Usando un transistor para “completamente” iluminar una lámpara

  

¿Qué se entiende por "iluminar completamente"? ¿Significa que la corriente máxima que posiblemente puede fluir a través de la lámpara en el circuito es de 100 mA?

Es una redacción ligeramente descuidada. El razonamiento empleado por la pregunta es: "Si el transistor fuera reemplazado por un cortocircuito entre el colector y el emisor, ¿cuánta corriente fluiría?" En esa situación, la lámpara tendría 100 mA fluyendo a través de ella. Por lo tanto, declaramos que esta es la corriente máxima que se vería si hubiera un transistor allí.

Esta figura se puede usar para (a) determinar la corriente de base requerida y (b) seleccionar un transistor del tamaño apropiado.

  

Si mi interpretación es correcta, entonces no puedo entender la resonancia detrás de ella. Si elegimos RB muy pequeño, entonces la corriente de base es alta. Así también es actual el colector.

No importa cuánta corriente pase a través de la base, la corriente de colector todavía está limitada por la ley de Ohm que se aplica a la lámpara.

La lámpara tiene una resistencia de 240 ohmios y es presumiblemente nominal para un suministro de 24 V, por lo tanto, la corriente nominal es de 100 mA y, por lo tanto, para encender completamente la lámpara, 100 mA deben fluir a través del transistor. Esta es una potencia entregada a la lámpara de 2.4 vatios.

Sin embargo, este nunca será el caso. El transistor, no importa lo difícil que intente, se saturará a aproximadamente ~ 0,1 V entre el colector y el emisor, por lo que solo se aplican 23,9 V a la lámpara, por lo que, técnicamente, no está completamente iluminado.

La potencia aplicada es, por lo tanto, \ $ \ dfrac {23.9 ^ 2} {240} \ $, que es de 2,38 vatios.

En el siguiente dibujo, se hace una analogía entre un relé que se usa para encender y apagar una lámpara y un transistor para hacer lo mismo.

En el lado izquierdo, la bobina del relé se compara con la base del transistor, su contacto común con el colector del transistor y el contacto normalmente abierto con el emisor.

K1 es uno de esos relés de 12 voltios y 400 milivatios de 12 voltios de gelatina y, cuando se elabora S1, la corriente a través de la bobina desde la fuente de 24 voltios creará un campo magnético alrededor de la bobina que atraerá la armadura, forzando la conexión común y normalmente abierta. contactos juntos, que forzarán la corriente desde la fuente de 24 voltios a través de DS1 a tierra, lo que iluminará a DS1.

Dado que K1 es un relé de 12 voltios 400 milivatios, su bobina tendrá una resistencia de

$$ R = \ frac {E ^ 2} {P} = 360 \ text {ohms.} $$

Entonces, para poder bajar los 24 voltios de la fuente a los 12 voltios que la bobina del relé quiere ver, podemos colocar una resistencia con una resistencia igual a la de la bobina entre la fuente y la bobina.

En el lado del transistor, con S2 abierto no habrá corriente en la base y fuera del emisor a tierra, por lo que la resistencia entre el colector y el emisor será muy alta, al igual que en la caja del relé con S1 abierto.

Sin embargo, cuando se cierra S2, la corriente será forzada a través de R2 a la base de Q1 y fuera de su emisor, lo que hará que la resistencia de colector a emisor caiga a un valor muy bajo (como los contactos cerrados de un relé) y luego se forzará la corriente desde la fuente de 24 voltios a través de DS2, y luego a través de la unión colector-a-emisor de Q1 a tierra.

Para aplicaciones de conmutación, como esta, la corriente de base generalmente se elige para que sea aproximadamente el 10% de la corriente del colector con el fin de saturar la unión del colector al emisor y asegurar una baja resistencia del colector al emisor.

En este caso, tenemos (asumiendo una caída de voltaje de 300 milivoltios aproximadamente a través de la unión colector-a-emisor) 23.7 voltios cayeron a través de la resistencia de 240 ohmios de la lámpara, por lo que será una corriente de colector de:

$$ Ic = \ frac {V1-V_ {CE (SAT)}} {R_ {DS2}} \ approx 100 \ text {milliamperes} $$

el 10% de eso es de 10 miliamperios, y dado que la unión de la base al emisor se parece a un diodo, R2 es:

$$ R2 = \ frac {V1-V_ {BE (SAT)}} {Ib} = 2330 \ text {ohms} $$

2400 ohmios es, redondeando hacia arriba, el siguiente valor de resistencia E24, por lo que usamos eso.

