A metà degli anni ’60, Motorola Semiconductor registrò i transistor PNP 2N3906 e NPN 2N3904 in confezioni TO-92 in plastica. Poiché tali transistor sono ampiamente disponibili a basso costo e robustezza, sono disponibili in gran numero per principianti e ricercatori. In questo articolo, introdurremo le specifiche del transistor 2N3904, il suo principio di funzionamento, un esempio di circuito applicato, un transistor equivalente e le applicazioni.
Descrizione dei transistor 2N3904
I transistor 2N3904 sono un transistor bipolare a giunzione (BJT) di tipo NPN realizzato in materiale siliconico. Sono comunemente usati nelle applicazioni di circuiti elettronici come interruttore o amplificatore.
Specifiche del 2N3904
- Corrente – Collettore (Ic) (Max): 200mA
- Guadagno di corrente CC o hFE (Max): 300
- Guadagno di corrente CC o hFE (Min): 100 @ 150mA, 10V
- Tensione collettore-emettitore (Vce): 40V
- Tensione base-emettitore (Vbe): 6V
- Tensione collettore-base (Vcb): 60V
- Vce di saturazione (massimo) in condizioni Ib, Ic: 500mV @ 50mA, 500mA
- Potenza – Max: 800mW
- Frequenza – Conversione: 100MHz
- Confezione/Custodia: TO-39-3, TO-205AD
Configurazione dei pin del 2N3904
Il transistor 2N3904 è costituito da tre pin:
- Pin1 (Emettitore): La corrente fluirà attraverso questo terminale.
- Pin2 (Base): Questo pin controlla il bias del transistor.
- Pin3 (Collettore): Alimentazione di corrente per l’intero terminale.
Principio di funzionamento dei transistor 2n3904
In un transistor 2N3904, la maggior parte dei portatori di carica sono elettroni, quindi sono sempre caricati negativamente. Lo stato di questo transistor può cambiare da polarizzazione inversa a polarizzazione diretta per condurre a seconda di una piccola tensione al terminale di base (come 0,7V).
Condizioni operative normali:
- Tensione di base (Vb) > tensione di emettitore (Ve).
- Tensione di collettore (Vc) > Tensione di base (Vb).
Se il pin di base è collegato al terminale GND, sia i terminali di emettitore che di collettore sono polarizzati inversamente o lasciati aperti. Allo stesso modo, una volta fornito un segnale al pin di base, sarà polarizzato direttamente.
L’elevato valore di guadagno del transistor 2N3904 è 300, che determina la sua capacità di amplificazione. L’alimentazione di corrente massima attraverso il terminale del collettore è di 200mA, quindi i carichi che consumano più di 200mA non possono essere collegati tramite questo transistor. Una volta fornita l’alimentazione di corrente al terminale di base, il transistor può essere polarizzato. Questa corrente IB deve essere limitata a 5mA.
Quando il transistor NPN 2N3904 è completamente polarizzato, consente il flusso massimo di 200mA attraverso due terminali specifici, ovvero emettitore e collettore. Questa particolare fase è denominata regione di saturazione. Inoltre, i terminali collettore-emettitore/collettore-base sono in grado di gestire tensioni tipiche di 40V e 60V rispettivamente.
Una volta che la corrente di base si separa, il transistor si spegnerà, quindi questa fase è chiamata regione di interruzione e la VBE potrebbe essere di circa 600mV.
Esempio di circuito 2n3904
Il circuito flash LED che utilizza il transistor 2N3904 è mostrato nella figura seguente. Il circuito può essere costruito utilizzando componenti di base come una breadboard, cavi di collegamento, batteria da 9V, condensatore, LED da 5 mm, flash LED, resistori da 1K, 10K e 4,7K.
Questo circuito utilizza una batteria CC da 6 V per alimentare il circuito. Poiché in questo circuito è presente un transistor NPN, una volta che il pin di base di questo transistor è collegato a GND, i terminali come emettitore e collettore sono polarizzati inversamente. Inoltre, una volta che un segnale viene fornito al pin di base di questo transistor, viene collegato per essere polarizzato direttamente. Questo semplice circuito lampeggiante a LED è utilizzato in diversi dispositivi come campanelli, sistemi di allarme o luci stroboscopiche.
