Ток насыщения транзистора: теория и практика режима насыщения

Что такое ток насыщения транзистора. Как определяется режим насыщения биполярного транзистора. Какие факторы влияют на ток насыщения. Каковы особенности работы транзистора в режиме насыщения.

Что такое ток насыщения транзистора?

Ток насыщения транзистора — это максимальный ток коллектора, который может протекать через транзистор при заданном токе базы в режиме насыщения. В этом режиме дальнейшее увеличение тока базы уже не приводит к росту тока коллектора.

Режим насыщения наступает, когда оба p-n перехода транзистора (эмиттерный и коллекторный) смещены в прямом направлении. При этом напряжение коллектор-эмиттер VCE стремится к минимальному значению VCE(sat), обычно составляющему 0.1-0.3 В для кремниевых транзисторов.

Как определяется режим насыщения транзистора?

Режим насыщения биполярного транзистора определяется следующими условиями:

• Ток базы IB превышает значение IC/β, где IC — ток коллектора, β — коэффициент усиления транзистора по току
• Напряжение коллектор-эмиттер VCE снижается до минимального значения VCE(sat)
• Дальнейшее увеличение тока базы не приводит к росту тока коллектора

В режиме насыщения транзистор ведет себя как замкнутый ключ с малым сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Факторы, влияющие на ток насыщения транзистора

На величину тока насыщения транзистора влияют следующие основные факторы:

• Конструкция и технология изготовления транзистора
• Площадь эмиттерного перехода
• Уровень легирования базовой области
• Температура кристалла транзистора
• Ток базы

Чем больше площадь эмиттера и выше уровень легирования базы, тем выше может быть ток насыщения. Повышение температуры также приводит к росту тока насыщения.

Особенности работы транзистора в режиме насыщения

При работе транзистора в режиме насыщения наблюдаются следующие особенности:

• Минимальное падение напряжения между коллектором и эмиттером (обычно 0.1-0.3 В)
• Максимальный ток коллектора при заданном токе базы
• Низкое дифференциальное сопротивление коллектор-эмиттер
• Увеличение времени выключения транзистора из-за накопления неосновных носителей в базе

В режиме насыщения транзистор эффективно используется в качестве электронного ключа для коммутации больших токов нагрузки.

Расчет тока насыщения транзистора

Ток насыщения транзистора можно рассчитать по следующей формуле:

IC(sat) = VCC / RC

Где:

• IC(sat) — ток насыщения коллектора
• VCC — напряжение питания
• RC — сопротивление коллекторной нагрузки

Для обеспечения надежного насыщения ток базы выбирают в 1.5-2 раза больше расчетного значения IC(sat)/β.

Применение режима насыщения транзистора

Режим насыщения транзистора широко применяется в следующих областях:

• Цифровые логические схемы
• Ключевые каскады для коммутации больших токов
• Импульсные источники питания
• Драйверы светодиодов
• Электронные реле

В этих применениях транзистор используется как управляемый ключ с малым падением напряжения в открытом состоянии.

Как измерить ток насыщения транзистора?

Для измерения тока насыщения транзистора можно использовать следующую методику:

1. Собрать схему с общим эмиттером и резистивной нагрузкой в цепи коллектора
2. Подать на базу ток, превышающий расчетное значение IC/β в 2-3 раза
3. Измерить ток коллектора — это и будет ток насыщения при данных условиях
4. Убедиться, что напряжение VCE снизилось до значения VCE(sat)

Важно обеспечить достаточное охлаждение транзистора при измерениях, чтобы избежать теплового пробоя.

Влияние температуры на ток насыщения

Температура оказывает существенное влияние на ток насыщения транзистора. При повышении температуры наблюдаются следующие эффекты:

• Увеличение тока утечки коллекторного перехода
• Рост коэффициента усиления по току β
• Снижение напряжения база-эмиттер VBE

Все эти факторы приводят к росту тока насыщения при повышении температуры. Типичный температурный коэффициент составляет 0.5-1% на градус Цельсия.

Ограничения по току насыщения

При работе транзистора в режиме насыщения необходимо учитывать следующие ограничения:

• Максимально допустимый ток коллектора IC max
• Максимальная рассеиваемая мощность Pmax
• Максимальное напряжение коллектор-эмиттер VCE max
• Время восстановления при выключении

Превышение этих параметров может привести к выходу транзистора из строя или ухудшению его характеристик.