Es el circuito más simple posible para demostrar cómo funciona realmente un transistor bipolar. Explico de inmediato a qué me refiero después de que hablé sobre un tema que nadie notó todavía: la resistencia de la bombilla es imposible de medir.

La bombilla de luz es de 2,4 vatios a 24 voltios, por lo que el autor calculó que su resistencia era de 240 ohmios. Si mide la resistencia, encontrará ~ 16 ohmios porque un filamento de tungsteno a temperatura ambiente suele ser 15 veces más bajo que en condiciones de funcionamiento.

El transistor bipolar es un amplificador de corriente. Se puede suponer que la ganancia es 100 para la demostración. En la práctica, varía desde 10 (transistores de alta potencia) hasta 200 para algunos más pequeños. No mencionaría la configuración de Darlington, ya que es el rey de las trampas, usando dos transistores para aumentar la ganancia.

La pregunta es: ¿qué valor deberíamos configurar Rb para asegurarnos de que la lámpara sea lo más brillante posible? La respuesta más simple es 0 ohms, punto, merezco el 100% en el examen para esa pregunta.

La pregunta debe especificar: seleccione Rb para que sea lo más alto posible para minimizar el desperdicio de energía mientras que lo suficientemente bajo como para asegurarse de que el transistor esté conduciendo lo mejor que pueda: en otras palabras, opere a una saturación.

Suponiendo una ganancia de 100, la corriente entre la base y el emisor debe ser 2.4 mA. Si ignoramos la pérdida interna de 0.7 voltios, porque la unión base / emisor es un diodo, entonces la resistencia Rb sería: Rb = 24 voltios / 2.4 mA = 10 kilo ohmios

En la vida real, asumimos que en el peor de los casos la ganancia para una familia de transistores dada, tomamos en cuenta el sesgo de 0.7 voltios en la base. También queremos cubrir el cambio de voltaje real, desde 28 voltios, hasta 18 voltios o menos, dependiendo de la protección de apagado esperada en un vehículo típico de 24 voltios.

Este circuito es una buena demostración de la ganancia de CC de un transistor y se puede usar para ilustrar la energía máxima que se puede disipar en cualquier configuración o probar la eficiencia de un disipador de calor.

La respuesta corta: si ajustamos Rb (reemplazando Rb con un potenciómetro) hasta que el voltaje a través de la bombilla y el voltaje a través del transistor sean los mismos (12 voltios), entonces tanto la bombilla como el transistor disiparán misma cantidad de calor.

La medición de la corriente que fluye a través de ese Rb contra la corriente que fluye en el colector daría la ganancia de CC real del transistor.

Ese punto medio, donde la carga y el transistor están configurados para ser igual de resistencia es el peor de los casos. Es el punto dulce (llámelo), el punto donde el transistor se estresa al máximo para la disipación de calor. Tan pronto como se pide al transistor que conduzca más o menos que este punto medio, la energía disipada por el transistor disminuye.

Si la corriente de base del transistor se ajusta para conducir más corriente que ese punto medio, entonces la bombilla genera más calor. Por ejemplo, si la corriente de la base / emisor del transistor es de 0.9 mA y la ganancia es de 100, lo que permite 90 mA a través de la unión del colector / emisor (y digamos que la bombilla sigue siendo de 240 ohmios a pesar de no estar completamente encendida, una resistencia menos como el tungsteno do), entonces la resistencia total es: R total = 24 voltios / 90 mA = 266 ohm. Se asume que la bombilla es de 240 ohmios, por lo que el transistor actúa como una resistencia en serie de: 266 ohm - 240 ohm = 26 ohm

El transistor representa aproximadamente el 10% de la resistencia total. La bombilla de luz disipa aproximadamente 10 veces más calor cuando el brillo está cerca del máximo.

Pasando a la saturación, el punto donde el transistor es el que mejor conduce, este punto donde el voltaje entre el colector y el emisor es mínimo, el calor generado por el transistor es mínimo.

En el rango opuesto, cuando el transistor no conduce ninguna corriente, además de una fuga tan baja que es una pérdida de tiempo mencionarla, no hay potencia disipada en el transistor. Esta es la razón por la cual el ingeniero siempre intenta operar los transistores como un interruptor binario. Usan la región lineal solo cuando no se conocen mejor (cuando el componente cuenta para ganar a bajo costo sobre el costo para ahorrar energía).

De vuelta al peor de los casos, el punto donde el voltaje en el colector es la mitad del valor de la fuente de alimentación, si el transistor está configurado para conducir menos corriente a partir de ese punto medio, entonces el calor generado por el transistor también disminuye. En ese caso, el transistor aún genera más calor que la bombilla, pero la energía total sigue disminuyendo a medida que se permite menos corriente entre el colector y el emisor.

