Sesgo del divisor de voltaje en circuitos BJT: más estabilidad sin factor beta

La polarización de los terminales de un transistor bipolar utilizando una red divisora ​​resistiva calculada para garantizar un rendimiento óptimo y una respuesta de conmutación se denomina polarización del divisor de voltaje.

En el diseños de sesgo anteriores que aprendimos el sesgo actual yo CQ y voltaje V CEQ eran una función de la ganancia de corriente (β) del BJT.

Pero, como sabemos que β puede ser vulnerable a los cambios de temperatura, particularmente para los transistores de silicio, y además, el verdadero valor de beta a menudo no se identifica adecuadamente, podría ser aconsejable desarrollar una polarización del divisor de voltaje en el circuito BJT que puede ser menor. propenso a las temperaturas, o simplemente independiente del propio BJT beta.

La disposición de polarización del divisor de voltaje de la figura 4.25 puede considerarse uno de estos diseños.

Cuando se examina con un base exacta la susceptibilidad a variaciones en beta parece realmente modesta. Si las variables del circuito se calculan adecuadamente, los niveles de I CQ y V CEQ podría ser prácticamente completamente independiente de beta.

Recuerde de las explicaciones anteriores que un punto Q se caracteriza por un nivel fijo de ICQ y VCEQ, como se muestra en la figura 4.26.

El grado de yo BQ puede cambiar dependiendo de las variaciones en la beta, pero el punto de operación alrededor de las características identificadas por I CQ y V CEQ fácilmente puede permanecer sin cambios si se aplican las pautas de circuito adecuadas.

Como se mencionó anteriormente, encontrará un par de enfoques que pueden emplearse para investigar la configuración del divisor de voltaje.

La razón detrás de la selección de nombres específicos para este circuito se hará evidente durante nuestro análisis y se discutirá en las próximas publicaciones.

El primero es el técnica exacta que se puede realizar en cualquier configuración de divisor de voltaje.

El segundo se llama método aproximado, y su implementación se vuelve factible cuando se cumplen ciertos factores. los enfoque aproximado permite un análisis mucho más directo con el mínimo esfuerzo y tiempo.

Además, esto puede ser muy útil para el 'modo de diseño' del que hablaremos en las secciones posteriores.
En general, dado que 'aproximación aproximada' Se podría trabajar con la mayoría de las condiciones y, por lo tanto, debe evaluarse con el mismo nivel de atención que el 'método exacto'.

Análisis exacto

Aprendamos cómo el método de análisis exacto se puede implementar con la siguiente explicación

Con referencia a la siguiente figura, el lado de entrada de la red se puede reproducir como se muestra en la figura 4.27 para el análisis de cd.

los Equivalente de Thévenin red para el diseño en el lado izquierdo de la base B del BJT, entonces se puede determinar de la manera que se ilustra a continuación:

RTh : Los puntos de suministro de entrada se reemplazan por un cortocircuito equivalente como se muestra en la figura 4.28 a continuación.

ETH: La fuente de voltaje de suministro V CC se aplica de nuevo al circuito, y el voltaje de Thévenin de circuito abierto que aparece en la Fig. 4.29 a continuación se evalúa como se indica a continuación:

Implementando la regla del divisor de voltaje llegamos a la siguiente ecuación:

A continuación, recreando el diseño de Thévenin como se ilustra en la figura 4.30, evaluamos I BQ aplicando primero la ley de voltaje de Kirchhoff en el sentido de las agujas del reloj para el bucle:

ETh - IBRTh - VBE - IERE = 0

Tal como lo conocemos IE = (β + 1) B Sustituyéndolo en el ciclo anterior y resolviendo para I B da:

Ecuación. 4.30

A primera vista, puede sentir la ecuación. (4.30) se ve bastante diferente de las otras ecuaciones que se han desarrollado hasta ahora, sin embargo, una mirada más cercana mostrará que el numerador es solo una diferencia de dos niveles de voltios, mientras que el denominador es el resultado de la resistencia base + la resistencia del emisor, que se refleja por (β + 1) y es sin duda muy similar a la Ec. (4,17) ( Bucle emisor base )

Una vez que se calcula IB a través de la ecuación anterior, el resto de las magnitudes en el diseño podrían identificarse mediante el mismo método que hicimos para la red de sesgo de emisor, como se muestra a continuación:

Ecuación (4.31)

Resolver un ejemplo práctico (4.7)
Calcule el voltaje de polarización de CC V ESTA y el actual yo C en la red de divisores de voltaje que se muestra a continuación Figura 4.31

Figura 4.31 Circuito estabilizado con beta para el ejemplo 4.7.

Análisis aproximado

En la sección anterior aprendimos el 'método exacto', aquí discutiremos el 'método aproximado' de analizar el divisor de voltaje de un circuito BJT.

