy-emiter. Dopiero po wtryśnięciu do regionu podstawowego, te nośniki ładunku mogą być przesuwane w kierunku kolektora przez przyłożone napięcie między nadajnikiem a kolektorem w celu utworzenia prądu kolektora:

Analogicznie, aby to zilustrować, osoba rzuca płatki kwiatów w powietrze nad ich głową, podczas gdy bryza unosi płatki poziomo od nich. Żaden z płatków kwiatowych nie może zostać "zmieciony" przez wiatr, dopóki osoba nie wyrzuci ich w powietrze, a prędkość wiatru nie ma wpływu na to, ile płatków kwiatu zostanie usuniętych z tej osoby, ponieważ muszą one zostać uwolnione z chwyt osoby, zanim zdążą w dowolnym miejscu.

Odwołując się do schematu energetycznego lub analogii płatków kwiatów, wyjaśnij, dlaczego prąd kolektora dla BJT jest silnie uzależniony od prądu podstawowego i tylko pod niewielkim wpływem napięcia kolektor-emiter.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Działanie podrzucania płatków kwiatów do powietrza jest analogiczne do przenoszenia prądu podstawowego przez wstrzykiwanie nośników ładunku do regionu podstawowego tranzystora. Dryfowanie tych wyrzucanych płatków przez wiatr jest analogiczne do zamiatania nośników ładunku przez podstawę i do kolektora przez V CE . Podobnie jak liczba dryfujących płatków kwiatów, ilość prądu kolektora nie zależy w dużej mierze od siły V CE (siły wiatru), ale raczej od szybkości wtłaczanych nośników ładunku (liczba płatków podnoszonych w górę na sekundę) .

Uwagi:

To jedna z moich lepszych analogii do wyjaśnienia działania BJT, szczególnie dla zilustrowania, dlaczego I C jest prawie niezależny od V CE . Pomaga również wyjaśnić czas regeneracji tranzystorów: wyobraź sobie, jak długo trwa usuwanie powiek z płatków kwiatu po tym, jak przestałeś je rzucać, analogicznie do ukrytych nośników ładunku, które muszą zostać usunięte z regionu podstawowego przez V CE po prądzie bazowym przystanki.

Pytanie 8

Określić przybliżoną ilość prądu kolektora dla tego obwodu tranzystora, biorąc pod uwagę następującą charakterystykę ustawioną dla tranzystora:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

I C ≈ 4, 75 mA

Pytanie uzupełniające: ile będzie wzrastał prąd kolektora, jeśli źródło napięcia wzrośnie do 35 woltów "notatki ukryte"> Uwagi:

To pytanie jest niczym innym, jak ćwiczeniem interpretowania charakterystycznych krzywych.

Pytanie 9

Poniższy schemat przedstawia prosty obwód wskaźnika krzywej, wykorzystywany do wykreślenia charakterystyki prąd / napięcie różnych elementów elektronicznych na ekranie oscyloskopu:

Sposób działania polega na podawaniu napięcia przemiennego na zaciskach badanego urządzenia, wysyłając do oscyloskopu dwa różne sygnały napięciowe. Jeden sygnał, napędzający oś poziomą oscyloskopu, reprezentuje napięcie na dwóch końcach urządzenia. Drugim sygnałem, napędzającym oś pionową oscyloskopu, jest napięcie spadane na rezystor bocznikujący, reprezentujący prąd w urządzeniu. Po ustawieniu oscyloskopu na tryb "XY" wiązka elektronowa śledzi charakterystykę urządzenia.

Na przykład prosty rezystor generowałby ten ekran oscyloskopu:

Rezystor o większej wartości (więcej omów rezystancji) wygenerowałby charakterystyczny wykres o płytszym nachyleniu, reprezentujący mniej prądu dla tej samej ilości przyłożonego napięcia:

Obwody znaczników krzywych znajdują swoją realną wartość w testowaniu elementów półprzewodnikowych, których zachowania napięciowo-prądowe są nieliniowe. Weźmy na przykład tę charakterystykę dla zwykłej diody prostowniczej:

Ślad jest płaski wszędzie na lewo od środka, gdzie przyłożone napięcie jest ujemne, co wskazuje na brak prądu diody, gdy jest on odwrócony. Na prawo od środka ślad ugina się gwałtownie w górę, wskazując wykładniczy prąd diodowy wraz ze wzrastającym napięciem przyłożonym (przesunięte do przodu), tak jak przewiduje to "równanie diody".

