Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Pomiar „bety” tranzystorów za pomocą multimetru?

W niniejszym artykule odpowiemy na pytanie: (...) Co [sądzić] o wyznaczaniu prądu kolektora tranzystora bipolarnego z równania: Ic = Beta x Ib i braniu bety z pomiaru multimetrem? Rozumiem, że nie jest to profesjonalny sposób, lecz dla pojedynczych garażowych projektów wystarczający. Sposób podany w tej witrynie: https://ea.elportal.pl/bipolarne.html, jest... no cóż, gubię się w jego zawiłościach matematycznych. Byłbym wdzięczny za prostsze wyjaśnienie tej metody... lub pokierowanie do literatury. (...)
Article Image

Takie pytanie pojawiło się niedawno w redakcyjnej poczcie, a problem jest aktualny zawsze. Wyjaśnienia warto zacząć od faktu, że najzwyklejszy tranzystor bipolarny jest skomplikowanym tworem fizycznym, którego właściwości niełatwo opisać. Dlatego „od zawsze” przyjmowano uproszczone modele, które w gorszy lub lepszy sposób obrazują właściwości i działanie tranzystora.

W materiałach dla początkujących można znaleźć „wyjaśnienie”, że tranzystor to „zmienny rezystor”, co ma w sobie odrobinę prawdy, przynajmniej jeśli chodzi o nazwę: transistor podobno nadał jeden z wynalazców (Shockley), jako złożenie „transfer” + „resistor”. Najprostszy model tranzystora, pokazany na rysunku A, zupełnie nie odzwierciedla właściwości tranzystora bipolarnego, bo obwód kolektor-emiter nie zachowuje się jak sterowany rezystor, tylko raczej jak źródło prądu o wydajności prądowej zależnej nie od napięcia, tylko od prądu bazy (sterowanymi rezystorami w pewnych warunkach pracy są natomiast tranzystory polowe JFET, a także MOSFET).

Dlatego znacznie sensowniejszy jest model z rysunku B, gdzie dioda odzwierciedla właściwości złącza baza-emiter, a sterowane źródło prądowe – obwodu kolektor-emiter. Ale taki model jest nadmiernym uproszczeniem i może być wykorzystywany tylko jako zgrubne przybliżenie. I tu trzeba podkreślić, że mierniki mierzące „betę” wykorzystują ten właśnie prymitywny model. W szkolnych rozważaniach używa się też tak zwanych modeli małosygnałowych.

Rys.A Model tranzystora (najprostszy)
Rys.B Alternatywny model tranzystora

Jak wiadomo, istnieje mnóstwo programów do symulacji układów elektronicznych, w większości wywodzących się z programu SPICE. Wykorzystują one głównie tak zwany model Gummela-Poona, pokazany na rysunku C. Przy dobraniu odpowiednich wartości szeregu jego parametrów, dość dokładnie odzwierciedla on zachowanie konkretnego rzeczywistego tranzystora bipolarnego i układów z nich zbudowanych. W przeważającej większości przypadków dobrze sprawdza się podczas symulacji komputerowej.

Rys.C Stary model tranzystora

Trzeba jednak podkreślić, że dość stary model z rysunku C jest daleki od doskonałości. Rysunek D pokazuje bardziej rozbudowany model (Philips) Mextram. Rysunek E przedstawia model zwany Vbic95. Pozwalają one znacznie wierniej modelować tranzystory bipolarne, jednak są wykorzystywane rzadko. Otóż jedna sprawa to możliwości modelu, pozwalające na wierne odwzorowanie właściwości elementu – tranzystora, a druga to rozrzut parametrów nie tylko pomiędzy poszczególnymi typami, ale też między poszczególnymi egzemplarzami tranzystorów tego samego typu.

Rys.D Model tranzystora(Philips) Mextram
Rys.E Model tranzystora  Vbic95

Wracając do pytania Czytelnika, trzeba stwierdzić, że pomiar „bety” tranzystorów za pomocą multimetru to pomiar prymitywny, według rysunku B. Pomiar, który daje niewiele informacji, a wynik wcale nie musi potwierdzić się w rzeczywistości. Owszem, może dostarczyć w miarę sensownych informacji o wzmocnieniu prądowym tranzystorów małej mocy, ale wyniki pomiarów tranzystorów dużej mocy mogą być, i zwykle są, obarczone dużym błędem.

Problem w tym, że multimetry mierzą wzmocnienie prądowe przy prądzie bazy około 10 mikroamperów, a wzmocnienie prądowe nie jest stałe, tylko zależy od kilku czynników, między innymi od wartości prądu. A w docelowym układzie tranzystor zapewne będzie pracował przy innym prądzie bazy, przy innym napięciu kolektora i prawdopodobnie w innej temperaturze.

Rysunek F pokazuje zależność wzmocnienia prądowego od prądu kolektora czterech egzemplarzy tranzystorów małej mocy 2N4401 według katalogu OnSemi. Jak wskazuje rysunek G, pokazujący analogiczną zależność dla tranzystora mocy 2N3055, wzmocnienie przy prądzie bazy 10uA może być dużo mniejsze niż wzmocnienie w realnych warunkach pracy tego tranzystora mocy. Dla tranzystorów innych producentów takie zależności są inne i nie zawsze są podawane w katalogach.

Rys.F Zależność wzmocnienia prądowego od prądu kolektora - tranzystory małej  mocy 2N4401
Rys.G Zależność wzmocnienia prądowego od prądu kolektora -  tranzystor mocy 2N3055

Z podanych względów wyniki pomiaru wzmocnienia multimetrem należy traktować jako szacunkowe i orientacyjne. Trzeba je traktować bardziej jako test, że tranzystor jest sprawny, a nie jako „prawdziwą” wartość wzmocnienia prądowego tranzystora.

Należy podkreślić, że układy z tranzystorami (i innymi elementami też) powinny być tak projektowane, żeby pracowały prawidłowo z egzemplarzami o tolerancji, podanej w kartach katalogowych, a nawet szerszych. W katalogach tranzystorów zwykle podane są typowe, przeciętne wartości wzmocnienia, ale także wartości gwarantowane: minimalna i maksymalna. Dotyczą one konkretnych warunków (podanych w katalogu) pomiaru. I zamiast mierzyć „betę”, trzeba raczej brać do obliczeń minimalną wartość wzmocnienia z katalogu. Należy stanowczo unikać układów, których działanie zależy od wzmocnienia prądowego egzemplarza zastosowanego tam tranzystora!

AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
luty 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo