Bewerking in actieve modus (BJT)

Wanneer een transistor in de volledig uitgeschakelde staat is (zoals een open schakelaar), wordt gezegd dat deze is afsluiting . Omgekeerd, wanneer het volledig geleidend is tussen emitter en collector (zoveel stroom door de collector laten gaan als de stroomvoorziening en belasting van de collector toelaten), wordt gezegd dat het verzadigd is . Dit zijn de twee werkingsmodi tot nu toe verkend in het gebruik van de transistor als een schakelaar.

Bipolaire transistors hoeven echter niet beperkt te blijven tot deze twee extreme werkingsmodi. Zoals we in de vorige sectie hebben geleerd, "opent de basisstroom een ​​poort" voor een beperkte hoeveelheid stroom door de collector. Als deze limiet voor de geregelde stroom groter is dan nul maar kleiner is dan het maximum toegestaan ​​door de voeding en het belastingscircuit, zal de transistor de collectorstroom "smooren" in een modus ergens tussen afsnijding en verzadiging. Deze manier van werken wordt de . genoemd actief modus.

Cut-off, verzadiging en actieve modus

Een automotive analogie voor transistor werking is als volgt:

Sluitmodus - is de toestand van geen aandrijfkracht die wordt gegenereerd door de mechanische onderdelen van de auto om deze te laten bewegen. In de uitschakelmodus is de rem ingeschakeld (nul basisstroom), waardoor beweging wordt voorkomen (collectorstroom).

Actieve modus - rijdt de auto met een constante, gecontroleerde snelheid (constante, gecontroleerde collectorstroom) zoals voorgeschreven door de bestuurder.

S aturatie - de auto rijdt een steile heuvel op waardoor hij niet zo snel kan gaan als de bestuurder wil. Met andere woorden, een "verzadigde" auto is er een met het gaspedaal ingedrukt (basisstroom vereist meer collectorstroom dan kan worden geleverd door het voedings-/laadcircuit). Laten we een circuit opzetten voor SPICE-simulatie om te demonstreren wat er gebeurt als een transistor in zijn actieve bedrijfsmodus is. (Figuur hieronder)

 bipolaire transistorsimulatie i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i (vammeter) .einde 

Circuit voor SPICE-simulatie in "actieve modus" en netlijst.

"Q" is de standaard letteraanduiding voor een transistor in een schematisch diagram, net zoals "R" voor een weerstand is en "C" voor een condensator. In dit circuit hebben we een NPN-transistor die wordt gevoed door een batterij (V1) en wordt bestuurd door de stroom via een stroombron (I1).

Een stroombron is een apparaat dat een specifieke hoeveelheid stroom afgeeft en zo veel of zo weinig spanning over de klemmen genereert om ervoor te zorgen dat de exacte hoeveelheid stroom er doorheen gaat. Stroombronnen zijn notoir moeilijk te vinden in de natuur (in tegenstelling tot spanningsbronnen, die daarentegen proberen een constante spanning te handhaven en zo veel of zo weinig stroom afgeven bij het uitvoeren van die taak), maar kunnen worden gesimuleerd met een kleine verzameling elektronische componenten . Zoals we straks zullen zien, hebben transistors zelf de neiging om het constante-stroomgedrag van een stroombron na te bootsen in hun vermogen om regelen stroom met een vaste waarde.

In de SPICE-simulatie stellen we de stroombron (I1) in op een constante waarde van 20 A, variëren we de spanningsbron (V1) over een bereik van 0 tot 2 volt en controleren we hoeveel stroom er doorheen gaat. De "dummy" batterij (Vammeter) in de afbeelding hierboven met een output van 0 volt dient alleen om SPICE te voorzien van een circuitelement voor stroommeting.

Een vegende collectorspanning van 0 tot 2 V met een constante basisstroom van 20 µA levert een constante collectorstroom van 2 mA op in het verzadigingsgebied.

De constante basisstroom van 20 µA stelt een collectorstroomgrens van 2 mA, precies 100 keer zoveel. Merk op hoe vlak de curve is (figuur hierboven) voor collectorstroom over het bereik van batterijspanning van 0 tot 2 volt. De enige uitzondering op dit karakterloze plot is helemaal aan het begin, waar de batterij toeneemt van 0 volt naar 0,25 volt. Daar neemt de collectorstroom snel toe van 0 ampère tot de limiet van 2 mA.