Na poniższych siatkach wykreśl krzywą charakterystyczną dla diody, której nie powiodło się zwarcie, a także dla tej, która jest uszkodzona:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Charakterystyczne krzywe nie są najłatwiejszym pojęciem dla niektórych uczniów, ale są niezwykle pouczające. Mogą one nie tylko zilustrować zachowanie elektryczne urządzenia nieliniowego, ale mogą również służyć do diagnozowania innych, trudnych do zmierzenia błędów. Pozwalając uczniom dowiedzieć się, jak wygląda zwarcie i otwarte krzywe, jest to dobry sposób, aby otworzyć swoje umysły na to narzędzie diagnostyczne i ogólnie na charakter charakterystycznych krzywych.

Chociaż nie jest to oczywiste, jeden z kanałów oscyloskopu musi być "odwrócony", aby krzywa charakterystyki pojawiła się we właściwym kwadrancie (ach) wyświetlacza. Większość oscyloskopów dual-trace ma funkcję "channel invert", która działa dobrze w tym celu. Jeśli włączenie funkcji odwracania kanału na oscyloskopie odwróci niewłaściwą oś, możesz odwrócić połączenia urządzenia testowego do obwodu wskaźnika krzywej, obracając jednocześnie obie osie. Między połączeniami urządzeń cofania i cofaniem jednego kanału oscyloskopu możesz uzyskać krzywą do drukowania w dowolny sposób!

Pytanie 10

Wyjaśnij, dlaczego dwubiegunowy tranzystor złącza ma tendencję do regulowania prądu kolektora w szerokim zakresie spadków napięcia kolektor-emiter, gdy jego prąd podstawowy jest stały. Co dzieje się wewnętrznie, co powoduje, że prąd kolektora BJT jest względnie niezależny od napięcia kolektor-emiter i silnie zależny od prądu podstawowego "# 10"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ponieważ BJT jest mniejszościowym urządzeniem nośnym, ogromna większość prądu kolektora jest wynikiem nośników ładunków wtryskiwanych z emitera do regionu podstawowego. Ponieważ ta szybkość wtrysku nośnika nośnika jest funkcją wzbudzenia złącza bazowego nadajnika, prąd podstawowy (lub dokładniej, napięcie bazowa do emiterów) określa przede wszystkim prąd kolektora przy napięciu kolektor-emiter, odgrywającym stosunkowo niewielką rolę.

Uwagi:

Charakter regulujący prąd BJT staje się bardziej zrozumiały dzięki analizie wykresu pasma energetycznego tranzystora w trybie aktywnym.

Pytanie 11

Wiele referencji technicznych mówi, że tranzystory bipolarne (BJT) są urządzeniami sterowanymi prądem: prąd kolektora jest kontrolowany przez prąd podstawowy. Koncepcja ta jest wzmocniona przez pojęcie "beta" (β), stosunek prądu kolektora do prądu podstawowego:

β = I C


I B

Studenci uczący się o tranzystorach bipolarnych są często zdezorientowani, kiedy napotykają specyfikacje techniczne dotyczące współczynników tranzystora β. Daleki od bycia stałym parametrem, stosunek "beta" tranzystora może się znacznie różnić w jego zakresie działania, w niektórych przypadkach przekraczając rząd wielkości (dziesięć razy)!

Wyjaśnij, w jaki sposób ten fakt zgadza się lub nie zgadza się z pojęciem BJT, które są urządzeniami "kontrolowanymi prądem". Jeśli prąd kolektora rzeczywiście jest bezpośrednią funkcją prądu podstawowego, to dlaczego stała proporcjonalności między tymi dwoma (β) zmienia się tak bardzo?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Usiądź, zanim przeczytasz to i przygotuj się na twardą prawdę: tranzystory z dwubiegunowym złączem są technicznie nie sterowanymi prądem urządzeniami. Siedzisz, prawda? Dobry.

