LTspice XVII - PwrBJT Transitfrequenz 'messen' mit .meas

[Rüdiger S. (rudi8)]

Hallo zusammen,

ich hatte vor wenigen Tagen gelernt, die .meas-Anweisung zur 
Frequenzmessung zu benutzen. Und da man durch Anwenden Gelerntes besser 
versteht, wollte ich mal sehen, ob man die Transitfrequenz eines 
Leistungstransistors damit messen kann.

Diese Übung hat nur spielerischen Wert, da die meisten Datenblätter eine 
solche Information bereithalten.

die Anweisung:  .meas AC fT FIND freq WHEN mag(Ic(Q1)/Ib(Q1))=1

[Die Transitfrequenz ist definiert als die Frequenz, bei der der 
Transistor eine Stromverstärkung B = 1 hat. Die Stromverstärkung ergibt 
sich bekannterweise aus der Division des Kollektorstroms durch den 
Basisstrom.]

Wie aus dem Plot ersichtlich, liegt die Transitfrequenz des verwendeten 
2N3055-Modells bei gerundet 1.6MHz, laut RCA Datenbuch von 1975 soll sie 
800kHz bei Ic = 1A betragen, neuere Versionen liegen bei 2.5MHz 
(Mostek).

Soweit so gut. Es gibt jedoch ein paar Dinge, die ich nicht recht 
verstehe.

1. Die Plotkurve Ic/Ib sowie Ic allein sind identisch, ebenso die 
Massangaben der Y-Achse (24 zu 24A) - warum sind diese Kurven identisch?

2. In der Schaltung wird ein Kollektorstrom von gerundet 1.062A 
ausgewiesen, bei einem Basisstrom von 30mA macht das eine 
Stromverstärkung B = 35.4 - das halte ich zunächst für real.

3. Der maximale Kollektorstrom beträgt laut Datenblatt 15A. Wie verträgt 
sich das mit dem Wert von über 23A im Plot?

4. Die Kurve der Stromverstärkung zeigt einen Wert von ca. 23 gegenüber 
dem errechneten Wert von 35.4 - wie passt das zusammen?

Ist die Schaltung, so wie ich sie aufgebaut habe, falsch?
Mache ich irgendwo einen Denkfehler?

Für jegliche Hilfe schon mal vielen Dank im Voraus.

Gruß,

Rüdiger

[Helmut S. (helmuts)]

Rüdiger S. schrieb:
> 1. Die Plotkurve Ic/Ib sowie Ic allein sind identisch, ebenso die
> Massangaben der Y-Achse (24 zu 24A) - warum sind diese Kurven identisch?

DC 30m
AC 1

Das bedeutet Ansteuerung mit 1A Wechselstom in der Wechselstromanalyse 
im Arbeitspunkt Ib=30mA.


> 2. In der Schaltung wird ein Kollektorstrom von gerundet 1.062A
> ausgewiesen, bei einem Basisstrom von 30mA macht das eine
> Stromverstärkung B = 35.4 - das halte ich zunächst für real.

Bei der AC-Analyse wird zuerst im DC-Arbeitspunkt, hier Ib=30mA, die 
Kennlinie linearisiert. Dabei wird die Kleinsignalstromverstärkung beta 
berechnet. Dieser Wert unterscheidet sich von der Gleichstromverstärkung 
B. Allgemein kann man sagen, wenn B(Ic) über Ib steigt, dann ist beta>B 
und wenn B(Ib) über IB fällt(wie hier), dann ist beta<B.
B = Ic/Iq
beta=d(Ic(Q1))/d(Ib(Q1))

> 3. Der maximale Kollektorstrom beträgt laut Datenblatt 15A. Wie verträgt
> sich das mit dem Wert von über 23A im Plot?

Wenn mn eine DC-Analyse macht, dann sieht man, dass der Strom erst bei 
Ic=66A begrenzt wird. Bei Ib=1A ist Ube=1,4V. Bei Ib=10A ist Ube fast 
9V. Entweder  sind da die dazu notwendigen Parameter nicht oder nicht 
richtig gesetzt oder bestimmte Effekte lassen sich nicht modellieren.

.dc dec I1 0.1m 100 30

> 4. Die Kurve der Stromverstärkung zeigt einen Wert von ca. 23 gegenüber
> dem errechneten Wert von 35.4 - wie passt das zusammen?

Siehe Antwort auf 2.


> Ist die Schaltung, so wie ich sie aufgebaut habe, falsch?
> Mache ich irgendwo einen Denkfehler?

Die Schaltung stimmt schon.


Nachtrag
Es stellt sich jetzt noch die Frage mit welchen geänderten oder 
hinzugefügten Modell-Parametern man eine Kurve ft(Ic) wie die gezeigte 
Kurve auf der letzen Seite bekommt.
http://www.antriebstechnik.fh-stralsund.de/1024x768/Dokumentenframe/Kompendium/Fachvorlesungen/Halbleiter/Grundlagen-01.pdf

[Jens G. (jensig)]

>1. Die Plotkurve Ic/Ib sowie Ic allein sind identisch, ebenso die
>>Massangaben der Y-Achse (24 zu 24A) - warum sind diese Kurven identisch?

Warum sollen die nicht identisch sein (wenn Du deckungsgleich meinst)? 
Das ergibt sich doch schon aus der Formel, daß Ic bei konstantem Ib 
proportional zu Beta sein muß.

>3. Der maximale Kollektorstrom beträgt laut Datenblatt 15A. Wie verträgt
>sich das mit dem Wert von über 23A im Plot?

Die DB-Angabe bedeutet doch nur, daß er nur bis 15A verträgt, nicht 
aber, daß er nicht noch mehr könnte, wenn er gezwungen wird, bis er eben 
irgendwann den Geist aufgibt.

[Rüdiger S. (rudi8)]

Hallo Helmut,

vielen Dank für deine Antwort. Eigentlich wollte ich ja auch nur die 
.measure-Direktive ein bisschen üben.

Da Elektronik nur mein Hobby ist und mir eine Ausbildung bzw. ein 
Studium dieses Fachgebietes fehlt, kann ich eine Menge physikalischer 
und mathematischer Gegebenheiten nicht so ohne weiteres nachvollziehen.

Letztendlich ist auch die Berechnung der Transitfrequenz somit nicht 
richtig, da ich ja auch da den statischen Gleichstromverstärkungsfaktor 
zugrunde gelegt hatte. Ein bisschen schade zwar, aber naja, was 
soll's...

Trotzdem vielen Dank, und nichts für ungut!

Viele Grüße,

Rüdiger

[Rüdiger S. (rudi8)]

@Jens

danke für die Antwort!

Gruß,
Rüdiger

[Helmut S. (helmuts)]

Hallo Rüdiger,

dafür dass du Elektronik "nur" als Hobby betreibst bist du bereits ein 
fortgeschrittener Anwender von LTspice. Nur ein kleiner Teil der 
Anwender arbeitet sich in MEASURE ein obwohl man damit eine ganze Menge 
machen kann. Die Ergebniss von MEASURE kann man auch plotten, wenn man 
mehr als ein Ergebnis hat (Stichwort .step). Ich selber verwende öfters 
MEASURE.

Ein ehemaliger Kollege von mir hat noch mehr machen müssen als mit 
MEASURE möglich ist. Der hat dann gleich die ganzen Simulationsdaten 
exportiert und allein mit Python verarbeit. Der kannte sich mit Python 
so gut aus, dass es für ihn die beste Lösung war.

Gruß
Helmut