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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