Bipolære Junction Transistors i Active Mode

035 On Center, Off Surround Ganglion Cells (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Bipolære Junction Transistors i Active Mode

Diskrete halvleder enheder og kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbskonstruktionen, og vælg modstandsværdier, der er høje nok til at skade eventuelle aktive komponenter usandsynligt.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Når elever først lærer om halvlederindretninger, og som mest sandsynligt vil beskadige dem ved at foretage ukorrekte forbindelser i deres kredsløb, anbefaler jeg, at de eksperimenterer med store komponenter med høj wattage (1N4001 rectifying dioder, TO-220 eller TO-3-tilfælde strømtransistorer, osv.), og ved brug af tørcelle batterikilder snarere end en strømforsyning. Dette mindsker sandsynligheden for komponentskader.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading" (i den høje ende) og for at undgå transistor udbrænding (i den lave ende). Jeg anbefaler modstande mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

Modeller af komplekse elektroniske komponenter er nyttige til kredsløbsanalyse, fordi de tillader os at udtrykke den omtrentlige adfærd af enheden i form af ideelle komponenter med relativt enkle matematiske adfærd. Transistorer er et godt eksempel på komponenter, der ofte modelleres af hensyn til forstærkerkredsløbsanalyse:

Det må forstås, at modeller aldrig er perfekte replikaer af den virkelige ting. På et tidspunkt undlader alle modeller præcis at efterligne den ting, der modelleres. Den eneste egentlige bekymring er, hvor præcis vi ønsker vores tilnærmelse at være: hvilke karakteristika af komponenten mest angår os, og hvilke gør det ikke.

Når man for eksempel analyserer transistorforstærkerkredsløbets reaktion på små AC-signaler, antages det ofte, at transistoren vil blive "forspændt" af et DC-signal, således at basis-emitterdioden altid udfører. Hvis dette er tilfældet, og alt vi er bekymrede for, er, hvordan transistoren reagerer på AC- signaler, kan vi sikkert fjerne diodeforbindelsen fra vores transistormodel:

Men selv med det 0, 7 volt (nominelle) DC spændingsfald, der mangler fra modellen, er der stadig en vis impedans, som et AC signal vil støde på, når det strømmer gennem transistoren. Faktisk eksisterer der flere forskellige impedanser inden for selve transistoren, som sædvanligvis er symboliseret af modstande og små bogstaver:

Fra perspektivet af en vekselstrøm, der passerer gennem transistorens basemittereforbindelse, skal du forklare hvorfor følgende transistormodeller svarer til:

Reveal svar Skjul svar

Disse to modeller er ækvivalente, fordi en given strøm (i b ) vil medføre det nøjagtige samme spændingsfald mellem base og emitter (v = ir):

v = i b r ' b + (i b + βi b ) r' e Venstrehåndsmodel

v = i b (r ' b + (β + 1) r' e ) Højre model

Den matematiske ækvivalens af disse to udtryk kan vises ved at fakturere i b fra alle termerne i den venstre model-ligning.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at introducere eleverne til begrebet BJT-modellering, og også at gøre dem bekendt med nogle af de symboler og udtryk, der almindeligvis anvendes i disse modeller (samt en smule DC-resistor netværksteori og algebra-gennemgang, selvfølgelig !).

Spørgsmål 3

Belastningslinjer er nyttige værktøjer til analyse af transistorforstærkerkredsløb, men de kan være svært at forstå i starten. For at hjælpe dig med at forstå, hvad "belastningslinjer" er nyttige for, og hvordan de bestemmes, vil jeg anvende en til denne enkle to-modstandskreds:

Vi skal plotte en belastningslinje for denne simple to-modstandskreds sammen med den "karakteristiske kurve" for modstand R 1 for at se fordelene ved en belastningslinje. Belastningslinjer har kun mening, når de overlejres til andre tomter. For det første er den karakteristiske kurve for R1 defineret som spænding / strømforholdet mellem klemmerne A og B :

Dernæst vil jeg plotte lastlinjen som defineret af 1, 5 kΩ belastningsmodstanden. Denne "belastningslinie" udtrykker spændingen mellem de samme to terminaler (V AB ) som en funktion af belastningsstrømmen for at tage højde for spændingen faldt over belastningen:

Ved hvilken værdi af nuværende (I R1 ) skærer de to linjer "# 3"> Reveal svar Skjul svar

I R = 8 mA er den samme værdi af strøm, som du ville beregne, hvis du havde analyseret dette kredsløb som et simpelt serie modstandsnetværk.

