トランジスタの基本的な質問

示されている回路を作成しました。私は9Vバッテリー（実際には9.53Vを捨てる）とArduinoからの5Vを使用して、9ボルトと5ボルトの両方でテストしています。トランジスタはBC 548Bです（使用しているデータシートはこちらです）。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

RbとRcの値を変更していくつかのテストを行った結果、次の結果が得られましたが、実際に正しいかどうかはわかりません。

9V
Ref  Rb     Rc     Ib (μA)   Ic (mA)   Beta
1    160k   560    50        15.6      312
2    470k   1.2k   18        6.15      342
3    220k   1.2k   41        7.5       183
4    180k   1.2k   51        7.5       147

5V
Ref  Rb     Rc     Ib (μA)   Ic (mA)   Beta
1    160k   560    24        7.7       321
2    82k    330    52        14.1      271
3    470k   1.2k   9         2.89      321

私の質問は次のとおりです。

1. データシートから、このトランジスタの範囲は200から450の範囲であることがわかります。9Vテーブルref 3および4に200未満の値があるのは、コレクタエミッタ回路が飽和しており、 tがさらに高くなると、Ib電流が増加するにつれてベータが低下します。あれは正しいですか？

2. 私が見たすべての教科書で、ベータ版は静的な値です。「ベータがXの場合、コレクターにYの電流を作成するために必要なベースの抵抗を計算します」。私はそれ以来、温度とコレクタ電流によってベータが変動することを読みました（コレクタ電流だと思います）。このデータは実際どこにありますか？ベータ対Icを教えてくれるテーブルはどこですか？ベータ版が絶えず変化している場合、常に動作する抵抗器を実際にどのように選択しますか、および/またはコレクターにロードされるものに電流が多すぎますか？

3. データシートの図1は、ベースに50μAの電流がある場合、コレクターとエミッター間の電圧に関係なく、コレクター電流が約11mAを超えてはならないことを示しています。しかし、9V ref 1と5V ref 2の場合、両方ともIb〜50μAであるため、記載されているよりも高いIcがあります。どうしてこれなの？図1が実際に私に言っていることは何ですか？

4. データシートの図3は、Vce = 5Vの場合、Ic <40mAでhFEが200であることを示しています。この投稿の5Vテーブルのすべての結果を考えると、明らかにそうではありません。繰り返しますが、このグラフは何ですか？

5. 回路を接続して、コレクターからエミッターまで9Vのバッテリーを動かし、5VのArduinoがベースに電力を供給するようにしました。これは基本的にトランジスタースイッチの目的です。Arduinoを短くすることになると思います。ベースの端で9VバッテリーをCからEおよび5Vで動作させるにはどうすればよいですか？これを実際に配線するにはどうすればよいですか？

あなたの質問はベータまたはh _FEに関するもののようです。はい、これは同じ生産バッチであっても、部品によって大きく異なる場合があります。また、コレクタ電流とコレクタ電圧によって多少変動します（エミッタを0 V基準として使用）。ただし、どのトランジスタについても、そのゲインは実際には妥当な範囲でコレクタ電流の関数としてほとんど変化せず、コレクタ電圧が十分に高く保たれていると仮定しています。

あなたが見逃しているように見える大きなポイントは、正確なゲインを心配するべきではないということです。バイポーラトランジスタを使用した良好な回路は、意図された動作領域で最小の保証ゲインで動作しますが、それ以外の場合はそこから無限の任意のゲインで正常に動作します。特定の動作点で1つのトランジスタがデータシートで保証されている最小値の10倍以上のゲインを持っていることは、問題ではありません。回路設計でそれを考慮に入れた後、回路がトランジスタのゲインで無限に動作することを確認することは、実際にはほんの小さなステップです。

