Die Prinzipien von digitalen Transistoren verstehen

Auswahlmethode

- Der Zusammenhang mit dem Kollektorstrom:

∴ Ic = hfe x ((Vin - V_BE)/R1 ) - (V_BE/R2 )) ・・・(1)
Der hier gezeigte hfe-Wert ist bei VCE = 5 V/IC = 1 mA nicht gesättigt.
Für die Verwendung als Schalter wird das folgende Stromverhältnis zur Sättigung benötigt: I_C/I_B = 20/1.
∴ Ic = 20 x ((Vin - V_BE)/R1 ) - (V_BE/R2 ))・・・(2)
hfe in (1) ist durch 20/1 zu ersetzen.

Berechnungen werden unter Berücksichtigung von Abweichungen durchgeführt.
Die ungünstigsten Werte für R1 (+30 % max.), R2 (-20 % min.), und V_BE (0,75 V max) werden in Gleichung (2) verwendet. Durch Auswählen von R1 und R2 des Digitaltransistors aus der untenstehenden Gleichung lässt sich Iomax des Ausgangsstroms überschreiten.

∴ Iomax ≦ 20((Vin - 0,75)/(1,3 x R1) - 0,75/(1,04 x R2))

Erklärung der Teilenummer von Digitaltransistoren

Der Unterschied zwischen Io und Ic

Ic: Der stärkste Strom, der theoretisch durch einen Transistor fließen kann
Io: Der stärkste Strom, der für einen Digitaltransistor verwendet werden kann

Hinweise

Die Digitaltransistoren der DTA/C-Serie sind für Stromstärken von 100 mA ausgelegt.
Für diese Produkte hat Ic den Wert 100 mA. Die Verbindung der Widerstände R1 und R2 macht einen Digitaltransistor aus.
Betrieb bei Ic=100 mA erfordert eine hohe Eingangsspannung Vin, damit genügend Basisstrom IB zur Verfügung steht.
Die maximale Eingangsspannung Vin(max) wird als die Leistungstoleranz (Modulstromstärke) des Eingangswiderstands R1 auf Grundlage der absoluten Grenzwerte definiert. In Anbetracht der Tatsache, dass diese Grenzwerte überschritten werden können, wenn Ic = 100 mA, wird Io als die Stromstärke definiert, die durch den Digitaltransistor fließen kann, ohne dass Vin(max) überschritten wird.
Wie vielleicht bekannt, setzen die absoluten Grenzwerte fest, dass zwei oder mehr Parameter nicht gleichzeitig zur Verfügung gestellt werden können. Eine Darstellung, für die nur Ic verwendet wird, ist also unproblematisch. Trotzdem wird Io ggf. entsprechend den tatsächlichen Anwendungsbedingungen ebenfalls angegeben.
Aus diesen Überlegungen ergibt sich unter Einbeziehung der Schaltungsauslegung, dass Io als absoluter Grenzwert betrachtet werden kann.

 

Der Unterschied zwischen G_I und h_FE

h_FE: Gleichstromverstärkung in gewöhnlichen Transistoren
G_I: Gleichstromverstärkung in Digitaltransistoren

Hinweise

G_I und h_FE stehen beide für Gleichstromverstärkung mit gemeinsamem Emitter.
Digitaltransistoren sind im Grunde gewöhnliche Transistoren mit zwei internen Widerständen.
Hier wird die Verstärkung nicht durch den Eingangswiderstand R1 verringert, da die Gleichstromverstärkung = Ausgangsstrom/Eingangsstrom ist. Daher wird bei Bauarten, die nur einen Eingangswiderstand R1 enthalten, die Verstärkung durch h_FE wiedergegeben, und entspricht h_FE bei konfigurierten Transistoren.
Wenn man aber einen Widerstand R2 zwischen E und B schaltet, wird der Eingangsstrom durch R2 abgeleitet.
Dadurch wird die Verstärkung verringert. Dieser Wert wird als G_I angegeben.

 

Der Unterschied zwischen V_I(on) und V_I(off)

V_I(on) und V_I(off) sind leicht zu verwechseln.
V_I(on): Die Spannung die mindestens erforderlich ist, um den Transistor einzuschalten.

Häufiges Missverständnis:
 : Die Eingangsspannung steigt konstant von 0 V an.
 : Nach kurzer Zeit erreicht die Spannung 1,8 V, wodurch der Digitaltransistor eingeschaltet wird.
 : Da diese Spannung niedriger ist als die in den Spezifikationen angegebenen 3 V, wird das Bauteil als nicht verwendbar angesehen.

Tatsächlicher Betrieb:
 : Zunächst wird die Eingangsspannung Vin auf einen Wert erhöht, der ausreicht, um den Transistor einzuschalten (z. B. 10 V)
 : Dann wird nach und nach die Spannung auf den in den Spezifikationen angegebenen Wert abgesenkt (z. B. 3 V). Bleibt der Transistor eingeschaltet, wird er als verwendbar angesehen.
 : Daraufhin wird die an die Basis angelegte Spannung weiter verringert, bis der Transistor ausgeschaltet wird. Da dieser Wert unterhalb von 3 V liegt, ist der Transistor funktionsfähig.

Temperatureigenschaften von Digitaltransistoren

V_BE, h_FE, R1, und R1 variieren in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.

h_FE ändert sich um: 0,5 %/°C (ca.)
V_BE variiert um ungefähr -2 mV/°C (zwischen -1,8 und -2,4 mV/°C)

R1 verändert sich gemäß der unten dargestellten Kurve.

