Просмотр кода страницы Электроника:Полупроводники/Биполярные транзисторы/Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП)

{{Панель управления/Электроника}}
{{Перевод от valemak}}
{{Myagkij-редактор}}

=Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП)<ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-4/active-mode-operation-bjt/ www.allaboutcircuits.com - Active-mode Operation (BJT)]</ref>=

Когда [[транзистор]] находится в полностью выключенном состоянии (например, когда разомкнут переключатель и на базу не подаётся управляющий ток), говорят, что он в ''режиме отсечки'' (''закрытом режиме''). И наоборот, когда он полностью проводящий между [[эмиттер]]ом и [[коллектор]]ом (т.е. пропускает через [[коллектор]] столько тока, сколько позволяют источник питания [[коллектор]]а и нагрузка), то говорят, что он в ''режиме насыщения'' (''открытом режиме''). До этих пор мы пока что исследовали именно эти два режима работы, рассматривая [[транзистор]] в качестве переключателя.

Однако работа [[биполярных транзисторов]] не ограничивается только этими двумя крайностями. Как мы узнали в предыдущем разделе, базовый ток как бы «открывает затвор», пропуская ограниченное количество тока через [[коллектор]]. Если этот предел для регулируемого тока больше нуля, но меньше максимально допустимого для цепи питания и нагрузки, [[транзистор]] «дросселирует» коллекторный ток в режиме где-то между отсечкой и насыщением. Такой «средний» режим работы называется ''активным режимом''.

== Режим отсечки, режим насыщения и активный режим ==

Проведём аналогию с автомобилем:

'''Режим отсечки''' – это отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, заставляющие его двигаться. В режиме отсечки тормоз включён (нулевой базовый ток), предотвращая движение (нулевой коллекторный ток).

'''Активный режим''' – это движение автомобиля с постоянной регулируемой скоростью (постоянный контролируемый коллекторный ток) туда, куда нужно водителю.

'''Режим насыщения''' – автомобиль движется вверх по крутому склону, что мешает ему двигаться настолько быстро, как хотел бы водитель. Другими словами, «насыщенный» автомобиль – это когда педаль газа нажата до упора (базовый ток требует большего коллекторного тока, чем может обеспечить цепь питания/нагрузки). Давайте настроим схему для моделирования [[SPICE]], чтобы продемонстрировать, что происходит, когда [[транзистор]] находится в активном режиме работы:

{| class="wikitable" style="margin:0 auto"
|-
| [[File:III-04_4_1.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 1.''' Схема для моделирования SPICE в «активном режиме» и список соединений.|alt=Рис. 1. Схема для моделирования SPICE в «активном режиме» и список соединений.]] || bipolar transistor simulation<br />i1 0 1 dc 20u<br />q1 2 1 0 mod1<br />vammeter 3 2 dc 0<br />v1 3 0 dc<br />.model mod1 npn<br />.dc v1 0 2 0.05<br />.plot dc i (vammeter)<br />.end
|}

В англоязычной технической литературе «Q» – это стандартное буквенное обозначение [[транзистор]]а на принципиальной схеме, так же как «R» - для [[резистор]]а, а «C» - для [[конденсатор]]а (в русскоязычной литературе по электронике [[транзистор]]ы на схемах принято обозначать как «VT»). В этой схеме у нас есть [[NPN транзистор]], питаемый от батареи (V<sub>1</sub>) и управляемый током от источника тока (I<sub>1</sub>).

''[[Источник тока]]'' – это устройство, которое выдаёт определённое количество тока, генерируя ровно столько напряжения на своих выводах, чтобы обеспечить точное количество тока, исходящее из источника. Источники тока, как известно, трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, напротив, поддерживают постоянное напряжение, выдавая нужное количество тока для той или иной цели), но их можно самостоятельно сконструировать с помощью небольшого набора электронных компонентов. Как мы скоро увидим, сами транзисторы имитируют поведение источника тока, так как умеют при постоянном базовом токе регулировать коллекторный ток, выдавая его в фиксированном количестве.