Сравнение режимов насыщения и активного режима

Режим насыщения транзистора существенно отличается от активного режима:

Параметр	Режим насыщения	Активный режим
Напряжение VCE	Минимальное (0.1-0.3 В)	Выше VCE(sat)
Ток коллектора IC	Максимальный	Пропорционален току базы
Коэффициент усиления	Значительно снижен	Максимальный
Применение	Ключевые схемы	Усилительные каскады

В активном режиме транзистор работает как усилитель тока, в режиме насыщения — как ключ.

Заключение

Ток насыщения является важной характеристикой биполярного транзистора, определяющей его предельные возможности в ключевых применениях. Понимание особенностей работы транзистора в режиме насыщения позволяет эффективно использовать его в различных электронных устройствах.

Правильный выбор рабочей точки и обеспечение надежного насыщения транзистора — ключевые факторы при разработке ключевых каскадов и цифровых схем на биполярных транзисторах.

Режим насыщения транзистора — теория и практика

Между простой переключающей схемой и линейным усилителем на транзисторе имеется очевидное различие. В нормально работающем линейном усилителе коллекторный ток всегда прямо пропорционален базовому току. В переключающей схеме, такой как на рис. 1., коллекторный ток определяется, главным образом, напряжением питания VCC и сопротивлением нагрузки RL. Режим насыщения транзистора является достаточно важным и заслуживает подробного обсуждения. Рис. 1. Иллюстрация режима насыщения. Транзистор действует как ключ для включения лампы. Рассмотрим, что происходит с коллекторным током в схеме на рис. 1, если базовый ток постепенно увеличивается, начиная от нуля. Когда ключ S 1 разомкнут, базовый ток не течет и ток коллектора ничтожно мал. Замыкание S1 приводит к появлению тока базы IB = VCC/RB, где мы пренебрегли разностью потенциалов на переходе база-эмиттер. Ток коллектора, протекающий по нагрузке RL, равен IC=hFEVCC/RB. Для конкретной схемы, приведенной на рисунке, при hFE = 100 и при максимальном значении RB (50 кОм) получим: IC=100×10/5000 А=20 мА Падение напряжения на RL определяется произведением RLIC и в нашем случае равно 50 х 0,02 = 1 В. Транзистор при этом находится в линейном режиме; уменьшение RB приводит к увеличению тока базы, увеличению тока коллектора и, следовательно, к увеличению падения напряжения на RL. В этих условиях схема могла бы быть использована как усилитель напряжения. Теперь рассмотрим случай, когда RB=hFERL и ток базы равен IB=VCC/RB=VCC/(hFERL) Следовательно, коллекторный ток равен IC=(hFEVCC)/(hFERL)=VCC/RL С точки зрения нагрузки транзистор ведет себя как пара контактов ключа. Из закона Ома следует, что ток нагрузки в этой ситуации не может превышать величины VCC/RL. Поэтому дальнейшее увеличение тока базы не может увеличить ток коллектора, который определяется теперь только сопротивлением нагрузки и напряжением питания. Транзистор находится в насыщении. На практике при насыщении транзистора между коллектором и эмиттером всегда остается небольшое напряжение, обычно обозначаемое V CE(sat). Как правило, оно меньше 1 В и может доходить до 0,1 B y транзисторов, специально предназначенных для работы в качестве ключей. Обычно VCE(sat) уменьшается по мере того, как через переход база-эмиттер течет все больший ток, то есть в случае, когда отношение тока коллектора IC к току базы IB становится значительно меньше, чем коэффициент усиления тока транзистора hFE. Грубо говоря, глубокое насыщение (малое значение VCE(sat)) имеет место, когда IC/IB < hFE/5 Для схемы типа той, какая показана на рис. 1, когда ток базы задается просто подключением резистора к источнику питания, мы выбираем RB/RL < hFE /5 Следовательно, для схемы на рис. 1, принимая типичное для транзистора 2N3053 (аналог КТ630Б — см. аналоги отечественных и зарубежных транзисторов) значение коэффициента усиления тока hFE = 150, имеем RB/RL < 150/5 = 30. Следовательно, при RL = 50 Ом мы выбираем RB < 30 х 50 Ом = 1,5 кОм. Итак, если в качестве нагрузки используется лампа с сопротивлением 50 Ом, то для ее эффективного включения нам следует выбрать сопротивление базового резистора меньше 1,5 кОм. Если это невозможно, когда, например, в качестве RB используется фоторезистор с минимальным сопротивлением 10 кОм, то следует воспользоваться схемой Дарлингтона, чтобы увеличить коэффициент усиления тока. Если биполярный транзистор работает с током коллектора, близким к максимальному, и нужно поддержать напряжение VCE(sat) на уровне долей вольта, то из-за уменьшения h FE может понадобиться базовый ток больше, чем Iс/10. Возможно покажется неожиданным, что VCE(sat) может быть много меньше, чем напряжение VBE, которое у кремниевого транзистора равно примерно 0,6 В. Происходит это потому, что в режиме насыщения переход коллектор-база смещен в прямом направлении. Следовательно, мы имеем два р-n перехода, смещенных в прямом направлении, включенных навстречу друг другу так, что падения напряжения на них взаимно компенсируются. Эта способность биполярного транзистора иметь в режиме насыщения очень маленькое падение напряжения между коллектором и эмиттером, делает его весьма полезным переключающим прибором. Многие из наиболее важных применений электроники, включая обширную область цифровой электроники, используют переключающие схемы. В режиме переключений транзистор работает либо с фактически нулевым током коллектора (транзистор выключен) или с фактически нулевым напряжением на коллекторе (транзистор включен). В обоих случаях мощность, рассеиваемая на транзисторе, очень мала. Значительная мощность рассеивается только в то время, когда происходит переключение: в это время и напряжение коллектор-эмиттер и ток коллектора имеют конечные значения. Маломощный транзистор, такой как 2N3053, с максимально допустимой рассеиваемой мощностью менее одного ватта, может переключать мощность в нагрузке в несколько ватт. Следует обратить внимание на то, что максимальные значения коллекторного напряжения и тока не должны выходить за допустимые пределы; кроме того, желательно осуществлять переключения возможно быстрее, чтобы избежать рассеяния чрезмерно большой мощности.

