Wzmocnienie tranzystora vs układu Darlingtona

Jesli jesteś początkującym elektronikiem, to tu z pewnością znajdziesz pomoc. Miejsce dobre do dyskusji nad podstawami elektroniki w zakresie teorii i praktyki.
Awatar użytkownika
damwoj600
-
Posty: 19
Rejestracja: 06 wrz 2014, 13:37
Lokalizacja: Wrocław

Wzmocnienie tranzystora vs układu Darlingtona

Post autor: damwoj600 » 09 mar 2015, 10:22

Tranzystory w układzie Darlingtona teoretycznie dają większe wzmocnienie. Rozumiem to tak, że im większe wzmocnienie tym mniejszy prąd bazy jest potrzebny aby zaświecić LED-em (schemat poniżej). Przeprowadziłem symulację w której celem było uzyskanie prądu na diodzie o wartości 7.7mA dla układu z jednym tranzystorem i z układem Darlingtona, a następnie porównanie prądów baz. Aby otrzymać oczekiwany prąd na diodzie regulowałem rezystor w bazie tranzystora.

Symulacja pokazała, że w przypadku Darlingtona, prąd bazy jest większy prawie dwa razy, co jest efektem przeciwnym do oczekiwanego. Dlaczego i jak to poprawić?

Obrazek

Zauważyłem, że jeśli obciążenie podłączę do emitera, a nie do kolektora jak na schemacie poniżej, to wtedy wszystko działa niby poprawnie. Tylko, że wtedy nie mogę uzyskać dla układu Darlingtona prądu na diodzie równego 7.7mA - co najwyżej 5.7mA. Nic z tego nie rozumiem.

Obrazek

Awatar użytkownika
tom5555
Użytkownik
Posty: 627
Rejestracja: 23 sty 2008, 1:20
Lokalizacja: Zabrze
Kontakt:

Post autor: tom5555 » 09 mar 2015, 20:05

Zwróć uwagę na kierunki prądów i wartości napięć (spadki napięć) na poszczególnych elementach. Aby układ Darlingtona mógł działać, muszą być spełnione odpowiednie warunki. Na początek zwiększ napięcie zasilania obwodu kolektora.

PS. Poprzednio źle odczytałem napięcia, napięcie anody LED wziąłem za spadek napięcia na niej, dlatego edytowałem ten wpis.
Ostatnio zmieniony 10 mar 2015, 0:12 przez tom5555, łącznie zmieniany 1 raz.

Awatar użytkownika
edwacc
Użytkownik
Posty: 163
Rejestracja: 14 paź 2008, 10:19
Lokalizacja: świętokrzyskie knieje

Post autor: edwacc » 09 mar 2015, 21:14

Spójrz jeszcze raz na pierwszy zrzut z symulacji ukł. Darlingtona. Odpowiedź na swoje pytanie masz podaną jak na tacy (do tego właśnie służy symulator obwodów :)

Awatar użytkownika
damwoj600
-
Posty: 19
Rejestracja: 06 wrz 2014, 13:37
Lokalizacja: Wrocław

Post autor: damwoj600 » 10 mar 2015, 8:33

Teraz chyba rozumiem. Źle rozumiałem działanie tranzystora. Myślałem, że jeżeli rezystorem ograniczę prąd w obwodzie kolektora, to jednocześnie obniży się prąd bazy. No bo skoro prąd na kolektorze wynosi powiedzmy 10mA, a wzmocnienie tranzystora wynosi np 100A/A, to prąd bazy powinien wynieść 0.1mA.

Ale teraz widzę, że to nie działa w tą stronę. Po prostu ustalając prąd bazy ustalam też prąd w obwodzie kolektora, a skoro sam go sobie ograniczam rezystorem, no to nie ma się co dziwić, że wzmocnienie nie jest takie jak oczekiwałem. Czy może wciąż źle myślę i mimo to powinienem zwiększyć napięcie zasilania obwodu kolektora? Teraz zamieniłem rezystor w bazie na 10k, a w kolektorze dałem 100.

