Zadanie c. 24

PRÍKLAD:

Určite závislosť saturačného napätia UCesat bipolárneho tranzistora 2N2222A na kolektorovom prúde IC.

OBVOD:

Obr.1 Zapojenie bipolárneho tranzistora pre určenie saturačného napätia Ucesat.

Obr.2 Určenie napätia Ucesat pri nastavení konštantného pomeru Ic/Ib.

RIEŠENIE:

V zapojený so spoločným emitorom sú vstupnými veličinami tranzistoru IB a UBE, výstupnými veličinami UCE a IC. Napätie na kolektorovom prechode teda môžeme nastaviť priamo. Pohľadom na výstupné charakteristiky tranzistoru zistíme ,že zatiaľ čo v aktívnej oblasti prúd kolektoru IC prakticky nezávisí na UCE, v oblasti malých hodnôt UCE veľkosti desatín voltov prúd IC prudko klesá. Tento jav je spôsobený otvoreným kolektorového prechodu v saturácií. Ak prestane kolektor z bázy odčerpávať minoritné nosiče náboja, ako je tomu v aktívnej oblasti, a naopak sa ešte prepne do priepustného smeru, prudko sa zvýši prúd bázy . Vo výstupných charakteristikách, ktoré sa vykresľujú pri konštantnom prúde bázy IB , prejaví sa saturácia poklesom IC. Môžeme taktiež povedať, že v saturácií klesá prúdový zosilňovací činiteľ b= IC/IB . Saturačné napätie UCesat môžeme potom definovať napr. ako napätie UCE pri ktorom IC/IB=0.9b.Na tejto definícií je založená metóda určenia UCEsat v schéme na obr. 18. Tranzistor Q1 je tu zapojený tak, že jeho pracovní bod leží v aktívnej oblasti. Kolektorové napätie UCE Q1 je nastavené zdrojom VCE na hodnotu 1V, ktorá je vždy väčšia než priepustné napätie UBE emitorového priechodu, a je taktiež dostatočné, aby kolektorový priechod bol polarizovaný záverne. Zdroj VBE nastavuje vstupné napätie Q1. Tranzistor Q2 je identický s Q1 a je rovnako zapojený so spoločným emitorom, ale jeho pracovný bod je nastavený riadenými zdrojmi prúdu. Zdroj prúdu FIB do báze Q2 je riadený prúdom zdroja Vbe a kopíruje prúd bázy IB tranzistora Q1. Pracovné body oboch tranzistorov teda ležia na identickej výstupnej charakteristike. Zdroj prúdu FIC je riadený prúdom pretekajúcim zdrojom VCE a nastavuje kolektorový prúd tranzistora Q2 na hodnotu 0.9 IC Q1. tím je tranzistor Q2 uvedený na hranicu saturácie. Napätie UCE na tranzistore Q2 je teda hľadané saturačné napätie UCEsat. Riadené zdroje sú deklarované vo vstupnom súbore pre PSpice riadkami FIB B 0VBE 1 a FIC C 0 VCE 0.9 .Príkazom .DC VBE 1V 0.1V 0.01V je pracovný bod Q1 menený v širokom rozmedzí pracovných prúdov. Príkazom .PRINT DC IB(Q2) VB(Q2) IC(Q2) VC(Q2) je vytlačená do výstupného súboru tabuľka pracovných bodov tranzistora Q2 a tím aj hľadaná závislosť UCesat = f(IC). Parameter minimálnej vodivosti vetiev obvodu GMIN v OPTIONS je nastavený na 10-15 S, aby sme nezkreslili výsledky pri malých prúdoch. Konvergencia úlohy sa tím však zhorší.Na Obr.19 vidíme už závislosť UCesat = f(IC) vynesenú výrazom VC(Q2) pri voľbe premennej na ose x X_axis, X_variable, IC(Q2) v lineárnej mierke, kde je zreteľnejšia oblasť veľkých hodnôt prúdu IC. Graf závislosti je priamkou, ktorej náklon je určený sériovým odporom v ceste prechádzajúceho výstupného prúdu tranzistorom Q2, tj. Parazitnými odpormi kolektoru a editora RC+RE .Na druhom grafu je pomocou derivácie zostrojenej výrazom D(VC(Q)) odčítaná hodnota náklonu 0.99W. Ak sa pozrieme do knižničného súboru EVAL:LIB na parametre modelu Q2N2222A použitého pri našej simulácií, nájdeme tu parameter RC=1 (parameter RE nie je uvedený, tj implicitne nulový),čo dobre odpovedá.