Opfølgningsspørgsmål: Du kan måske undre dig, "hvad er meningen med at udarbejde en" karakteristisk kurve "og en" belastningslinje "i et så enkelt kredsløb, hvis alt vi skulle gøre for at løse for nuværende, var at tilføje de to modstande og opdele den samlede modstandsværdi i den samlede spænding? "Nå for at være ærlig er der ingen mening i at analysere et sådant simpelt kredsløb på denne måde, undtagen for at illustrere, hvordan belastningslinjer virker. Mit opfølgende spørgsmål til dig er det her: hvor ville planlægge en belastningslinje rent faktisk være nyttigt til at analysere kredsløbsadfærd? Kan du tænke på nogen ændringer i denne to-modstand kredsløb, der ville kræve belastning linje analyse for at løse for nuværende?

Bemærkninger:

Mens denne tilgang til kredsløbsanalyse kan virke fjollet - ved hjælp af belastningslinjer til beregning af strømmen i et to-modstandskredsløb - demonstrerer det princippet om belastningslinjer i en sammenhæng, som bør være indlysende for eleverne på dette tidspunkt i deres undersøgelse. Diskuter med dine elever hvordan de to linjer opnås (en til modstand R 1 og den anden planlægger spændingen tilgængelig for R 1 baseret på den samlede kilder spænding og belastningsmodstandens værdi).

Diskuter også betydningen af ​​de to linjer skærende. Matematisk betyder hvad skæringspunktet mellem to grafer betyder? Hvad repræsenterer koordinatværdierne for skæringspunktet i et system med samtidige funktioner? Hvordan vedrører dette princip et elektronisk kredsløb?

Spørgsmål 4

Belastningslinjer er nyttige værktøjer til analyse af transistorforstærkerkredsløb, men de kan også anvendes til andre typer kredsløb. Tag for eksempel denne diode-modstand kredsløb:

Diodens karakteristiske kurve er allerede tegnet på den følgende graf. Din opgave er at plotte lastlinjen for kredsløbet på samme graf, og bemærk, hvor de to linjer skærer:

Hvad er den praktiske betydning af disse to plotters kryds "# 4"> Reveal svar Skjul svar

De to linjer krydser med en strøm på ca. 1, 72 mA:

Opfølgningsspørgsmål: Forklar hvorfor anvendelsen af ​​en belastningslinje i høj grad letter for bestemmelsen af ​​kredsløbsstrømmen i et sådant diode-modstandskredsløb.

Udfordringsspørgsmål: Antag modstandsværdien øget fra 2, 5 kΩ til 10 kΩ. Hvilken forskel ville dette gøre i lastlinjens plot og i skæringspunktet mellem de to tomter "noter skjult"> Noter:

Mens denne tilgang til kredsløbsanalyse kan virke fjollet - ved hjælp af belastningslinjer til beregning af strømmen i et diode-modstandskredsløb - demonstrerer det princippet om belastningslinjer i en sammenhæng, som bør være indlysende for eleverne på dette tidspunkt i deres undersøgelse. Diskuter med dine elever hvordan belastningslinjen opnås for dette kredsløb, og hvorfor det er lige, mens diodens karakteristiske kurve ikke er.

Diskuter også betydningen af ​​de to linjer skærende. Matematisk betyder hvad skæringspunktet mellem to grafer betyder? Hvad repræsenterer koordinatværdierne for skæringspunktet i et system med samtidige funktioner? Hvordan vedrører dette princip et elektronisk kredsløb?

