Операция в активном режиме (BJT)

Когда транзистор находится в полностью выключенном состоянии (например, открытый переключатель), он считается обрезка . И наоборот, когда он полностью проводящий между эмиттером и коллектором (пропускает через коллектор столько тока, сколько позволяют источник питания коллектора и нагрузка), он считается насыщенным . . Это два режима работы изучено использование транзистора в качестве переключателя.

Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя крайними режимами работы. Как мы узнали в предыдущем разделе, базовый ток «открывает ворота» для ограниченного количества тока через коллектор. Если этот предел для регулируемого тока больше нуля, но меньше максимально допустимого для цепи питания и нагрузки, транзистор будет «дросселировать» ток коллектора в режиме где-то между отсечкой и насыщением. Этот режим работы называется активный режим .

Отсечка, насыщенность и активный режим

Автомобильная аналогия транзистора операция выглядит следующим образом:

Режим отключения - это условие отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться. В режиме отключения тормоз включен (нулевой базовый ток), предотвращая движение (ток коллектора).

Активный режим - это автомобиль, движущийся с постоянной контролируемой скоростью (постоянный контролируемый ток коллектора) в соответствии с указаниями водителя.

S длительность - автомобиль, движущийся по крутому склону, который не позволяет ему ехать с такой скоростью, которую желает водитель. Другими словами, «насыщенный» автомобиль - это автомобиль с нажатой педалью акселератора (базовый ток требует большего тока коллектора, чем может обеспечить цепь питания / нагрузки). Давайте настроим схему для моделирования SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы. (Рисунок ниже)

 моделирование биполярного транзистора i1 0 1 постоянного тока 20u q1 2 1 0 mod1 вамметр 3 2 постоянного тока 0 v1 3 0 постоянного тока .model mod1 npn .dc v1 0 2 0,05 .plot dc i (вамметр) .конец 

Схема для моделирования SPICE в «активном режиме» и список соединений.

«Q» - это стандартное буквенное обозначение транзистора на принципиальной схеме, так же как «R» - для резистора, а «C» - для конденсатора. В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V1) и управляемый током через источник тока . (I1).

Источник тока - это устройство, которое выдает определенное количество тока, генерируя такое же или меньшее напряжение на своих выводах, чтобы обеспечить точное количество тока через него. Источники тока, как известно, трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, напротив, пытаются поддерживать постоянное напряжение, выдавая столько или меньше тока для выполнения этой задачи), но их можно смоделировать с помощью небольшого набора электронных компонентов. . Как мы скоро увидим, сами транзисторы имеют тенденцию имитировать поведение источника тока при постоянном токе в своей способности регулировать ток при фиксированном значении.

В моделировании SPICE мы установим источник тока (I1) на постоянное значение 20 мкА, затем изменим источник напряжения (V1) в диапазоне от 0 до 2 вольт и будем отслеживать, сколько тока проходит через него. «Пустышка» (вамметр) на приведенном выше рисунке с выходным напряжением 0 В служит просто для обеспечения SPICE схемным элементом для измерения тока.

Скользящее изменение напряжения коллектора от 0 до 2 В при постоянном токе базы 20 мкА дает постоянный ток коллектора 2 мА в области насыщения.

Постоянный базовый ток 20 мкА устанавливает ограничение тока коллектора в 2 мА, что ровно в 100 раз больше. Обратите внимание, насколько плоская кривая (рисунок выше) для тока коллектора в диапазоне напряжения батареи от 0 до 2 вольт. Единственное исключение из этого невыразительного графика - в самом начале, когда батарея увеличивается с 0 до 0,25 вольт. Здесь ток коллектора быстро увеличивается от 0 ампер до предельного значения 2 мА.

Давайте посмотрим, что произойдет, если мы изменим напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Мы будем поддерживать постоянный базовый ток на уровне 20 мкА. (Рисунок ниже)

 моделирование биполярного транзистора i1 0 1 постоянного тока 20u q1 2 1 0 mod1 вамметр 3 2 постоянного тока 0 v1 3 0 постоянного тока .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i (вамметр) .конец 

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В при постоянном токе базы 20 мкА дает постоянный ток коллектора 2 мА.

Тот же результат! Ток коллектора на рисунке выше стабильно составляет 2 мА, хотя напряжение аккумулятора (v1) варьируется от 0 до 50 вольт. Из нашего моделирования может показаться, что напряжение между коллектором и эмиттером мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт). Транзистор действует как регулятор тока, пропуская через коллектор ровно 2 мА и не более.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы увеличим управляющий ток (I1) с 20 мкА до 75 мкА, снова изменив напряжение аккумулятора (V1) с 0 до 50 В и построив график тока коллектора на рисунке ниже.

 моделирование биполярного транзистора i1 0 1 постоянного тока 75u q1 2 1 0 mod1 вамметр 3 2 постоянного тока 0 v1 3 0 постоянного тока .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i (вамметр) .конец 

Переменное напряжение коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном токе базы 75 мкА дает постоянный ток коллектора 7,5 мА. Другие кривые генерируются с помощью развертки тока (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа постоянного тока (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).