Obr.4 Závislosť UCEsat=f(IC) s logaritmickou mierkou na ose IC.

Zaujímavý je však aj graf UCesat = f(IC) v logaritmickej mierke na ose prúdu, ktorý je na Obr.20 . Tu vidíme napr., že nami definované saturačné napätie UCEsat=0.15 V pri IC=1mA a pri kolektorovom prúde pod 50mA neprekračuje 0.2V.

Obr.4 Závislosť UCEsat=f(IC) s logaritmickou mierkou na ose IC.

Popísaný spôsob určenia saturačného napätia vyžaduje zmeranie aspoň dvoch bodov na každej výstupnej charakteristike tranzistoru. V praxi sa však používa skôr jednoduchšia metóda, ktorej princíp je na Obr.21 .Tranzistoru Q sú súčasne vnútené prúdy IC a IB v konštantnom pomere, menšom než prúdové zosilnenie b na IC. zjednodušená metóda je použiteľná pokiaľ zvolený pomer IC/IB<< b, zatiaľ čo v predchádzajúcom prípade bol 0.9b.U tejto metódy sa teda volí kolektorový prúd oveľa nižší, zvyčajne IC/IB=10. Takto definované saturačné napätie vychádza samozrejme menšie.Pomer IC/IB je v Pspice definovaný parametrom P v .PARAM a krokovaný pre niekoľko hodnôt podľa zoznamu v príkazu .STEP. Prúd bázy je nastavovaný riadeným zdrojom prúdu GIB, ktorého prevodová funkcia je určená výrazom VALUE={I(VIC)/P}, pričom zdroj nulového napätia VIC slúži ako senzor kolektorového prúdu.. Na Obr.22 vidíme závislosť UCesat = f(IC) vykreslenú v PROBE pre tri rôzne pomery IC/IB, a to 10, 20, 50. Čím je však tento pomer väčší, tím menšia je oblasť, kde IC/IB< b. To sa prejavuje zvlášť v oblasti malých prúdov, kde tranzistor už málo zosilňuje, lebo prúdy sú tu riadené skôr rekombinačnými mechanizmami v oblasti priestorového náboja než mechanizmami difúznymi a minoritné nosiče nestačia preletieť bázou.

Obr.5 Napätie UCE v saturácií pri IC/IB = 10, 20 a 50.

CIR:

Vstupný súbor simulácie pre určenie UCEsat
.OPTIONS RELTOL=1E-5
.LIB E:\SPICE\LIB\EVAL.LIB
.DC VBE 0.1V 1V 0.01V
.PRINT DC IB(Q2) VB(Q2)
+ IC(Q2) VC(Q2)
.PROBE
VBE B1 0
VCE C1 0 DC 1V
Q1 C1 B1 0 Q2N2222A
Q2 C2 B2 0 Q2N2222A
FIB B2 0 VBE 1
FIC C2 0 VCE 0.9
.END

Vstupný súbor pre určenie UCEsat pri konštantnom pomere IC/IB.
.OPTIONS RELTOL=1E-5 GMIN=1E-15
LIB E:\SPICE\LIB\EVAL.LIB
.PARAM P=10
.STEP PARAM P LIST 10 20 50
.DC DEC IC 1nA 1A 10
.PROBE
IC 0 CC
VIC CC C DC 0V
Q C B 0 Q2N2222A
GIB 0 B VALUE={I(VIC)/P}
.END

OUT:

Výstupný súbor pre určenie saturačného napätia Ucesat

******* 05/28/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 09:45:14 ***** 


**** BJT MODEL PARAMETERS 


******************************************************************************

Q2N2222A
NPN
IS 14.340000E-15
BF 255.9
NF 1
VAF 74.03
IKF .2847
ISE 14.340000E-15
NE 1.307
BR 6.092
NR 1
RB 10
RBM 10
RC 1
CJE 22.010000E-12
MJE .377
CJC 7.306000E-12
MJC .3416
TF 411.100000E-12
XTF 3
VTF 1.7
ITF .6
TR 46.910000E-09
XTB 1.5

******* 05/28/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 09:45:14 *****

**** DC TRANSFER CURVES TEMPERATURE = 27.000 DEG C 


******************************************************************************

VBE IB(Q2) VB(Q2) IC(Q2) VC(Q2)

1.000E-01 1.148E-13 9.782E-02 1.670E-12 8.913E-01
1.100E-01 2.128E-13 1.082E-01 1.963E-12 8.764E-01
1.200E-01 3.442E-13 1.184E-01 2.395E-12 8.545E-01
1.300E-01 5.204E-13 1.285E-01 3.031E-12 8.226E-01
1.400E-01 7.571E-13 1.386E-01 3.968E-12 7.770E-01
1.500E-01 1.075E-12 1.487E-01 5.348E-12 7.125E-01
1.600E-01 1.503E-12 1.587E-01 7.380E-12 6.226E-01
1.700E-01 2.078E-12 1.687E-01 1.037E-11 4.984E-01
1.800E-01 2.853E-12 1.787E-01 1.477E-11 3.298E-01
1.900E-01 3.896E-12 1.888E-01 2.126E-11 1.538E-01
2.000E-01 5.302E-12 1.987E-01 3.080E-11 1.156E-01
2.100E-01 7.195E-12 2.087E-01 4.484E-11 1.039E-01
2.200E-01 9.748E-12 2.186E-01 6.551E-11 9.849E-02
2.300E-01 1.319E-11 2.286E-01 9.593E-11 9.586E-02
2.400E-01 1.783E-11 2.386E-01 1.407E-10 9.468E-02
2.500E-01 2.410E-11 2.485E-01 2.066E-10 9.437E-02
2.600E-01 3.256E-11 2.585E-01 3.036E-10 9.463E-02
2.700E-01 4.398E-11 2.684E-01 4.464E-10 9.527E-02
2.800E-01 5.941E-11 2.784E-01 6.565E-10 9.618E-02
2.900E-01 8.027E-11 2.883E-01 9.658E-10 9.727E-02
3.000E-01 1.085E-10 2.983E-01 1.421E-09 9.851E-02
3.100E-01 1.466E-10 3.082E-01 2.091E-09 9.986E-02
3.200E-01 1.983E-10 3.182E-01 3.077E-09 1.013E-01
3.300E-01 2.683E-10 3.282E-01 4.528E-09 1.028E-01
3.400E-01 3.632E-10 3.381E-01 6.665E-09 1.043E-01
3.500E-01 4.920E-10 3.481E-01 9.809E-09 1.059E-01
3.600E-01 6.667E-10 3.581E-01 1.444E-08 1.075E-01
3.700E-01 9.042E-10 3.680E-01 2.125E-08 1.091E-01
3.800E-01 1.227E-09 3.780E-01 3.127E-08 1.107E-01
3.900E-01 1.667E-09 3.880E-01 4.602E-08 1.123E-01
4.000E-01 2.266E-09 3.980E-01 6.774E-08 1.140E-01
4.100E-01 3.083E-09 4.079E-01 9.970E-08 1.156E-01
4.200E-01 4.200E-09 4.179E-01 1.467E-07 1.173E-01
4.300E-01 5.726E-09 4.279E-01 2.160E-07 1.189E-01
4.400E-01 7.816E-09 4.379E-01 3.179E-07 1.205E-01
4.500E-01 1.068E-08 4.479E-01 4.679E-07 1.221E-01
4.600E-01 1.462E-08 4.578E-01 6.886E-07 1.237E-01
4.700E-01 2.003E-08 4.678E-01 1.013E-06 1.252E-01
4.800E-01 2.748E-08 4.778E-01 1.492E-06 1.267E-01
4.900E-01 3.776E-08 4.878E-01 2.195E-06 1.282E-01
5.000E-01 5.197E-08 4.978E-01 3.231E-06 1.297E-01
5.100E-01 7.164E-08 5.078E-01 4.756E-06 1.311E-01
5.200E-01 9.892E-08 5.178E-01 7.000E-06 1.325E-01
5.300E-01 1.368E-07 5.277E-01 1.030E-05 1.339E-01
5.400E-01 1.896E-07 5.377E-01 1.516E-05 1.352E-01
5.500E-01 2.632E-07 5.477E-01 2.231E-05 1.365E-01
5.600E-01 3.661E-07 5.577E-01 3.284E-05 1.377E-01
5.700E-01 5.103E-07 5.677E-01 4.833E-05 1.389E-01
5.800E-01 7.125E-07 5.777E-01 7.112E-05 1.401E-01
5.900E-01 9.969E-07 5.877E-01 1.047E-04 1.412E-01
6.000E-01 1.398E-06 5.977E-01 1.540E-04 1.423E-01