Ausgangsspannung - Eigenschaften des Ausgangsstroms im Schwachstrombereich

Die Eigenschaften von Digitaltransistoren bzgl. Ausgangsspannung-Ausgangsstrom werden mithilfe des folgenden Verfahrens gemessen.
Demnach fließt Io (Schwachstrombereich) nicht zur Basis des Transistors.
Das führt dazu, dass die Ausgangsspannung Vo (V_CE(sat)) im Schwachstrombereich ansteigt.

Für DTC114EKA wird die Messung unter Verwendung von Io/Ii = 20/1 durchgeführt.
Ii = I_B + IR2 aus (IR2 = V_BE/10 k = 0,65 V/10 k = 65 μA)
Wenn I_B = Ii - IR2 = Ii - 65 μA (Wenn Ii unter 65 μA sinkt) fließt I_B nicht und Vo (V_CE(sat)) wird erhöht.
Wenn dies geschieht, kann Vo nicht im Schwachstrombereich gemessen werden.

Schaltbetrieb bei Digitaltransistoren

1.Transistorbetrieb

Beim Betrieb von NPN-Transistoren wird Spannung wie in Abbildung 1 gezeigt angelegt.
In dieser Schaltung liegt Spannung in Vorwärtsrichtung zwischen der Basis (B) und dem Emitter (E) an, wodurch Strom durch die Basis fließt.
Anders ausgedrückt, wird die Basis mit  Löchern durchdrungen.
Dadurch werden die freien Elektronen im Emitter in Richtung der Basis angezogen. Da die Basis jedoch sehr dünn ist, fließen freie Elektronen aufgrund der Vorspannung (Bias) des Kollektors durch die Basis zum Kollektor. Daher fließt Strom vom Kollektor zum Emitter.

 

2.Schaltbetrieb

Transistoren werden sowohl als Verstärker als auch als Schalter eingesetzt.
Während der Verstärkung fließt Ic, das dem Wert von h_FE multipliziert mit dem Basisstrom entspricht. Man erhält den Ausgangsstrom im aktiven Bereich, durch kontinuierliche Steuerung des Kollektorstroms auf der Grundlage des Eingangssignals.

 

Der Schaltbetrieb führt zu einer Sättigung, wenn der Transistor eingeschaltet ist (verringerte Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung). In diesem Sättigungsbereich gibt es einen Überschuss an Löchern, die dann durch den Basisanschluss aus dem Basisbereich austreten. Kollektorstrom fließt, bis alle + Löcher aus dem Basisbereich ausgetreten sind. Die dafür benötigte Zeit wird als tstg (Aus-Zeit) bezeichnet.

Je schneller die Löcher aus dem Basisbereich austreten, desto kürzer ist die Aus-Zeit.

Bei Digitaltransistoren dienen R1 und R2 in Reihe geschaltet als Austrittspfad für die Löcher aus dem Basisbereich, wenn der Transistor ausgeschaltet ist. R2 sollte so gering wie möglich eingestellt werden (bei gegebenem konstantem R1), um die Aus-Zeit zu minimieren.

Terminologie zu Digitaltransistoren

• V_I(on)min: Mindestens erforderliche Eingangs-Einschaltspannung
  Spannung in Vorwärtsrichtung, die zwischen dem OUT- und dem GND-Stift angelegt wird - die mindestens für das Fließen des Ausgangsstroms (Io) erforderliche Eingangsspannung. Oder die mindestens zum Einschalten eines Digitaltransistors erforderliche Eingangsspannung.
  Da zum Umschalten von EIN auf AUS eine Spannung erforderlich ist, die niedriger ist als diese minimale Eingangsspannung, liegt der Wert bei tatsächlichen Produkten unterhalb dieses Werts.
• V_I(off)max: Maximale Eingangsspannung AUS
  Die maximale Eingangsspannung zwischen dem IN- und dem GND-Stift, während Versorgungsspannung Vcc und Ausgangsstrom zwischen dem OUT- und dem GND-Stift vorhanden sind. Anders ausgedrückt handelt es sich dabei um die maximale Eingangsspannung, bei der der Transistor ausgeschaltet bleibt.
  Da zum Umschalten von AUS auf EIN eine Spannung erforderlich ist, die höher ist als diese maximale Eingangsspannung, liegt der Wert bei tatsächlichen Produkten oberhalb dieses Werts.
• V_O(on): Ausgangsspannung
  Die Ausgangsspannung bei jeglichen Eingangsbedingungen, die die Höchstwerte nicht überschreiten. Der Zustand, in dem die IN/OUT-Sperrschichten in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind und die Ausgangsspannung verringert wird, wenn ausreichend Eingangsstrom durch die GND-Verstärkungsschaltung fließt. Gemessen als ganzzahliger Teil von Ii (in der Regel 10–20) in Vo, Io.
• I_I(max): Maximaler Eingangsstrom
  Der maximal zulässige Eingangsstrom, der stetig durch den IN-Stift fließen kann (während Spannung Vi in Vorwärtsrichtung zwischen dem IN- und dem GND-Stift anliegt).
• G_I：Gleichstromverstärkung
  Das Verhältnis von Io/Ii, das durch Vo, Io festgelegt wird.
• R1: Eingangswiderstand
  Der Widerstand, der zwischen den IN-Anschluss und die Basis des Transistors geschaltet ist, mit einem zulässigen Regelbereich von ±30 %. Dieser Wert variiert in Abhängigkeit von der Temperatur.
• R2/R1: Widerstandsverhältnis
  Das Verhältnis des internen Basis-Emitter-Widerstands zum Eingangswiderstand.