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Transistor BJT I
© Roland Küng, 2009
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Aufbau-BezeichnungenTyp NPN
Typ PNP
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Aufbau Praktisch
Typ NPN
• B Schicht dünn• E Schicht hoch dotiert (viel Phosphor bei n, Bor bei p)
E
B
C
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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
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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
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pn sperrendpn leitend
E B CHoch dotiert tief dotiert normal
-
Diode
Transistor
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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
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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
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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
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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
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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
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Transistor “on” and “linear” ?
Ihre Beispiele
2 kΩΩΩΩ2 kΩΩΩΩ
+ 1 V
L: off, on/lin, on/not lin, on/lin
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Kennlinie NPN
vCB
iC
-
CB leitet CB sperrt
BE sperrt
Off
On
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Kennlinie NPN
nicht massstäblich!VA typ. 100 V
vCE
iC
vBE
< 0.7 V
Off
On
vBE
> 0.7 V
ib
= …
ib
= …
ib
= …
ib
= …
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Kennlinie NPN Beispiel
vCE
vBE
iC
iB
Steigung β
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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
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BCII β=
1+β
β=α
Grafik zeichnen:
BJT Kennlinie ausmessen
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Kennlinie NPN idealIE
e
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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
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Arbeitspunkt Wahl I
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Arbeitspunkt Wahl II
Graphische Überlegung
Arbeitspunkt
Signal
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Arbeitspunkt Wahl III
Graphische Überlegung
Last
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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
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Design Beispiele
Berechnung VOUT für 75 Grad Celsius
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Transistor Bauformen
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Transistor Data Sheet
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Transistor Data Sheet
β = hFE
VBE
Switch
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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
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Synthese ArbeitspunktGuidance 2
IE
IE/10
IE/10 IE/100≈0
IC
VCC und RC oder IC vorgeben
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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.
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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