Mitte der 1960er Jahre registrierte Motorola Semiconductor die Transistoren 2N3906 PNP und 2N3904 NPN in Kunststoffgehäusen vom Typ TO-92. Da solche Transistoren aufgrund ihrer geringen Kosten und Robustheit weit verbreitet sind, stehen sie Anfängern und Forschern in großer Zahl zur Verfügung. In diesem Artikel stellen wir die Spezifikationen des Transistors 2N3904, seine Funktionsweise, ein Anwendungsbeispiel, einen gleichwertigen Transistor und Anwendungsbereiche vor.
2N3904 Transistoren Beschreibung
2N3904-Transistoren sind bipolare Transistoren (BJT) vom Typ NPN, die aus Silizium hergestellt werden. Sie werden häufig in elektronischen Schaltungen als Schalter oder Verstärker eingesetzt.
2N3904 Spezifikation
- Strom – Kollektor (Ic) (max.): 200 mA
- Gleichstromverstärkung oder hFE (max.): 300
- Gleichstromverstärkung oder hFE (min.): 100 bei 150 mA, 10 V
- Kollektor-Emitter-Spannung (Vce): 40 V
- Basis-Emitter-Spannung (Vbe): 6 V
- Kollektor-Basis-Spannung (Vcb): 60 V
- Vce-Sättigung (maximal) unter Ib-, Ic-Bedingungen: 500 mV bei 50 mA, 500 mA
- Leistung – max.: 800 mW
- Frequenz – Umwandlung: 100 MHz
- Gehäuse: TO-39-3, TO-205AD
2N3904 Pinbelegung Konfiguration
Der Transistor 2N3904 besteht aus drei Anschlüssen:
- Pin1 (Emitter): Durch diesen Anschluss fließt Strom.
- Pin2 (Basis): Dieser Pin steuert die Vorspannung des Transistors.
- Pin3 (Kollektor): Stromversorgung für den gesamten Anschluss.
2n3904 Transistoren Funktionsprinzip
In einem 2N3904-Transistor sind die meisten Ladungsträger Elektronen, sodass sie immer negativ geladen sind. Der Zustand dieses Transistors kann sich je nach einer geringen Spannung am Basisanschluss (z. B. 0,7 V) von Sperrvorspannung zu Vorwärtsspannung ändern, um zu leiten.
Normale Betriebsbedingungen:
- Basisspannung (Vb) > Emitterspannung (Ve).
- Kollektorspannung (Vc) > Basisspannung (Vb).
Wenn der Basisanschluss mit dem GND-Anschluss verbunden ist, werden sowohl der Emitter- als auch der Kollektoranschluss in Sperrrichtung vorgespannt oder offen gelassen. Ebenso wird der Basisanschluss in Durchlassrichtung vorgespannt, sobald ein Signal an ihn angelegt wird.
Der hohe Verstärkungswert des 2N3904-Transistors beträgt 300, was seine Verstärkungsfähigkeit bestimmt. Die maximale Stromversorgung über den Kollektoranschluss beträgt 200 mA, sodass Lasten, die mehr als 200 mA verbrauchen, nicht über diesen Transistor angeschlossen werden können. Sobald die Stromversorgung an den Basisanschluss angelegt wird, kann der Transistor vorgespannt werden. Dieser IB-Strom muss auf 5 mA begrenzt werden.
Wenn der NPN-Transistor 2N3904 vollständig vorgespannt ist, lässt er maximal 200 mA durch zwei bestimmte Anschlüsse fließen, nämlich Emitter und Kollektor. Diese besondere Stufe wird als Sättigungsbereich bezeichnet. Darüber hinaus können die Kollektor-Emitter-/Kollektor-Basis-Anschlüsse typische Spannungen von 40 V bzw. 60 V verarbeiten.
Sobald sich der Basisstrom trennt, schaltet sich der Transistor aus, sodass diese Phase als Abschaltbereich bezeichnet wird und die VBE etwa 600 mV betragen kann.
2n3904 Schaltungsbeispiel
Die LED-Blitzschaltung mit dem Transistor 2N3904 ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Schaltung kann mit einfachen Bauteilen wie einem Steckbrett, Verbindungskabeln, einer 9-V-Batterie, einem Kondensator, einer 5-mm-LED, einem LED-Blitz, 1-kΩ-, 10-kΩ- und 4,7-kΩ-Widerständen aufgebaut werden.
Diese Schaltung verwendet eine 6-V-Gleichstrombatterie zur Stromversorgung. Da diese Schaltung einen NPN-Transistor enthält, werden die Anschlüsse wie Emitter und Kollektor in Sperrrichtung vorgespannt, sobald der Basisanschluss dieses Transistors mit GND verbunden ist. Sobald ein Signal an den Basisanschluss dieses Transistors angelegt wird, wird er in Durchlassrichtung vorgespannt. Diese einfache LED-Blinkerschaltung wird in verschiedenen Geräten wie Türklingeln, Alarmanlagen oder Stroboskopleuchten verwendet.
Transistoren 2N3904 vs. 2N2222A
Hier ist ein Vergleich der Transistoren 2N3904 und 2N2222A:
| 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 |
2n3904 Äquivalente Transistoren
Einige Transistoren, die dem 2N3904 entsprechen, sind:
BC636, BC547, BC549, BC639, 2N2222 TO-18, 2N2222 TO-92, 2N2369, 2N3906, 2N3055, 2SC5200 usw.
2N3904 Anwendung
- Verstärker
- Treibermodule (LED-, Motor- oder Relaistreiber)
- Schalter
- Spannungsregler
- Wandler
- Timer
- Frequenzmodulatoren
- PWM (Pulsweitenmodulation)
- Signalverarbeitungsschaltungen
- Audio-Schaltungen
- Stromversorgungsschaltungen
- Komparatoren
2N3904 Transistor-Charakteristik-Frequenzprüfung
Erforderliche Ausrüstung:
- Tektronix MSO34-BW500 Oszilloskop
- Tektronix AFG31251 Signalgenerator
- Digitales Multimeter
- Digitale Messgeräte *2
- Transistor-DC/AC-Parameter-Komplett-Experimentierplatine
Die charakteristische Frequenz des Transistors 2N3904 kann mit Oszilloskopen von Tektronix, Signalgeneratoren und Source-Meter-Produkten von Keithley für die Prüfung der Wechselstromparameter von Transistoren gemessen werden. Da die tatsächliche Betriebsfrequenz des Transistors viel höher ist als die Niederfrequenz-Stromverstärkungs-Grenzfrequenz fβ, ist die Wechselstromverstärkung umgekehrt proportional zur Betriebsfrequenz, und das „Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt” des Transistors ist konstant und entspricht in etwa der Arbeitsfrequenz, wenn der Modul der Common-Emitter-Stromverstärkung 1 ist.
Die Messung der charakteristischen Frequenz von Bipolartransistoren erfolgt durch Kopplung eines hochfrequenten kleinen Wechselstrom-Eingangssignals einer bestimmten Frequenz an die Basis über einen Kondensator, Änderung der Gleichstrom-Vorspannungsbedingungen des Transistors in Common-Emitter-Konfiguration und dadurch Änderung der Wechselstromverstärkung, um die Beziehung zwischen der charakteristischen Frequenz des Transistors und dem Gleichstrom-Arbeitspunkt zu untersuchen.
Einstellung und Prüfung des statischen Arbeitspunkts
Der Arbeitsbereich des 2N3904 ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Um sicherzustellen, dass der Transistor im Verstärkungsbereich arbeitet, wird der Gleichstrom-Arbeitspunkt des Transistors auf IC=1mA eingestellt. Wenn kein Wechselstromsignal angeschlossen ist, zeigt die folgende Abbildung das statische Schaltbild des Transistors:
Stellen Sie den IB-Ausgang von SMU1 ein und beobachten Sie, dass der IC-Stromwert von SMU2 ungefähr 1 mA beträgt, um sicherzustellen, dass der Transistor im Verstärkungsbereich arbeitet. Der IB beträgt ungefähr 2,8 uA und die BE-Spannung VBE beträgt 0,636 V, gemessen mit einem Multimeter.
Prüfung der H-Parameter des Transistors 2N3904: HIE und HFE
Bei einer angemessenen Einstellung des statischen Arbeitspunkts und einem kleinen Wechselstromsignal kann der Transistor einem linearen Zweipunktkreis entsprechen, der durch Wechselstromkomponenten von Strom und Spannung dargestellt wird. Dabei sind Ib und Vbe die Eingangsvariablen des Transistors und Ic und Vce die Ausgangsvariablen. Die h-Parameter des Transistors spiegeln die Kleinsignal-Wechselstromcharakteristik des Transistors unter bestimmten festen statischen Bedingungen wider.
Verbinden Sie den Ausgang des Signalgenerators mit der BNC-Schnittstelle auf der linken Seite des AC IN der Experimentierplatine und verbinden Sie den Kanal 1 des Oszilloskops mit der BNC-Schnittstelle auf der rechten Seite des AC OUT der Experimentierplatine.