Spørgsmål 5

En meget vigtig måling af transistorens adfærd er dens karakteristiske kurver, et sæt grafer, der viser kollektorstrømmen over et bredt spektrum af kollektor-emitter spændingsfald, for en given mængde af basestrøm. Den følgende plot er en typisk kurve for en bipolær transistor med en fast værdi af basisstrømmen:

Et "test kredsløb" til indsamling af data for at gøre denne graf ser sådan ud:

Identificer tre forskellige regioner på denne graf: mætning, aktiv og nedbrydning, og forklar hvad hver af disse udtryk betyder. Identificer også hvilken del af denne kurve transistoren fungerer mest som en strømregulerende enhed.

Reveal svar Skjul svar

Transistorens bedste nuværende reguleringsadfærd forekommer i sin "aktive" region.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad kan de karakteristiske kurver ligne til en transistor, der ikke er kortsluttet mellem dens samler og emitterterminaler "noter skjult"> Noter:

Spørg dine elever, hvad en perfekt strømregulerende kurve ville se ud. Hvordan sammenligner denne perfekte kurve med den karakteristiske kurve, der vises i dette spørgsmål for en typisk transistor?

Et forsigtighedsord er i orden: Jeg anbefaler ikke, at et testkredsløb som det, der er vist i spørgsmålet, bygges til opsamling af kurve data. Hvis transistoren slipper strøm i nogen væsentlig tid, vil det varme op, og dets kurver ændres dramatisk. Reelle transistorkurver genereres af et stykke testudstyr kaldet en "kurvespor", som fejer kollektor-emitterspændingen og træder basisstrømmen meget hurtigt (hurtigt nok til at "male" alle kurver på en oscilloskopskærm, før fosfor stopper med at glødende ).

Spørgsmål 6

Hvis en transistor udsættes for flere forskellige basestrømme og kollektor-emitterspændingen (V CE ) ßwept "gennem hele spektret for hver af disse basisstrømværdier, kan data for en hel" familie "af karakteristiske kurver opnås og grafes :

Hvad angiver disse karakteristiske kurver om basestrømmenes kontrol over kollektorstrømmen "# 6"> Reveal svar Skjul svar

Samlestrømmen er (for det meste) direkte proportional med basestrømmen i den "aktive" region.

Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvordan de karakteristiske kurver vil ligne en perfekt transistor: en der var en perfekt regulator af kollektorstrøm over hele spektret af kollektor-emitter spænding.

Spørgsmål 7

Ledning af en elektrisk strøm gennem kollektorterminalen af ​​en bipolær forbindelsestransistor kræver, at minoritetsbærere "indsprøjtes" i basisområdet med en base-emitterstrøm. Først efter indsprøjtning i basisområdet kan disse ladningsbærere svejses mod opsamleren ved hjælp af den påførte spænding mellem emitter og kollektor for at udgøre en kollektorstrøm:

En analogi der hjælper med at illustrere dette er en person, der smider blomsterblade i luften over deres hoved, mens en brise bærer kronblade vandret væk fra dem. Ingen af ​​blomsterne kan "fejes" væk af brisen, indtil personen frigiver dem i luften, og brisenes hastighed har ingen betydning for, hvor mange blomsterklader der fejes væk fra personen, da de skal frigives fra personens greb inden de kan gå overalt.

Ved at henvise til enten energidiagrammet eller blomsterkalventilen, forklar hvorfor hvorfor kollektorstrømmen for en BJT påvirkes stærkt af basestrømmen og kun svagt påvirket af kollektor-til-emitterspændingen.

Reveal svar Skjul svar

Virkningen af ​​at smide blomsterbladene ind i luften er analog med basestrøminjektionsladningsbærere i basisområdet af en transistor. Drift af disse kastede kronblade ved vinden er analog med fejningen af ​​ladestyrere over bunden og ind i kollektoren af ​​V CE . Ligesom antallet af blomsterklader drev, afhænger mængden af ​​kollektorstrøm ikke meget på styrken af ​​V CE (vindstyrken), men snarere på ladningstransportørernes hastighed (antallet af kronblade kastet opad per sekund) .

