Một câu hỏi về Vce của một NPN BJT trong vùng bão hòa

Dưới đây là ký hiệu bóng bán dẫn NPN và các điện áp tại các cực của nó là Vb, Vc và Ve đối với mặt đất:

Tôi đọc rằng: trong quá trình bão hòa, Vce = (Vc-Ve) lắng xuống khoảng 0,2V và sự gia tăng hơn nữa của dòng cơ sở sẽ không làm cho Vce bằng không.

Nhưng tại sao Vce không trở thành số không?

Theo như tôi biết: khi bóng bán dẫn bão hòa, đường giao nhau của bộ thu cơ sở bật, giống như một diode, do đó điện áp của bộ thu sẽ theo mức tăng điện áp cơ sở, chỉ có nó sẽ là một diode giảm xuống bên dưới. Nhưng điều tương tự xảy ra giữa điện áp cơ sở và điện áp phát. Vì vậy, ở độ bão hòa và xa hơn người ta có thể viết như sau (?):

Chúng ta hãy gọi diode giảm là Vd giữa các điểm nối p và n, do đó, bộ thu và điện áp bộ phát có thể được viết lại theo điện áp cơ sở là:

Vc = Vb- Vd

Ve = Vb -Vd

Vce = Vc -Ve = 0

Tôi sai ở đâu đây?

Các bóng bán dẫn đi vào bão hòa không phải là một thuộc tính của chính bóng bán dẫn, mà thay vào đó là một thuộc tính của mạch xung quanh bóng bán dẫn và bóng bán dẫn, như là một phần của nó.

Trường hợp đơn giản nhất để tưởng tượng là một công tắc NPN. Tôi sẽ trình bày hai mạch chuyển đổi khác nhau như vậy để làm rõ điểm trên một cách cụ thể:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Hãy giả sử một sự hoàn hảo $\beta=100$trong cả hai trường hợp được hiển thị. Chúng tôi sẽ tăng dòng điện hiện tại vào cơ sở (của một hoặc cả hai NPN) từ$0\:\mu\textrm{A}$ đến $100\:\mu\textrm{A}$. Trong cả hai trường hợp, mối quan hệ của$I_C=\beta\cdot I_B=100\cdot I_B$ sẽ được coi là giữ cho đến khi một số giới hạn khác buộc mối quan hệ này thay đổi.

Trong mạch bên trái, khi dòng cơ sở tăng, dòng thu gom được phép cũng tăng. Khi nào$I_B=90\:\mu\textrm{A}$, sau đó $I_C=9\:\textrm{mA}$ và điện áp rơi trên $R_1$ sẽ là $I_C\cdot R_1=9\:\textrm{mA}\cdot 1\:\textrm{k}\Omega=9\:\textrm{V}$. Điều này hoạt động tốt, vì khi đó điện áp collector sẽ$V_C=10\:\textrm{V}-I_C\cdot R_1=1\:\textrm{V}$. Điện áp này là giữa đường sắt mặt đất của$0\:\textrm{V}$ và đường sắt cung cấp điện của $10\:\textrm{V}$ và vì bóng bán dẫn chưa bão hòa, như tôi vẫn mong đợi $V_C\ge V_B$ (được $V_E=0\:\textrm{V}$.) Nhưng như $I_B$ vẫn tăng hơn nữa về phía $I_B=100\:\mu\textrm{A}$, Tôi hy vọng điện áp collector sẽ giảm hơn nữa đến trường hợp cuối cùng trong đó $V_C=0\:\textrm{V}$ khi điện áp giảm $R_1$ đạt đến mức đầy đủ $10\:\textrm{V}$. Điều này giả định rằng người sưu tầm thực sự có thể đạt được một tình huống như vậy. Nhưng nó không thể. Nhưng trước khi thảo luận tại sao, hãy chuyển sang phía bên phải.

Nhìn vào sơ đồ bên phải, bạn thấy điều tương tự ngoại trừ $R_2=10\:\textrm{k}\Omega$, thay thế. Các chi tiết khác vẫn giữ nguyên. Trong trường hợp này, mặc dù, điện áp giảm trên$R_2$ sẽ đạt được $9\:\textrm{V}$ khi nào $I_B=9\:\mu\textrm{A}$ và $I_C=900\:\mu\textrm{A}$ và đầy đủ $10\:\textrm{V}$ sụt điện áp khi $I_B=10\:\mu\textrm{A}$. Giả sử điều này thậm chí có thể xảy ra, thì chuyện gì sẽ xảy ra khi$I_2$ nguồn hiện tại vẫn tăng hơn nữa?

Chà ... không còn gì có thể xảy ra nữa. Không có cách nào có thể giảm điện áp lớn hơn trên điện trở collector,$R_2$. Để làm như vậy sẽ yêu cầu$Q_2$Bộ thu để chuyển sang giá trị điện áp âm so với mặt đất. Nhưng không có nguồn cho điện áp âm có sẵn và trong khi$Q_2$ruột của có thể có thể tạo ra điện áp ở giữa $0\:\textrm{V}$ và $10\:\textrm{V}$, $Q_2$Ruột không thể tạo ra điện áp ngoài phạm vi ngoài không khí mỏng. Nó không xảy ra.

