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Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto UtenteZG84 » 18 nov 2013, 23:38

Salve premettendo che sto imparando adesso come funzionano i transistor volevo capire se i calcoli che faccio per il dimensionamento della resistenza di base sono giusti per farlo lavorare in saturazione.

Datasheet ricavato in internet:
PN3904
Tipo: PN3904
Materiale principale: Si :?:
Struttura: NPN
Potenza massima dissipabile (PC): 0.31 W
Tensione tra collettore e base (Vcb): 60 V
Tensione tra collettore ed emettitore (Vce): 40 V
Tensione tra base ed emettitore (Veb): 6 V
Massima corrente continuativa (Ic): 0.2 A
Temperatura di giunzione (Tj), °C: 150
Frequenza di transizione (ft): 250 MHz
Capacità di uscita (Cc), Pf: 4 :?:
Il guadagno di tensione in continua (hfe): 50
Pack: TO92



Supponiamo che il led lo faccia lavorare a 0.020 A:

Calcolo la Rc:
Rc=\frac {V_c}{I_c}=\frac {10} {0.020}=500ohm

Calcolo la Ib:
Ib=\frac {Ic}{hfe}=\frac {0.020}{50}=0.0004 A

Calcolo la Rb:
Rb=\frac {Vb-Vbe}{Ib}=\frac {5-6}{0.0004}=-2500ohm
Nel''articolo che ho letto dicono di considerare Vbe = 0.7?

Domande:
-Il "carico" va collegato prima del collettore o dopo l'emettitore? :roll:
-Vbe = Veb del datasheet?
-Rb col segno negativo?
-La capacità d'uscita che cos'é?(vedi datasheet)
-Perché ho come la sensazione di aver sbagliato i conti??? e di non averne capito na mazza? ](*,)
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[2] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto Utenterusty » 18 nov 2013, 23:48

Materiale principale: Si, simbolo dell'elemento Silicio.

I parametri che hai indicato sono le AMR (Absolute Maximum Rating), ovvero i valori che non devi mai oltrepassare, e nemmeno sfiorare, devi starci al di sotto per una maggiore affidabilita' del dispositivo.
La giunzione base emettitore in un BJT al silicio è di norma attorno ai 0.7 V (un po' meno per i vecchi al Ge, Germanio), dunque nel calcolo della resistenza di base 5V - 0.7V, e il risultato viene positivo (come dev'essere).

Il led ha una sua caduta di tensione, necessaria ad alimentarlo, tipicamente per un led rosso attorno ai 2 V, la devi contare, chiamiamola Vled.
Inoltre devi considerare che quando scorre corrente dal collettore all'emettitore c'è una piccola caduta di tensione tra collettore ed emettitore, chiamata Vce (sat), di norma qualche centinaio di mV, quindi per essere precisi il calcolo della resistenza di collettore sarebbe 10 V - Vled - Vce(sat), diviso la corrente, come hai fatto.
Vce(sat) la trovi di norma nel datasheet.

Ci sono altre cosette da smussare ancora (resistore tra base e massa), per il resto è ok.

Un piccolo hint, per capire se veramente è in saturazione entrambe le giunzioni devono essere polarizzate direttamente, vale a dire che per un N-P-N (collettore, base, emettitore), Vc<Vb e Vb>Ve, quindi in questo caso la Vc è circa qualche millivolt, che è minore della Vb a circa 0.7 V, e Vb è maggiore di Ve che è pari a 0 V essendo a massa.
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[3] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto Utenterusty » 19 nov 2013, 15:55

Andando piu' nel dettaglio, vediamo come risolvere il tuo problema.
Il datasheet dovrebbe essere questo (2N3904): http://www.fairchildsemi.com/ds/2N/2N3904.pdf

In prima pagina possiamo vedere gli AMR, ovvero Absolute Maximum Ratings, i valori che non dobbiamo mai raggiungere per stare tranquilli, meglio stare sempre al di sotto di questi, ad esempio: la corrente di collettore massima sopportata è di 200 mA, dobbiamo stare al di sotto, diciamo un massimo di 150, 170 mA è piu' che sufficiente.
Nel nostro circuito dobbiamo solamente accendere un LED con 20 mA dunque non ci sono problemi.