В моделировании [[SPICE]] мы установим источник тока (I<sub>1</sub>) на постоянное значение 20 мкА, затем изменим напряжение на батарее (V<sub>1</sub>) в диапазоне от 0 до 2 вольт и будем отслеживать, сколько тока проходит через него. «Фиктивная» батарея на схеме выше с её выходным напряжением 0 В нужна для моделирования в [[SPICE]], так как нам нужен элемент, на котором мы бы измеряли ток (как если бы мы в этом месте подключили амперметр).

[[File:III-04_4_2.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 2.''' Увеличение напряжения [[коллектор]]а от 0 до 2 В при постоянном базовом токе 20 мкА даёт постоянный коллекторный ток 2 мА в области насыщения.|alt=Рис. 2. Увеличение напряжения коллектора от 0 до 2 В при постоянном базовом токе 20 мкА даёт постоянный коллекторный ток 2 мА в области насыщения.]]

Постоянный базовый ток 20 мкА устанавливает ограничение коллекторного тока в 2 мА, что ровно в 100 раз больше. Обратите внимание, насколько плоская кривая (рисунок 2 выше) для коллекторного тока в диапазоне напряжения батареи от 0 до 2 вольт. В целом это невыразительно «плоский» график, за исключением его самого начала, когда напряжение на батарее увеличивается от 0 до 0,25 вольт. Здесь коллекторный ток быстро увеличивается от 0 ампер до своего предельного значения 2 мА.

Посмотрим, что произойдёт, если мы изменим напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Мы будем поддерживать постоянный базовый ток на уровне 20 мкА:

{| class="wikitable" style="margin:0 auto"
|-
| [[File:III-04_4_3.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 3.''' Изменение напряжения [[коллектор]]а от 0 до 50 В при постоянном базовом токе 20 мкА даёт постоянный коллекторный ток 2 мА.|alt=Рис. 3. Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В при постоянном базовом токе 20 мкА даёт постоянный коллекторный ток 2 мА.]]  || bipolar transistor simulation<br />i1 0 1 dc 20u<br />q1 2 1 0 mod1<br />vammeter 3 2 dc 0<br />v1 3 0 dc<br />.model mod1 npn<br />.dc v1 0 50 2<br />.plot dc i (vammeter)<br />.end
|}

Тот же результат! Коллекторный ток стабильно составляет 2 мА, хотя напряжение аккумулятора (V<sub>1</sub>) варьируется от 0 до 50 вольт. Из нашего моделирования может создаться впечатление, что напряжение между [[коллектор]]ом и [[эмиттер]]ом мало влияет на коллекторный ток, за исключением уж совсем низких уровней (если чуточку выше 0 вольт). [[Транзистор]] таким образом действует как ''регулятор тока'', пропуская через коллектор ровно 2 мА и ни микроампером больше.

Теперь посмотрим, что произойдёт, если мы увеличим управляющий ток (I<sub>1</sub>) с 20 мкА до 75 мкА, снова изменив напряжение аккумулятора (V<sub>1</sub>) с 0 до 50 В и построив график коллекторного тока:

{| class="wikitable" style="margin:0 auto"
|-
| [[File:III-04_4_4.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 4.''' Изменение напряжения [[коллектор]]а от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном базовом токе 75 мкА даёт постоянный коллекторный ток 7,5 мА. Другие кривые генерируются с помощью развертки по току (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа постоянного тока (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).|alt=Рис. 4. Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном базовом токе 75 мкА даёт постоянный коллекторный ток 7,5 мА. Другие кривые генерируются с помощью развертки по току (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа постоянного тока (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).]] || bipolar transistor simulation<br />i1 0 1 dc 75u<br />q1 2 1 0 mod1<br />vammeter 3 2 dc 0<br />v1 3 0 dc<br />.model mod1 npn<br />.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u<br />.plot dc i (vammeter)<br />.end
|}

Немудрено, что [[SPICE]] даёт нам похожий график: ровная линия, на сей раз стабильно удерживающаяся на уровне 7,5 мА – ровно в 100 раз больше базового тока – в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт. Похоже, что базовый ток является решающим фактором для коллекторного тока, напряжение батареи V1 не имеет значения, пока оно выше определённого минимального уровня.