Ток насыщения Калькулятор | Вычислить Ток насыщения

✖Площадь база-эмиттер определяется как площадь поперечного сечения перехода база-эмиттер в усилителе.ⓘ Зона базы-эмиттера [Abe]		акрАкко (служба США)НаходятсяАрпентамбарКарроКруговая дюймаКруговая MilCuerdaарамДунамРаздел электрон КрестаГаусадьбаMuпингплощадьPyongклочок землиСабинРазделКвадратный АнгстремПлощадь СантиметрПлощадь цепи Площадь декаметровойквадратный дециметрКвадратный футКвадратный фут (служба США)Площадь гектометровыеКвадратный дюймквадратный километрКвадратный метрПлощадь микрометраПлощадь MilКвадратная миляКвадратная миля (римская)Квадратная миля (Статут)Квадратная миля (служба США)Площадь МиллиметрПлощадь NanometreМера площадиПлощадь полюсаПлощадь РодКвадратный Rod (служба США)Квадратный дворрастяжениегородокВарас Castellanas CuadВарас Conuqueras Cuad	+10% -10%
✖Электронная диффузия — это диффузионный ток — это ток в полупроводнике, вызванный диффузией носителей заряда (дырок и/или электронов). ⓘ Электронная диффузия [Dn]		Квадратный сантиметр в секундуКвадратный дюйм в секундуКвадратный метр в секунду	+10% -10%
✖Концентрация теплового равновесия 2 определяется как концентрация носителей в усилителе.ⓘ Тепловая равновесная концентрация [npo1]		1 на кубический сантиметр1 на кубический метрза литрна миллилитр	+10% -10%
✖Ширина базового перехода — это параметр, указывающий ширину базового перехода любого элемента аналоговой электроники.ⓘ Ширина базового соединения [Wbase]		створаАнгстремарпанастрономическая единицаАттометрAU длиныЯчменное зерноМиллиардный светБор РадиусКабель (международный)Кабель (UK)Кабель (США)калибрсантиметрцепьCubit (греческий)Кубит (Длинный)Cubit (Великобритания)ДекаметрДециметрЗемля Расстояние от ЛуныЗемля Расстояние от СолнцаЭкваториальный радиус ЗемлиПолярный радиус ЗемлиРадиус электрона (классическая)флигельЭкзаметрFamnВникатьFemtometerФермиПалец (ткань)ширина пальцаФутFoot (служба США)ФарлонгГигаметрРукаЛадоньгектометрдюймкругозоркилометркилопарсеккилоярдлигаЛига (Статут)Световой годСсылкаМегаметрМегапарсекметрмикродюйммикрометрмикронмилмилиМиля (Роман)Миля (служба США)МиллиметрМиллион светлого годаNail (ткань)нанометрМорская лига (международная)Морская лига ВеликобританииМорская миля (Международный)Морская миля (Великобритания)парсекОкуньпетаметрцицеропикометраПланка ДлинаТочкаполюскварталРидРид (длинный)прутРоман Actusканатныйрусский АрчинSpan (ткань)Солнечный радиусТераметрТвипVara КастелланаVara ConuqueraVara De ФаареяДворЙоктометрЙоттаметрЗептометрЗеттаметр	+10% -10%

