Eine Frage zu Vce eines NPN BJT im Sättigungsbereich

Unten ist ein NPN-Transistorsymbol und die Spannungen an seinen Anschlüssen sind Vb, Vc und Ve in Bezug auf die Erde:

Ich habe gelesen, dass sich während der Sättigung Vce = (Vc-Ve) auf etwa 0,2 V einstellt und der weitere Anstieg des Basisstroms Vce nicht zu Null macht.

Aber warum wird Vce nicht Null?

Soweit ich weiß: Wenn der Transistor gesättigt ist, schaltet sich der Basis-Kollektor-Übergang wie eine Diode ein, sodass die Kollektorspannung dem Anstieg der Basisspannung folgt, nur ein Diodenabfall darunter. Das gleiche passiert aber zwischen der Basisspannung und der Emitterspannung. Bei Sättigung und darüber hinaus kann man folgendes schreiben (?):

Nennen wir den Diodenabfall als Vd zwischen p- und n-Übergängen, damit die Kollektor- und die Emitterspannung in Bezug auf die Basisspannung wie folgt umgeschrieben werden können:

Vc = Vb - Vd

Ve = Vb - Vd

Vce = Vc - Ve = 0

Wo irre ich mich hier?

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

Der einfachste vorstellbare Fall ist ein NPN-Switch. Ich werde zwei verschiedene solche Schaltkreise vorstellen, um den obigen Punkt konkret zu verdeutlichen:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Nehmen wir ein perfektes 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 zwingt, sich zu ändern.

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

Wenn Sie das Schema auf der rechten Seite betrachten, sehen Sie dasselbe, außer dass $R_2=10\:\textrm{k}\Omega$, stattdessen. Andere Details bleiben gleich. In diesem Fall fällt die Spannung jedoch ab$R_2$ wird erreichen $9\:\textrm{V}$ wann $I_B=9\:\mu\textrm{A}$ und $I_C=900\:\mu\textrm{A}$ und eine volle $10\:\textrm{V}$ Spannungsabfall wenn $I_B=10\:\mu\textrm{A}$. Vorausgesetzt, dies ist überhaupt möglich, was dann als das passieren soll$I_2$ Stromquelle steigt noch weiter an?

Nun ... mehr kann nicht passieren. Es gibt keine Möglichkeit für einen noch größeren Spannungsabfall am Kollektorwiderstand.$R_2$. Dazu wäre erforderlich$Q_2$Kollektor, um sich in einen negativen Spannungswert in Bezug auf Masse zu bewegen. Es sind jedoch keine Quellen für diese negative Spannung verfügbar$Q_2$Die Eingeweide könnten in der Lage sein, dazwischen Spannungen zu erzeugen $0\:\textrm{V}$ und $10\:\textrm{V}$, $Q_2$‚s Mut kann nicht produzieren Spannungen außerhalb dieses Bereichs aus der Luft. Es passiert einfach nicht.

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

Trotzdem kann ein echter BJT nicht einmal bewirken, dass die Kollektorspannung genau mit der Emitterspannung übereinstimmt. Die Basis-Kollektor-Diode kann in einen vorwärts vorgespannten Modus gehen, damit der Kollektor abfallen kann. Und das muss es tun, wenn es die letzten verbleibenden zusätzlichen Tropfen des Kollektorstroms herausdrücken soll, so dass der Spannungsabfall über dem Kollektorwiderstand nur ein wenig mehr ansteigen kann. Aber irgendwann, bevor die Kollektorspannung die Emitterspannung erreicht, wird der Prozess angehalten. Es muss mindestens eine kleine Spannungsdifferenz vorhanden sein, um überhaupt arbeiten zu können. Dies kann dazu führen, dass die Basis-Emitter-Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird$800\:\textrm{mV}$ während die Basis-Kollektor-Diode mit vorwärts vorgespannt ist $600\:\textrm{mV}$, damit $V_{CE}=200\:\textrm{mV}$. 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 aufweisen, die er nicht beobachten und nicht nur aus dünner Luft erzeugen kann. (Zumindest in den Schaltungen, die ich oben gezeigt habe.)

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

Eine andere Möglichkeit, dies zu sagen, besteht darin, dass der Transistor allmählich in die Sättigung eintritt, wenn der Kollektorstrom in Verbindung mit der externen Kollektorlast bewirkt, dass sich die Kollektorspannung so bewegt, dass die Basis-Kollektor-Diodenübergänge nicht mehr in Sperrrichtung vorgespannt werden vorwärtsgerichtet werden. Während der BC-Übergang noch in Sperrrichtung 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 ist jedoch in dem Sinne allmählich$\beta$ nimmt allmählich ab und ändert sich nicht plötzlich (es ist kein schalterartiger Effekt) - in den obigen Beispielen, in denen sich der Basisstrom allmählich ändert.

Wenn Sie für Entwurfszwecke ein Schaltverhalten wünschen, nehmen Sie den obigen Prozess vorweg und entwerfen nur um einen Wert von $\beta$das möchten Sie für Ihren Schalter erreichen. Wenn Sie es in einem Datenblatt nachschlagen, wird normalerweise eine Kurve angezeigt, die zeigt, wie gering ein Unterschied zwischen Kollektor und Emitter bei einigen gewünschten Werten ist$\beta$. Oder zumindest ein Beispiel für$\beta=10$Dies wird normalerweise als hoch gesättigter Fall für die meisten (aber nicht alle) BJTs angesehen. Da der externe Stromkreis so ausgelegt werden kann, dass ein Low erzwungen wird$\beta$Ergebnis, dass alles gut funktioniert. (Natürlich müssen Sie immer noch die Verlustleistung und andere Einschränkungen für das BJT berücksichtigen.)

Hoffentlich hilft das.

Die sehr vereinfachende 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 Vorwärtsvorspannung die effektiven Barrierehöhen in Bezug auf Sättigung und Ladungsausbreitung ändert, wodurch das einfache NPN-Schema als nützlicher Transistor funktioniert, erfordert viel Technologie.

Da die Vorwärtsspannung der Kreuzung ist 0,7 V, ein VCEsat von 0,2 V ist ‚über Null‘. Wenn Sie einige verschiedene Transistortypen bei wenigen Strömen messen, sehen Sie je nach den Bedingungen eine beträchtliche Streuung von 0,2 V.

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