Transistor 2N3904 Vs. 2N2222A
Ecco un confronto tra i transistor 2N3904 e 2N2222A di seguito:
| Specification | 2N3904 | 2N2222A |
|---|---|---|
| Transistors Type | NPN | NPN |
| Maximum Collector Current | 200 mA | 800 mA |
| Maximum Collector-Emitter Voltage | 40V | 40V |
| Maximum Collector-Base Voltage | 50V | 50V |
| Maximum Emitter-Base Voltage | 5V | 6V |
| Maximum Frequency | 300 MHz | 500 MHz |
| Package Type | TO-92 | TO-18, TO-92 |
Transistor Equivalenti 2n3904
Alcuni transistor equivalenti al 2N3904 sono:
BC636, BC547, BC549, BC639, 2N2222 TO-18, 2N2222 TO-92, 2N2369, 2N3906, 2N3055, 2SC5200, ecc.
Applicazione 2N3904
- Amplificatori
- Moduli driver (driver LED, motore o relè)
- Interruttori
- Regolatori di tensione
- Convertitori
- Timer
- Modulatori di frequenza
- PWM (Pulse Width Modulation)
- Circuiti di elaborazione del segnale
- Circuiti audio
- Circuiti di alimentazione
- Comparatori
Test della Frequenza Caratteristica del Transistor 2N3904
Attrezzatura richiesta:
- Oscilloscopio Tektronix MSO34-BW500
- Generatore di segnali Tektronix AFG31251
- Multimetro digitale
- Misuratori di sorgente digitale *2
- Scheda sperimentale completa per parametri DC/AC del transistor
La frequenza caratteristica del transistor 2N3904 può essere misurata utilizzando oscilloscopi Tektronix, generatori di segnali e prodotti Keithley source meter per il test dei parametri AC dei dispositivi transistor. Poiché la frequenza operativa effettiva del transistor è molto più alta della frequenza di taglio del guadagno di corrente a bassa frequenza fβ, il guadagno di corrente AC è inversamente proporzionale alla frequenza operativa e il “prodotto guadagno-larghezza di banda” del transistor è costante, approssimativamente uguale alla frequenza di lavoro quando il modulo del guadagno di corrente a emettitore comune è 1.
La misurazione della frequenza caratteristica dei transistor bipolari consiste nell’accoppiare un piccolo segnale AC ad alta frequenza di una frequenza specifica alla base tramite un condensatore, modificare le condizioni di polarizzazione CC del transistor in configurazione a emettitore comune e quindi modificare il guadagno di corrente AC per studiare la relazione tra la frequenza caratteristica del transistor e il punto di funzionamento CC.
Impostazione e Test del Punto di Funzionamento Statico
L’intervallo di funzionamento del 2N3904 è mostrato nella seguente figura:
Per garantire che il transistor funzioni nella regione di amplificazione, il punto di funzionamento CC del transistor è impostato su IC=1mA. Quando non è collegato alcun segnale AC, lo schema del circuito di lavoro statico del transistor è mostrato nella seguente figura:
Regolare l’uscita IB di SMU1 e osservare che il valore della corrente IC di SMU2 è approssimativamente 1mA per garantire che il transistor funzioni nella regione di amplificazione. L’IB è approssimativamente 2,8uA e la tensione BE VBE è 0,636V come misurata da un multimetro.
Test dei Parametri H del Transistor 2N3904: HIE e HFE
Con una impostazione ragionevole del punto di funzionamento statico e un ingresso di segnale AC piccolo, il transistor può essere equivalente a un circuito a due porte lineare, rappresentato dai componenti AC di corrente e tensione. Dove Ib e Vbe sono le variabili di ingresso del transistor e Ic e Vce sono le variabili di uscita. I parametri h del transistor riflettono le caratteristiche AC a piccolo segnale del transistor in determinate condizioni statiche fisse.
Collegare l’uscita del generatore di segnale all’interfaccia BNC sul lato sinistro di AC IN della scheda sperimentale e collegare il Canale 1 dell’oscilloscopio all’interfaccia BNC sul lato destro di AC OUT della scheda sperimentale.