Dobbiamo farlo lavorare in saturazione, quindi vediamo quanto è la caduta di tensione tra collettore ed emettitore in regime di saturazione , Vce(sat), questo dato possiamo leggerlo in seconda pagina nelle Electrical Characteristics, e vediamo che per una corrente di 10 mA la caduta massima che possiamo avere è di 200 mV, prendiamo questa nei nostri conti.

Il LED ha bisogno di essere alimentato, dunque ai suoi capi dovra' cadere una tensione pari alla sua tensione di forward, che per un led rosso tipicamente è circa 2V; dunque 2V e 20 mA sul LED.

Possiamo cominciare a calcolare il resistore da porre sul collettore, in questo modo:

R_C = \frac{V_{CC}-V_{LED}-V_{CE(sat)}}{I_{LED}}=\frac{10\,V -2\,V-0.2\,V}{0.02\,A}\approx390\,\Omega

Sempre dalle Electrical Characteristics prendiamo per buono il tuo guadagno in continua, un beta di 50, sottostimandolo.
La corrente di base quindi sara' circa:

I_B=\frac{I_C}{h_{FE}}=\frac{0.02\,A}{50\,}\approx0.4\,\text{mA}

Con questa corrente di base calcoliamo ora la caduta di tensione ai capi del resistore di base, e il valore della resistenza stessa imponendo una corrente di appunto 0.4 mA:

R_B=\frac{5\,V-0.7\,V}{0.4\,\text{mA}}\approx10750\,\Omega

Possiamo usare un resistore da 10k standard.

Per ora dimmi se fin qui hai capito, poi vediamo di aggiungere il resistore di pulldown.
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[4] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 19 nov 2013, 19:32

Non mi piace il calcolo che hai fatto perche' non saturi bene il transistore.

Il guadagno minimo in continua a 20mA, a temperatura ambiente, e` compreso fra 60 e 100 (sezione ON CHARACTERISTICS) quindi un 50 potrebbe starci. Il tutto con una tensione VCE di 1V, che va bene, cosi` non entra troppo l'effetto Early.

Il problema e` che per saturare bene il transistore bisogna usare un beta forzato che sia al massimo un terzo del beta minimo, quindi dovresti prendere come corrente di base 1.2mA, non 0.4mA con i quali probabilmente il transistore potrebbe ancora essere in linearita`, dato che quando la tensione VCE scende, il beta scende anche lui.

Se poi si va a leggere la riga dopo, VCE(sat) sempre nella stessa sezione, si vede che il costruttore suggerisce abbastanza esplicitamente di usare un beta forzato di 10. Forse e` meglio dargli ascolto e usare una corrente di collettore di 2mA.

Infine si dovrebbe anche usare il valore di VBE(sat), che e` un po' piu` alta rispetto a quanto avevi preso, ma questo non comporta variazioni significative.
Per usare proficuamente un simulatore, bisogna sapere molta più elettronica di lui
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[5] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto Utenterusty » 19 nov 2013, 19:46

Grazie, sapevo della forzatura alla saturazione, per questo ho diminuito un pochino la resistenza di base... ma non credevo addirittura 3 volte la corrente calcolata... la prossima volta ne terro' conto: buono a sapersi!

Felice di rileggerti,
Cheers :ok:
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[6] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto UtenteZG84 » 19 nov 2013, 22:00

scusate il ritardo....il datasheet presumo sia quello.
tutto molto chiaro a parte qualcosina...
Iniziano i perché! portate pazienza

rusty ha scritto:Dobbiamo farlo lavorare in saturazione, quindi vediamo quanto è la caduta di tensione tra collettore ed emettitore in regime di saturazione , Vce(sat), questo dato possiamo leggerlo in seconda pagina nelle Electrical Characteristics, e vediamo che per una corrente di 10 mA la caduta massima che possiamo avere è di 200 mV, prendiamo questa nei nostri conti.


c'è scritto per un Ic di 10 mA ho una Vce di 0.2 V io ho un Ic di 20 mA.
Devo dedurre che fino a che non supero un Ic di 50 mA prendo in considerazione la Vce da 0.2V?

rusty ha scritto:Sempre dalle Electrical Characteristics prendiamo per buono il tuo guadagno in continua, un beta di 50, sottostimandolo.