✖Ток насыщения — это плотность тока утечки диода в отсутствие света. Это важный параметр, который отличает один диод от другого.ⓘ Ток насыщения [Is1]

AbampereАмперАттоамперБайотсантиамперСГС ЭМБлок ЭС СГСДециамперДекаампереEMU текущегоESU текущегоExaampereФемтоамперГигаамперГилбертгектоамперкилоамперМегаампермикроамперМиллиампернаноамперПетаамперПикоамперStatampereтераамперЙоктоампереЙоттаампереZeptoampereZettaampere

⎘ копия

👎

Формула

сбросить

👍

Ток насыщения Решение

ШАГ 0: Сводка предварительного расчета

ШАГ 1. Преобразование входов в базовый блок

Зона базы-эмиттера: 0.12 Квадратный метр —> 0.12 Квадратный метр Конверсия не требуется
Электронная диффузия: 0.8 Квадратный сантиметр в секунду —> 8E-05 Квадратный метр в секунду (Проверьте преобразование здесь)
Тепловая равновесная концентрация: 1E+15 1 на кубический метр —> 1E+15 1 на кубический метр Конверсия не требуется
Ширина базового соединения: 0.85 микрометр —> 8.5E-07 метр (Проверьте преобразование здесь)

ШАГ 2: Оцените формулу

ШАГ 3: Преобразуйте результат в единицу вывода

0.00180951712376471 Ампер —>1.80951712376471 Миллиампер (Проверьте преобразование здесь)

< 6 Методы смещения Калькуляторы

Ток насыщения формула

Ток насыщения = (Зона базы-эмиттера*[Charge-e]*Электронная диффузия*Тепловая равновесная концентрация)/Ширина базового соединения
I_s1 = (A_be*[Charge-e]*D_n*n_po1)/W_base

Что такое ток насыщения в транзисторе?

транзистор будет смещен так, что будет приложена максимальная величина базового тока, что приведет к максимальному току коллектора, что приведет к минимальному падению напряжения коллектор-эмиттер, в результате чего слой обеднения будет как можно меньше, а через транзистор протекает максимальный ток. Поэтому транзистор переключается в положение «Полностью ВКЛ». Тогда мы можем определить «область насыщения» или «режим ВКЛ» при использовании биполярного транзистора в качестве переключателя как когда оба перехода смещены в прямом направлении, VB> 0,7 В и IC = Максимум. Для транзистора PNP потенциал эмиттера должен быть положительным по отношению к базе.

Share

Copied!

Ток насыщения транзистора — Электротехника Stack Exchange

Просто, чтобы сделать заметки о моих предположениях, прежде чем говорить:

• Эти непомеченные кривые указаны для \$I_\text{B}\$, установленных на определенные значения. Это означает, что базовый ток фиксирован для каждой кривой и не изменяется.
• Значение \$V_\text{CE}\$ — это ось \$x\$, а \$I_\text{C}\$ — ось \$y\$.

Ваш вопрос в том, как интерпретировать то, что вы там видите.

---

Как отклоняется \$V_\text{CE}\$?

Я подозреваю, что вы воображаете, что на базе используется источник постоянного тока, а также источник напряжения на верстаке, где кто-то просто крутит ручку на источнике напряжения, чтобы изменить напряжение на \$V_\text{CE }\$, отображая ток, который сообщает источник напряжения (или измеритель).

Думаю, можно было бы попробовать и так. Но это не поможет вам понять, что происходит, почти так же хорошо, как думать об этом по-другому. Поэтому я изложу это вам по-другому и посмотрю, поможет ли это лучше.

Предположим, что вместо изменения источника напряжения, подсоединенного непосредственно к эмиттеру и коллектору, по-прежнему имеется источник постоянного тока на базе, но теперь фиксированное значение напряжения (скажем, \$10\:\text{V}\$) равно установлен, и между этим источником напряжения и коллектором используется переменный резистор. (Если NPN, эмиттер заземлен или на отрицательной шине питания.)

