Транзистор в режиме насыщения: Режимы работы и схемы включения полевых транзисторов

Режимы работы биполярного транзистора | Основы электроакустики

Режимы работы биполярного транзистора

 

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя p-n переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают p-n-p и n-p-n типа. На рис.7.1, а и б показаны их условные обозначения.

 Рис.7.1. Биполярные  транзисторы  и  их  диодные  эквивалентные   схемы:  а) p-n-p, б) n-p-n транзистор

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p- или n- слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис.7.2.

Рис.7.2. Полярность включения: а) n-p-n, б) p-n-p транзистора 

Транзисторы n-p-n типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис.7.1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UБ ≈ UЭ+0,6В; (UБ = UЭ + UБЭ).    

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК, IБ, UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуры, UБЭ и др.

4. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы. Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно 

IК = αIЭ,    где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера. Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 7.2, а) представляет собой базовый ток IБ = IЭ – IК.    Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением: IК = βIБ,   где β=α/(1-α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора. Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

 

 

Схема, принцип работы, характеристики биполярных транзисторов

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

ВРемонт.su — ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
• между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Режимы работы биполярных транзисторов

Режим отсечки

Переходы закрыты, прибор не работает. Этот режим получают при обратном подключении к внешним источникам. Через оба перехода протекают обратные малые коллекторные и эмиттерные токи. Часто считается, что прибор в этом режиме разрывает цепь.

Активный инверсный режим

Является промежуточным. Переход Б-К открыт, а эмиттер-база – закрыт. Ток базы в этом случае значительно меньше токов Э и К. Усиливающие характеристики биполярного транзистора в этом случае отсутствуют. Этот режим востребован мало.

Режим насыщения

Прибор полностью открыт. Оба перехода подключаются к источникам тока в прямом направлении. При этом снижается потенциальный барьер, ограничивающий проникновение носителей заряда. Через эмиттер и коллектор начинают проходить токи, которые называют «токами насыщения».

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы, транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер.

Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк=α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.

В широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1-α)=(10-1000). Т.о. изменяя малый ток базы можно управлять значительно большим током коллектора.

Биполярный транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности.

Будет интересно➡ SMD транзисторы

Средняя область называется базой, одна из крайних областей – эмиттером, другая – коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный – между базой и эмиттером и коллекторный – между базой и коллектором.

Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения.

Типы биполярных транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от контакта, на который подается источник питания, различают 3 схемы включения приборов.

С общим эмиттером

Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

С общей базой

Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

С общим коллектором

Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

Физические процессы

Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном – обратное. Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.

Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками – электроны, красные – дырки, большие кружки – положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе.

Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усиление электрических колебаний с помощью транзистора. Основные биполярные транзисторы приведены в таблице ниже.

Таблица характеристик биполярных транзисторов.

При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора.Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода.

Схема работы и устройства биполярного транзистора.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы.

Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным.

Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей.

Будет интересно➡ Что такое NTC термисторы

Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу.

Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2.

Как устроен транзистор.

Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. Рассмотрим модуляцию толщины базы.При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией.

Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя.

Тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы.

Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый “прокол” базы) – соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать.

При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе.

И напоследок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.

Схема устройства транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех чередующихся областей полупроводника с различным типом проводимости (р-п-р или п-р-п) с выводом от каждой области. Рассмотрим работу транзистора n-р-n-типа. Чередующиеся области образуют два р-п-перехода база–эмиттер (БЭ) и база–коллектор (БК).

К переходу БЭ прикладывают прямое напряжение EБЭ, под действием которого электроны n-области эмиттера устремляются в базу, создавая ток эмиттера. Концентрацию примесей в эмиттере делают во много раз больше, чем в базе, а саму базу по возможности тоньше. Поэтому лишь незначительная часть (1–5%) испущенных эмиттером электронов рекомбинирует с дырками базы.