IsidoroKZ ha scritto:Il guadagno minimo in continua a 20mA, a temperatura ambiente, e` compreso fra 60 e 100 (sezione ON CHARACTERISTICS) quindi un 50 potrebbe starci.


dici così perché sul datasheet c'è scritto che a 50 mA è 60 ed a 10 mA è 100?
quindi dovrei calcolarmelo?

IsidoroKZ ha scritto:Il tutto con una tensione VCE di 1V, che va bene, cosi` non entra troppo l'effetto Early.


Mamma mia come mi sento ignorante cos'è l'effetto Early?

IsidoroKZ ha scritto:Il problema e` che per saturare bene il transistore bisogna usare un beta forzato che sia al massimo un terzo del beta minimo, quindi dovresti prendere come corrente di base 1.2mA, non 0.4mA con i quali probabilmente il transistore potrebbe ancora essere in linearita`, dato che quando la tensione VCE scende, il beta scende anche lui.

Se poi si va a leggere la riga dopo, VCE(sat) sempre nella stessa sezione, si vede che il costruttore suggerisce abbastanza esplicitamente di usare un beta forzato di 10. Forse e` meglio dargli ascolto e usare una corrente di collettore di 2mA.

Infine si dovrebbe anche usare il valore di VBE(sat), che e` un po' piu` alta rispetto a quanto avevi preso, ma questo non comporta variazioni significative.


e in tutta sincerità non sapendo cosa si intende per beta non c'ho capito una mazza
una corrente di collettore 2 mA? ma se a me ne servirebbero 20 mA?

per ovvi motivi aspettiamo un attimo prima di passare alla resistenza di pulldown :D
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[7] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto Utenteobiuan » 20 nov 2013, 1:34

CIao,

provo a vedere se mi riesce di spiegartelo in soldoni.

Con Beta si intende il guadagno di corrente del transistor quando è in zona attiva, quando il transistor entra in saturazione beta si abbassa di parecchio. Isidoro dice un terzo del minimo, io di solito se non è specificato nel datasheet considero un quinto.

Per capire in quale zona andrà a funzionare il transistor, pensa così: all'accensione, il transistor proverà a raggiungere una condizione di equilibrio con la Ic = Beta * Ib. Se questo gli sarà possibile, si fermerà in zona attiva, altrimenti dovrà per forza saturare.

Dunque nel tuo caso:

vuoi una Ic di 20mA ed hai un transistor che ha un beta variabile fra 60 e 100. Prendiamo il beta minimo:

20mA / 60 = 333 uA

Questo significa che con una Ib di 333uA o meno il transistor riuscirà a restare in zona attiva. Mettiamogli allora una Ib decisamente superiore, diciamo 1mA.

La Ib la calcoli (a spanne) come hai fatto giustamente, in questo modo:

Ib = (5V - 0,7)/Rb, da cui ricavi Rb = 4,3V/1mA = 4,3k

Ora all'accensione il transistor si troverà con 1mA di base, proverà a tirarne quindi da 60 a 100 di collettore, ma non potrà farlo a causa della Rc (calcolata come indicato da Isidoro e Rusty) e quindi scenderà in saturazione.

La Vce(sat) in applicazioni come queste, dove non hai necessita di una grande precisione sulla corrente di collettore, per correnti dello stesso ordine di grandezza la puoi considerare costante. Quindi se nel datasheet c'è scritto 200mV a 10mA, considera pure 200mV anche a 20mA.