Stellen Sie den Ausgang der Signalquelle auf eine 1-kHz-Sinuswelle ein, passen Sie die Amplitude des Ausgangssignals der Signalquelle an und testen Sie mit dem Oszilloskopkanal 2 die Spannungswellenform zwischen den beiden Anschlüssen von R1 (verbinden Sie die mit „Input” gekennzeichnete Bananenstecker-Schnittstelle). Berechnen Sie den Effektivwert des Ib-Stroms so, dass Ib ungefähr 0,5 uA entspricht.
Stellen Sie den Ausgang der Signalquelle auf eine 1-kHz-Sinuswelle ein und ändern Sie die Ausgangsamplitude. Wenn der Effektivwert der Spannung zwischen den beiden Anschlüssen von R1, gemessen mit dem Oszilloskop, 50 mVrms beträgt und da R1 = 100 kOhm ist, ist Ib ungefähr gleich 0,5 uA.
Er
„hie“ ist der Eingangswiderstand bei kurzgeschlossenem Ausgang und spiegelt die Fähigkeit der Basisspannung wider, den Basisstrom bei unveränderter Ausgangsspannung Vce zu steuern.
ℎ𝑖𝑒 = 𝑣𝑏𝑒/𝑖𝑏 = 𝑣𝑏𝑒/𝑣𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡∗ 𝑅1
Unter der Voraussetzung, dass die oben genannten Testbedingungen unverändert bleiben, beträgt der effektive Wert von Vbe, gemessen mit 2 Kanälen des Oszilloskops, 5,7 mVrms.
hie = Vbe/ib = Vbe/Vib * R1 = 5,7/50 * 100K = 11400, wobei Vbe der Effektivwert von Vbe und Vib der Effektivwert der Eingangsspannung unter den oben genannten Testbedingungen ist.
Hämochromatose
HFE ist ein Begriff, der häufig verwendet wird, um die „Gleichstromverstärkung” eines bipolaren Transistors (BJT) zu bezeichnen. Er spiegelt die Fähigkeit des Basisstroms ib wider, den Kollektorstrom ic zu steuern. Nachstehend finden Sie die Formel für HFE:
ℎ𝑓𝑒 = 𝑖𝑐/𝑖𝑏
𝑖𝑐= voutput / R2
wobei „𝑖𝑐” für den Kollektorstrom und „𝑖𝑏” für den Basisstrom steht, „voutput” der Effektivwert der Ausgangsspannung ist und „R2” der Widerstand der zwischen dem Kollektor und der Stromversorgung angeschlossenen Last ist.
Ergebnis:
𝑖𝑐= voutput / R2 = 17,3 mV / 100 Ohm = 0,173 mA
Berechnung der charakteristischen Frequenz (fT)
Messen Sie die Grenzfrequenz fβ des Transistors und berechnen Sie seine charakteristische Frequenz fT mit der „Verstärkungsbandbreitenprodukt“-Methode.
Erhöhen Sie die Ausgangsfrequenz der Signalquelle schrittweise von 1 kHz und beobachten Sie die Amplitude des AC OUT-Signals auf der rechten Seite der Versuchsplatine mit dem Oszilloskop. Wenn die Amplitude des Ausgangssignals um 3 dB abfällt (der Spitze-Spitze-Wert halbiert sich), notieren Sie die Ausgangsfrequenz fβ der Signalquelle, die die Grenzfrequenz des Transistors am aktuellen Arbeitspunkt angibt.
Bei 1 kHz beträgt der Scheiteln-Scheiteln-Wert des AC OUT-Ausgangs etwa 38 mV, bei 1,4 MHz beträgt der Scheiteln-Scheiteln-Wert des AC OUT-Ausgangs etwa 19,2 mV.
Berechnen Sie die charakteristische Frequenz fT des Transistors anhand der Formel für das Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt:
fT = hfe × fβ
fT = 228 * 1,4 = 319,2 MHz
wobei fβ ungefähr 1,4 MHz entspricht.
Überprüfen Sie die charakteristische Frequenz fT des Transistors mit einer Hochfrequenzsignalquelle und einem Oszilloskop mit einer Bandbreite von 500 MHz. Wenn die Bandbreite des Oszilloskops und der Signalquelle größer als 200 MHz ist, können Sie die Signalquelle verwenden, um das Eingangssignal im Frequenzbereich über DC-200 MHz zu scannen, die Amplituden-Frequenz-Eigenschaften des Ausgangssignals (AC OUT) auf dem Oszilloskop zu testen und die Stromverstärkung bis 1 manuell zu berechnen, um den charakteristischen Frequenzpunkt fT zu finden. Überprüfen Sie, ob die mit der Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt-Methode berechneten Eigenfrequenzwerte korrekt sind.
