Aktiv-Modus-Betrieb (BJT)
Wenn sich ein Transistor im vollständig ausgeschalteten Zustand befindet (wie ein offener Schalter), wird er als bezeichnet Abbruch . Umgekehrt gilt es als gesättigt, wenn es zwischen Emitter und Kollektor vollständig leitend ist (so viel Strom durch den Kollektor geleitet wird, wie es die Kollektorstromversorgung und die Last zulassen). . Dies sind die zwei Betriebsmodi bisher bei der Verwendung des Transistors als Schalter erforscht.
Bipolartransistoren müssen jedoch nicht auf diese beiden extremen Betriebsmodi beschränkt sein. Wie wir im vorherigen Abschnitt gelernt haben, „öffnet der Basisstrom ein Tor“ für eine begrenzte Strommenge durch den Kollektor. Wenn diese Grenze für den geregelten Strom größer als Null, aber kleiner als das von der Stromversorgung und dem Lastkreis erlaubte Maximum ist, "drosselt" der Transistor den Kollektorstrom in einem Modus irgendwo zwischen Abschalten und Sättigung. Diese Betriebsart wird als . bezeichnet aktiv Modus.
Cut-off, Sättigung und aktiver Modus
Eine Automobil-Analogie für den Transistor Die Bedienung ist wie folgt:
Abschaltmodus - ist der Zustand, in dem keine Antriebskraft von den mechanischen Teilen des Autos erzeugt wird, um es in Bewegung zu setzen. Im Abschaltmodus ist die Bremse eingerückt (Null-Grundstrom) und verhindert eine Bewegung (Kollektorstrom).
Aktiver Modus - ist das Auto, das mit konstanter, kontrollierter Geschwindigkeit (konstanter, kontrollierter Kollektorstrom) nach Vorgabe des Fahrers fährt.
S Sättigung - das Auto, das einen steilen Hügel hinauffährt, der verhindert, dass es so schnell fährt, wie der Fahrer es möchte. Mit anderen Worten, ein „gesättigtes“ Auto ist eines, bei dem das Gaspedal durchgedrückt wird (Basisstrom erfordert mehr Kollektorstrom, als von der Stromversorgungs-/Lastschaltung bereitgestellt werden kann). Lassen Sie uns eine Schaltung für die SPICE-Simulation aufbauen, um zu demonstrieren, was passiert, wenn sich ein Transistor im aktiven Betriebsmodus befindet. (Abbildung unten)
Schaltung für SPICE-Simulation im „aktiven Modus“ und Netzliste.
„Q“ ist die Standard-Buchstabenbezeichnung für einen Transistor in einem Schaltplan, ebenso wie „R“ für einen Widerstand und „C“ für einen Kondensator. In dieser Schaltung haben wir einen NPN-Transistor, der von einer Batterie (V1) gespeist und durch den Strom durch eine Stromquelle gesteuert wird (I1).
Eine Stromquelle ist ein Gerät, das eine bestimmte Strommenge ausgibt und an seinen Anschlüssen so viel oder so wenig Spannung erzeugt, dass die genaue Strommenge durch sie fließt. Stromquellen sind in der Natur notorisch schwer zu finden (im Gegensatz zu Spannungsquellen, die im Gegensatz dazu versuchen, eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten und zur Erfüllung dieser Aufgabe so viel oder so wenig Strom abgeben), können aber mit einer kleinen Sammlung elektronischer Komponenten simuliert werden . Wie wir gleich sehen werden, neigen Transistoren selbst dazu, das Konstantstromverhalten einer Stromquelle in ihrer Fähigkeit zur Regelung nachzuahmen Strom auf einen festen Wert.
In der SPICE-Simulation stellen wir die Stromquelle (I1) auf einen konstanten Wert von 20 µA ein, variieren dann die Spannungsquelle (V1) über einen Bereich von 0 bis 2 Volt und überwachen, wie viel Strom durch sie fließt. Die „Dummy“-Batterie (Vammeter) in obiger Abbildung mit ihrer 0 Volt-Ausgangsspannung dient lediglich dazu, SPICE ein Schaltungselement zur Strommessung zur Verfügung zu stellen.
Eine schwingende Kollektorspannung von 0 bis 2 V mit einem konstanten Basisstrom von 20 µA ergibt einen konstanten Kollektorstrom von 2 mA im Sättigungsbereich.
Der konstante Basisstrom von 20 µA setzt eine Kollektorstromgrenze von 2 mA, genau 100-mal so viel. Beachten Sie, wie flach die Kurve in (Abbildung oben) für den Kollektorstrom über den Batteriespannungsbereich von 0 bis 2 Volt ist. Die einzige Ausnahme von diesem funktionslosen Plot ist ganz am Anfang, wo die Batterie von 0 Volt auf 0,25 Volt ansteigt. Dort steigt der Kollektorstrom schnell von 0 Ampere auf seine Grenze von 2 mA an.
