Биполярный транзистор в ключевом режиме

Биполярный транзистор это устройство с управлением по току, в котором выходной ток контролируется входным током.

В этой статье я привожу формулу для расчета резистора для базы транзистора. (также протестирую MathJAX)

Падение напряжения на красном светодиоде составляет 2,0 В. Также необходимо учитывать падение напряжения на транзисторе. Таким образом, токоограничивающий резистор R_D для светодиода равен:

$$ R_D = \frac{U_{CC} - U_D - U_{CE}}{I_D} = \frac{5,0 \, \mathrm{В} - 2,0 \, \mathrm{В} - 0,7 \, \mathrm{В}}{20 \, \mathrm{мА}} = 115 \, \mathrm{Ом} $$

где

• R_D – токоограничивающий резистор нагрузки, Ом;
• U_CC = 5,0 V – напряжение питания, В;
• U_D = 2,0 V – падение напряжения на светодиоде, В;
• U_CE = 0,7 V – падение напряжения между коллектором и эмиттером у транзистора, В;
• I_D = 0,02 A – рекомендованный ток для красного светодиода общего назначения, А.

Стандартное номинальное сопротивление токоограничивающего резистора R_D следует выбирать в сторону увеличения, так как мы не хотим превышать ограничение по току 20 мА. Это 120 Ом. Проверим, какой на самом деле будет ток с резистором стандартного номинала:

$$ I_D = \frac{U_{CC} - U_D - U_{CE}}{R_D} = \frac{5,0 \, \mathrm{В} - 2,0 \, \mathrm{В} - 0,7 \, \mathrm{В}}{120 \, \mathrm{Ом}} = 19,2 \, \mathrm{мА} $$

Приблизительно оценим базовый ток. NPN-транзисторы общего назначения имеют коэффициент усиления по постоянному току около hFE = 100. Это зависит от нагрузки и может быть уточнено в техническом описании транзистора (datasheet). Для 2N2222 это 75 при I_C = 10 мА и U_CE = 10 В.

$$ I_B = \frac{I_D}{h_{FE}} = \frac{19,2 \, \mathrm{мА}}{75} = 0,256 \, \mathrm{мА} $$

где

• I_B – base current, А;
• h_FE – DC current gain of the transistor.

Теперь резистор для базы транзистора:

$$ R_B = \frac{U_{CC} - U_{BE}}{I_B} = \frac{5,0 \, \mathrm{В} - 0,7 \, \mathrm{В}}{0,256 \, \mathrm{мА}} = 16,8 \, \mathrm{кОм} $$

где

• R_B – базовый резистор, Ом,
• U_BE = 0,7 V – падение напряжения на переходе база-эмиттер, В.

При подборе базового резистора он должен быть немного меньше расчетного. Потому что, если транзистор не закроется полностью, то он будет сильно греться. Ближайший стандартный номинал резистора в сторону уменьшения: 16 кОм. Пересчитаем ток базы:

$$ I_B = \frac{U_{CC} - U_{BE}}{R_B} = \frac{5,0 \, \mathrm{В} - 0,7 \, \mathrm{В}}{16 \, \mathrm{кОм}} = 0,269 \, \mathrm{мА} $$

Убедитесь, что ток базы не превышает лимит транзистора. Также необходимо проверить рассеиваемую мощность всех компонентов этой схемы:

$$ P_{RD} = I_D^2 R_D = (19,2 \, \mathrm{мА})^2 \cdot 120 \, \mathrm{Ом} = 44,2 \, \mathrm{мВт} $$

$$ P_{RB} = I_B^2 R_B = (0,269 \, \mathrm{мА})^2 \cdot 16 \, \mathrm{кОм} = 1,16 \, \mathrm{мВт} $$

$$ P_{VT1} = P_{BE} + P_{CE} = U_{BE} I_B + U_{CE} I_C = $$

$$ = 0,7 \, \mathrm{В} \cdot 0,269 \, \mathrm{мА} + 0,3 \, \mathrm{В} \cdot 19,2 \, \mathrm{мА} = 188 \, \mathrm{мкВт} + 5,76 \, \mathrm{мВт} = 5,95 \, \mathrm{мВт}  $$

где

• P_RD – тепловая мощность, рассеиваемая токоограничивающим резистором нагрузки, Вт.
• P_RB – тепловая мощность, рассеиваемая токоограничивающим базовым резистором транзистора, Вт.
• P_VT1 – тепловыделение транзистора, Вт.

При покупке токоограничительного резистора для нагрузки он должен выдерживать рассеиваемую тепловую мощность 44,2 мВт. То же самое касается базового резистора и самого транзистора.

Техническое описание:

Скачать Diotec Semiconductor - 2N2222A - General Purpose NPN Transistor 40V 600mA datasheet.

Скачать CML Innovative Technologies - LED Indicator 8mm datasheet.