Vì vậy, quá trình dừng lại ở đây. Nhiều cơ sở hiện tại không đạt được gì. Bạn có thể áp dụng nó, tất nhiên. Không có gì để ngăn chặn$I_2$ từ tiếp tục ngay đến đầy đủ $100\:\mu\textrm{A}$. Vì vậy, nó hoạt động tốt. Nhưng điện áp collector không thể tiếp tục hướng xuống nữa. Vì vậy, dòng thu chỉ dừng lại, bất kể dòng cơ sở. Kết quả là hiệu quả$\beta$ giảm từ 100 xuống một số giá trị thấp hơn, sau đó.

Mặc dù vậy, tất cả những gì đã nói, một BJT thực sự thậm chí không thể khiến điện áp của bộ thu khớp chính xác với điện áp bộ phát của nó. Diode bộ thu cơ sở có thể chuyển sang chế độ phân cực thuận để cho phép bộ thu thả. Và nó phải làm điều đó, nếu nó sẽ vắt kiệt những dòng nhỏ giọt cuối cùng còn lại để dòng điện áp trên điện trở của bộ thu có thể tăng thêm một chút nữa. Nhưng tại một số điểm trước khi điện áp collector đạt đến điện áp bộ phát, quá trình dừng lại. Phải có ít nhất một sự khác biệt điện áp nhỏ còn lại, chỉ để hoạt động. Điều này có thể làm cho diode phát cơ sở bị lệch về phía trước với$800\:\textrm{mV}$ trong khi diode thu thập cơ sở được phân cực thuận với $600\:\textrm{mV}$, vậy nên $V_{CE}=200\:\textrm{mV}$. Nhưng các diode cơ sở-collector không thể hơn thiên vị về phía trước so với diode base-emitter. Bởi vì làm như vậy sẽ đòi hỏi BJT phải đưa ra một điện áp collector không thể mà nó không thể quan sát được và không thể tạo ra không khí mỏng. (Ít nhất, trong các mạch tôi đã trình bày ở trên.)

Tại thời điểm này, cũng cần phải rõ ràng rằng các mạch bên ngoài có vấn đề . Hai mạch này giống hệt nhau ngoại trừ tải collector. Nhưng giới hạn của dòng collector phụ thuộc vào giá trị điện trở của collector, cũng như BJT. Vì vậy, độ bão hòa tốt nhất không được xem như chỉ là một chi tiết bên trong của BJT mà thay vào đó nó cũng phụ thuộc vào những gì xung quanh BJT.

Một cách khác để nói điều này là bóng bán dẫn dần dần đi vào trạng thái bão hòa khi dòng collector, kết hợp với tải collector bên ngoài nó, làm cho điện áp collector di chuyển theo cách mà diode diode collector cơ sở chuyển từ bị lệch sang trở nên thiên về phía trước. Trong khi đường giao nhau BC vẫn bị phân cực ngược, bóng bán dẫn ở chế độ hoạt động . Khi đường giao nhau BC chuyển sang phân cực thuận, BJT ở chế độ bão hòa . Tuy nhiên, bão hòa là dần dần theo nghĩa$\beta$ giảm dần và không thay đổi đột ngột (đó không phải là hiệu ứng giống như chuyển đổi) - trong các ví dụ trên, nơi dòng điện cơ sở đang dần thay đổi.

Đối với mục đích thiết kế, nếu bạn muốn có hành vi chuyển đổi thì bạn dự đoán quy trình trên và chỉ thiết kế xung quanh một số giá trị của $\beta$mà bạn muốn đạt được cho chuyển đổi của bạn. Nếu bạn tra cứu nó trên một biểu dữ liệu, thường sẽ có một đường cong cho thấy mức độ khác biệt nhỏ giữa bộ thu và bộ phát có thể đạt được theo một số mong muốn$\beta$. Hoặc, ít nhất, một ví dụ cho$\beta=10$thường được coi là một trường hợp bão hòa cao đối với hầu hết (nhưng không phải tất cả) các BJT. Vì mạch ngoài có thể được thiết kế để buộc thấp$\beta$kết quả là tất cả đều hoạt động tốt (Tất nhiên, bạn vẫn phải ghi nhớ sự tiêu tan và những hạn chế khác đối với BJT.)

Hy vọng rằng, điều đó sẽ giúp.

Lý thuyết rất đơn giản là tốt. Tuy nhiên, thực tế phức tạp hơn, một bóng bán dẫn không phải là hai điốt lý tưởng, bị cô lập.

Trong số các chi tiết, chúng tôi có điện trở còn lại của điốt, cách chuyển tiếp thiên vị thay đổi độ cao hàng rào hiệu quả trong bão hòa, lan truyền điện tích, làm cho sơ đồ NPN đơn giản hoạt động như một bóng bán dẫn hữu ích bao gồm rất nhiều công nghệ.

Cho rằng điện áp chuyển tiếp của đường giao nhau là 0,7v, VCE của 0,2v là "khoảng 0". Đo một vài loại bóng bán dẫn khác nhau ở một vài dòng điện, bạn sẽ thấy mức chênh lệch khá cao từ 0,2v tùy theo điều kiện.

Bạn có thể mua các bóng bán dẫn đã được thiết kế để có VCEsat rất thấp. IIRC, một số bộ phận Zetek có VCEsat rất thấp.