Mal sehen, was passiert, wenn wir die Batteriespannung über einen größeren Bereich variieren, diesmal von 0 bis 50 Volt. Wir halten den Basisstrom konstant bei 20 µA. (Abbildung unten)
Durchstreichende Kollektorspannung von 0 bis 50 V mit einem konstanten Basisstrom von 20 µA ergibt einen konstanten Kollektorstrom von 2 mA.
Gleiches Ergebnis! Der Kollektorstrom in der obigen Abbildung bleibt konstant bei 2 mA, obwohl die Batteriespannung (v1) zwischen 0 und 50 Volt variiert. Aus unserer Simulation geht hervor, dass die Kollektor-Emitter-Spannung nur bei sehr niedrigen Pegeln (knapp über 0 Volt) einen geringen Einfluss auf den Kollektorstrom hat. Der Transistor fungiert als Stromregler und lässt genau 2 mA durch den Kollektor und nicht mehr.
Sehen wir uns nun an, was passiert, wenn wir den Steuerstrom (I1) von 20 µA auf 75 µA erhöhen, die Batteriespannung (V1) erneut von 0 auf 50 Volt verschieben und den Kollektorstrom in der Abbildung unten grafisch darstellen.
Sweep-Kollektorspannung 0 bis 50 V (.dc v1 0 50 2) mit einem konstanten Basisstrom von 75 µA ergibt einen konstanten Kollektorstrom von 7,5 mA. Andere Kurven werden durch Strom-Sweep (i1 15u 75u 15u) in der DC-Analyse-Anweisung (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u) erzeugt.
Es überrascht nicht, dass SPICE uns ein ähnliches Diagramm liefert:eine flache Linie, die diesmal bei 7,5 mA – genau dem 100-fachen des Basisstroms – über den Bereich der Batteriespannungen von knapp über 0 Volt bis 50 Volt konstant bleibt. Es scheint, dass der Basisstrom der entscheidende Faktor für den Kollektorstrom ist, wobei die V1-Batteriespannung irrelevant ist, solange sie über einem bestimmten Mindestwert liegt.
Diese Beziehung zwischen Spannung und Strom unterscheidet sich völlig von dem, was wir über einen Widerstand gewohnt sind. Bei einem Widerstand steigt der Strom linear mit der an ihm anliegenden Spannung. Hier bleibt bei einem Transistor der Strom vom Emitter zum Kollektor auf einen festen Maximalwert begrenzt, egal wie hoch die Spannung zwischen Emitter und Kollektor ansteigt.
Oft ist es sinnvoll, mehrere Kollektorstrom-/Spannungskurven für unterschiedliche Basisströme auf derselben Kurve wie in der folgenden Abbildung zu überlagern. Eine Sammlung solcher Kurven – eine Kurve, die für jeden unterschiedlichen Basisstrompegel aufgetragen ist – für einen bestimmten Transistor wird als charakteristische Kurven des Transistors bezeichnet :
Kollektorstrom versus Kollektor-Emitter-Spannung für verschiedene Basisströme.
Jede Kurve im Diagramm spiegelt den Kollektorstrom des Transistors, aufgetragen über einen Bereich von Kollektor-Emitter-Spannungen, für einen gegebenen Basisstrombetrag wieder. Da ein Transistor dazu neigt, als Stromregler zu fungieren, der den Kollektorstrom auf einen durch den Basisstrom eingestellten Anteil begrenzt, ist es nützlich, diesen Anteil als Standardmaß für die Transistorleistung auszudrücken. Konkret wird das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom als Beta . bezeichnet Verhältnis (symbolisiert durch den griechischen Buchstaben β):
Manchmal wird das β-Verhältnis als „h . bezeichnet wie “, ein Label, das in einem Zweig der mathematischen Halbleiteranalyse verwendet wird, der als "Hybridparameter . bekannt ist “, das bestrebt ist, mit detaillierten Gleichungen genaue Vorhersagen der Transistorleistung zu treffen. Es gibt viele hybride Parametervariablen, aber jede ist mit dem allgemeinen Buchstaben „h“ und einem bestimmten Index gekennzeichnet. Die Variable „hfe“ ist nur eine weitere (standardisierte) Möglichkeit, das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom auszudrücken, und kann mit „β“ ausgetauscht werden. Das β-Verhältnis ist ohne Einheit.