Podemos dibujar la etapa de entrada de una red de divisores de voltaje basada en BJT como se muestra en la figura 4.32 a continuación.

La resistencia Ri puede considerarse como la resistencia equivalente entre la base y la línea de tierra del circuito, y RE como la resistencia entre el emisor y la tierra.

De nuestras discusiones anteriores [Eq. (4.18)] sabemos que la resistencia reproducida o reflejada entre base / emisor del BJT está expuesta por la ecuación Ri = (β + 1) RE.

Si consideramos una situación en la que Ri es considerablemente más grande que la resistencia R2, IB resultará relativamente más pequeño que I2 (recuerde que la corriente siempre intenta encontrar y moverse en la dirección de la resistencia mínima) y, por lo tanto, I2 se volverá aproximadamente igual a I1.

Si se considera que el valor aproximado de IB es esencialmente cero en relación con I1 o I2, entonces I1 = I2 y R1 y R2 podrían considerarse elementos en serie.

Figura 4.32 Circuito de polarización parcial para calcular el voltaje base aproximado V B .

El voltaje en R2, que originalmente sería el voltaje base, podría evaluarse como se muestra a continuación, aplicando la red de la regla del divisor de voltaje:

Ahora desde Ri = (β + 1) RE ≅ B RE, la condición que confirma si la ejecución del método aproximado es factible o no se decide por la ecuación:

En pocas palabras, si el valor RE multiplicado por el valor de β no es menos de 10 veces el valor de R2, entonces se puede permitir implementar el análisis aproximado con una precisión óptima.

Después de evaluar VB, la magnitud de VE podría determinarse mediante la ecuación:

mientras que la corriente del emisor se podría calcular aplicando la fórmula:

El voltaje del colector al emisor se puede identificar mediante la siguiente fórmula:

VCE = VCC - CICR - IERE

sin embargo, desde IE ≅ IC, llegamos a la siguiente ecuación:

Cabe señalar que en la serie de cálculos que hicimos a partir de la Ec. (4.33) hasta la ecuación. (4.37) ,, el elemento β no tiene presencia en ninguna parte y no se ha calculado IB.

Esto implica que el punto Q (según lo establecido por I CQ y V CEQ ) como resultado no depende del valor de β
Ejemplo práctico (4.8):

Apliquemos el análisis en nuestro anterior Figura 4.31 , utilizando un enfoque aproximado y compare soluciones para ICQ y VCEQ.

Aquí observamos que el nivel de VB es idéntico al de ETh, como se evaluó en nuestro ejemplo anterior 4.7. Lo que eso significa básicamente es que la diferencia entre el análisis aproximado y el análisis exacto está influenciada por RTh, que es responsable de separar ETh y VB en el análisis exacto.

Seguir adelante,

Siguiente ejemplo 4.9

Realicemos el análisis exacto del ejemplo 4.7 si β se reduce a 70 y averigüemos la diferencia entre las soluciones para ICQ y VCEQ.

Solución
Este ejemplo puede no tomarse como una comparación entre estrategias exactas y aproximadas, sino solo para probar el grado en que el punto Q puede moverse en caso de que la magnitud de β se reduzca en un 50%. RTh y ETh se dan de la misma forma:

Organizar los resultados en forma tabular nos da lo siguiente:

De la tabla anterior podemos deducir claramente que el circuito no responde relativamente al cambio en los niveles β. A pesar de que la magnitud β se ha reducido significativamente en un 50%, del valor de 140 a 70, aunque los valores de ICQ y VCEQ son básicamente los mismos.

Siguiente ejemplo 4.10

Evaluar los niveles de I CQ y V CEQ para la red divisor de voltaje como se muestra en la Fig. 4.33 aplicando el exacto y aproximado enfoques y comparar las soluciones resultantes.

En el escenario actual, las condiciones dadas en la Ec. (4.33) puede no satisfacerse, sin embargo, las respuestas pueden ayudarnos a identificar la diferencia en la solución con las condiciones de la Ec. (4.33) no se tiene en cuenta.
Figura 4.33 Divisor de voltaje red para el ejemplo 4.10.

Resolver usando análisis exacto:

Resolver usando análisis aproximado:


De las evaluaciones anteriores podemos ver la diferencia entre los resultados obtenidos con los métodos exactos y aproximados.

Los resultados revelan que yo CQ es alrededor de un 30% más alto para el método aproximado, mientras que V CEQ es un 10% menor. Aunque los resultados no son del todo idénticos, considerando el hecho de que βRE es solo 3 veces mayor que R2, los resultados tampoco están muy separados.

Dijo que, para nuestro análisis futuro, nos basaremos principalmente en la Eq. (4.33) para asegurar la máxima similitud entre los dos análisis.