Bemærkninger:

Dette er en af ​​mine bedre analogier til at forklare BJT operation, især for at illustrere hvorfor jeg C er næsten uafhængig af V CE . Det hjælper også med at forklare omvendt genopretningstid for transistorer: forestil dig, hvor længe det tager luften at rydde af kaste blomsterblad efter at du har stoppet med at kaste dem, analogt med at latente ladningsbærere skal fjernes fra basisområdet af V CE efter basisstrøm stopper.

Spørgsmål 8

Bestem den omtrentlige mængde af kollektorstrøm for dette transistorkredsløb, givet følgende karakteristiske kurvesæt for transistoren:

Reveal svar Skjul svar

I C ≈ 4, 75 mA

Opfølgningsspørgsmål: Hvor meget vil samlestrømmen stige, hvis spændingskilden øges til 35 volt "noter skjult"> Noter:

Dette spørgsmål er intet andet end en øvelse i fortolkning af karakteristiske kurver.

Spørgsmål 9

Det følgende skematiske diagram er et simpelt kurve sporskreds, der bruges til at tegne strøm / spændingsegenskaberne for forskellige elektroniske komponenter på en oscilloskopskærm:

Den måde, det virker på, er ved at anvende en vekselstrøm på tværs af terminalerne på den viste enhed, og udsender to forskellige spændingssignaler til oscilloskopet. Et signal, der driver oscilloskopets vandrette akse, repræsenterer spændingen over enhedens to terminaler. Det andet signal, der driver oscilloskopets lodrette akse, er spændingen faldt over shunt-modstanden, som repræsenterer strøm gennem enheden. Med oscilloskopet til "XY" -tilstand sporer elektronstrålen enhedens karakteristiske kurve.

For eksempel ville en simpel modstand generere denne oscilloskopdisplay:

En modstand af større værdi (mere ohm af modstand) ville generere et karakteristisk plot med en lavere hældning, hvilket repræsenterer mindre strøm for den samme mængde påført spænding:

Kurve sporcirkler finder deres reelle værdi ved test af halvlederkomponenter, hvis spænding / nuværende adfærd er ikke-lineær. Tag for eksempel denne karakteristiske kurve for en almindelig retableringsdiode:

Sporet er fladt overalt til venstre for centrum, hvor den anvendte spænding er negativ, hvilket indikerer ingen diode strøm, når den er omvendt forspændt. Til højre for midten bøjer sporet imidlertid kraftigt opad, hvilket angiver eksponentiel diode-strøm med øget påført spænding (fremspidset) ligesom "diode-ligningen" forudsiger.

På de følgende grids plot den karakteristiske kurve for en diode, der ikke er kortsluttet, og også for en, der ikke er åben:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Karakteristiske kurver er ikke det nemmeste koncept for nogle elever at forstå, men de er utroligt informative. Ikke alene kan de illustrere den elektriske adfærd af en ikke-lineær enhed, men de kan også bruges til at diagnosticere ellers vanskelige fejl. At lade elever finde ud af, hvilke korte og åbne kurver der ligner, er en god måde at åbne deres sind på dette diagnostiske værktøj og karakteren af ​​karakteristiske kurver generelt.

Selv om det ikke er klart, skal en af ​​oscilloskopkanalerne "inverteres" for at den karakteristiske kurve kan ses i displayets korrekte kvadrant (r). De fleste dual-spor oscilloskoper har en "kanal inverter" -funktion, der fungerer godt til dette formål. Hvis indgreb i kanalens inverterfunktion på oscilloskopet flipper den forkerte akse, kan du muligvis vende om forbindelserne af testenheden til kurve sporskredsen, samtidig med at begge akser blokeres samtidigt. Mellem reverserende enhedstilslutninger og reversering af en kanal i oscilloskopet, kan du få kurven til at plotte, som du vil have det til!