Большая же часть электронов, миновав узкую (доли микрона) область базы, “собирается” коллекторным напряжением Ек, представляющим обратное напряжение для перехода БК, и, устремляясь к плюсу внешнего источника Eк, создает коллекторный ток, протекающий по нагрузке Rн. Электроны, рекомбинировавшие с дырками базы, составляют ток базы IБ.

Ток коллектора, таким образом, определяется током эмиттера за вычетом тока базы. Аналогично работает транзистор р-n-р-типа, отличаясь лишь тем, что его эмиттер испускает в базу не электроны, а дырки, поэтому полярности прикладываемых к нему прямого UЭБ и обратного Ек напряжений должны быть противоположны транзистору п-р-п-типа.

Важное по теме. Как прозвонить транзистор.

На условном обозначении транзисторов стрелка ставится на эмиттере и направлена всегда от р-области к n-области. На рис. 1.8, б приведено условное обозначение транзистора п-р-п, а на рис. 1.9, б – р-п-р. Кружок вокруг транзистора означает, что транзистор изготовлен в самостоятельном корпусе, а отсутствие кружка – что транзистор выполнен заодно с другими элементами на пластинке полупроводника интегральной микросхемы.

Будет интересно➡ Что такое транзистор

Стрелку эмиттера удобно рассматривать как указатель полярности прямого напряжения, приложенного между базой и эмиттером, которое “открывает” (подобно выпрямительному диоду) транзистор. При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для входного сигнала и два – для выходного.

Так как у транзистора всего лишь три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим одновременно и к входной, и к выходной цепи. Возможны три варианта схем включения транзисторов – с общей базой, общим эмиттером и с общим коллектором.

Переход в биполярном транзисторе.

Схема с общей базой

Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) показана на рис. 1.10. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение, поданное между эмиттером и базой UBX = = UЭБ; выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке Uвых = IкRн; входным током – ток эмиттера Iвх = IЭ; выходным током – ток коллектора Iвых = Iк.

Входное напряжение UЭБ является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (па доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в очень широких пределах – практически от нуля до максимального. Максимальный ток определяется назначением транзистора (маломощные, средней мощности и большой мощности) и соответствующей конструкцией.

Так как напряжение UΚБ является обратным, величина напряжения внешнего источника Ек может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемого на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора.

Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшего, чем напряжение Ек. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванные ими приращения выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления. Различают три вида коэффициентов усиления:

• • коэффициент усиления по току КI = ΔIвых /ΔIвх;
• • коэффициент усиления по напряжению КU = ΔUвых/ΔUвх;
• • коэффициент усиления по мощности КР = КI • КU.

Отношение изменения входного напряжения к изменению входного тока: Rвх = ΔUвх/ΔIвх. Входное сопротивление любого усилителя приводит к искажению входного сигнала. Любой реальный источник сигнала обладает некоторым внутренним сопротивлением, и при подключении его к усилителю образуется делитель напряжения, состоящий из внутреннего сопротивления источника и входного сопротивления усилителя.

Поэтому чем выше входное сопротивление усилителя, тем большая часть сигнала будет выделяться на этом сопротивлении и усиливаться и тем меньшая его часть будет падать на внутреннем сопротивлении самого источника. Таким образом, КРБ тоже определяется соотношением сопротивлений. Так как коэффициент усиления схемы с ОБ по току КIБ оказывается меньше единицы, она применения не нашла.

Размеры биполярного транзистора.

