Eine Frage zu Vce eines NPN-BJT im Sättigungsbereich

Der Transistor, der in die Sättigung geht, ist keine Eigenschaft des Transistors selbst, sondern eine Eigenschaft der Schaltung, die den Transistor und den Transistor als Teil davon umgibt.

Der am einfachsten vorstellbare Fall ist ein NPN-Schalter. Ich werde zwei verschiedene solcher Schaltungen vorstellen, um den obigen Punkt konkret zu verdeutlichen:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Nehmen wir ein Perfekt an$\beta=100$in beiden Fällen gezeigt. Wir werden den Strom der Stromquelle in die Basis (eines oder beider NPNs) von erhöhen$0\:\mu\textrm{A}$Zu$100\:\mu\textrm{A}$. In beiden Fällen ist die Beziehung von$I_C=\beta\cdot I_B=100\cdot I_B$wird als gültig angesehen, bis eine andere Einschränkung diese Beziehung dazu zwingt, sich zu ändern.

In der linken Schaltung steigt mit steigendem Basisstrom auch der zulässige Kollektorstrom. Wenn$I_B=90\:\mu\textrm{A}$, Dann$I_C=9\:\textrm{mA}$und der Spannungsabfall darüber$R_1$wird sein$I_C\cdot R_1=9\:\textrm{mA}\cdot 1\:\textrm{k}\Omega=9\:\textrm{V}$. Dies funktioniert gut, da die Kollektorspannung dann sein wird$V_C=10\:\textrm{V}-I_C\cdot R_1=1\:\textrm{V}$. Diese Spannung liegt zwischen der Masseschiene von$0\:\textrm{V}$und die Stromversorgungsschiene von$10\:\textrm{V}$und da der Transistor noch nicht in Sättigung ist, wie ich immer noch erwarte$V_C\ge V_B$(gegeben$V_E=0\:\textrm{V}$.) Aber$I_B$steigt noch weiter in Richtung$I_B=100\:\mu\textrm{A}$, würde ich erwarten, dass die Kollektorspannung noch weiter auf einen letzten Fall abfällt, in dem$V_C=0\:\textrm{V}$wie der Spannungsabfall über$R_1$erreicht eine volle$10\:\textrm{V}$. Dies setzt voraus, dass der Sammler eine solche Situation tatsächlich erreichen kann. Aber es kann nicht. Aber bevor wir darüber diskutieren, warum, gehen wir zur rechten Seite.

Wenn Sie sich das Schema auf der rechten Seite ansehen, sehen Sie bis auf das Gleiche$R_2=10\:\textrm{k}\Omega$, stattdessen. Andere Details bleiben gleich. In diesem Fall jedoch der Spannungsabfall über$R_2$wird erreichen$9\:\textrm{V}$Wenn$I_B=9\:\mu\textrm{A}$Und$I_C=900\:\mu\textrm{A}$und eine volle$10\:\textrm{V}$Spannungsabfall wann$I_B=10\:\mu\textrm{A}$. Vorausgesetzt dies ist überhaupt möglich, was dann so passieren sollte$I_2$Stromquelle noch weiter ansteigt?

Tja... mehr kann nicht passieren. Ein noch größerer Spannungsabfall am Kollektorwiderstand ist nicht möglich,$R_2$. Dazu wäre erforderlich$Q_2$Kollektor von in einen negativen Spannungswert in Bezug auf Masse bewegt. Aber es sind keine Quellen für diese negative Spannung verfügbar und solange$Q_2$Die Eingeweide von könnten in der Lage sein, Spannungen dazwischen zu erzeugen$0\:\textrm{V}$Und$10\:\textrm{V}$,$Q_2$Die Eingeweide von können keine Spannungen außerhalb dieses Bereichs aus dem Nichts herstellen . Es passiert einfach nicht.

Der Prozess stoppt also hier. Mehr Basisstrom bringt nichts. Du kannst es natürlich anwenden. Es gibt nichts zu stoppen$I_2$von der Fortsetzung direkt bis zu einem vollen$100\:\mu\textrm{A}$. Das funktioniert also ganz gut. Aber die Kollektorspannung kann ihre Abwärtsrichtung einfach nicht mehr fortsetzen. Der Kollektorstrom hört also einfach auf, unabhängig vom Basisstrom. Das Ergebnis ist, dass die effektive$\beta$fällt dann von 100 auf einen niedrigeren Wert.