Laten we eens kijken wat er gebeurt als we de accuspanning over een groter bereik variëren, dit keer van 0 tot 50 volt. We houden de basisstroom stabiel op 20 A. (Figuur hieronder)

bipolaire transistorsimulatie i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .einde 

Vegende collectorspanning 0 tot 50 V met een constante basisstroom van 20 µA levert een constante collectorstroom van 2 mA op.

Zelfde resultaat! De collectorstroom in de bovenstaande afbeelding blijft stabiel op 2 mA, hoewel de batterijspanning (v1) varieert van 0 tot 50 volt. Uit onze simulatie blijkt dat collector-naar-emitter-spanning weinig effect heeft op de collectorstroom, behalve op zeer lage niveaus (net boven 0 volt). De transistor werkt als een stroomregelaar en laat precies 2 mA door de collector en niet meer.

Laten we nu eens kijken wat er gebeurt als we de regelstroom (I1) verhogen van 20 A naar 75 µA, opnieuw de batterij (V1) spanning van 0 naar 50 volt brengen en de collectorstroom in het onderstaande figuur weergeven.

bipolaire transistorsimulatie i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i (vammeter) .einde 

Vegende collectorspanning 0 tot 50 V (.dc v1 0 50 2) met een constante basisstroom van 75 µA levert een constante collectorstroom van 7,5 mA op. Andere curven worden gegenereerd door de huidige sweep (i1 15u 75u 15u) in DC-analyseverklaring (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).

Het is niet verrassend dat SPICE ons een vergelijkbare plot geeft:een vlakke lijn, deze keer stabiel op 7,5 mA - precies 100 keer de basisstroom - over het bereik van batterijspanningen van net boven 0 volt tot 50 volt. Het lijkt erop dat de basisstroom de beslissende factor is voor de collectorstroom, waarbij de V1-batterijspanning niet relevant is zolang deze boven een bepaald minimumniveau ligt.

Deze spanning/stroomrelatie is totaal anders dan wat we gewend zijn over een weerstand te zien. Met een weerstand neemt de stroom lineair toe naarmate de spanning erover toeneemt. Hier, met een transistor, blijft de stroom van emitter naar collector beperkt op een vaste, maximale waarde, hoe hoog de spanning over de emitter en collector ook wordt.

Vaak is het handig om meerdere collectorstroom-/spanningsgrafieken voor verschillende basisstromen op dezelfde grafiek te plaatsen als in de onderstaande afbeelding. Een verzameling curven zoals deze - één curve uitgezet voor elk afzonderlijk niveau van basisstroom - voor een bepaalde transistor worden de karakteristieke curven van de transistor genoemd. :

Collectorstroom versus collector-emitterspanning voor verschillende basisstromen.

Elke curve in de grafiek weerspiegelt de collectorstroom van de transistor, uitgezet over een reeks collector-naar-emitter-spanningen, voor een bepaalde hoeveelheid basisstroom. Aangezien een transistor de neiging heeft om als stroomregelaar te werken, waarbij de collectorstroom wordt beperkt tot een verhouding die wordt bepaald door de basisstroom, is het nuttig om deze verhouding uit te drukken als een standaard prestatiemaatstaf voor transistoren. In het bijzonder staat de verhouding tussen collectorstroom en basisstroom bekend als de Beta verhouding (gesymboliseerd door de Griekse letter β):

Soms wordt de β-verhouding aangeduid als "h fe ," een label dat wordt gebruikt in een tak van wiskundige halfgeleideranalyse die bekend staat als "hybride parameters ” die ernaar streeft nauwkeurige voorspellingen van transistorprestaties te bereiken met gedetailleerde vergelijkingen. Hybride parametervariabelen zijn talrijk, maar elk is gelabeld met de algemene letter "h" en een specifiek subscript. De variabele "hfe" is gewoon een andere (gestandaardiseerde) manier om de verhouding tussen collectorstroom en basisstroom uit te drukken, en is uitwisselbaar met "β." De β-verhouding is eenheidsloos.