Spørgsmål 10

Forklar, hvorfor en bipolær forbindelsestransistor har en tendens til at regulere kollektorstrømmen over en bred vifte af kollektor-til-emitter spændingsfald, når dens basestrøm er konstant. Hvad sker internt, hvilket gør BJTs kollektorstrøm relativt uafhængig af kollektor-til-emitter spænding og stærkt afhængig af basestrømmen "# 10"> Reveal svar Skjul svar

Fordi BJT er en minoritetsbæreanordning, er langt størstedelen af ​​kollektorstrømmen resultatet af ladningsbærere, der injiceres fra emitteren i basisområdet. Da denne ladningsbærerindsprøjtning er en funktion af base-emitter-junction-excitation, bestemmer basestrømmen (eller mere korrekt bas-til-emitterspænding) primært kollektorstrøm med kollektor-til-emitterspænding, der spiller en forholdsvis lille rolle.

Bemærkninger:

Den nuværende regulerende karakter af en BJT gøres mere forståelig ved at analysere et energibånddiagram af transistoren i aktiv tilstand.

Spørgsmål 11

Mange tekniske referencer vil fortælle dig, at bipolære forbindelsestransistorer (BJT'er) er strømstyrede enheder: kollektorstrømmen styres af basestrømmen. Dette begreb forstærkes af begrebet "beta" (β), forholdet mellem kollektorstrøm og basisstrøm:

β = Jeg C


Jeg B

Studerende, der lærer om bipolære transistorer, forveksles ofte, når de støder på databladspecifikationer for transistorp-forhold. Langt fra at være en konstant parameter, kan beta- ratio for en transistor variere betydeligt over dets driftsområde, i nogle tilfælde overstiger en størrelsesorden (ti gange)!

Forklar, hvordan denne kendsgerning er enig eller uenig i tanken om, at BJT'er er "strømstyrede" enheder. Hvis samlerstrømmen virkelig er en direkte funktion af basisstrømmen, hvorfor ville derfor proportionalitetskonstanten mellem de to (β) ændre så meget?

Reveal svar Skjul svar

Sæt dig ned, før du læser dette, og sæt dig selv op for den hårde sandhed: Bipolære forbindelsestransistorer er teknisk ikke strømstyrede enheder. Du sad ned, ikke? Godt.

Opfølgningsspørgsmål: Hvis BJT'er ikke kontrolleres af basestrømmen, hvad styres de af? Udtryk dette i form af en ligning, hvis det er muligt. Tip: Undersøg "diode ligningen" for spor.

Bemærkninger:

Til diskussion vil du måske vise dine elever denne ligning, nøjagtige over en bred vifte af driftsforhold for base-emitter spændinger på mere end 100 mV:

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

Denne ligning er ikke-lineær: stigninger i V BE producerer ikke proportionelle stigninger i I C. Det er derfor meget lettere at tænke på BJT-drift i form af base- og kollektorstrømme, forholdet mellem disse to variabler er mere lineært. Undtagen når det ikke er, selvfølgelig. Sådan er afvejningen mellem enkelhed og nøjagtighed. I en indsats for at gøre tingene enklere, slutter vi ofte med at gøre dem forkerte .

Det skal bemærkes her, at selv om bipolære forbindelsestransistorer ikke er egentlig strømstyrede enheder, kan de stadig betragtes som (ca.) strømstyrende enheder. Dette er en vigtig sondring, der let kan gå tabt i spørgsmål som dette, når de grundlæggende antagelser udfordres.

Spørgsmål 12

Et almindeligt begreb anvendt i halvlederkredsløbsteknik er lille signalanalyse . Hvad er nøjagtigt ßmall signal "analyse, og hvordan står det i kontrast med stor signalanalyse ?

Reveal svar Skjul svar

En lille signalanalyse er, hvor signalerne formodes at være små nok i størrelse, som den eller de aktive enheder skal reagere på næsten lineært. Stor signalanalyse er, hvor signalerne formodes at være store nok til at komponentens nonlineariteter bliver signifikante.

Opfølgningsspørgsmål: hvorfor ville ingeniører genere sig med to analysemetoder i stedet for blot et (stort signal), hvor komponenterne har taget hensyn til ægte (ikke-lineær) adfærd? Forklar dette med hensyn til netværkssatser og andre matematiske "værktøjer" til rådighed for ingeniører til kredsløbsanalyse.