このような広範囲のゲインを設計することは難しいように思えるかもしれませんが、実際にはそうではありません。基本的に2つのケースがあります。トランジスタをスイッチとして使用する場合、最小保証ゲインから計算された最小ベース電流が飽和状態になります。ゲインが高い場合、トランジスタは同じベース電流で飽和状態になりますが、その両端の電圧とそれを流れる電流はほぼ同じになります。別の言い方をすれば、回路の残りの部分（異常な場合を除く）は、トランジスタ駆動の2倍または20倍の飽和状態の違いを認識できません。

トランジスタがその「線形」領域で使用される場合、負のフィードバックを使用して、予測不可能な大きなゲインを、小さいが十分に制御されたゲインに変換します。これは、オペアンプで使用されるのと同じ原理です。DCフィードバックとACフィードバックは異なる場合があります。最初の設定では動作点を設定し、トランジスタのバイアスと呼ばれることもあります。

追加：

広範囲のトランジスタゲインを許容する回路例を次に示します。小さなオーディオ信号を約10倍増幅し、出力は約6 Vになります。

これを手動で解決するには、おそらく反復的に行うのが最も簡単でしょう。OUTが6Vであると仮定して開始し、そこから作業します。ゲインは無限であるため、ベース電流はなく、ベース電圧はOUTが何であれR1-R2分圧器によって直接設定されます。分周器のゲインは1/6であるため、ベースは1.00 Vです。BEの600 mVの降下を差し引くと、エミッタは400 mVになり、エミッタとコレクタの電流は400 µAになります。R1-R2パスには50 µAが流れるため、OUTから引き出される合計は450 µAであるため、R3での降下は4.5 Vであるため、OUTは7.5 Vになります。それからもう一回。結果が急速に収束することがわかります。

これは実際、シミュレーターが役立つ数少ないケースの1つです。シミュレーターの主な問題は、入力パラメーターがあいまいであるにもかかわらず、非常に正確で信頼できる見た目の答えが得られることです。ただし、この場合、トランジスタゲインだけを変更した場合の影響を確認したいので、上記で実行したように、シミュレーターがすべてのドラッジ作業を処理できます。シミュレーションの結果を小数点以下4桁で表示するのと同じように、前の段落のプロセスを1回実行して、何が起こっているのかを把握することは依然として有用です。

いずれにせよ、無限ゲインを想定した上記の回路のDCバイアスポイントを思い付くことができます。ここで、トランジスタのゲインを50として、繰り返します。OUTのDCレベルが少ししか変化しないことがわかります。

もう1つ注意すべきことは、DCフィードバックには2つの形式がありますが、ACオーディオ信号に対しては1つしかありません。

R1の上部はOUTに接続されているため、DCフィードバックが提供され、動作点がより安定し、正確なトランジスタ特性の影響を受けにくくなります。OUTが上昇すると、Q1のベースへの電流が上昇し、コレクタ電流が増加し、OUTが下降します。ただし、このフィードバックパスはオーディオ信号には適用されません。R1-R2分周器を見るインピーダンスは、R1 // R2 = 17kΩです。C1とこの17kΩによって形成されるハイパスフィルターのロールオフ周波数は9.5 Hzです。20 Hzでさえ、R1 // R2はC1を経由する信号にあまり負荷をかけず、周波数に比例してより重要ではなくなります。別の言い方をすれば、R1とR2はDCバイアスポイントの設定に役立ちますが、目的のオーディオ信号の邪魔にならないようにします。

対照的に、R4はDCとACの両方に負のフィードバックを提供します。トランジスタのゲインが「大きい」限り、エミッタ電流はコレクタ電流とほぼ同じになります。これは、R4にかかる電圧が抵抗に比例してR3に現れることを意味します。R3はR4の10倍なので、R3を横切る信号はR4を横切る信号の10倍になります。R4の上部は12 Vであるため、OUTは12 VからR3の信号を差し引いた値、つまり12 VからR4の信号を10倍引いた値になります。これは、トランジスタゲインが50以上など、それよりも大幅に大きい限り、この回路が10のかなり固定されたACゲインを達成する方法です。