Obrazek

A projektując taki obwód najpierw dobieram rezystor dla diody w celu zabezpieczenia jej przed spaleniem, a następnie dobieram rezystor w obwodzie bazy tak aby prąd bazy był jak najmniejszy, a prąd w obwodzie kolektora jak największy? Czy raczej ustala się taki prąd bazy, aby prąd obwodzie kolektora nie spalił diody? Czy może jeszcze jakoś inaczej?

Zauważyłem jeszcze jedną ciekawą rzecz. Mianowicie, jeżeli zmniejszam wartość rezystora w bazie to dochodzi do sytuacji w której prąd kolektora jest mniejszy niż prąd bazy - prąd bazy bardzo rośnie (przypadek A), natomiast jeśli zwiększam, to w pewnym momencie prąd kolektora osiąga maksimum, które mimo zwiększania wartości rezystora się utrzymuje (przypadek B) i od jakiejś wartości dalsze zwiększanie wartości rezystora powoduje spadek prądu kolektora (przypadek C). Czy przypadek A to inwersyjna praca tranzystora, przypadek B nasycenie tranzystora, a przypadek C to normalna praca tranzystora?
Ostatnio zmieniony 10 mar 2015, 10:51 przez damwoj600, łącznie zmieniany 1 raz.

leech10
Użytkownik
Posty: 555
Rejestracja: 24 mar 2011, 20:34
Lokalizacja: Katowice

Post autor: leech10 » 10 mar 2015, 10:40

Hej

Załączam wycinek datasheet z BC547. 110 to minimalne wzmocnienie 800 to maksymalne. Czyli masz jakby to uznac duży rozrzut produkcyjny. Nie możesz ustalić rezystorem bazy pradu tranzystora ponieważ, nie wiesz na jaki model trafisz. Inaczej jak ustawisz dla jednego a się spali i kupisz inny to prawdopodobnie bedzie zupełnie inaczej no nie:-)

Zasada: projektujesz na najgorszy mozliwy przypadek. Czyli ustalasz rezystor dla diody i potem ustalasz rezystor dla bazy przyjmujac Hfe 110( w zasadzie tutaj mozna by przyjąc 100 bo łatwiej liczyć :-) )

Co do drugiego pytania.

Nasyca się tranzystor nie rezystor. Rezystor można co najwyżej spalić. Nic innego z nim nie zrobisz
Skąd ci się wzieła inwersja rezystora, co to jest?

Jesli chodzi o tranzystor( bo o to Ci na bank chodzi) to tak. Nasyci się. W pewnym momencie zwiększanie pradu bazy nic nie da. Tranzystor wejdzie w stan nasycenia. Napięcie na tranzystorze jest wtedy bardzo małe( dla BC547 jest to max 250mV- najgorszy mozliwy przypadek wg noty katalogowej). Najniża wtedy jest również moc strat, co wynka bezpośrednio z wartości napięia . Pstrat=Unasycenia x I.

praca inwersyjna jest wtedy, gdy baza-kolektor jest polaryzowana w kierunku przewodzeni a złącze baza-emiter w kierunku zaporowym.
Załączniki
Datasheet.jpg
Datasheet.jpg (7.35 KiB) Przejrzano 8007 razy
Ostatnio zmieniony 11 mar 2015, 9:56 przez leech10, łącznie zmieniany 1 raz.

Awatar użytkownika
edwacc
Użytkownik
Posty: 163
Rejestracja: 14 paź 2008, 10:19
Lokalizacja: świętokrzyskie knieje

Post autor: edwacc » 10 mar 2015, 21:29

damwoj600 pisze:Zauważyłem jeszcze jedną ciekawą rzecz. Mianowicie, jeżeli zmniejszam wartość rezystora w bazie to dochodzi do sytuacji w której prąd kolektora jest mniejszy niż prąd bazy - prąd bazy bardzo rośnie (przypadek A), natomiast jeśli zwiększam, to w pewnym momencie prąd kolektora osiąga maksimum, które mimo zwiększania wartości rezystora się utrzymuje (przypadek B) i od jakiejś wartości dalsze zwiększanie wartości rezystora powoduje spadek prądu kolektora (przypadek C). Czy przypadek A to inwersyjna praca tranzystora, przypadek B nasycenie tranzystora, a przypadek C to normalna praca tranzystora?
Dokładnie, występuje tutaj praca inwersyjna tranzystora, o czym świadczy chociażby zwrot strzałki kierunku prądu od strony kolektora pierwszego tranzystora (powinna być w stronę kolektora).

Pytanie dlaczego tak się dzieje?

Ano dlatego, że potencjał w punkcie połączenia emitera z bazą nastepnego tranzystora wynosi około 0,7V, natomiast potencjał na kolektorze jest na pewno mniejszy od 0,7V. Prąd wpływający do bazy rozpływa się zatem do kolektora oraz emitera (zgodnie ze schematem zastępczym tranzystora NPN to dwie diody ze wspólną anodą).
Żeby tego uniknąć wystarczy podłączyć obciążenie do emitera tranzystora wykonawczego, albo kolektor pierwszego tranzystora bezpośrednio do plusa zasilania i między bazę a emiter rezystor (ale wtedy już nie będzie to układ Darlingtona, choć będzie posiadał równie wysokie wzmnocnienie prądowe).

Jony130
Moderator
Posty: 3157
Rejestracja: 11 sie 2005, 16:33
Lokalizacja: wrocław

Post autor: Jony130 » 11 mar 2015, 16:20

edwacc pisze: Dokładnie, występuje tutaj praca inwersyjna tranzystora, o czym świadczy chociażby zwrot strzałki kierunku prądu od strony kolektora pierwszego tranzystora (powinna być w stronę kolektora).
A to czasem nie jest nasycenie ?? Gdy obydwa złącza przewodzą?

Awatar użytkownika
edwacc
Użytkownik
Posty: 163
Rejestracja: 14 paź 2008, 10:19
Lokalizacja: świętokrzyskie knieje

Post autor: edwacc » 14 mar 2015, 18:17

Nasycenie byłoby, gdyby wzrost prądu bazy nie powodował wzrostu prądu kolektora. W przedstawionej sytuacji na kolektorze drugiego tranzystora występuje napięcie 0,792V, czyli nie jest to nascenie.

Jony130
Moderator
Posty: 3157
Rejestracja: 11 sie 2005, 16:33
Lokalizacja: wrocław

Post autor: Jony130 » 14 mar 2015, 21:10

Ale na przedstawionej symulacji wyraźnie widać, że pierwszy tranzystor (w Darlingtonie) jest nasycony. A drugiego tranzystora nie da się nasycić.

Awatar użytkownika
andrzejzis
Użytkownik
Posty: 126
Rejestracja: 17 gru 2011, 9:15

Post autor: andrzejzis » 15 mar 2015, 13:46

Możesz udzielić informacji, w jakim programie robiłeś symulacje? Kiedyś używałem podobną aplikację na smartfona.

Awatar użytkownika
edwacc
Użytkownik
Posty: 163
Rejestracja: 14 paź 2008, 10:19
Lokalizacja: świętokrzyskie knieje

Post autor: edwacc » 15 mar 2015, 20:10

Jony130 pisze:Ale na przedstawionej symulacji wyraźnie widać, że pierwszy tranzystor (w Darlingtonie) jest nasycony. A drugiego tranzystora nie da się nasycić.
Pierwszy z tranzystorów w obwodzie po prawej nie jest w stanie nasycenia ponieważ prąd kolektora zamiast wpływać wypływa, spójrz na strzałkę skierowaną w górę.
Obrazek

Jony130
Moderator
Posty: 3157
Rejestracja: 11 sie 2005, 16:33
Lokalizacja: wrocław

Post autor: Jony130 » 16 mar 2015, 16:36

Może uściślijmy "nasze definicje" nasycenia i pracy inwersyjnej.

1 - Nasycenie mamy wtedy gdy obydwa złącza B-E i B-C są spolaryzowane w kierunku przewodzenia.

2 - Zakres aktywnej inwersji mamy gdy złącze B-C spolaryzujemy w kierunku przewodzenia a złącze B-E w kierunku zaporowym.

Dlatego stosując się do "mojej definicji", pierwszy tranzystor znajduje się w stanie nasycenia.