Bemærkninger:

Når man undersøger tekniske lærebøger og andre ressourcer, bruges disse udtryk ganske ofte uden introduktion, hvilket giver mange begynderstuderende forvirrede.

Spørgsmål 13

Forklar, hvad det betyder for en transistor at fungere i sin "aktive" tilstand (i modsætning til cutoff, mætning eller nedbrydning).

Reveal svar Skjul svar

I den aktive tilstand strømmer en transistor "gasstrøm" nuværende et sted mellem at være helt slukket og helt på.

Bemærkninger:

Hjælp dine elever til at kontrast aktive transistoroperationer med det, de kender til transistorer som omskifterelementer (enten mættede eller afskårne). Bed dem om at forklare, hvad der er unikt om transistoradfærd i det aktive område, der ikke udstilles i nogen anden region (dvs. transistorens adfærd med hensyn til kollektorstrøm og kollektor-emitterspænding).

Spørgsmål 14

Vi ved, at grafer er intet andet end samlinger af individuelle punkter, som repræsenterer korrelerede data i et system. Her er et plot af en transistors karakteristiske kurve (for en enkelt værdi af basisstrøm):

Og her er et plot af "load line" for et transistorforstærker kredsløb:

For hver af disse grafer vælger du et enkelt punkt langs kurven (eller linjen) og beskriver hvad det enkelte punkt repræsenterer i realtid. Hvad betyder et enkelt datapunkt i en af ​​disse grafer i et transistor kredsløb "# 14"> Reveal svar Skjul svar

For en transistors karakteristiske kurve repræsenterer et datapunkt den mængde strøm, der vil gå gennem kollektorterminalen for en given mængde af basisstrøm og en given mængde af kollektor-emitter spændingsfald.

For en belastningslinie repræsenterer et datapunkt mængden af ​​kollektor-emitterspænding, som er tilgængelig for transistoren for en given mængde af kollektorstrøm.

Krydset mellem en karakteristisk kurve og en belastningslinie repræsenterer den ene kollektorstrøm (og tilsvarende V CE spændingsfald), der vil "tilfredsstille" alle komponenternes betingelser.

Bemærkninger:

Diskuter dette spørgsmål grundigt med dine elever. Så mange elever af elektronik lærer at plotte belastningslinjer til forstærkerkredsløb uden nogensinde virkelig at forstå, hvorfor de skal gøre det. Lastlinjeplot er meget nyttige værktøjer i forstærkerkredsløbsanalyse, men betydningen af ​​hver kurve / linje skal forstås godt, før den bliver nyttig som et forståelsesinstrument.

Spørg dine elever, hvilke af de to typer af grafer (karakteristiske kurver eller belastningslinjer) repræsenterer en komponents naturlige eller "fri" adfærd, og hvilken der repræsenterer de afgrænsede forhold inden for et bestemt kredsløb.

Spørgsmål 15

Beskriv, hvad en belastningslinje er, da den vises overlejret på denne graf af karakteristiske transistorkurver:

Hvad repræsenterer lastlinjen i kredsløbet "# 15"> Reveal svar Skjul svar

En belastningslinje er et plot, der viser mængden af ​​kollektor-emitterspænding, der er tilgængelig for transistoren (V CE ) for en given kollektorstrøm:

Opfølgningsspørgsmål: hvorfor er belastningslinjer altid lige og ikke bøjede, da transistorkarakteristiske kurver er "noter skjulte"> Noter:

Det er meget vigtigt for eleverne at forstå de ontologiske karakter af belastningslinjer (dvs. hvad de er ), hvis de skal bruge dem ofte i transistor kredsløbsanalyse. Dette er desværre noget, der ofte ikke forstås af studerende, når de begynder at studere transistor kredsløb, og jeg sætter skylden retfærdigt på lærebøger (og instruktører), der ikke bruger nok tid til at introducere konceptet.

Min yndlings måde at lære elever om belastningslinjer på er at få dem til at plotte belastningslinjer for ikke-transistor kredsløb, såsom spændingsdelere (med en af ​​to modstande mærket som "load" og den anden modstand lavet variabel) og diode-modstand kredsløb.