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[8] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto UtenteZG84 » 20 nov 2013, 13:01

ho provato a guardare anche sul libro di elettronica ma se la cava con 1 pagina sulla spiegazione dei transistor e non dice niente, comunque grazie ai vostri suggerimenti ci sto arrivando....un po alla volta :D con calma
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[9] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto UtenteIsidoroKZ » 20 nov 2013, 17:32

ZG84 ha scritto:c'è scritto per un Ic di 10 mA ho una Vce di 0.2 V io ho un Ic di 20 mA.
Devo dedurre che fino a che non supero un Ic di 50 mA prendo in considerazione la Vce da 0.2V?

Puoi anche interpolare fra i due valori: nel caso peggiore potrebbe essere un po' piu` grande di 0.2V ma poco di piu`. Se prendi un transistore dal cassetto e` possibile che quella tensione sia un po' di meno, quello e` il caso peggiore
ZG84 ha scritto:
IsidoroKZ ha scritto:Il guadagno minimo in continua a 20mA, a temperatura ambiente, e` compreso fra 60 e 100 (sezione ON CHARACTERISTICS) quindi un 50 potrebbe starci.

dici così perché sul datasheet c'è scritto che a 50 mA è 60 ed a 10 mA è 100?
quindi dovrei calcolarmelo?

Se ci fosse anche una curva tipica del guadagno di corrente in funzione della corrente, potresti stimare qual e` il guadagno minimo a 20mA. Dato che non c'e` e che quelle curve sono comunque monotone, si puo` prendere un guadagno di 60. Se poi ci si volesse cautelare dalla riduzione di guadagno che si ha quando la temperatura scende sotto ai 25°C, si puo` anche prendere 50.

ZG84 ha scritto:Mamma mia come mi sento ignorante cos'è l'effetto Early?

E` la variazione del guadagno di corrente al variare della tensione collettore emettitore. Quando questa tensione sale la base si stringe e il rapporto I_C/I_B aumenta. Se ti danno il guadagno con VCE=1V non stanno barando. Pero` se scendi il guadagno comincia a scendere anche prima che il transistore entri in saturazione.
ZG84 ha scritto:
e in tutta sincerità non sapendo cosa si intende per beta non c'ho capito una mazza
una corrente di collettore 2 mA? ma se a me ne servirebbero 20 mA?

Il beta (meglio beta zero) e` il rapporto fra corrente continua di collettore e corrente continua di base. Viene anche indicato come hFE

\beta_0=h_{FE}=I_C/I_B

Ci sono altri due beta, che qui non interessano.

Se guardi il data sheet, nella parte ON characteristics dice dei parametri del transistor (ad esempio VCE(sat) e VBE(sat)) ma indica anche che sono stati valutati con I_C/I_B=10 : questo e` un forte suggerimento a usare quel valore di beta forzato, quindi per avere 20mA in collettore metti 2mA in base e dormi sonni tranquilli :)
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[10] Re: Resistenza di base Transistor NPN-PNP

Messaggioda Foto UtenteZG84 » 20 nov 2013, 23:15

Vi ringrazio per l'attenzione e il tempo (prima che mi dimentichi :D )
Ok Vediamo se ho capito o se sto affogando nella mia ignoranza :D
Per il momento prendiamo per buono lo schema del primo post e il datasheet postato da rusty.

Poniamo sempre che il led funzioni a 0.020A e che la caduta di tensione del led sia 2V nel caso sia rosso quindi abbiamo che:

Ic = 0.020 A
Vled = 2 V
Vc = 10 V
Vb = 5 V

A questo punto controllo nel datasheet gli AMR (valori massimi) in modo che la corrente utile per fare funzionare il led sia inferiore alla corrente massima di collettore del transistor e per star tranquilli tolgo dalla corrente di collettore massima un 15%

Icmax = Icmax - 15\% = 0.200 - 15\% =0.170 A
Ic < Icmax = 0.020 < 0.170

Ok rientro nei valori massimi a questo punto poiché voglio fare lavorare il transistor in saturazione vado a calcolare la resistenza da mettere al collettore tenendo in considerazione la caduta di tensione che ha il led, della caduta di tensione che ho tra collettore ed emettitore in saturazione.
Consulto il datasheet:
Datasheet.PNG
Datasheet.PNG (19.59 KiB) Osservato 18945 volte