Pytanie uzupełniające: jeśli BJT nie są kontrolowane przez prąd bazowy, to w czym są one kontrolowane? Wyraź to w formie równania, jeśli to możliwe. Podpowiedź: zbadaj "równanie diody" w poszukiwaniu wskazówek.

Uwagi:

Do celów dyskusji możesz pokazać uczniom to równanie, dokładne w szerokim zakresie warunków pracy dla napięć emiterów bazowych przekraczających 100 mV:

I C = I ES (e V BE / V T - 1)

To równanie jest nieliniowe: wzrosty V BE nie powodują proporcjonalnych wzrostów w I C. W związku z tym znacznie łatwiej jest myśleć o działaniu BJT w odniesieniu do prądów bazowych i kolektorów, a związek między tymi dwoma zmiennymi jest bardziej liniowy. Oczywiście, chyba że nie. Taki jest kompromis między prostotą a dokładnością. Starając się uprościć sprawę, często kończymy z ich błędami .

Należy zauważyć, że chociaż tranzystory bipolarne nie są tak naprawdę urządzeniami sterowanymi prądem, nadal mogą być uważane za (w przybliżeniu) urządzenia sterujące prądem. Jest to ważne rozróżnienie, które łatwo traci się w takich pytaniach, gdy podstawowe założenia są kwestionowane.

Pytanie 12

Typowym terminem używanym w inżynierii obwodów półprzewodnikowych jest mała analiza sygnału . Czym dokładnie jest analiza ßmall signal "i jak kontrastuje ona z dużą analizą sygnału ?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Analiza małych sygnałów polega na tym, że sygnały są uważane za wystarczająco małe w skali, że aktywne urządzenie (urządzenia) powinny reagować w sposób prawie liniowy. Analiza dużych sygnałów polega na tym, że zakłada się, że sygnały są wystarczająco duże, aby nieliniowości komponentów stały się znaczące.

Pytanie uzupełniające: dlaczego inżynierowie zawracają sobie głowy dwoma trybami analizy, a nie tylko jednym (dużym sygnałem), w którym uwzględnia się prawdziwe (nieliniowe) zachowanie komponentów? Wyjaśnij to w kategoriach twierdzeń dotyczących sieci i innych "narzędzi" matematycznych dostępnych inżynierom do analizy obwodów.

Uwagi:

Podczas badania podręczników inżynieryjnych i innych zasobów terminy te są często używane bez wprowadzenia, co sprawia, że ​​wielu początkowych uczniów jest zdezorientowanych.

Pytanie 13

Wyjaśnij, co oznacza, że ​​tranzystor działa w swoim "aktywnym" trybie (w przeciwieństwie do odcięcia, nasycenia lub awarii).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

W trybie aktywnym tranzystor "dławie" prąd między chwilą całkowitego wyłączenia i pełnego włączenia.

Uwagi:

Pomóż swoim uczniom porównać działanie aktywnych tranzystorów z tym, co wiedzą o tranzystorach jako elementach przełączających (nasyconych lub odciętych). Poproś, aby wyjaśnili, co jest wyjątkowe w zachowaniu tranzystora w obszarze aktywnym, które nie jest eksponowane w żadnym innym regionie (tj. Zachowanie tranzystora w odniesieniu do prądu kolektora i napięcia kolektor-emiter).