Spørgsmål 16

Selvom de karakteristiske kurver for en transistor normalt genereres i et kredsløb, hvor basestrømmen er konstant, og kollektor-emitterspændingen (V CE ) er varieret, er det normalt ikke, hvordan transistorforstærkerkredsløb er konstrueret. Typisk varierer basestrømmen med indgangssignalet, og kollektorens strømforsyning er en fastspændingskilde:

Tilstedeværelsen af ​​en belastningsmodstand i kredsløbet tilføjer en anden dynamik til kredsløbets adfærd. Forklar, hvad der sker med transistorens kollektor-emitterspænding (V CE ), da kollektorstrømmen stiger (taber mere batterispænding over belastningsmodstanden) og kvalitativt plot denne belastningslinje på samme graftype, der bruges til at plotte transistorkurver:

Reveal svar Skjul svar

Fordi der ikke er nogen tal langs akserne i denne graf, er det bedste, du kan gøre, at plotte den generelle hældning af linjen, fra øverste venstre til højre mod højre:

Bemærkninger:

Spørg din elev, hvorfor denne plot er lige og ikke buet som transistorens karakteristiske funktion.

Spørgsmål 17

Beregn og overlejrer lastlinjen for dette kredsløb oven på transistorens karakteristiske kurver:

Bestem derefter mængden af ​​kollektorstrøm i kredsløbet ved følgende basestrømværdier:

I B = 10 μA
I B = 20 μA
I B = 30 μA
I B = 40 μA
Reveal svar Skjul svar

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

Bemærkninger:

Det ville være godt at påpege noget her: Overlejring af en lineær funktion på et sæt ikke-lineære funktioner, og at kigge på krydspunkterne giver os mulighed for at løse flere variabler i et ikke-lineært matematisk system. Normalt betragtes kun lineære systemer af ligninger som "opløselige" uden at ty til meget tidskrævende aritmetiske beregninger, men her har vi et kraftfuldt (grafisk) værktøj til at tilnærme værdierne af variabler i et ikke-lineært system. Da tilnærmelser er det bedste, vi kan håbe på i transistor kredsløb alligevel, det er godt nok!

Spørgsmål 18

I denne graf ses tre forskellige belastningslinjer, der repræsenterer tre forskellige værdier af belastningsmodstand i forstærkerkredsløbet:

Hvilken af ​​de tre belastningslinjer repræsenterer den største værdi af belastningsmodstand (R- belastning ) "# 18"> Reveal svar Skjul svar

Lastelinien nærmest vandret repræsenterer den største værdi af belastningsresistens, og det repræsenterer også den tilstand, hvor V CE vil variere mest for en given mængde af basisstrøm (indgangssignal) ændring.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål udfordrer eleverne til at relatere belastningsmodstandsværdier for at indlæse linjer, og både til det praktiske mål for spændingsforstærkning i et simpelt forstærkerkredsløb. Som en illustration bede eleverne om at analysere ændringer i kredsløbet for et indgangssignal, som varierer mellem 5 μA og 10 μA for de tre forskellige belastningsmodstandsværdier. Forskellen i ΔV CE bør være meget tydelig!

Spørgsmål 19

En vigtig parameter for transistorforstærkerkredsløb er Q-punktet eller det hvilende driftspunkt . "Q-punktet" af et transistorforstærkerkredsløb vil være et enkelt punkt et sted langs sin belastningslinie.

Beskriv hvad "Q point" faktisk betyder for et transistorforstærker kredsløb, og hvordan dets værdi kan ændres.

Reveal svar Skjul svar

"Q-punktet" for et transistorforstærkerkredsløb er punktet langs dets betjeningsområde i en "quiescent" tilstand: når der ikke er noget indgangssignal forstærket.

Bemærkninger:

Q-punkter er meget vigtige i designprocessen for transistorforstærkere, men igen synes eleverne ofte ikke at forstå den faktiske betydning af konceptet. Bed dine elever om at forklare, hvordan belastningslinjen dannet af belastningsmodstanden og transistorens karakteristiske kurver beskriver alle mulige driftsforhold for kollektorstrøm og V CE for dette forstærkerkredsløb. Derefter diskuteres, hvordan kredsløbets status er defineret på et hvilket som helst tidspunkt i løbet af disse grafer (ved en linje, en kurve eller et punkt?).

