Транзистор в режиме насыщения: Режим насыщения транзистора — теория и практика

Режим насыщения транзистора — теория и практика

Всё о работе транзистора в ключевом режиме

Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Для упрощения рассказа можно представить транзистор в виде переменного резистора. Вывод базы это есть как раз та самая ручка, которую можно покрутить. При этом изменяется сопротивление участка коллектор – эмиттер. Крутить базу, конечно, не надо, может оторваться. А вот подать на нее некоторое напряжение относительно эмиттера, конечно, можно.

Если напряжение не подавать вовсе, а просто взять и замкнуть выводы базы и эмиттера пусть даже и не накоротко, а через резистор в несколько КОм. Получается, что напряжение база – эмиттер (Uбэ) равно нулю. Следовательно, нет и тока базы. Транзистор закрыт, коллекторный ток пренебрежительно мал, как раз тот самый начальный ток. Примерно такой же, как у диода в обратном направлении! В этом случае говорят, что транзистор находится в состоянии ОТСЕЧКИ, что на обычном языке значит, закрыт или заперт.

Противоположное состояние называется НАСЫЩЕНИЕ. Это когда транзистор открыт полностью, так, что дальше открываться уже некуда. При такой степени открытия сопротивление участка коллектор эмиттер настолько мало, что включать транзистор без нагрузки в коллекторной цепи просто нельзя, сгорит моментально. При этом остаточное напряжение на коллекторе может составить всего 0,3…0,5В.

Чтобы довести транзистор до такого состояния, надо обеспечить достаточно большой ток базы, подав на нее относительно эмиттера большое напряжение Uбэ,- порядка 0,6…0,7В. Да, для перехода база-эмиттер такое напряжение без ограничительного резистора очень велико. Ведь входная характеристика транзистора, показанная на рисунке 1, очень похожа на прямую ветвь характеристики диода.

Рисунок 1. Входная характеристика транзистора

Эти два состояния – насыщение и отсечка, используются в том случае, когда транзистор работает в ключевом режиме наподобие обычного контакта реле. Основной смысл такого режима в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора, который в несколько десятков раз больше тока базы. Большой ток коллектора получается за счет внешнего источника энергии, но все равно усиление по току, что называется, налицо. Простой пример: маленькая микросхема включает большую лампочку!

Чтобы определить величину такого усиления транзистора в ключевом режиме используется «коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала». В справочниках от обозначается греческой буквой β «бетта». Практически для всех современных транзисторов при работе в ключевом режиме этот коэффициент никак не меньше 10…20 Определяется β  как соотношение максимально возможного тока коллектора к минимально возможному току базы. Величина безразмерная, просто «во сколько раз».

β ≥ Iк/Iб

Даже если ток базы будет больше, чем требуется, беды особой нет: транзистор все равно не сможет открыться больше. На то он и режим насыщения. Кроме обычных транзисторов для работы в ключевом режиме используются «дарлингтоновские» или составные транзисторы. Их «супер — бетта» может достигать 1000 и более раз.

Как рассчитать режим работы ключевого каскада

Чтобы не быть совсем голословным, попробуем рассчитать режим работы ключевого каскада, схема которого показана на рисунке 2.

Рисунок 2.

Задача такого каскада очень простая: включить и выключить лампочку. Конечно, нагрузка может быть любой, — обмотка реле, электромотор, просто резистор, да мало ли что. Лампочка взята просто для наглядности эксперимента, для его упрощения. Наша задача чуть посложнее. Требуется рассчитать величину резистора Rб в цепи базы, чтобы лампочка горела в полный накал.

Такие лампочки применяются для подсветки приборной доски в отечественных авто, поэтому найти ее несложно. Транзистор КТ815 с током коллектора 1,5А для такого опыта вполне подойдет.

Самое интересное во всей этой истории, что напряжения в расчетах участия не принимают, лишь бы соблюдалось условие β ≥ Iк/Iб. Поэтому лампочка может быть на рабочее напряжение 200В, а базовая цепь управляться от микросхем с напряжением питания 5В. Если транзистор рассчитан на работу с таким напряжением на коллекторе, то лампочка будет мигать без проблем.

Но в нашем примере микросхем никаких не предвидится, базовая цепь управляется просто контактом, на который просто подается напряжение 5В. Лампочка на напряжение 12В, ток потребления 100мА. Предполагается, что наш транзистор имеет β ровно 10. Падение напряжения на переходе база – эмиттер Uбэ = 0,6В. См. входную характеристику на рисунке 1.

При таких данных ток в базе должен быть Iб = Iк / β = 100 / 10 = 10(мА).

Напряжение на базовом резисторе Rб составит (за вычетом напряжения на переходе база — эмиттер) 5В – Uбэ = 5В – 0,6В = 4,4В.

Вспоминаем закон Ома: R = U / I = 4,4В / 0,01А = 440Ом. Согласно системе СИ подставляем напряжение в вольтах, ток в амперах, результат получаем в Омах. Из стандартного ряда выбираем резистор сопротивлением 430Ом. На этом расчет можно считать законченным.

Но, кто внимательно посмотрит на схему, может спросить: «А почему ничего не было сказано о резисторе между базой и эмиттером Rбэ? Про него просто забыли, или он не так и нужен?»

Назначение этого резистора — надежно закрыть транзистор в тот момент, когда кнопка разомкнута. Дело в том, что если база будет «висеть в воздухе», воздействие всяческих помех на нее просто гарантировано, особенно, если провод до кнопки достаточно длинный. Чем не антенна? Почти, как у детекторного приемника.

Чтобы надежно закрыть транзистор, ввести его в режим отсечки необходимо, чтобы потенциалы эмиттера и базы были равны. Проще всего было бы в нашей «учебной схеме» использовать переключающий контакт. Надо включить лампочку перекинули контакт на +5В, а когда потребовалось выключить — просто замкнули вход всего каскада на «землю».

Но не всегда и не везде можно позволить такую роскошь, как лишний контакт. Поэтому проще выровнять потенциалы базы и эмиттера при помощи резистора Rбэ. Номинал этого резистора рассчитывать не надо. Обычно его принимают равным десяти Rб. Согласно практическим данным его величина должна быть 5…10КОм.

Рассмотренная схема является разновидностью схемы с общим эмиттером. Тут можно отметить две особенности. Во-первых, это использование в качестве управляющего напряжения 5В. Именно такое напряжение используется, когда ключевой каскад подключается к цифровым микросхемам или, что теперь более вероятно, к микроконтроллерам.

Во-вторых, сигнал на коллекторе инвертирован по отношению к сигналу на базе. Если на базе присутствует напряжение, контакт замкнут на +5В, то на коллекторе оно падает практически до нуля. Ну, не до нуля, конечно, а до напряжения указанного в справочнике. При этом лампочка визуально не инвертируется,- сигнал на базе есть, есть и свет.

Ранее ЭлектроВести писали, что дожди могут стать новым источником возобновляемой и предельно дешевой энергии: ученые из Гонконга придумали новый тип электрогенератора с высоким КПД и удельной мощностью в тысячу раз большей, чем у существовавших до сих пор других подобных устройств. Их изобретение позволяет получать из падения одной капли воды с высоты 15 см напряжение свыше 140 вольт, а энергии этого падения хватит для питания 100 небольших светодиодных ламп.

По материалам: electrik.info.

Транзисторы — SparkFun Learn

Авторы:
Джимблом

Избранное

Любимый

83

В отличие от резисторов, обеспечивающих линейную зависимость между напряжением и током, транзисторы являются нелинейными устройствами. У них есть четыре различных режима работы, которые описывают ток, протекающий через них. (Когда мы говорим о протекании тока через транзистор, мы обычно имеем в виду ток, протекающий от коллектора к эмиттеру NPN .)

Четыре режима работы транзистора:

• Насыщение — Транзистор действует как короткое замыкание . Ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
• Отсечка — Транзистор действует как разомкнутая цепь . Ток не течет от коллектора к эмиттеру.
• Активный — Ток от коллектора к эмиттеру пропорционален к току, втекающему в базу.
• Reverse-Active — Как и в активном режиме, ток пропорционален базовому току, но течет в обратном направлении. Ток течет от эмиттера к коллектору (не совсем то, для чего были разработаны транзисторы).

Чтобы определить, в каком режиме находится транзистор, нам нужно посмотреть на напряжения на каждом из трех контактов и на то, как они соотносятся друг с другом. Напряжения от базы к эмиттеру (V _BE ) и от базы к коллектору (V _BC ) установить режим работы транзистора:

На приведенном выше упрощенном графике квадрантов показано, как положительные и отрицательные напряжения на этих клеммах влияют на режим. На самом деле все немного сложнее.

Давайте рассмотрим все четыре режима работы транзистора по отдельности; мы исследуем, как перевести устройство в этот режим и как это влияет на текущий поток.

Примечание: Большая часть этой страницы посвящена транзисторам NPN . Чтобы понять, как работает PNP-транзистор, просто поменяйте местами полярность или знаки > и <.

Режим насыщения

Насыщение — это в режиме транзистора. Транзистор в режиме насыщения действует как короткое замыкание между коллектором и эмиттером.

В режиме насыщения оба «диода» транзистора смещены в прямом направлении. Это означает, что V _BE должно быть больше 0, и , поэтому V _BC должно быть больше. Другими словами, V _B должен быть больше, чем V _E и V _C .

Поскольку переход от базы к эмиттеру выглядит как диод, на самом деле V _BE должно быть больше порогового напряжения , чтобы войти в режим насыщения. Существует множество сокращений для этого падения напряжения — V _th , V _γ и V _d — несколько, и фактическое значение зависит от транзистора (и даже от температуры). Для многих транзисторов (при комнатной температуре) мы можем оценить это падение примерно в 0,6 В.

Еще один облом реальности: идеальной проводимости между эмиттером и коллектором не будет. Между этими узлами образуется небольшое падение напряжения. В технических описаниях транзисторов это напряжение определяется как Напряжение насыщения CE В _CE(sat) — напряжение от коллектора к эмиттеру, необходимое для насыщения. Это значение обычно составляет около 0,05-0,2 В. Это значение означает, что V _C должно быть немного больше, чем V _E (но оба все же меньше, чем V _B ), чтобы перевести транзистор в режим насыщения.

Режим отсечки

Режим отсечки противоположен насыщению. Транзистор в режиме отсечки выключен — ток коллектора отсутствует, а значит и ток эмиттера. Это выглядит почти как разомкнутая цепь.

Чтобы перевести транзистор в режим отсечки, напряжение базы должно быть меньше, чем напряжение эмиттера и коллектора. V _BC и V _BE оба должны быть отрицательными.

На самом деле, V _BE может быть где-то между 0 В и V _th (~0,6 В) для достижения режима отсечки.

Активный режим

Для работы в активном режиме транзистор V _BE должен быть больше нуля, а V _BC должен быть отрицательным. Таким образом, базовое напряжение должно быть меньше коллекторного, но больше эмиттерного. Это также означает, что коллектор должен быть больше, чем эмиттер.

На самом деле нам нужно ненулевое прямое падение напряжения (сокращенно V _th , V _γ , или V _d ) от базы к эмиттеру (V _BE ) для «включения» транзистор. Обычно это напряжение обычно составляет около 0,6 В.

Усиление в активном режиме

Активный режим — это самый мощный режим транзистора, поскольку он превращает устройство в усилитель . Ток, поступающий на базовый вывод, усиливает ток, поступающий в коллектор и выходящий из эмиттера.

Сокращенное обозначение коэффициента усиления (коэффициента усиления) транзистора: β (вы также можете увидеть его как β _F или h _FE ). β линейно связывает ток коллектора ( I _C ) с током базы ( I _B ):

Фактическое значение β зависит от транзистора. Обычно это около 100 , но может варьироваться от 50 до 200 … даже 2000, в зависимости от того, какой транзистор вы используете и какой ток проходит через него. Например, если бы ваш транзистор имел β, равное 100, это означало бы, что входной ток 1 мА в базу может производить ток 100 мА через коллектор.

Модель активного режима. V _BE = V _th и I _C = βI _B .

Как насчет тока эмиттера, I _E ? В активном режиме токи коллектора и базы идут в прибора, а выходит I _E . Чтобы связать ток эмиттера с током коллектора, у нас есть еще одно постоянное значение: α . α — коэффициент усиления по току с общей базой, он соотносит эти токи как таковые:

α обычно равен очень близко, но меньше 1. Это означает, что I _C очень близко, но меньше I _E в активном режиме.

Вы можете использовать β для вычисления α, или наоборот:

Например, если β равно 100, это означает, что α равно 0,99. Так, например, если I _C составляет 100 мА, то I _E составляет 101 мА.

Обратный активный

Так же, как насыщение противоположно отсечке, обратный активный режим противоположен активному режиму. Транзистор в обратном активном режиме проводит, даже усиливает, но ток течет в обратном направлении, от эмиттера к коллектору. Недостатком обратного активного режима является β (β _R в данном случае) намного меньше .

Чтобы перевести транзистор в обратно-активный режим, напряжение на эмиттере должно быть больше, чем на базе, что должно быть больше, чем на коллекторе (V _BE <0 и V _BC >0).

Обратный активный режим обычно не является состоянием, в котором вы хотите управлять транзистором. Приятно знать, что он есть, но он редко используется в приложении.

Относится к PNP

После всего того, о чем мы говорили на этой странице, мы по-прежнему охватили только половину спектра BJT. А как же PNP-транзисторы? PNP работает во многом так же, как и NPN — у них те же четыре режима, — но все наоборот. Чтобы узнать, в каком режиме находится PNP-транзистор, поменяйте местами все знаки < и >.

Например, для перевода PNP в состояние насыщения V _C и V _E должны быть выше, чем V _B . Вы опускаете базу, чтобы включить PNP, и поднимаете ее выше, чем коллектор и эмиттер, чтобы выключить его. И, чтобы перевести PNP в активный режим, V _E должен находиться под более высоким напряжением, чем V _B , которое должно быть выше, чем V _C .

Вкратце:

Другой противоположной характеристикой NPN и PNP является направление тока. В активном режиме и режиме насыщения ток в PNP течет от эмиттера к коллектору . Это означает, что эмиттер обычно должен находиться под более высоким напряжением, чем коллектор.

Если вы устали от концептуальных вещей, отправляйтесь в следующий раздел. Лучший способ узнать, как работает транзистор, — это изучить его в реальных схемах. Давайте посмотрим на некоторые приложения!

Что это такое и как определить, что

Транзистор насыщен? Что это значит? 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 напряжение V _BE должно быть выше порогового значения. Вы можете представить падение напряжения с помощью нескольких сокращений, таких как V _d , V _th и т. д., причем значение отличается 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 должно 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, протекающий через базовый штифт, увеличивается. В результате ветер, который движется в коллектор, выходит из эмиттера.

IC = BI _B

Где:

IC = ток коллекционера

B = Коэффициент усиления

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

Очень важно отметить, что в статье транзисторы PN упоминаются как N. 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
. 0258 Насыщенность	V E B > V C	CUT-OFF
ACTION	V 7888888777777777777777137. 37137137137137137137137137137137137. 37. 37. . .

Как рассчитать насыщение транзистора

Рассчитать насыщение транзистора легко, если 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 0V 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. Выполнением фактического измерения

2. Моделированием — лучший метод, чем предыдущий

3. Вычисление — старый метод, дешевый и без ограничений. Один из способов использования этого метода — предположить, что цепь насыщена. При этом решите для максимального усиления курса.