Неудивительно, что SPICE дает нам похожий график:ровная линия, на этот раз стабильно удерживающаяся на уровне 7,5 мА - ровно в 100 раз больше базового тока - в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт. Похоже, что ток базы является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V1 не имеет значения, пока оно выше определенного минимального уровня.

Это соотношение напряжение / ток полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. С резистором ток линейно увеличивается с увеличением напряжения на нем. Здесь, с транзистором, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько высоко увеличивается напряжение на эмиттере и коллекторе.

Часто бывает полезно наложить несколько графиков ток / напряжение коллектора для разных базовых токов на один график, показанный на рисунке ниже. Набор подобных кривых - по одной кривой, построенной для каждого отдельного уровня тока базы - для конкретного транзистора называется характеристическими кривыми транзистора. :

Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор-эмиттер для различных базовых токов.

Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный в диапазоне напряжений коллектор-эмиттер для заданной величины тока базы. Поскольку транзистор имеет тенденцию действовать как регулятор тока, ограничивая ток коллектора до пропорции, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию как стандартную меру производительности транзистора. В частности, отношение тока коллектора к току базы известно как бета . соотношение (обозначается греческой буквой β):

Иногда коэффициент β обозначается как «h . fe , ” этикетка, используемая в разделе математического анализа полупроводников, известном как « гибридные параметры ”, Который стремится достичь точных прогнозов характеристик транзистора с помощью подробных уравнений. Переменных гибридных параметров много, но каждая помечена общей буквой «h» и определенным нижним индексом. Переменная «hfe» - это просто еще один (стандартизованный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы, и она взаимозаменяема с «β». Коэффициент β безразмерен.

β для любого транзистора определяется его конструкцией:он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, чтобы два транзистора одной конструкции точно совпадали из-за физических переменных, влияющих на β. Если конструкция схемы основана на равном соотношении β между несколькими транзисторами, «согласованные наборы» транзисторов могут быть приобретены за дополнительную плату. Однако, как правило, проектирование схем с такими зависимостями считается плохой практикой.

β транзистора не остается стабильным для всех условий эксплуатации . Для реального транзистора коэффициент β может изменяться более чем в 3 раза в пределах его рабочего тока. Например, транзистор с заявленным β, равным 50, может тестироваться с отношениями Ic / Ib от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора и частоты усиленного сигнала, среди других факторов. Для учебных целей достаточно принять постоянное значение β для любого данного транзистора; понимаете, что в реальной жизни не все так просто!

Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.

Элементарная модель диодно-резисторного транзистора.

В этой модели транзистор представляет собой комбинацию диода и реостата (переменного резистора). Ток через диод база-эмиттер контролирует сопротивление реостата коллектор-эмиттер (как показано пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым управляя током коллектора. NPN-транзистор смоделирован на показанном рисунке, но PNP-транзистор будет немного отличаться (только диод база-эмиттер будет перевернут).

Эта модель успешно иллюстрирует основную концепцию транзисторного усиления:как сигнал тока базы может влиять на ток коллектора. Однако модель неверно передает понятие установленной величины сопротивления коллектор-эмиттер для данной величины базового тока. Если бы это было правдой, транзистор не регулировал ток коллектора вообще, как показывают характерные кривые. Вместо того, чтобы кривые коллекторного тока сглаживались после их кратковременного подъема по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, коллекторный ток был бы прямо пропорционален напряжению коллектор-эмиттер, постоянно возрастая по прямой линии на графике.

Лучшая модель транзистора, которую часто можно увидеть в более продвинутых учебниках, показана на рисунке ниже.

Текущая модель источника транзистора.

Транзистор представляет собой комбинацию диода и источника тока, при этом на выходе источника тока устанавливается кратное (коэффициент β) базовый ток. Эта модель гораздо точнее отображает истинные входные / выходные характеристики транзистора:базовый ток устанавливает определенную величину тока коллектора. , а не определенное количество сопротивления коллектор-эмиттер как следует из первой модели. Кроме того, эта модель предпочтительна при выполнении сетевого анализа транзисторных схем, поскольку источник тока является хорошо изученным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования поведения транзистора по управлению током может ввести в заблуждение:транзистор ни в коем случае не будет действовать как источник электроэнергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, подобный усилителю.

ОБЗОР:

• Транзистор находится в активном режим, если он работает где-то между полностью включенным (насыщенным) и полностью выключенным (отключение).
• Базовый ток регулирует ток коллектора. Автор отрегулировать , мы имеем в виду, что ток коллектора не может быть больше, чем допускается базовым током.
• Соотношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или «hfe».
• Соотношение β различно для каждого транзистора, и
• β меняется для разных условий эксплуатации.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Биполярные переходные транзисторы в рабочем листе активного режима