Между простой переключающей схемой и линейным усилителем на транзисторе имеется очевидное различие. В нормально работающем линейном усилителе коллекторный ток всегда прямо пропорционален базовому току. В переключающей схеме, такой как на рис. 1., коллекторный ток определяется, главным образом, напряжением питания VCC и сопротивлением нагрузки RL. Режим насыщения транзистора является достаточно важным и заслуживает подробного обсуждения. Рис. 1. Иллюстрация режима насыщения. Транзистор действует как ключ для включения лампы. Рассмотрим, что происходит с коллекторным током в схеме на рис. 1, если базовый ток постепенно увеличивается, начиная от нуля. Когда ключ S1 разомкнут, базовый ток не течет и ток коллектора ничтожно мал. Замыкание S1 приводит к появлению тока базы IB = VCC/RB, где мы пренебрегли разностью потенциалов на переходе база-эмиттер. Ток коллектора, протекающий по нагрузке RL, равен IC=hFEVCC/RB. Для конкретной схемы, приведенной на рисунке, при hFE = 100 и при максимальном значении RB (50 кОм) получим: IC=100×10/5000 А=20 мА Падение напряжения на RL определяется произведением RLIC и в нашем случае равно 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при этом находится в линейном режиме; уменьшение RB приводит к увеличению тока базы, увеличению тока коллектора и, следовательно, к увеличению падения напряжения на RL. В этих условиях схема могла бы быть использована как усилитель напряжения. Теперь рассмотрим случай, когда RB=hFERL и ток базы равен IB=VCC/RB=VCC/(hFERL) Следовательно, коллекторный ток равен IC=(hFEVCC)/(hFERL)=VCC/RL С точки зрения нагрузки транзистор ведет себя как пара контактов ключа. Из закона Ома следует, что ток нагрузки в этой ситуации не может превышать величины VCC/RL. Поэтому дальнейшее увеличение тока базы не может увеличить ток коллектора, который определяется теперь только сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Транзистор находится в насыщении. На практике при насыщении транзистора между коллектором и эмиттером всегда остается небольшое напряжение, обычно обозначаемое VCE(sat). Как правило, оно меньше 1 В и может доходить до 0,1 B y транзисторов, специально предназначенных для работы в качестве ключей. Обычно VCE(sat) уменьшается по мере того, как через переход база-эмиттер течет все больший ток, то есть в случае, когда отношение тока коллектора IC к току базы IB становится значительно меньше, чем коэффициент усиления тока транзистора hFE. Грубо говоря, глубокое насыщение (малое значение VCE(sat)) имеет место, когда IC/IB < hFE/5 Для схемы типа той, какая показана на рис. 1, когда ток базы задается просто подключением резистора к источнику питания, мы выбираем RB/RL < hFE/5 Следовательно, для схемы на рис. 1, принимая типичное для транзистора 2N3053 (аналог КТ630Б — см. аналоги отечественных и зарубежных транзисторов) значение коэффициента усиления тока hFE = 150, имеем RB/RL < 150/5 = 30. Следовательно, при RL = 50 Ом мы выбираем RB < 30 х 50 Ом = 1,5 кОм. Итак, если в качестве нагрузки используется лампа с сопротивлением 50 Ом, то для ее эффективного включения нам следует выбрать сопротивление базового резистора меньше 1,5 кОм. Если это невозможно, когда, например, в качестве RB используется фоторезистор с минимальным сопротивлением 10 кОм, то следует воспользоваться схемой Дарлингтона, чтобы увеличить коэффициент усиления тока. Если биполярный транзистор работает с током коллектора, близким к максимальному, и нужно поддержать напряжение VCE(sat) на уровне долей вольта, то из-за уменьшения hFE может понадобиться базовый ток больше, чем Iс/10. Возможно покажется неожиданным, что VCE(sat) может быть много меньше, чем напряжение VBE, которое у кремниевого транзистора равно примерно 0,6 В. Происходит это потому, что в режиме насыщения переход коллектор-база смещен в прямом направлении. Следовательно, мы имеем два р-n перехода, смещенных в прямом направлении, включенных навстречу друг другу так, что падения напряжения на них взаимно компенсируются. Эта способность биполярного транзистора иметь в режиме насыщения очень маленькое падение напряжения между коллектором и эмиттером, делает его весьма полезным переключающим прибором. Многие из наиболее важных применений электроники, включая обширную область цифровой электроники, используют переключающие схемы. В режиме переключений транзистор работает либо с фактически нулевым током коллектора (транзистор выключен) или с фактически нулевым напряжением на коллекторе (транзистор включен). В обоих случаях мощность, рассеиваемая на транзисторе, очень мала. Значительная мощность рассеивается только в то время, когда происходит переключение: в это время и напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора имеют конечные значения. Маломощный транзистор, такой как 2N3053, с максимально допустимой рассеиваемой мощностью менее одного ватта, может переключать мощность в нагрузке в несколько ватт. Следует обратить внимание на то, что максимальные значения коллекторного напряжения и тока не должны выходить за допустимые пределы; кроме того, желательно осуществлять переключения возможно быстрее, чтобы избежать рассеяния чрезмерно большой мощности.