Pytanie 14

Wiemy, że wykresy to nic innego jak kolekcje poszczególnych punktów reprezentujących skorelowane dane w systemie. Oto wykres charakterystyki tranzystora (dla pojedynczej wartości prądu podstawowego):

A tutaj jest wykres "linii obciążenia" dla obwodu wzmacniacza tranzystorowego:

Dla każdego z tych wykresów wybierz jeden punkt wzdłuż krzywej (lub linii) i opisz, co oznacza ten pojedynczy punkt, w rzeczywistych warunkach. Co oznacza każdy pojedynczy punkt danych na jednym z tych wykresów w obwodzie tranzystora "# 14"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

W przypadku charakterystyki tranzystora, jeden punkt danych reprezentuje ilość prądu, która przejdzie przez terminal kolektora dla danej ilości prądu bazowego, oraz określoną wielkość spadku napięcia kolektora-emitora.

Dla linii obciążenia jeden punkt danych reprezentuje ilość napięcia kolektor-emiter dostępnego dla tranzystora dla danej ilości prądu kolektora.

Przecięcie charakterystycznej krzywej i linii obciążenia reprezentuje jeden prąd kolektora (i odpowiadający spadek napięcia V CE ), który "spełni" wszystkie warunki komponentów.

Uwagi:

Przedyskutuj dokładnie to pytanie ze swoimi uczniami. Tak wielu studentów elektroniki uczy się rysować linie obciążenia obwodów wzmacniacza, nie rozumiejąc nawet, dlaczego muszą to robić. Wykresy linii obciążenia są bardzo przydatnymi narzędziami do analizy obwodów wzmacniacza, ale znaczenie każdej krzywej / linii musi być dobrze zrozumiane, zanim stanie się użyteczne jako narzędzie do zrozumienia.

Zapytaj uczniów, który z dwóch rodzajów wykresów (krzywe charakterystyczne lub linie obciążenia) reprezentuje naturalne lub "wolne" zachowanie składnika i który z nich określa ograniczone warunki w danym obwodzie.

Pytanie 15

Opisz, czym jest linia obciążeniowa, na jej tle nakłada się ten wykres charakterystycznych krzywych tranzystorowych:

Czym dokładnie jest linia obciążenia w obwodzie "# 15"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Linia obciążenia to wykres pokazujący ilość napięcia kolektor-emiter dostępnego dla tranzystora (V CE ) dla dowolnego danego prądu kolektora:

Pytanie uzupełniające: dlaczego linie obciążeniowe są zawsze proste, a nie wygięte, ponieważ krzywe charakterystyki tranzystora są "notatki ukryte"> Uwagi:

Bardzo ważne jest, aby uczniowie zrozumieli ontologiczny charakter linii obciążenia (tj. Czym są ), jeśli mają je często wykorzystywać w analizie obwodów tranzystorowych. Niestety, często nie jest to zrozumiane przez uczniów, kiedy zaczynają studiować układy tranzystorowe, a winę za to kładę na podręczniki (i instruktorów), którzy nie poświęcają wystarczająco dużo czasu na przedstawienie koncepcji.

Moim ulubionym sposobem uczenia studentów o liniach ładunkowych jest ich wykreślić linie obciążenia dla obwodów nie-tranzystorowych, takich jak dzielniki napięcia (z jednym z dwóch rezystorów oznaczonych jako "obciążenie", a druga zmienna wykonana przez rezystor) i rezystorem diodowym obwody.

Pytanie 16

Chociaż charakterystyczne krzywe dla tranzystora są zwykle generowane w obwodzie, w którym prąd bazowy jest stały i napięcie kolektor-emiter (V CE ) jest zmienne, zwykle nie jest to sposób, w jaki konstruowane są obwody wzmacniacza tranzystorowego. Zazwyczaj prąd bazowy zmienia się w zależności od sygnału wejściowego, a zasilanie kolektora jest źródłem stałego napięcia:

Obecność rezystora obciążenia w obwodzie dodaje kolejną dynamikę do zachowania obwodu. Wyjaśnij, co dzieje się z napięciem kolektora-emitora tranzystora (V CE ), gdy wzrasta prąd kolektora (spadające napięcie akumulatora na rezystorze obciążenia) i jakościowo narysuj tę linię obciążenia na tym samym typie wykresu, który jest używany do wykreślania krzywych tranzystorowych:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ponieważ nie ma liczb wzdłuż osi tego wykresu, najlepiej jest narysować ogólne nachylenie linii, od lewej górnej do prawej dolnej:

Uwagi:

Zapytaj ucznia, dlaczego ten wykres jest prosty, a nie zakrzywiony, tak jak charakterystyczna funkcja tranzystora.