Значение для \$V_\text{CE}\$ измеряется соответствующим образом подключенным вольтметром по мере изменения сопротивления резистора. Предполагая, что \$\beta\$ примерно фиксировано в активном режиме, значение \$I_\text{C}\$ не должно изменяться при изменении резистора. Но \$V_\text{CE}\$ будет меняться, потому что на резисторе будет падать напряжение, которое зависит от его сопротивления. Это означает, что мы все еще можем построить график \$I_\text{C}\$ против \$V_\text{CE}\$.

Мы ожидаем увидеть:

$$V_\text{CE}=10\:\text{V} — R_\text{POT}\cdot I_\text{C}$$

Но что происходит, когда это переменное сопротивление становится настолько большим, что второй член в приведенном выше уравнении, \$R_\text{POT}\cdot I_\text{C}\$, близок к \$10\:\text{V}\$? Конечно, не может быть, чтобы \$V_\text{CE}\$ стало отрицательным, верно! Этого не может быть.

Что начинает происходить, так это то, что \$V_\text{CE}=10\:\text{V} — R_\text{POT}\cdot I_\text{C}\$ приближается к напряжению на базе (которое вероятно, где-то между \$600\:\text{mV}\$ и \$900\:\text{мВ}\$ для небольшого сигнального устройства.) Поскольку падение напряжения, представленное во втором члене, заставляет \$V_\text{CE}\$ ниже этого базового напряжения, переход база-коллектор становится прямым смещается и начинает проводить значительный собственный ток, который может стать довольно большим, если напряжение на коллекторе очень близко приближается к напряжению на эмиттере.

Имейте в виду, что мы используем источник тока на базе. Таким образом, этот недавно развивающийся ток прямого смещения база-коллектор не добавляется к току базы. Важно, чтобы вы держали этот факт в уме. Там есть источник тока, так что это просто невозможно изменить каким-либо образом. Вместо этого этот недавно разработанный ток базы-коллектора с прямым смещением забирает из тока рекомбинации, необходимого для протекания коллекторного тока.

Подаваемый базовый ток теперь разделен на две значимые части: (1) \$I_{\text{F}_\text{BC}}\$, ток диода BC прямого смещения ; и, (2) \$I_{\text{F}_\text{RECOMB}}\$, ток рекомбинации, необходимый для протекания токов коллектора .

Теперь \$I_\text{B}=I_{\text{F}_\text{RECOMB}}+I_{\text{F}_\text{BC}}\$, поэтому очевидно:

$$I_{\text{F}_\text{RECOMB}}=I_\text{B}-I_{\text{F}_\text{BC}}$$

Или, другими словами, недавно разработанный ток диода база-коллектор с прямым смещением забирает у доступный ток рекомбинации, который позволяет протекать току коллектора. В результате ток коллектора снижается.

И чем больше становится этот ток диода база-коллектор при прямом смещении (чем больше становится напряжение база-коллектор при прямом смещении), тем глубже в насыщение является транзистором, так как остаточный ток рекомбинации быстро снижается. «Поверхностное насыщение» означает, что ток диода база-коллектор при прямом смещении составляет лишь небольшую часть от общего тока базы. «Глубокое насыщение» означает, что ток диода база-коллектор при прямом смещении составляет большую часть общего тока базы.

(Это также происходит, если вы подаете это напряжение непосредственно между коллектором и эмиттером, поскольку эти и означают, что ток диода база-коллектор с прямым смещением вычитается из доступного тока базы.) 9Транзисторы 0003

— Как найти ток насыщения для BJT из таблицы данных?

спросил 7 лет, 1 месяц назад

Изменено 7 лет, 1 месяц назад

Просмотрено 12 тысяч раз

\$\начало группы\$

Ток насыщения является одним из параметров в модели Эберса-Молля, но я не могу найти его в даташитах. Я изучаю таблицы данных SC1627 и BC856. Как его найти?

В отличие от Как насытить транзистор NPN? Я хочу знать влияние тока насыщения на значение тока коллектора в реальных условиях в соответствии с моделью Ebers Moll

• транзисторы
• насыщение

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Самый простой способ найти разумные числа для параметров Эберса-Молла — это посмотреть на существующие модели SPICE.

Например, BC856 ISC = 1,633E-14 (модель NXP).

ISC — ток насыщения база-коллектор.

Есть также IS ток насыщения при транспортировке и ISE ток насыщения утечки база-эмиттер.

Получение достаточно точной модели из таблицы данных BJT нетривиально. Вы можете найти довольно длинное описание здесь.

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Вы не можете его найти, потому что в реальном BJT нет «Тока насыщения».