6.100E-01 1.963E-06 6.077E-01 2.265E-04 1.434E-01
6.200E-01 2.764E-06 6.177E-01 3.331E-04 1.444E-01
6.300E-01 3.898E-06 6.277E-01 4.898E-04 1.454E-01
6.400E-01 5.507E-06 6.377E-01 7.198E-04 1.465E-01
6.500E-01 7.795E-06 6.477E-01 1.057E-03 1.476E-01
6.600E-01 1.105E-05 6.577E-01 1.551E-03 1.488E-01
6.700E-01 1.569E-05 6.677E-01 2.272E-03 1.502E-01
6.800E-01 2.231E-05 6.776E-01 3.322E-03 1.518E-01
6.900E-01 3.174E-05 6.876E-01 4.844E-03 1.538E-01
7.000E-01 4.517E-05 6.976E-01 7.033E-03 1.564E-01
7.100E-01 6.427E-05 7.076E-01 1.015E-02 1.598E-01
7.200E-01 9.134E-05 7.175E-01 1.455E-02 1.643E-01
7.300E-01 1.295E-04 7.275E-01 2.064E-02 1.703E-01
7.400E-01 1.828E-04 7.374E-01 2.889E-02 1.783E-01
7.500E-01 2.565E-04 7.474E-01 3.980E-02 1.889E-01
7.600E-01 3.568E-04 7.573E-01 5.380E-02 2.023E-01
7.700E-01 4.907E-04 7.672E-01 7.118E-02 2.190E-01
7.800E-01 6.655E-04 7.770E-01 9.203E-02 2.391E-01
7.900E-01 8.877E-04 7.869E-01 1.162E-01 2.625E-01
8.000E-01 1.162E-03 7.968E-01 1.433E-01 2.888E-01
8.100E-01 1.491E-03 8.067E-01 1.728E-01 3.176E-01
8.200E-01 1.876E-03 8.166E-01 2.042E-01 3.482E-01
8.300E-01 2.314E-03 8.265E-01 2.368E-01 3.802E-01
8.400E-01 2.802E-03 8.364E-01 2.701E-01 4.129E-01
8.500E-01 3.336E-03 8.463E-01 3.037E-01 4.460E-01
8.600E-01 3.911E-03 8.562E-01 3.373E-01 4.792E-01
8.700E-01 4.523E-03 8.662E-01 3.707E-01 5.121E-01
8.800E-01 5.168E-03 8.761E-01 4.036E-01 5.447E-01
8.900E-01 5.842E-03 8.861E-01 4.360E-01 5.767E-01
9.000E-01 6.541E-03 8.960E-01 4.678E-01 6.082E-01
9.100E-01 7.263E-03 9.060E-01 4.990E-01 6.391E-01
9.200E-01 8.005E-03 9.159E-01 5.295E-01 6.694E-01
9.300E-01 8.764E-03 9.259E-01 5.593E-01 6.990E-01
9.400E-01 9.540E-03 9.358E-01 5.885E-01 7.279E-01
9.500E-01 1.033E-02 9.458E-01 6.170E-01 7.562E-01
9.600E-01 1.113E-02 9.558E-01 6.448E-01 7.837E-01
9.700E-01 1.195E-02 9.657E-01 6.717E-01 8.102E-01
9.800E-01 1.278E-02 9.757E-01 6.969E-01 8.346E-01
9.900E-01 1.364E-02 9.857E-01 7.193E-01 8.552E-01
1.000E+00 1.452E-02 9.957E-01 7.374E-01 8.705E-01

Výstupný súbor pre určenie napätia Ucesat pri nastaveni konštantného pomeru Ic/Ib.

******* 05/28/102 ******* Evaluation PSpice (July 1990) ******* 11:14:33 *****


* subor: npn vs.cir **** BJT MODEL PARAMETERS 


******************************************************************************
Q2N2222A
NPN
IS 14.340000E-15
BF 255.9
NF 1
VAF 74.03
IKF .2847
ISE 14.340000E-15
NE 1.307
BR 6.092
NR 1
RB 10
RBM 10
RC 1
CJE 22.010000E-12
MJE .377
CJC 7.306000E-12
MJC .3416
TF 411.100000E-12
XTF 3
VTF 1.7
ITF .6
TR 46.910000E-09
XTB 1.5