Der NPN-Transistor schaltet sich langsam aus, selbst wenn er außerhalb des Sättigungsbereichs betrieben wird

Ich untersuche derzeit, wie Transistoren auf einfache Signale reagieren und sich verhalten. Ich habe folgende Schaltung:

Eine Rechteckwelle von ungefähr 83 kHz wird angelegt. Der verwendete Transistor ist ein 2N5551 . Die Widerstandswerte wurden sorgfältig ausgewählt, um eine Transistorsättigung zu vermeiden. Bei diesem Setup tritt jedoch immer noch eine langsame Ausschaltzeit auf. Die Messungen wurden mit einem PC-Oszilloskop durchgeführt und sind unten gezeigt. Die vollständigen Daten finden Sie hier .

Die y-Achse ist die Spannung, die x-Achse ist die Zeit. Alle Spannungspegel beziehen sich auf Masse. Die 3 Bilder sind nicht zum gleichen Zeitpunkt ausgerichtet, aber das Taktsignal sollte beim Vergleich der Grafiken helfen. Ein vollständiger Zyklus dauert ungefähr 12 Mikrosekunden, und die Ein- und Ausschaltzeit des Taktsignals beträgt 6 Mikrosekunden. Das Taktsignal wurde mit einem 555-Timer erzeugt, das Tastverhältnis liegt sehr nahe bei 50%.

Wie im Kollektor- und Taktdiagramm zu sehen ist, bleibt der Transistor beim Drehen des Takts auf 0 V fast 3 Mikrosekunden lang eingeschaltet, bevor er vollständig ausgeschaltet wird und sich der Kollektor auf 5 V einstellt. Dies kann auch im Basis- und Taktdiagramm beobachtet werden, in dem die Basis des Transistors fast 3 Mikrosekunden lang bei etwa 0,75 V liegt, bevor er auf 0 V übergeht. Der Sammler und die BasisDie Grafik zeigt, dass der Transistor nicht im Sättigungsbereich arbeitet, da Vb <= Vc ist. Vc scheint für sehr kurze Zeit unter Vb zu fallen, aber ich glaube nicht, dass dies eine Sättigung verursacht. Tatsächlich würde eine Schottky-Diode überhaupt nicht helfen, da die Spannungen sehr nahe beieinander liegen. Daher sollte dies kein Problem mit der Speicherzeit sein. Ich habe auch ausgeschlossen, dass die Transistoreingangskapazität (von max. 20pf) das Problem ist, da ich glaube, dass ich in diesem Fall ähnliche Verzögerungen bei der Einschaltzeit sehen würde. Zusätzlich würde die RC-Zeitkonstante am Eingang 0,3 Mikrosekunden (5RC = 1,5 us) betragen.

Was könnte das Problem sein?

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Nach der akzeptierten Antwort wurde das Problem durch Hinzufügen einer Sperrdiode über dem Basiswiderstand behoben. Die aktualisierten Diagramme finden Sie im selben Dokument unter dem Blatt "Gelöste Ablaufverfolgung". Der Einfachheit halber wird das aktualisierte Bild des Collector and Clock-Diagramms unten angezeigt:

transistors npn time

— Kevin
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Können Sie ein Bild Ihres Testaufbaus hinzufügen, das sich auf den Transistor und dessen Verkabelung konzentriert? Ich vermute, dass Sie zusätzlich zu den Miller-Effekten "Layout" -Probleme haben.

— Andy aka

Antworten:

Das Hauptproblem ist wahrscheinlich die Miller-Kapazität (intern etwa 10 pf zwischen Kollektor und Basis) und der 15-kOhm-Basisantriebswiderstand. Die CR-Zeit wird allein aufgrund dessen 150 ns betragen und wird mehrere CR-Male Strom in die Basis liefern, während der Transistor versucht, sich auszuschalten.

Versuchen Sie, eine Sperrdiode so über den 15-kOhm-Widerstand zu legen, dass bei einem niedrigen Eingang die Ladung über die Diode und nicht über die trägen 15-kOhm-Dioden entfernt wird.

Ich würde auch in Betracht ziehen, einen Potentialteiler an der Basis zu verwenden, um ein Signal mit niedrigerer Impedanz an die Basis zu liefern. Wenn Sie einen Takt von 3,9 Volt haben, teilen Sie das Potential mit einem 4k7-Wert zwischen Basis und Emitter auf etwa 1 Volt auf, um zu sehen, welche Verbesserung dies bewirkt.

— Andy aka
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Sollte es nicht auch an der Speichergebühr in der Basis liegen, die eine kleine Zeit benötigt, um im Sammler gesammelt zu werden? Wenn Sie Vbe auf Null ändern, dauert es eine Weile, bis diese Ladung entladen ist, sodass der Kollektorstrom etwas später abfällt.

— Dirac16

@ dirac16 Ja, es hängt auch davon ab, aber die Spannungsverstärkung der Schaltung multipliziert den Miller-Kapazitätseffekt, um sie zum dominierenden Problem zu machen, genau wie ein Operationsverstärker einen sehr schlechten Frequenzgang im offenen Regelkreis hat.

— Andy aka

Vielen Dank! Das Hinzufügen der Sperrdiode löste das Problem. Der Sammler und Clock Graph mit der Zugabe der Rückwärtsdiode sieht nun aus wie diese . Zuerst dachte ich nicht, dass dies funktionieren würde, weil ich dachte, dass die Spannung an der Basis zu niedrig war, um die Diode zum Entfernen der Ladung zu leiten, aber es tat es. Ist die Idee des Potentialteilers, die Basisentladung durch den niederohmigen Widerstand (4k7) zu bewirken, wenn der Eingang niedrig wird? Ich bin ein Hobbyist und lerne Elektronik selbst, das war eine große Hilfe. Nochmals vielen Dank :)

— Kevin

Ja, das sieht definitiv besser aus. Der hinzugefügte Widerstand senkt die Impedanz an der Basis und kann auch eine Alternative zur Diode sein.

— Andy aka

Schalttransistoren werden in der Praxis im Allgemeinen mit Ic / Ib = 10 oder 10% hFE spezifiziert, 2k für Rb funktioniert auch für bessere Ausschaltzeiten und somit für eine bessere Symmetrie T = ~ RC für Miller-Kapazität und Basiswiderstand, um Vbe zu beschleunigen. Das Hinzufügen einer kleinen xx pF-Kappe parallel zu den 2k-Kappen beschleunigt sie am besten, indem sie die Millerkapazitätsspezifikation geringfügig überschreitet.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Bei einem Kollektorstrom von 30 Milliampere (5 V / 220 Ohm) beträgt der GM (Transkonduktanz 1 und Reac 1/1 = 1, sodass die Spannungsverstärkung 220/1 beträgt.

Bei einer Spannungsverstärkung von 220 beträgt die Eingangskapazität 220 * 10 pf (wenn 10 pF der Cob ist) oder 2.200 pF.

Die Zeitkonstante von 15.000 Ohm und 2.200 pF beträgt fast 40 Mikrosekunden.

Eine Zeitkonstante ist eine Spannungsänderung von 63%. Wir brauchen keine 63% ige Änderung der Basisspannung, um die auszuschalten, aber wir brauchen einen Faktor von 10? im Kollektorstrom, der 58 Millivolt Delta-V-Basisemitter (bei Raumtemperatur) benötigt.

— analogsystemsrf
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