Pytanie 17

Obliczyć i nałożyć linię obciążenia tego obwodu na charakterystyczne krzywe tranzystora:

Następnie określ ilość prądu kolektora w obwodzie przy następujących wartościach prądu podstawowego:

I B = 10 μA
I B = 20 μA
I B = 30 μA
I B = 40 μA
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

I B = 10 μA; I C = 3, 75 mA
I B = 20 μA; I C = 6, 25 mA
I B = 30 μA; I C = 8, 5 mA
I B = 40 μA; I C = 9, 5 mA

Uwagi:

Warto tu coś wskazać: nałożenie funkcji liniowej na zbiór nieliniowych funkcji i szukanie punktów przecięcia pozwala nam rozwiązać wiele zmiennych w nieliniowym układzie matematycznym. Zwykle tylko liniowe układy równań są uważane za "rozwiązywalne" bez uciekania się do bardzo czasochłonnych obliczeń arytmetycznych, ale tutaj mamy potężne (graficzne) narzędzie do przybliżania wartości zmiennych w systemie nieliniowym. Ponieważ aproksymacje są najlepsze, na co możemy liczyć w układach tranzystorowych, to jest wystarczająco dobre!

Pytanie 18

Na tym wykresie zostaną wyświetlone trzy różne linie obciążenia, reprezentujące trzy różne wartości rezystancji obciążenia w obwodzie wzmacniacza:

Która z trzech linii obciążenia reprezentuje największą wartość rezystancji obciążenia ( obciążenie R) "# 18"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Linia obciążenia najbliższa poziomowi reprezentuje największą wartość rezystancji obciążenia, a także reprezentuje stan, w którym V CE będzie się różnił najbardziej dla każdej określonej wartości prądu podstawowego (sygnału wejściowego).

Uwagi:

To pytanie pozwala uczniom powiązać wartości rezystorów obciążenia z liniami obciążenia, a także z praktyczną miarą wzmocnienia napięcia w prostym obwodzie wzmacniacza. Jako przykład, poproś uczniów, aby przeanalizowali zmiany w obwodzie dla sygnału wejściowego, który waha się między 5 μA a 10 μA dla trzech różnych rezystorów obciążenia. Różnica w ΔV CE powinna być bardzo oczywista!

Pytanie 19

Ważnym parametrem obwodów wzmacniacza tranzystorowego jest punkt Q lub spoczynkowy punkt pracy . "Punkt Q" obwodu wzmacniacza tranzystorowego będzie jednym punktem gdzieś wzdłuż jego linii obciążenia.

Opisz, co właściwie oznacza "punkt Q" dla obwodu wzmacniacza tranzystorowego i jak jego wartość może zostać zmieniona.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Punkt Q" dla obwodu wzmacniacza tranzystorowego jest punktem wzdłuż jego obszaru roboczego w stanie "spoczynku": gdy nie jest wzmacniany sygnał wejściowy.

Uwagi:

Punkty Q są bardzo ważne w procesie projektowania wzmacniaczy tranzystorowych, ale ponownie wydaje się, że uczniowie często nie rozumieją prawdziwego znaczenia koncepcji. Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób linia obciążenia utworzona przez rezystancję obciążenia i charakterystyczne krzywe tranzystora, opisują wszystkie możliwe warunki pracy prądu kolektora i V CE dla tego obwodu wzmacniacza. Następnie omów, w jaki sposób status tego obwodu jest zdefiniowany w dowolnym punkcie czasu wzdłuż tych wykresów (za pomocą linii, krzywej lub punktu?).