Impostare l’uscita della sorgente di segnale su un’onda sinusoidale da 1 kHz, regolare l’ampiezza del segnale di uscita della sorgente di segnale e utilizzare il canale 2 dell’oscilloscopio per testare la forma d’onda della tensione tra i due terminali di R1 (collegare l’interfaccia a banana contrassegnata come Input). Calcolare il valore efficace della corrente Ib in modo che Ib sia approssimativamente uguale a 0,5 uA.
Impostare l’uscita della sorgente di segnale su un’onda sinusoidale da 1 kHz e modificare l’ampiezza di uscita. Quando il valore efficace della tensione tra i due terminali di R1 misurato dall’oscilloscopio è di 50 mVrms e poiché R1 = 100 kohms, Ib è approssimativamente uguale a 0,5 uA.
HIE
“hie” è la resistenza di ingresso quando l’uscita è cortocircuitata e riflette la capacità della tensione di base di controllare la corrente di base con la tensione di uscita Vce invariata.
ℎ𝑖𝑒 = 𝑣𝑏𝑒/𝑖𝑏 = 𝑣𝑏𝑒/𝑣𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡∗ 𝑅1
Nelle condizioni in cui le condizioni di test di cui sopra rimangono invariate, il valore efficace di Vbe misurato da 2 canali dell’oscilloscopio è di 5,7 mVrms.
hie = Vbe/ib = Vbe/Vib * R1 = 5.7/50 * 100K = 11400, dove Vbe è il valore efficace di Vbe e Vib è il valore efficace della tensione di ingresso nelle condizioni di test di cui sopra.
HFE
HFE è un termine comunemente usato per riferirsi al “guadagno di corrente DC” di un transistor a giunzione bipolare (BJT). Riflette la capacità della corrente di base ib di controllare la corrente di collettore ic. Di seguito è riportata la formula di HFE:
ℎ𝑓𝑒 = 𝑖𝑐/𝑖𝑏
𝑖𝑐= voutput / R2
dove “𝑖𝑐” rappresenta la corrente di collettore e “𝑖𝑏” rappresenta la corrente di base, “voutput” è il valore efficace della tensione di uscita e “R2” è la resistenza del carico collegato tra il collettore e l’alimentazione.
Risultato:
𝑖𝑐= voutput / R2 = 17.3 mV / 100 ohms = 0.173 mA
Calcolo della frequenza caratteristica (fT)
Misura la frequenza di taglio fβ del transistor e calcola la sua frequenza caratteristica fT utilizzando il metodo del “prodotto guadagno-larghezza di banda”.
Aumenta gradualmente la frequenza di uscita della sorgente di segnale da 1 kHz e osserva l’ampiezza del segnale AC OUT sul lato destro della scheda sperimentale utilizzando l’oscilloscopio. Quando l’ampiezza del segnale di uscita diminuisce di 3 dB (il valore picco-picco diminuisce della metà), registra la frequenza di uscita fβ della sorgente di segnale, indicando la frequenza di taglio del transistor nel punto di lavoro corrente.
A 1 kHz, il valore picco-picco dell’uscita AC OUT è di circa 38 mV e a 1,4 MHz, il valore picco-picco dell’uscita AC OUT è di circa 19,2 mV.
Calcola la frequenza caratteristica fT del transistor utilizzando la formula del prodotto guadagno-larghezza di banda:
fT = hfe × fβ
fT = 228 * 1.4 = 319.2 MHz
dove fβ è approssimativamente uguale a 1,4 MHz.
Verifica la frequenza caratteristica fT del transistor utilizzando una sorgente di segnale ad alta frequenza e un oscilloscopio con una larghezza di banda di 500 MHz. Se la larghezza di banda dell’oscilloscopio e della sorgente di segnale è superiore a 200 MHz, puoi utilizzare la sorgente di segnale per scansionare il segnale di ingresso nell’intervallo di frequenza superiore a DC-200MHz e testare le caratteristiche ampiezza-frequenza del segnale di uscita (AC OUT) sull’oscilloscopio e calcolare manualmente l’amplificazione corrente fino a 1 per trovare il punto di frequenza caratteristica fT. Verifica che i valori di frequenza propria calcolati con il metodo del prodotto guadagno-larghezza di banda siano accurati.