All dies gesagt, ein echter BJT kann nicht einmal bewirken, dass die Kollektorspannung genau mit seiner Emitterspannung übereinstimmt. Die Basis-Kollektor-Diode kann in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden, damit der Kollektor abfallen kann. Und das muss er tun, wenn er die letzten verbleibenden zusätzlichen Tröpfchen des Kollektorstroms herausquetschen will, damit der Spannungsabfall über dem Kollektorwiderstand noch ein wenig mehr ansteigen kann. Aber irgendwann, bevor die Kollektorspannung die Emitterspannung erreicht, hält der Prozess an. Es muss mindestens eine kleine Spannungsdifferenz verbleiben, um überhaupt zu funktionieren. Dies kann dazu führen, dass die Basis-Emitter-Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird$800\:\textrm{mV}$während die Basis-Kollektor-Diode in Vorwärtsrichtung mit vorgespannt ist$600\:\textrm{mV}$, so dass$V_{CE}=200\:\textrm{mV}$. Die Basis-Kollektor-Diode kann jedoch nicht stärker in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein als die Basis-Emitter-Diode. Denn dazu müsste der BJT eine unmögliche Kollektorspannung darstellen, die er nicht beobachten und nicht einfach aus dem Nichts erzeugen kann. (Zumindest in den Schaltungen, die ich oben gezeigt habe.)

An dieser Stelle sollte auch klar sein, dass es auf die externe Schaltung ankommt . Diese beiden Schaltungen waren bis auf die Kollektorlast identisch. Die Begrenzung des Kollektorstroms hängt jedoch vom Wert des Kollektorwiderstands sowie vom BJT ab. Die Sättigung sollte also am besten nicht nur als internes Detail des BJT angesehen werden, sondern hängt auch davon ab, was den BJT umgibt.

Anders ausgedrückt geht der Transistor allmählich in die Sättigung, wenn der Kollektorstrom, gekoppelt mit der externen Kollektorlast, bewirkt, dass sich die Kollektorspannung so bewegt, dass die Basis-Kollektor-Diode von der Sperrvorspannung in übergeht vorwärtsgerichtet werden. Während der BC-Übergang noch in Sperrichtung vorgespannt ist, befindet sich der Transistor im aktiven Modus. Sobald der BC-Übergang in Vorwärtsrichtung übergeht, befindet sich der BJT im gesättigten Modus. Die Sättigung erfolgt jedoch allmählich in dem Sinne, dass$\beta$nimmt allmählich ab und ändert sich nicht plötzlich (es ist kein schalterähnlicher Effekt) - in den obigen Beispielen, in denen der Basisstrom allmählich geändert wird.

Wenn Sie zu Designzwecken ein Switch-Verhalten wünschen, nehmen Sie den obigen Prozess vorweg und entwerfen einfach einen Wert von$\beta$die Sie für Ihren Schalter erreichen möchten. Wenn Sie es in einem Datenblatt nachschlagen, gibt es normalerweise eine Kurve, die zeigt, wie gering der Unterschied zwischen Kollektor und Emitter bei einem bestimmten Wunsch ist$\beta$. Oder zumindest ein Beispiel für$\beta=10$was normalerweise für die meisten (aber nicht alle) BJTs als hochgradig gesättigter Fall angesehen wird. Da der externe Stromkreis so ausgelegt werden kann, dass er ein niedriges erzwingt$\beta$Ergebnis, dass alles funktioniert. (Natürlich müssen Sie immer noch die Verlustleistung und andere Einschränkungen für den BJT berücksichtigen.)

Hoffentlich hilft das.

Die sehr vereinfachte Theorie ist in Ordnung. Die Praxis ist jedoch komplizierter, ein Transistor besteht nicht aus zwei idealen, isolierten Dioden.

Unter den Details haben wir den Restwiderstand der Dioden, die Art und Weise, wie die Vorwärtsspannung die effektiven Barrierenhöhen in der Sättigung ändert, die Ladungsverteilung, damit das einfache NPN-Schema als nützlicher Transistor funktioniert, erfordert viel Technologie.

Da die Durchlassspannung des Übergangs 0,7 V beträgt , ist ein VCEsat von 0,2 V „ungefähr Null“. Messen Sie ein paar verschiedene Transistortypen bei ein paar Strömen, Sie werden je nach Bedingungen eine ziemliche Streuung von 0,2 V sehen.

Sie können Transistoren kaufen, die für einen sehr niedrigen VCEsat ausgelegt sind. IIRC, einige Zetek-Teile haben einen sehr niedrigen VCEsat.