Pytanie 20

Poniższy wykres przedstawia rodzinę charakterystycznych krzywych dla danego tranzystora:

Narysuj linię ładunkową i zidentyfikuj punkt Q na tej linii obciążenia dla wspólnego wzmacniacza kolektorów za pomocą tego tranzystora:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: położenie punktu Q tego obwodu jest w przybliżeniu w połowie linii ładunkowej. Czy powiedziałbyś, że jest to wskaźnik wzmacniacza obciążonego dla operacji klasy A lub dla innej klasy operacji "notatki ukryte"> Uwagi:

Celem tego pytania jest umożliwienie uczniom powiązania dotychczasowej wiedzy z zakresu analizy DC wspólnego kolektora z koncepcją linii ładunkowych i Q-punktów. Poproś uczniów, aby podzielili się swoimi technikami analizy z całą klasą.

Pytanie 21

Poniższy wykres przedstawia rodzinę charakterystycznych krzywych dla danego tranzystora:

Narysuj linię obciążenia i zidentyfikuj punkt Q na tej linii obciążenia dla obwodu wzmacniacza wspólnego emiter za pomocą tego tranzystora:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: ustal, co stałoby się z punktem Q, gdyby rezystor R 2 (opornik odchylający 2, 2 kΩ) został przerwany.

Uwagi:

Celem tego pytania jest umożliwienie uczniom powiązania ich istniejącej wiedzy dotyczącej analizy DC obwodu wspólnego emitera z koncepcją linii obciążenia i Q-punktów. Poproś uczniów, aby podzielili się swoimi technikami analizy z całą klasą.

Pytanie 22

Poniższy wykres przedstawia rodzinę charakterystycznych krzywych dla danego tranzystora:

Nałożyć na ten wykres linię obciążenia dla następującego obwodu wzmacniacza wspólnego emiter przy użyciu tego samego tranzystora:

Określ również wartości rezystora obciążenia (R 1 i R 2 ), które spowodują, że punkt Q spocznie w przybliżeniu w połowie linii obciążenia.

R1 = R2 =

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Istnieje kilka par wartości rezystorów, które będą działać właściwie, aby ustawić punkt Q w środku linii obciążenia. Zostawiam to ćwiczenie, abyś mógł przedyskutować ze swoimi kolegami z klasy!

Pytanie uzupełniające: ustal, co stałoby się z punktem Q, gdyby rezystor R 2 (opornik odchylający 2, 2 kΩ) został przerwany.

Uwagi:

Jest to bardzo praktyczne pytanie, ponieważ zarówno technicy, jak i inżynierowie muszą wybrać odpowiednie odchylenie, aby ich obwody wzmacniacza działały w zamierzonej klasie (w tym przypadku A). Dla wartości rezystorów jest więcej niż jedna właściwa odpowiedź, więc pamiętaj, aby uczniowie podzielili się swoimi rozwiązaniami z całą klasą, aby można było zbadać wiele opcji.

Pytanie 23

Znajdź jeden lub dwa prawdziwe tranzystory z dwubiegunowym złączem i zabierz je ze sobą na zajęcia do dyskusji. Zidentyfikuj jak najwięcej informacji na temat swoich tranzystorów przed dyskusją:

Identyfikacja terminala (terminalem jest baza, emiter, kolektor)
Ciągła moc znamionowa
Typowy β
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeśli to możliwe, znajdź arkusz danych producenta dla twoich komponentów (lub przynajmniej arkusz danych dla podobnego komponentu), aby porozmawiać z kolegami z klasy. Przygotuj się do udowodnienia terminalowej identyfikacji swoich tranzystorów w klasie, używając multimetru!

Uwagi:

Celem tego pytania jest doprowadzenie uczniów do kinestetycznej interakcji z tematem. To może wydawać się głupie, gdy uczniowie angażują się w ćwiczenia "pokaż i powiedz", ale odkryłem, że takie działania bardzo pomagają niektórym uczniom. Dla tych uczących się, którzy mają kinestetyczny charakter, bardzo pomocne jest dotknięcie prawdziwych elementów podczas uczenia się o ich funkcji. Oczywiście to pytanie stanowi także doskonałą okazję do ćwiczenia interpretacji oznaczeń elementów, korzystania z multimetru, kart z danymi dostępowymi itp.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →