Вопрос о Vce NPN BJT в области насыщения

Транзистор, входящий в состояние насыщения, является не свойством самого транзистора, а свойством схемы, окружающей транзистор и транзистор как ее часть.

Самый простой случай, который можно себе представить, — это NPN-переключатель. Я представлю две разные схемы таких переключателей, чтобы сделать вышеизложенный пункт более ясным:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Предположим, идеально$\beta=100$в обоих показанных случаях. Мы собираемся увеличить ток источника тока в базу (одной или обеих NPN) от$0\:\mu\textrm{A}$к$100\:\mu\textrm{A}$. В обоих случаях отношение$I_C=\beta\cdot I_B=100\cdot I_B$будет считаться сохраняющимся до тех пор, пока какое-либо другое ограничение не заставит это отношение измениться.

В левой цепи с ростом тока базы растет и допустимый ток коллектора. Когда$I_B=90\:\mu\textrm{A}$, затем$I_C=9\:\textrm{mA}$и падение напряжения на$R_1$будет$I_C\cdot R_1=9\:\textrm{mA}\cdot 1\:\textrm{k}\Omega=9\:\textrm{V}$. Это работает нормально, так как напряжение коллектора будет$V_C=10\:\textrm{V}-I_C\cdot R_1=1\:\textrm{V}$. Это напряжение находится между шиной заземления$0\:\textrm{V}$и шина питания$10\:\textrm{V}$и так как транзистор еще не в насыщении, как я все еще ожидаю$V_C\ge V_B$(данный$V_E=0\:\textrm{V}$.) Но$I_B$увеличивается еще больше в сторону$I_B=100\:\mu\textrm{A}$, я ожидаю, что напряжение коллектора упадет еще больше до конечного случая, когда$V_C=0\:\textrm{V}$по мере падения напряжения на$R_1$достигает полного$10\:\textrm{V}$. Это предполагает, что сборщик действительно может достичь такой ситуации. Но это невозможно. Но прежде чем обсуждать почему, давайте перейдем к правой стороне.

Глядя на правую схему, вы видите то же самое, за исключением того, что$R_2=10\:\textrm{k}\Omega$, вместо. Остальные детали остаются прежними. Однако в этом случае падение напряжения на$R_2$достигнет$9\:\textrm{V}$когда$I_B=9\:\mu\textrm{A}$и$I_C=900\:\mu\textrm{A}$и полный$10\:\textrm{V}$падение напряжения, когда$I_B=10\:\mu\textrm{A}$. Если предположить, что это даже возможно, что тогда должно произойти, когда$I_2$источник тока увеличивается еще больше?

Ну... больше ничего не может быть. Невозможно еще большее падение напряжения на коллекторном резисторе,$R_2$. Для этого потребуется$Q_2$коллектор, чтобы перейти в отрицательное значение напряжения по отношению к земле. Но нет доступных источников для этого отрицательного напряжения, и пока$Q_2$кишки могут быть в состоянии производить напряжения между$0\:\textrm{V}$и$10\:\textrm{V}$,$Q_2$кишки не могут производить напряжения за пределами этого диапазона из воздуха. Этого просто не бывает.

Так что процесс здесь останавливается. Больше базового тока ничего не дает. Применить, конечно, можно. Нет ничего, чтобы остановить$I_2$от продолжения до полного$100\:\mu\textrm{A}$. Так что это работает просто отлично. Но напряжение коллектора просто не может больше продолжать свое нисходящее направление. Таким образом, ток коллектора просто прекращается, независимо от тока базы. В результате эффективное$\beta$затем падает со 100 до некоторого более низкого значения.

Однако все это говорит о том, что настоящий биполярный транзистор даже не может заставить напряжение коллектора точно совпадать с напряжением эмиттера. Диод база-коллектор может перейти в режим прямого смещения, чтобы позволить коллектору пропасть. И он должен это сделать, если он собирается выжать последние оставшиеся дополнительные капельки тока коллектора, чтобы падение напряжения на резисторе коллектора могло еще немного увеличиться. Но в какой-то момент , прежде чем напряжение коллектора достигнет напряжения эмиттера, процесс останавливается. Должна оставаться хотя бы небольшая разница в напряжении, чтобы вообще работать. Это может привести к прямому смещению диода база-эмиттер.$800\:\textrm{mV}$в то время как диод база-коллектор смещен в прямом направлении с$600\:\textrm{mV}$, так что$V_{CE}=200\:\textrm{mV}$. Но диод база-коллектор не может быть больше смещен в прямом направлении, чем диод база-эмиттер. Потому что для этого потребуется, чтобы BJT представил невозможное напряжение коллектора, которое он не может наблюдать и не может просто создать из воздуха. (По крайней мере, в схемах, которые я показал выше.)

В этот момент также должно быть ясно, что внешний контур имеет значение . Эти две схемы были идентичны, за исключением нагрузки коллектора. Но ограничение тока коллектора зависит от номинала резистора коллектора, а также от биполярного транзистора. Таким образом , насыщение лучше не рассматривать только как внутреннюю деталь BJT, а вместо этого также зависит от того, что окружает BJT.

Другими словами, транзистор постепенно входит в состояние насыщения, поскольку ток коллектора в сочетании с внешней по отношению к нему нагрузкой коллектора вызывает изменение напряжения коллектора таким образом, что диод база-коллектор переходит из состояния обратного смещения в состояние становится ориентированным вперед. Пока переход BC все еще смещен в обратном направлении, транзистор находится в активном режиме. Как только переход BC переходит в режим прямого смещения, BJT находится в режиме насыщения . Однако насыщение происходит постепенно в том смысле, что$\beta$постепенно снижается и не меняется внезапно (это не эффект переключения) - в приведенных выше примерах, где базовый ток постепенно изменяется.

В целях проектирования, если вам нужно поведение переключателя, вы ожидаете описанный выше процесс и просто проектируете вокруг некоторого значения$\beta$что вы хотите достичь для вашего коммутатора. Если вы посмотрите на таблицу данных, обычно там будет кривая, показывающая, насколько мала разница между коллектором и эмиттером достижима при заданном желаемом значении.$\beta$. Или хотя бы пример для$\beta=10$который обычно считается случаем с высокой степенью насыщения для большинства (но не всех) BJT. Так как внешняя цепь может быть спроектирована так, чтобы форсировать низкое$\beta$результат, все работает нормально. (Конечно, вы все еще должны помнить о рассеянии и других ограничениях для BJT.)

Надеюсь, это поможет.

Очень упрощенная теория хороша. Однако на практике все сложнее, транзистор — это не два идеальных изолированных диода.

Среди деталей у нас есть остаточное сопротивление диодов, прямое смещение изменяет эффективную высоту барьера при насыщении, распределение заряда, благодаря чему простая схема NPN работает как полезный транзистор, требует много технологий.

Учитывая, что прямое напряжение перехода составляет 0,7 В, VCEsat 0,2 В «около нуля». Измерьте несколько различных типов транзисторов при нескольких токах, вы увидите значительный разброс от 0,2 В в зависимости от условий.

Вы можете купить транзисторы с очень низким VCEsat. IIRC, некоторые детали Zetek имеют очень низкий VCEsat.