Breve, para aquellos que se sienten como estos niños que hacen girar los neumáticos de los autos de sus amigos, ahora saben cómo estresar sus transistores. Ellos odian conducir electrones en ese modo de medio culo lineal, no completamente encendido y no completamente apagado los está matando ... literalmente.

Ignorar el transistor por un momento ... Una información útil, que aplico cuando estoy razonando sobre circuitos como este, es que la corriente es sobre todo lo que hace que las cosas sucedan, y su trabajo es organizar los voltajes para que pueda Consigue las corrientes que quieras. Una bombilla se ilumina con más intensidad o un electroimán es más fuerte porque le estás poniendo más corriente.

La verdad de la bombilla es que el fabricante ha fabricado esta bombilla que brilla con un brillo "total" (es decir, útil y sostenible) con una corriente de 100 mA, y la han diseñado para presentar una resistencia de 240 ohmios cuando se enciende. convenientemente significa que puede enchufarlo a su fuente de alimentación barata de 24V. Para mayor comodidad, imprimen 24 V en él, lo que significa "póngalo a 24 V y obtendrá 100 mA para un brillo sostenible total". El brillo en sí está relacionado con la potencia (tasa de energía disipada), que es el producto de voltios y amperios.

Podrías poner un voltaje más alto a través de él, y obtendrás más corriente y más brillo. Pero también está disipando más calor y, por lo tanto, probablemente está empujando los materiales de la bombilla más allá de sus límites: es un poco como un overclocking de un procesador, puede obtener más rendimiento, pero presionar demasiado y la cosa se degradará o fallará. De manera similar, podría poner 12 V a través de él y obtendrá 50 mA; mucho menos brillante, más frío, probablemente durará mucho tiempo. Tenga en cuenta que reducir a la mitad los voltios proporciona la mitad de los amperios, lo que significa una cuarta parte de la potencia.

Pasando al transistor. Como observará, la corriente del transistor C-E es aproximadamente una función lineal de \ $ I_ {be} \ $. Entonces, a medida que disminuyes Rb, \ $ I_ {be} \ $ se hace más grande, y Ice se hace mucho más grande. Si la versión beta del transistor es 100, entonces permitir que \ $ I_ {be} \ $ = 0.1mA configuraría \ $ I_ {ce} \ $ en 10mA y esa es la cantidad de corriente que fluiría a través de la bombilla y C-E. En ese sentido, C-E es como un grifo / llave de corriente; Si haces las sumas con esos valores, también es como una resistencia de 2.16kOhm. A medida que aumenta \ $ I_ {be} \ $, la resistencia aparente de C-E del transistor disminuye, más flujos de corriente.

Algunas notas:

• beta es un parámetro pésimo, muy difícil de controlar. Si asume que beta = 100, asegúrese de que el circuito también funcione para beta = 50 y beta = 500. Dos dispositivos del mismo paquete pueden diferir en un factor de dos, y cambia con la temperatura y todo. Es un parámetro rápido y sucio para una estimación rápida, y gran parte del diseño del transistor consiste en neutralizar los efectos negativos de tales características del mundo real. Un buen diseño no depende mucho de la versión beta.
• Cuando realmente importa, puede comprar transistores integrados que tengan características coincidentes.
• hay modelos más precisos que los beta (consulte modelo Ebers-Moll ), que Trata el hielo como una función exponencial de la Vbe. Se aproxima a una función lineal para una temperatura constante en el rango del que hemos estado hablando.
• pensar en un transistor como una resistencia programable es una buena manera de superar los golpes de comprensión (como "por qué el voltaje no es negativo"). Pero ningún ingeniero electrónico piensa de esa manera; con la práctica, empiezas a acostumbrarte a pensar en controlar las corrientes y los voltajes. Una resistencia es una forma de convertir una tensión en una corriente, etc.
• no todas las salidas de los dispositivos dependen de la potencia, aunque las "cosas que usan calor" (bombillas, calentadores) sí. Los imanes (y, por lo tanto, los motores accionados por imanes) dependen solo de la corriente. Algunos dispositivos (como los FET) están controlados esencialmente por voltaje, porque dependen de la intensidad del campo eléctrico. Entonces, tal vez una regla más precisa es decir "Organizo los voltajes para obtener los voltajes y corrientes que quiero".
• adquiera Horowitz y Hill, The Art of Electronics y lea los dos primeros capítulos. Asegúrese de entender cada circuito de ejemplo. Y luego lee el resto del libro ...