Spørgsmål 20

Den følgende graf er en familie af karakteristiske kurver for en bestemt transistor:

Tegn belastningslinjen og identificer Q-punktet på den belastningslinje for et kollektorforstærker kredsløb ved hjælp af denne transistor:

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Placeringen af ​​dette kreds Q-punkt er omtrent midtvejs langs lastlinjen. Vil du sige, at dette er tegn på en forstærker forudindtaget til klasse A-operationen eller for en anden klasse af operationen "noter skjult"> Noter:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til at relatere deres eksisterende viden om fælles-kollektor kredsløb DC analyse til begrebet belastningslinjer og Q-point. Bed dine elever om at dele deres analyseteknikker med hele klassen.

Spørgsmål 21

Den følgende graf er en familie af karakteristiske kurver for en bestemt transistor:

Tegn belastningslinjen og identificer Q-punktet på denne belastningslinje for et fælles-emitterforstærkerkredsløb ved hjælp af denne transistor:

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Afgør, hvad der ville ske med Q-punktet, hvis modstand R 2 (2, 2 kΩ forspændingsmodstanden) skulle svigte åben.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til at relatere deres eksisterende viden om DC-analyse med DC-kredsløb til begrebet belastningslinjer og Q-point. Bed dine elever om at dele deres analyseteknikker med hele klassen.

Spørgsmål 22

Den følgende graf er en familie af karakteristiske kurver for en bestemt transistor:

Overlejrer på denne graf en belastningslinje til følgende fælles-emitterforstærker kredsløb ved hjælp af samme transistor:

Bestem også nogle bias-modstandsværdier (R 1 og R 2 ), som vil medføre, at Q-punktet hviler omtrent midt på belastningslinjen.

R1 = R2 =

Reveal svar Skjul svar

Der er flere par modstand værdier, der vil fungere tilstrækkeligt til at placere Q-punktet i midten af ​​belastningslinjen. Jeg lader dette være en øvelse for dig at arbejde igennem og diskutere med dine klassekammerater!

Opfølgningsspørgsmål: Afgør, hvad der ville ske med Q-punktet, hvis modstand R 2 (2, 2 kΩ forspændingsmodstanden) skulle svigte åben.

Bemærkninger:

Dette er et meget praktisk spørgsmål, da både teknikere og ingeniører skal vælge korrekt forspænding, så deres forstærkerkredsløb vil fungere i den påtænkte klasse (A, i dette tilfælde). Der er mere end et ordentligt svar til modstandsværdierne, så sørg for at få dine elever til at dele deres løsninger med hele klassen, så mange muligheder kan udforskes.

Spørgsmål 23

Find en eller to ægte bipolære forbindelsestransistorer og bring dem med til klassen til diskussion. Identificer så meget information som muligt om dine transistorer før diskussion:

Terminalidentifikation (hvilken terminal er base, emitter, samler)
Kontinuerlig effekt rating
Typisk β
Reveal svar Skjul svar

Hvis det er muligt, skal du finde en fabrikants dataark for dine komponenter (eller i det mindste et datablad for en lignende komponent) for at diskutere med dine klassekammerater. Vær forberedt på at bevise de terminale identifikationer af dine transistorer i klassen ved at bruge et multimeter!

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til at kinestetisk interagere med emnet. Det kan måske være fjollet at få eleverne til at deltage i en "show and tell" -øvelse, men jeg har fundet ud af, at aktiviteter som dette i høj grad hjælper nogle studerende. For de elever, der er kinestetiske i naturen, er det en stor hjælp til faktisk at røre virkelige komponenter, mens de lærer om deres funktion. Selvfølgelig giver dette spørgsmål også en glimrende mulighed for at praktisere tolkning af komponentmærkninger, bruge et multimeter, adgangsdatablade mv.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →