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  4. 数字晶体管的原理

知道并理解!数字晶体管的原理-凯发k8一触即发

选定方法

①使tr达到饱和的ic/ib的比率是ic/ib=20/1
②输入电阻:r1是±30% e-b间的电阻:r2/r1=±20%
③vbe是0.55~0.75v

数字晶体管具有下面的关系式。

■数字晶体管直流电流增益率的关系式

gi:数字晶体管的直流电流增益率
gi=io/iin
hfe=ic/ib
io=ic , iin=ib ir2, ib=ic/hfe , ir2=vbe/r2
电压关系式 vin=vr1 vbe

■集电极电流关系式

∴ ic= hfe×((vin-vbe)/r1 )- (vbe/r2)) ・・・①

※这里所说的hfe是vce=5v、ic=1ma时的值,不是饱和状态。

作为开关使用时,需要饱和状态的电流比率ic/ib=20/1

∴ ic= 20×((vin-vbe)/r1 )- (vbe/r2 ))・・・②

将式子①的hfe替换成20/1。

而且,如果在考虑偏差的基础上计算
将r1的最大值 30% r2的最小值-20% vbe的最大值0.75v这一组最差数值代入式子②计算。
根据下面的式子选择数字晶体管的电阻r1、r2,使数字晶体管的ic比使用设备上的最大输出电流iomax大。

∴ iomax≦20((vin-0.75)/(1.3×r1)-0.75/(1.04×r2))

数字晶体管的型号说明

io和ic的区别

ic: 能够通过晶体管的电流的最大理论值
io: 能够作为数字晶体管使用的电流的最大值

解说

dta/c系列为例,构成数字晶体管的个别晶体管能流过100ma电流。
用ic=100ma定义。个别晶体管连接电阻r1、r2,则成为数字晶体管。
此数字晶体管流过ic=100ma时,基极电流ib需要相对应的电流値,其结果需要高的输入电压vin
根据绝对最大额定值限制,由输入电阻r1的功率许容值(封装功率)决定输入电压vin(max)。电流ic=100ma流过时,可能超过这个额定值,在不超过vin(max)条件下,数字晶体管中流过的电流值定义为io
如您所知,绝对最大额定值被定义为"不能同时提供2项以上",仅用ic标记没有问题,但结合客户实际使用状态,合并标记为io
因此电路设计探讨中此io即为绝对最大额定值。

gi和hfe的区别

hfe: 作为晶体管的直流电流增幅率
gi: 作为数字晶体管的直流电流增幅率

解说

gi和hfe都表示发射极接地直流电流放大率。
数字晶体管是指普通晶体管上连接2个电阻器的晶体管。
直流电流放大率为 输出电流/输入电流 ,因此不因输入电阻r1,放大率下降。仅有输入电阻r1的类型 放大率表示为hfe,与个别晶体管hfe相等。
如果在e-b间附加电阻r2,输入电流则分为流过个别晶体管的电流和流过e-b间电阻r2的电流。
因此放大率比单体时下降。此值称为gi,用以区分。

关于vi(on)和vi(off)的区别

vi(on)、vi(off)容易被混淆
vi(on): 数字晶体管为保持on状态的最低电压、定义vi(on)为min

错误观点

  • 1:由0开始依次加入输入电压。
  • 2:达到1.8v时,数字晶体管启动。
  • 3:因在规格书规定的3v(min) 以下,故判断为不合格。

正确观点

  • a:首先为了启动数字晶体管,加入足够的输入电压vin(如10v)
  • b:渐渐降低电压,到规格书规定的3v时停止。
    因仍保持on状态,故该产品为合格。
  • c:如果继续降低基极电压,不能完全保持on状态,而向off状态变化。
    因这一变化点在3v以下,故产品为合格。

关于数字晶体管的温度特性

根据环境温度、vbe、hfe、r1、r2变化。
hfe的温度变化率约为0.5%/ºc
vbe的温度系数约为-2mv/ºc(-1.8 to -2.4mv/ºc的范围有偏差)

r1的温度变化率,如下图表。

关于输出电压 - 输出电流特性的低电流领域(数字晶体管的情况)

数字晶体管的输出电压-输出电流特性,按以下测定方法测定。
io(低电流区域)条件下,个别晶体管基极没有电流流过。
因此低电流区域输出电压 (vo)[vce(sat)]上升。

测定方法 的场合 用io/ii=20/1测定。
ii=ib ir2、(ir2=vbe/10k=0.65v/10k=65μa)
ib=ii-ir2=ii-65μa 即ii在65µa以下时,ib没有电流流过,vo [vce(sat)]上升。
因此,在低电流区域不能测定vo

关于数字晶体管的开关动作

①晶体管的动作

图1

如图1,输入电压,启动npn晶体管。
在这个电路中,基极(b)-发射极(e)之间输入顺向电压,注入基极电流。
就是说,在基极(b)领域注入空穴。
如果在基极(b)领域注入电子,发射极(e)的载流子-会被吸引至基极(b),但是正极(b)领域非常薄,因此通过加入集电极电压,载流子可以穿越基极(b)流向集电极(c)。
借此,电流可以由集电极(c)→发射极(e)流动。

②开关动作

图2

晶体管的动作有增幅作用和开关作用。
在增幅作用中,通过注入基极电流ib,能够通过增幅hfe倍的集电极ic
在活性领域中,通过输入信号持续控制集电极电流,可以得到输出电流。
在开关作用中,在on时电气性饱和状态(降低集电极-发射极间的饱和电压)下使用。

关于数字晶体管的用语

vi(on)min.:输入电压 (input on voltage)

向out引脚、gnd引脚间施加正向电压 (vo),并得到规定的输出电流时需要的最小输入电压,即数字晶体管导通区域的最小输入电压值。
因此,如果要从on状态变为off状态,需要进一步降低该最小输入电压值,所以正常产品的电压值低于这个数值。

vi(off)max.:输入电压 (input off voltage)

在向out引脚、gnd引脚间施加电源电压 (vcc)、输出电流 (io) 的状态下,in引脚、gnd引脚间得到的最大输入电压,即可以保持数字晶体管off状态区域的最大输入电压值。
因此,如果要从off状态变为on状态,需要进一步升高该最大输入电压值,所以正常产品的电压值高于这个数值。

vo(on):输出电压 (output voltage)

在任意输入条件下不超过绝对最大额定值的输出引脚电压。gnd接地放大电路流过充足的输入电流时,输出电压降低,in、out接合也变为正偏压状态。在规定的vo、io下将ii设定为整数(通常10~20)分之一进行测定。

ii(max.):输入电流 (input current)

向in引脚、gnd引脚间施加正向电压 (vi) 时,in引脚连续流过电流的最大输入容许值。

gi:gnd接地直流电流增益 (dc current gain)

在规定的vo、io条件下的io/ii的比值。

r1:输入电阻 (input resistance)

在in引脚、晶体管基极之间内置的电阻。r1的公差设定为±30%。另外,还会随着温度的变化而变化。

r2/r1:电阻比率(resistance ratio)

晶体管的基极∙发射极之间的电阻与内置输入电阻的比率。

数字晶体管数据表下载

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