Что это такое и как определить насыщение одного из транзисторов

? Что это означает? Что ж, этот термин может иметь смысл только в том случае, если вы дизайнер или инженер, хорошо знакомый с транзисторными переключателями.

Если нет, то разберем.

Когда вы имеете дело с устройствами с низким постоянным током, нормально включать или выключать их. А добиться этого можно с помощью транзисторных ключей. Но транзистор должен быть в состоянии насыщения, чтобы включить или выключить устройство постоянного тока.

Далее в этой статье мы подробнее обсудим эту тему, покажем вам режимы работы, расчеты и многое другое.

Итак, приступим!

Что такое насыщение транзистора?

Насыщение происходит, когда система достигает порогового или максимального значения. Таким образом, транзистор работает в зоне насыщения, когда ток достигает максимального заданного значения.

Например, когда вы наливаете жидкость в стакан до краев — он находится в состоянии насыщения. И это потому, что зеркало не может больше пить. Кроме того, когда вы изменяете конфигурацию транзистора, он быстро меняет уровень насыщения.

Но важно отметить, что при настройке транзисторов устройство не достигает точки насыщения. И это потому, что база-коллектор не остается в режиме обратного смещения. В результате в выходных сигналах будут искажения.

Какие режимы работы?

Транзисторы работают в четырех различных режимах, поскольку они являются нелинейными устройствами. А моды показывают ток, протекающий через них (т. е. от коллектора NPN к эмиттеру).

Транзистор NPN

Кроме того, если вы хотите узнать режим транзистора, вы должны обратить внимание на соотношение и напряжения трех контактов.

Итак, V _BC — это напряжение, которое движется от базы к коллектору, а V _BE относится к току, движущемуся от пола к эмиттеру. Тем не менее, режимы работы включают:

Режим насыщения

Когда транзистор находится в режиме насыщения, он включен. Плюс ведет себя как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

Кроме того, в этом режиме диоды транзистора смещаются в прямом направлении. А прямое смещение — это когда V _BE и _{V BC больше нуля. Кроме того, это означает, что V B выше, чем V C и V E .}

Другими словами, для перехода транзистора в состояние насыщения V _BE должно быть выше порогового напряжения. Вы можете представить падение напряжения с помощью нескольких сокращений, таких как V _d , V _th и т. д., а значение различается между транзисторами и даже температурой.

Итак, при комнатной температуре мы можем оценить, что многие транзисторы имеют падение напряжения около 0,6В.

Кроме того, очень важно отметить, что у вас может быть не очень хорошая проводимость между коллектором и эмиттером. В результате вы заметите небольшое падение напряжения на узлах.

Производители часто представляют это напряжение в описаниях транзисторов как V _CE(sat) (напряжение насыщения CE). И вы можете определить V _CE(Sat) как напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое транзисторам для насыщения.

Значение V _CE(Sat) находится в диапазоне 0,05–0,2 В. И сделка показывает, что V _C должно быть немного выше, чем V _E , чтобы транзистор перешел в режим насыщения. Кроме того, V _C и V _E должны быть меньше, чем V _B .

Обратно-активный

Обратно-активный режим возникает, когда транзистор усиливает и проводит, но ток движется в противоположном направлении (от эмиттера к коллектору).

Итак, чтобы транзистор был в неактивном обратном режиме, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе. И это напряжение должно быть больше коллекторного. Другими словами, V _C < V _B < V _E .

Кроме того, нелегко увидеть, как производители разрабатывают активный реверсивный режим для приложения. И это потому, что эта модель не управляет транзистором.

Активный

Транзистор V _BC и V _BE должен быть вредным и выше нуля в этом режиме соответственно. Кроме того, это означает, что базовое напряжение должно быть выше, чем на эмиттере, но ниже, чем на коллекторе.

Итак, коллектор должен быть выше эмиттера, т.е. V _C >V _B >V _E . Интересно, что эта модель является наиболее мощной модой транзистора, потому что она превращает устройство в усилитель.

Следовательно, ток, проходящий через базовый штифт, увеличивается. В результате ветер, который движется в коллектор, выходит из эмиттера.

IC = BI _B

Где:

IC = ток коллекционера

B = Коэффициент амплификации

I _B = Базовый ток

Cut-Off

. — что противоположно насыщению. Итак, в этом режиме транзистор напоминает разомкнутую цепь, потому что в нем отсутствуют токи коллектора и эмиттера.

Как перевести транзистор в этот режим? Вы можете сделать это, обеспечив, чтобы напряжения эмиттера и коллектора были более значительными, чем базовое напряжение. Другими словами, значения V _BE и _{V BC должны быть отрицательными.}

Вы можете представить режим отсечки следующим образом:

V _C > V _B

V _E > V _B

Во всей статье важно отметить, что транзисторы PN упоминаются во всей статье. Итак, для транзистора PNP у вас будет характеристика, противоположная NPN. Например, в режиме насыщения PNP-транзисторов ток движется от эмиттера к коллектору.

Also, you can reference the table below for a better understanding:

NPN MODE	VOLTAGE RELATIONS	PNP MODE
Reverse	V E > V B > V C	Active
Капля	V E > V B < V C	4 < V C	. 0173 Насыщенность	V E B > V C
Active	V 334441341334133413334133341333413334133341334133.933413341334133413413341334134134134134134133.93341341341334134134134134134134133.	.

Как рассчитать насыщение транзистора

Рассчитать насыщение транзистора легко, когда есть кривая, которую можно изучить. Итак, если ваша кривая показывает, что уровень напряжения равен 0 В, а ток относительно выше — используйте закон Ома.

Таким образом, вы сможете определить сопротивление между выводами (коллектор и эмиттер) транзистора следующим образом: —   = 0 Вт

            _{I C             I C(Sat)}

Что делать, если вам нужно определить приблизительный ток насыщения в цепи коллектора транзистора? Вы можете получить это, приняв соответствующее значение короткого замыкания на CE устройства (коллектор-эмиттер). Затем подставьте его в формулу выше. Можно поставить В _CE как 0 В и вычислить для V _CE(Sat) .

Также, если схема имеет конфигурацию с фиксированным смещением, вы можете подать заявку на краткий курс. Следовательно, RC (напряжение на стыке) будет равно V _CC . И вы можете выразить условие, как показано ниже.

• I _C(Sat)  =  V _CC/RC  

Как узнать, насыщен ли транзистор?

Работать с транзистором в режиме насыщения непросто, но возможно. Кроме того, очень важно настроить свою работу в активной области, если вы хотите управлять своим транзисторным усилителем. Вот проверенные способы узнать насыщенный транзистор:

1. Проведение реальных измерений

2. Моделирование — лучший метод, чем предыдущий

3. Вычисления — старый метод, дешевый и без ограничений. Один из способов использования этого метода — предположить, что цепь насыщена. При этом решите для максимального усиления курса. Затем свяжите его с минимальным текущим прогрессом устройства.

Подведение итогов

На самом деле есть разные способы определить насыщение транзистора. В конце концов, это единственный способ, которым транзистор будет работать как переключатель для регулирования низкого постоянного напряжения.

Также он поставляется с четырьмя режимами работы, и условия различаются для транзисторов NPN и PNP. У вас есть вопросы или опасения по поводу насыщенных транзисторов? Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Как заставить транзистор оставаться в области насыщения и правильно рассчитать значение Rc

Задать вопрос

спросил
2 года, 1 месяц назад

Изменено
2 года, 1 месяц назад

Просмотрено
381 раз

\$\начало группы\$

Чтобы оставаться в состоянии насыщения, напряжение между коллектором и эмиттером должно быть точно равно Vce, как указано выше, верно?

Но когда транзистор работает при Vce и ​​0 < Ib < (Ic/beta), это означает, что Ic не соответствует максимальной мощности транзистора. Падение напряжения между коллектором и эмиттером является фиксированной величиной для транзистора из определенного материала (0,7 В для кремния и 0,2 В для германия). Это правильно?

И, Rc, резистор, включенный последовательно с коллектором, принимает оставшееся напряжение от источника питания. Например, источник питания 5 В Vce составляет 0,7 В, пока транзистор открыт. И напряжение, оставшееся для резисторов последовательно с коллектором, составляет 5 В — 0,7 В = 4,3 В. Это правильно?

Итак, значение Rc для ограничения тока Ic от его максимума, скажем, 0,6 А, будет равно 4,3 В / 0,6 А = 7,17 Ом?

При использовании делителя напряжения (два последовательно соединенных резистора) для управления Ub, напряжением на базе, что делает Ub выше, чем падение напряжения 0,7 В, необходимое для Ube, чтобы открыть транзистор, почему Ub может быть выше 0,7 В? Я думал, что Ub всегда будет оставаться на уровне 0,7 В для кремниевых узлов и 0,2 В для германиевых узлов.

Поскольку я все еще жду прибытия своих NPN-транзисторов для проведения эксперимента, мой эксперимент с макетной платой с PNP-транзистором BC557 B показывает, что когда Ub ниже, чем Ue, что требуется для открытия транзистора, кажется, что Ub определяется Uc минус падение напряжения между c и b вместо делителя напряжения для базового вывода.

Спасибо!

• транзисторы

\$\конечная группа\$

4

\$\начало группы\$

Как анализировать насыщенные цепи выключателя.

Во-первых, выясните, какой ток коллектора вы хотите получить при включенном переключателе. Предположим, что напряжение от коллектора к эмиттеру равно Vce(sat) из таблицы данных. Это может быть что-то вроде 0,2 В для некоторых транзисторов или 1 В для других, в зависимости от силы тока и типа транзистора.

Во-вторых, разделите требуемый ток коллектора на 10 или 20. Это число, 10 или 20, называется принудительной бета-версией (beta(forced)).

В-третьих, организуйте управление базой с помощью Ic/Beta (принудительно).

Полный пример. У меня есть светодиод, который я хочу управлять с 20 мА. VCC составляет 5В. В техническом описании светодиода указано, что Vf составляет 3 В при If = 20 мА. Поэтому я хочу, чтобы Ic был 20 мА.

Vce(sat) для моего 2N3904 составляет 0,2 В при 20 мА. Таким образом, после того, как я вычту Vce(sat) и Vf из VCC, у меня останется 1,8 В, которые будут падать на моем резисторе. Таким образом, сопротивление резистора должно быть 1,8 В/20 мА = 90 Ом (выберите ближайшее значение, например, 91 Ом).

Я управляю базой транзистора с выводом ввода-вывода от моего микропроцессора (VCC = 5В). Я собираюсь использовать принудительную бета-версию 20. Поэтому я хочу, чтобы мой базовый ток был 1 мА. База будет на уровне около 0,7 В с прохождением через нее 1 мА. Таким образом, на базовом резисторе должно падать 4,3 В при токе 1 мА. Это означает, что базовый резистор должен быть 4,3 кОм, что является стандартным значением.

Вот как вы работаете с насыщенным переключателем. С точки зрения причинно-следственной связи это работает так: когда вы сильно нагружаете базу, это приводит к насыщению транзистора. Чтобы достичь насыщения, вы всегда должны подавать избыточный ток на базу, чтобы опустить Vce вниз. Именно базовый ток вызывает падение Vce. Подавая избыточный ток на базу, вы заставляете транзистор работать в низком бета-диапазоне. Вот почему они называют это принудительной бета-версией.

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab}

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Чтобы оставаться в состоянии насыщения, напряжение между коллектором и
эмиттер должен быть точно равен Vce в приведенном выше символе, это то, что
правильно?

В биполярном транзисторе «насыщение» означает, что V _CE настолько низок, насколько это возможно при этом токе коллектора, эффективно меняющемся с управляемого источника тока на резистор. В этом районе я _C больше не пропорциональна I _B , т.е. транзистор «насыщен» током базы и не может включиться сильнее.

Но когда транзистор работает при Vce и ​​0 < Ib < (Ic/beta), это означает, что Ic не соответствует максимальной мощности транзистора. падение напряжения между коллектором и эмиттером является фиксированной величиной для транзистор из определенного материала (0,7 В для кремния и 0,2 В для германий). Это правильно?

Вы, кажется, немного запутались. В _BE часто считается фиксированным значением 0,7 В для кремния. В ненасыщенном состоянии V _CE скользит вверх и вниз (вдоль красной «линии нагрузки» на графике) при изменении I _C из-за переменного падения напряжения на нагрузке.

Линия нагрузки на этом графике является просто примером конкретного сопротивления нагрузки (в данном случае 100 Ом), а точка «A» — это V _CE(sat) только для этой нагрузки. Если бы сопротивление нагрузки было больше, то линия пересекала бы ось Y ниже, и V _CE(sat) будет ниже.

И, Rc, резистор последовательно с коллектором занимает остаток
напряжение от источника питания. Например, источник питания 5 В Vce равен 0,7 В, т.к.
пока транзистор открыт. И напряжение осталось на резисторах в
серийный с коллектором 5В — 0,7В = 4,3В. Это правильно?

Да.

Итак, значение Rc для ограничения тока Ic от его максимального значения, скажем, 0,6 А, будет равно 4,3 В / 0,6 А = 7,17 Ом?

Да, но только , если В _CE(sat) равно 0,7 В при I _C = 0,6 А. В зависимости от транзистора оно может быть больше или меньше. На вашем графике V _CE(sat) составляет ~ 0,7 В при 60 мА, поэтому при 600 мА он будет намного выше (~ 7 В, если предположить линейную экстраполяцию).

При использовании делителя напряжения (два резистора последовательно) для управления Ub,
напряжение на базе, что делает Ub выше требуемого падения напряжения 0,7 В
для Ube, чтобы открыть транзистор, почему Ub может быть выше 0,7 В?
Я думал, Ub всегда останется на уровне 0,7 В для кремния. .. и 0,2 В для германия

0,7 В и 0,2 В являются только приближениями , используемыми для расчета резисторов смещения и т. д., фактическое напряжение увеличивается по мере увеличения базового тока.

Вот график зависимости VBE(sat) (и V _CE(sat) ) от I _C для BC547-BC550:-

При токе базы 100 мкА (I _C = мА) V _BE действительно составляет 0,7 В, но при более высоком базовом токе оно увеличивается (до ~1 В при 30 мА). В линейном режиме I _B обычно меньше 1 мА, поэтому 0,7 В достаточно для большинства расчетов.

Обратите внимание, что абсолютный максимум этого транзистора Номинальный постоянный ток коллектора составляет 100 мА, при этом значение V _CE(sat) обычно составляет ~150 мВ. при работе от источника питания 5 В минимальный нагрузочный резистор, разрешенный для ограничения тока коллектора до 100 мА, будет (5-0,15)/0,1 = 48,5 Ом.