Awatar użytkownika
edwacc
Użytkownik
Posty: 163
Rejestracja: 14 paź 2008, 10:19
Lokalizacja: świętokrzyskie knieje

Post autor: edwacc » 16 mar 2015, 20:42

Jony130 pisze: 1 - Nasycenie mamy wtedy gdy obydwa złącza B-E i B-C są spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
...
Dlatego stosując się do "mojej definicji", pierwszy tranzystor znajduje się w stanie nasycenia.
A co jeśli prąd będzie wpływał do kolektora (czyli standardowa praca tranz. NPN) - też będzie w stanie nasycenia wg. "Twojej definicji" ? Wychodzi na to, że złącze B-C będzie spol. w kierunku zaporowym, bo któreś z dwóch przypadków - kiedy prąd wpływa do kolektora i kiedy wypływa - musi być spolaryzowane w kierunku przew. a drugie w zaporowym. Tak przynajmniej wskazuje logika.

Moim zdaniem pierwszy tranzystor na schemacie nie zachowuje się jak tranzystor, tylko jak dwie diody ze wspólną anodą, dlatego nie ma co tutaj mówić o "stanie pracy tranzystora".

Awatar użytkownika
andrzejzis
Użytkownik
Posty: 126
Rejestracja: 17 gru 2011, 9:15

Post autor: andrzejzis » 16 mar 2015, 23:08

Czyli nie możesz udzielić informacji jakiego użyłeś symulatora. Dzięki za uprzejmość . Życzę powodzenia.

Awatar użytkownika
damwoj600
-
Posty: 19
Rejestracja: 06 wrz 2014, 13:37
Lokalizacja: Wrocław

Post autor: damwoj600 » 17 mar 2015, 14:31

andrzejzis pisze:Możesz udzielić informacji, w jakim programie robiłeś symulacje? Kiedyś używałem podobną aplikację na smartfona.
Używam EveryCircuit. Do nauki bardzo fajny. Do bardziej zaawansowanych zastosowań pewnie się nie nadaje, ponieważ ma ograniczoną liczbę dostępnych elementów i nie można dodać nowych. Brakuje zwłaszcza elementów cyfrowych.
edwacc pisze:Pierwszy z tranzystorów w obwodzie po prawej nie jest w stanie nasycenia ponieważ prąd kolektora zamiast wpływać wypływa, spójrz na strzałkę skierowaną w górę.
Moim zdaniem pierwszy tranzystor na schemacie nie zachowuje się jak tranzystor, tylko jak dwie diody ze wspólną anodą, dlatego nie ma co tutaj mówić o "stanie pracy tranzystora".
Po różnicach w Waszych opiniach wnioskuję, że nie jest to istotne w jakim stanie jest tranzystor? Pewnie gdyby miało to jakieś większe znaczenie to każdy elektronik na pierwszy rzut oka wiedziałby w jakim stanie jest tranzystor :)

Dla potwierdzenia mojego wniosku sprawdziłem dokumentację ULN2803A (8 darlingtonów w jednej obudowie DIP18), a dokładniej schemat pojedynczego Darlingtona i zasymulowałem jego działanie w normalnych dla niego warunkach (baza podłączona do +5V i obciążenie w postaci zwykłego LED-a):
Obrazek
Okazuje się, że układ działa podobnie do moich poprzednich symulacji. Dopiero gdy obciążenie prądowe wzrasta (nie wiem czy to trafne określenie? - zwiększyłem prąd diody z 20mA na kilka razy większą wartość) wówczas oba tranzystory pracują tak samo (mają strzałki od kolektora do emitera).

Wynika z tego, że jeżeli pobierany prąd jest mały i jeden tranzystor daje radę wysterować taki prąd samemu to drugi nie ma co robić przez co prąd zamiast wpływać do kolektora, wypływa. Jeżeli pobierany prąd jest duży, to oba tranzystory mają co robić i pracują normalnie. Jeszcze jakby ktoś umiał mi wytłumaczyć czemu tak się dzieje, to byłbym bardzo wdzięczny.

W szczególności zastanawia mnie to, że skoro prąd bazy steruje prądem kolektora, a nie na odwrót to czemu zmiana parametrów diody powoduje opisane powyżej zmiany?

ODPOWIEDZ