β voor elke transistor wordt bepaald door het ontwerp:het kan na fabricage niet worden gewijzigd. Het komt zelden voor dat twee transistors van hetzelfde ontwerp exact overeenkomen vanwege de fysieke variabelen die van invloed zijn op β. Als een circuitontwerp gebaseerd is op gelijke β-verhoudingen tussen meerdere transistors, kunnen tegen meerprijs "op elkaar afgestemde sets" transistors worden gekocht. Het wordt echter over het algemeen als een slechte ontwerppraktijk beschouwd om circuits met dergelijke afhankelijkheden te ontwerpen.

De β van een transistor blijft niet stabiel onder alle bedrijfsomstandigheden . Voor een echte transistor kan de β-verhouding binnen de bedrijfsstroomlimieten met een factor meer dan 3 variëren. Een transistor met geadverteerde β van 50 kan bijvoorbeeld testen met Ic/Ib-verhoudingen zo laag als 30 en zo hoog als 100, afhankelijk van onder andere de hoeveelheid collectorstroom, de temperatuur van de transistor en de frequentie van het versterkte signaal. Voor zelfstudiedoeleinden is het voldoende om een ​​constante β aan te nemen voor een gegeven transistor; besef dat het echte leven niet zo eenvoudig is!

Soms is het voor het begrip nuttig om complexe elektronische componenten te "modelleren" met een verzameling eenvoudigere, beter begrepen componenten. Het model in onderstaande figuur wordt in veel inleidende elektronicateksten gebruikt.

Elementair diode-weerstandstransistormodel.

Dit model giet de transistor als een combinatie van diode en reostaat (variabele weerstand). Stroom door de basis-emitterdiode regelt de weerstand van de collector-emitter-reostaat (zoals geïmpliceerd door de stippellijn die de twee componenten verbindt), waardoor de collectorstroom wordt geregeld. Een NPN-transistor is gemodelleerd in de getoonde afbeelding, maar een PNP-transistor zou slechts iets anders zijn (alleen de basis-emitterdiode zou worden omgekeerd).

Dit model slaagt erin het basisconcept van transistorversterking te illustreren:hoe het basisstroomsignaal controle kan uitoefenen over de collectorstroom. Het model communiceert echter het idee van een bepaalde hoeveelheid collector-emitterweerstand voor een bepaalde hoeveelheid basisstroom verkeerd. Als dit waar was, zou de transistor niet regelen collectorstroom helemaal niet zoals de karakteristieke curven laten zien. In plaats van dat de collectorstroomcurven vlak worden na hun korte stijging naarmate de collector-emitterspanning toeneemt, zou de collectorstroom recht evenredig zijn met de collector-emitterspanning, en gestaag stijgen in een rechte lijn in de grafiek.

Een beter transistormodel, vaak te zien in meer geavanceerde leerboeken, wordt weergegeven in onderstaande afbeelding.

Huidig ​​bronmodel van transistor.

Het werpt de transistor als een combinatie van een diode en stroombron, waarbij de uitvoer van de stroombron wordt ingesteld op een veelvoud (β-verhouding) van de basisstroom. Dit model is veel nauwkeuriger in het weergeven van de werkelijke input/output-karakteristieken van een transistor:basisstroom zorgt voor een bepaalde hoeveelheid collectorstroom , in plaats van een bepaalde hoeveelheid collector-emitter weerstand zoals het eerste model aangeeft. Dit model heeft ook de voorkeur bij het uitvoeren van netwerkanalyse op transistorcircuits, aangezien de stroombron een goed begrepen theoretische component is. Helaas kan het gebruik van een stroombron om het stroomregelende gedrag van de transistor te modelleren misleidend zijn:op geen enkele manier zal de transistor ooit fungeren als een bron van elektrische energie. De huidige bron modelleert niet het feit dat zijn energiebron een externe voeding is, vergelijkbaar met een versterker.

BEOORDELING:

• Er wordt gezegd dat een transistor in zijn actieve staat modus als deze ergens tussen volledig aan (verzadigd) en volledig uit (cutoff) werkt.
• Basisstroom regelt de collectorstroom. Door regelen , bedoelen we dat er niet meer collectorstroom kan bestaan ​​dan is toegestaan ​​door de basisstroom.
• De verhouding tussen collectorstroom en basisstroom wordt "Beta" (β) of "hfe" genoemd.
• β verhoudingen zijn verschillend voor elke transistor, en
• β verandert voor verschillende bedrijfsomstandigheden.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Bipolaire junctietransistoren in actieve modus