トランジスタのパラメータを変えながら、この回路をシミュレーションしてください。DC動作点と、オーディオ信号のINからOUTへの全体的な伝達関数を調べます。

1.ベース電流が増加すると、見かけのベータが減少する原因は何ですか？

ベータ版は実際には変わりません。コレクタ電流はRcによって制限されます。Rc = 500 Withの場合、最大コレクタ電流は約18 mAです。Rc = 1.2kΩの場合、最大電流は約7.5 mAです。これはオームの法則によるものです-9V /1.2kΩ= 7.5 mA ベータ> 300の場合、コレクタ電流を最大にするために必要なベース電流は25 uAのみです。余分なベース電流を追加しても何も変わりません。

2.データシートには、ベータの動作と温度、およびが記載されています$I_C$ますか？

このデータシートには、ベータが温度によってどのように変化するかについての情報は含まれていません。ベータとIcについては、以下の質問4で説明します。私は他のいくつかのデータシートをチェックしましたが、温度変化も見られませんでした。このアプリノートによると、ベータはCあたり約0.5％増加します。より詳細に理解するには、Ebers-Mollモデルの使用が必要になる場合がありますするには、熱電圧（kT / q）の形式の温度を含む。私はBJTマスターではないので、おそらく他の誰かがこれを明確にすることができます。

$I_C$

データシートのこのセクションでは、典型的なパフォーマンス特性が記載されています。これらはユニットごとの変動を示さない平均値です。典型的なグラフでは、平均的なユニットの動作がわかりますが、その動作の実際の制限は示されていません。それが電気的特性の表です。

4.ベータ版は、データシートの図3に示されているものよりも大きくすることができますか？

ここでは2つのことが起こっています。まず、Vcは5Vテーブルで実際には5Vではありません。これは、電圧の一部がRcで低下しているため、この図は実際の回路を表していないためです。第二に、これは典型的な動作を示す別の図です。ベータは通常、Ic = 100 mA付近で低下し始めます。絶対最大Icは100 mAであるため、これはベータがデバイスの電流範囲全体でほぼ一定であることを期待する必要があることを意味します。この図では、典型的なベータとして200を使用していますが、hFE分類表からわかるように、個々のBC548Bのベータは200〜450のどこかになります。

5. Arduinoを使用してこのトランジスタのベースを駆動するにはどうすればよいですか？

まず、Arduinoのデータシートから最大連続出力電流を取得する必要があります。これはおそらくミリアンペアの範囲になります。ベース電流はそれより小さくなければなりません。ベータ> 200およびIcmax <100 mAなので、これは問題になりません。必要なコレクタ電流の量がわかっている場合（これが必要です）、最小ベース電流を把握できます。

これにより、ベース抵抗を選択できます。トランジスタの電気的特性の表によると、Vbeは約0.7 Vである必要があります。Arduinoの出力は5 Vであることがわかっているため、オームの法則を使用できます。

この抵抗をArduino IOとトランジスタのベースの間に接続します。トランジスタのエミッタ、9Vバッテリーのマイナス端子、およびArduinoのグランドを一緒に接続します。

O. Lathropの回答で提供された情報を補足する私は、あなたを驚かせるかもしれない短い例を挙げたいと思います。

ベータ= 200の現在のゲインを持つトランジスタを使用して、単純なゲインステージを設計したと仮定しましょう（投稿に示されています）。静止DC電流はIc = 1mAであり、測定された電圧ゲイン（Rc = 2.5kohms）はG = -100です。さて、より低い値beta = 100のトランジスタを変更しても、同じ静止電流Ic = 1mAを許容するより低い値にバイアス抵抗RBを調整した場合、電圧ゲインGは変わらないことがわかります。（これは公正な比較に必要です）。

その理由は次のとおりです。電圧ゲインは、トランジスタの相互コンダクタンスgmによって決まります（Ic = f（Vbe）特性の勾配）。つまり、「電流ゲイン」は何の役割も果たしません-ベータ値を200から100に下げると、電圧ゲインに影響を与えずに入力電流のみが増加します（動作点が変化しない限り）。