Alla voce Vce_sat leggo che per un valore di Ic di 10mA ho una Vce_sat di 0.2V mentre per un Ic di 50mA ho una Vce_sat di 0.3V quindi avendo bisogno di 20mA posso tenere buona una Vce_sat di 0.2V (o se voglio essere inutilmente pignolo potrei interpolare i due valori per calcolare la Vce_sat effettiva):

Rc=\frac {Vc-Vled-Vce_{(sat)}}{Ic} = \frac {10 - 2 - 0.2}{0.02} \simeq 390 ohm

e fino a qui penso di non aver tralasciato o sbagliato nulla.
A questo punto devo calcolarmi la corrente di base Ib e quindi mi serve sapere quant'è il guadagno hfe (detto anche beta zero ;-) ) e vado nuovamente a consultare il datasheet:
Alla voce hfe leggo che per un valore Ic di 10mA con Vce di 1V il guadagno è da 100 min. fino a 300 max e che per una Ic di 50mA con Vce di 1V il guadagno è di 60.
Essendo la mia Ic 20mA ipotizzo un guadagno pari a 60 ( :?: quindi prendo sempre in considerazione il guadagno più basso? :?: ).

Ib = \frac {Ic} {h_{FE}}=\frac {0.02} {60}= 0.3mA

Ma...come faceva notare IsidorKZ e obiuan bisogna calcolare Ib col calcolo spannometrico :lol:

obiuan ha scritto:Dunque nel tuo caso:
vuoi una Ic di 20mA ed hai un transistor che ha un beta variabile fra 60 e 100. Prendiamo il beta minimo:

20mA / 60 = 333 uA

Questo significa che con una Ib di 333uA o meno il transistor riuscirà a restare in zona attiva. Mettiamogli allora una Ib decisamente superiore, diciamo 1mA.


o meglio come dice IsidorKZ

IsidoroKZ ha scritto:Se guardi il data sheet, nella parte ON characteristics dice dei parametri del transistor (ad esempio VCE(sat) e VBE(sat)) ma indica anche che sono stati valutati con \frac {Ic}{Ib}=10 questo e` un forte suggerimento a usare quel valore di beta forzato, quindi per avere 20mA in collettore metti 2mA in base e dormi sonni tranquilli :)

e guardando meglio il datasheet notiamo che i vari test fatti li hanno eseguiti considerando un guadagno hfe di 10 quindi:

Ib = \frac {Ic} {h_{FE}}=\frac {0.02} {10}= 0.002A=2mA

in questo modo siamo sicuri che il transistor lavori in saturazione.
A questo punto posso finalmente calcolarmi la resistenza di base Rb:

Rb=\frac{Vb-Vbe}{Ib}=\frac {5-0.7}{0.002}=2150ohm

IsidoroKZ ha scritto:Infine si dovrebbe anche usare il valore di VBE(sat), che e` un po' piu` alta rispetto a quanto avevi preso, ma questo non comporta variazioni significative.


quindi al posto di Vbe 0.7 dovrei usare 0.85 e quindi( e qui si vede se casca l'asino :D che nella fattispecie sarei io):

Rb=\frac{Vb-Vbe}{Ib}=\frac {5-0.85}{0.002}=2075ohm

e quindi posso arrotondare per eccesso? 2200ohm vanno bene?

Ok ci ho messo un po a scrivere tutto spero di non aver fatto errori, di non aver tralasciato i suggerimenti di nessuno e ho preferito essere dettagliato e magari ripetitivo perché magari potrà tornare utile anche a qualcun altro.

Ci sono arrivato o c'è qualcosa da rivedere?

son sicuro che mi sto dimenticando di chiedervi qualcosa ma al momento mi sfugge....ah si le formule di verifica per controllare che i conti tornino...rusty aveva accennato a qualcosa
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