β für jeden Transistor wird durch sein Design bestimmt:es kann nach der Herstellung nicht geändert werden. Aufgrund der physikalischen Variablen, die β beeinflussen, ist es selten, dass zwei Transistoren des gleichen Designs genau übereinstimmen. Wenn ein Schaltungsdesign auf gleichen β-Verhältnissen zwischen mehreren Transistoren beruht, können „angepasste Sätze“ von Transistoren gegen Aufpreis erworben werden. Es gilt jedoch im Allgemeinen als schlechte Entwurfspraxis, Schaltungen mit solchen Abhängigkeiten zu entwickeln.
Das β eines Transistors bleibt nicht unter allen Betriebsbedingungen stabil . Für einen tatsächlichen Transistor kann das β-Verhältnis innerhalb seiner Betriebsstromgrenzen um einen Faktor von mehr als 3 variieren. Beispielsweise kann ein Transistor mit einem beworbenen β von 50 mit Ic/Ib-Verhältnissen von nur 30 bis 100 testen, abhängig von der Kollektorstrommenge, der Temperatur des Transistors und der Frequenz des verstärkten Signals unter anderem. Für Lernzwecke ist es ausreichend, für jeden gegebenen Transistor eine Konstante β anzunehmen; Erkenne, dass das wirkliche Leben nicht so einfach ist!
Manchmal ist es für das Verständnis hilfreich, komplexe elektronische Komponenten mit einer Sammlung einfacherer, besser verstandener Komponenten zu „modellieren“. Das Modell in der Abbildung unten wird in vielen einführenden Elektroniktexten verwendet.
Elementares Dioden-Widerstands-Transistormodell.
Bei diesem Modell wird der Transistor als Kombination aus Diode und Rheostat (variabler Widerstand) gegossen. Der Strom durch die Basis-Emitter-Diode steuert den Widerstand des Kollektor-Emitter-Widerstands (wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, die die beiden Komponenten verbindet) und steuert somit den Kollektorstrom. In der gezeigten Abbildung ist ein NPN-Transistor modelliert, ein PNP-Transistor wäre jedoch nur geringfügig anders (nur die Basis-Emitter-Diode wäre vertauscht).
Mit diesem Modell gelingt es, das Grundkonzept der Transistorverstärkung zu veranschaulichen:wie das Basisstromsignal den Kollektorstrom steuern kann. Das Modell kommuniziert jedoch falsch die Vorstellung eines festgelegten Betrags des Kollektor-Emitter-Widerstands für einen gegebenen Betrag des Basisstroms. Wenn dies wahr wäre, würde der Transistor nicht regulieren Kollektorstrom überhaupt, wie die Kennlinien zeigen. Anstatt dass sich die Kollektorstromkurven nach ihrem kurzen Anstieg mit steigender Kollektor-Emitter-Spannung abflachen, wäre der Kollektorstrom direkt proportional zur Kollektor-Emitter-Spannung und würde im Diagramm stetig geradlinig ansteigen.
Ein besseres Transistormodell, das oft in fortgeschritteneren Lehrbüchern zu sehen ist, ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Stromquellenmodell des Transistors.
Es gießt den Transistor als Kombination aus Diode und Stromquelle, wobei der Ausgang der Stromquelle auf ein Vielfaches (β-Verhältnis) des Basisstroms eingestellt wird. Dieses Modell bildet die wahren Eingangs-/Ausgangseigenschaften eines Transistors viel genauer ab:Der Basisstrom erzeugt einen bestimmten Kollektorstrom , eher als ein gewisses Maß an Kollektor-Emitter Widerstand wie das erste Modell andeutet. Dieses Modell wird auch bevorzugt, wenn eine Netzwerkanalyse an Transistorschaltungen durchgeführt wird, da die Stromquelle eine gut verstandene theoretische Komponente ist. Leider kann die Verwendung einer Stromquelle zur Modellierung des stromsteuernden Verhaltens des Transistors irreführend sein:Der Transistor wird niemals als Quelle fungieren von elektrischer Energie. Die Stromquelle modelliert nicht die Tatsache, dass ihre Energiequelle eine externe Stromversorgung ist, ähnlich einem Verstärker.
RÜCKBLICK:
- Ein Transistor befindet sich in seiner aktiven Modus, wenn er irgendwo zwischen vollständig eingeschaltet (gesättigt) und vollständig ausgeschaltet (Abschaltung) arbeitet.
- Der Basisstrom regelt den Kollektorstrom. Durch regulieren , meinen wir, dass nicht mehr Kollektorstrom vorhanden sein kann, als der Basisstrom zulässt.
- Das Verhältnis zwischen Kollektorstrom und Basisstrom wird „Beta“ (β) oder „hfe“ genannt.
- β-Verhältnisse sind für jeden Transistor unterschiedlich und
- β ändert sich für verschiedene Betriebsbedingungen.
VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:
- Arbeitsblatt für bipolare Sperrschichttransistoren im aktiven Modus
Industrietechnik