Это соотношение напряжение/ток полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на [[резистор]]е. В случае с резистором ток увеличивается линейно с увеличением напряжения на нём. Здесь же, с [[транзистор]]ом, ток от [[эмиттер]]а к [[коллектор]]у остаётся ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько высоко увеличивается напряжение на [[эмиттер]]е и [[коллектор]]е. 

Часто бывает полезно наложить друг на друга несколько графиков ток/напряжение [[коллектор]]а для разных базовых токов, как на рисунке 5 ниже. Набор подобных кривых (построенных для каждого отдельного уровня базового тока) для конкретного транзистора, называется ''характеристическими кривыми [[транзистор]]а'':

[[File:III-04_4_5.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 5.''' Коллекторный ток в зависимости от напряжения [[коллектор]]/[[эмиттер]] для различных базовых токов.|alt=Рис. 5. Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор/эмиттер для различных базовых токов.]]

Каждая кривая на этом графике отражает коллекторный ток [[транзистор]]а, построенный в диапазоне напряжений [[коллектор]]/[[эмиттер]] для заданной величины базового тока. Поскольку [[транзистор]] склонен вести себя как регулятор тока, ограничивая коллекторный ток [[коллектор]]а в соотношении, диктуемой базовым током, полезно выразить эту пропорцию как стандартную меру производительности [[транзистор]]а. В частности, отношение коллекторного тока к базовому току известно как ''бета-коэффициент'' (обозначается греческой буквой β):

[[File:III-04_4_6.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 6.''' Бета-коэффициент. β также известен как h<sub>fe</sub> или h<sub>21э</sub>.|alt=Рис. 6. Бета-коэффициент. β также известен как h<sub>fe</sub> или h<sub>21э</sub>.]]

Иногда коэффициент β обозначается как «h<sub>fe</sub>» или «h<sub>21э</sub>» – это метка, используемая в области математического анализа [[полупроводник]]ов, относящаяся к «гибридным параметрам», где нужно стремиться точно предсказать характеристики [[транзистор]]а с помощью подробных уравнений. Переменных из числа «гибридных параметров» немало, но каждая из них помечена общей буквой «h» и определённым нижним индексом. Переменная «h<sub>fe</sub>» («h<sub>21э</sub>») – это просто ещё один (стандартизованный) способ выражения отношения коллекторного тока к базовому току, и она взаимозаменяема с «β». Коэффициент β безразмерный, у него нет единицы измерения.

β для любого [[транзистор]]а определяется его конструкцией: он не может быть изменён после изготовления. Редко бывает, чтобы два [[транзистор]]а одинаковой конструкции точно совпадали из-за физических переменных, влияющих на β. Если конструкция схемы основана на равных отношениях β между несколькими [[транзистор]]ами, «согласованные наборы» [[транзистор]]ов можно приобрести за дополнительную плату. Однако обычно считается плохой практикой проектирования конструировать схемы с такими зависимостями.

β транзистора не остаётся стабильным для разных условий эксплуатации. Для реального [[транзистор]]а коэффициент β может изменяться более чем в 3 раза в пределах его рабочего тока. Например, [[транзистор]] с заявленным β, равным 50, может тестироваться с отношениями I<sub>коллектор</sub>/I<sub>база</sub> от 30 до 100, в зависимости от величины коллекторного тока, температуры [[транзистор]]а и частоты усиленного сигнала, а также могут влиять многие другие факторы. В учебных целях достаточно принять постоянное значение β для любого данного [[транзистор]]а; но при этом следует чётко осознавать, что в реальной жизни всё не так просто!

Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Вот такая модель используется во многих текстах по электронике для начинающих:

[[File:III-04_4_7.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 7.''' Элементарная модель диодно-резисторного транзистора.|alt=Рис. 7. Элементарная модель диодно-резисторного транзистора.]]

В этой модели [[транзистор]] представляет собой комбинацию [[диод]]а и [[реостат]]а ([[переменного резистора]]). Ток, проходящий через диодный переход база/эмиттер контролирует сопротивление [[реостат]]а [[коллектор]]/[[эмиттер]] (это показано с помощью пунктирной линии, соединяющей оба компонента), тем самым управляя коллекторным током. На этой схеме смоделирован [[NPN транзистор]], что касаемо [[PNP транзистор]]а, то он будет слегка другой (диодный переход база/эмиттер будет перевёрнут).

Эта модель хорошо иллюстрирует основную концепцию транзисторного усиления: как сигнал базового тока может влиять на коллекторный ток. Однако эта же модель передаёт ложное представление о том, как устанавливается величина сопротивления [[коллектор]]/[[эмиттер]] для данной величины базового тока. Если бы в жизни было как на этой схеме, [[транзистор]] вообще не регулировал бы коллекторный ток, как показывают характеристические кривые. Вместо того, чтобы кривые коллекторного тока сглаживались после их кратковременного подъёма по мере увеличения напряжения [[коллектор]]/[[эмиттер]], коллекторный ток был бы прямо пропорционален напряжению [[коллектор]]/[[эмиттер]], постоянно возрастая по прямой линии на графике.

Вот вам модель получше, которую часто можно увидеть в более продвинутых учебниках:

[[File:III-04_4_8.jpg|400px|thumb|center|'''Рис. 8.''' Модель [[транзистор]]а ([[диод]] + [[источник тока]]).|alt=Рис. 8. Модель транзистора (диод + источник тока).]]

Здесь [[транзистор]] – комбинация [[диод]]а и [[источника тока]], при этом выход источника тока установлен на кратную величину (тот самый коэффициент β) относительно базового тока. Эта модель гораздо точнее отображает истинные входные/выходные характеристики [[транзистор]]а: базовый ток устанавливает определённую величину коллекторного тока, а не определённую величину сопротивления [[коллектор]]/[[эмиттер]], как предполагала предыдущая модель. Кроме того, эта модель предпочтительна при выполнении сетевого анализа транзисторных схем, поскольку источник тока является хорошо изученным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования поведения [[транзистор]]а по управлению током тоже вводит в заблуждение: ни при каких обстоятельствах [[транзистор]] никогда не будет действовать как источник электроэнергии. Источник тока не моделирует тот факт, что изначально источником энергии является внешний источник питания, а сам [[транзистор]] подобен усилителю.

== Итог ==

* Говорят, что [[транзистор]] находится в активном режиме, если он работает где-то между полностью ''открытым'' (''режим насыщения'') и полностью ''закрытым'' (''режим отсечки'') режимами.
* Базовый ток регулирует коллекторный ток. Под ''регулированием'' мы подразумеваем, что коллекторный ток не может быть больше, чем ему это позволяет базовый ток.
* Соотношение между током [[коллектор]]а и базовым током называется ''бета-коэффициентом''. Обозначается как β или «h<sub>fe</sub>» («h<sub>21э</sub>»).
* Соотношение β различно для каждого [[транзистор]]а, и кроме того:
* β изменяется в зависимости от условий эксплуатации.

=См.также=



=Внешние ссылки=

<references />

{{Навигационная таблица/Портал/Электроника}}

[[Категория:Полупроводники]]
[[Категория:Биполярные транзисторы]]
[[Категория:Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП)]]
[[Категория:ТБП]]
[[Категория:Активный режим работы транзистора с биполярным переходом]]
[[Категория:Режим отсечки, режим насыщения и активный режим]]
[[Категория:Режим отсечки]]
[[Категория:Режим насыщения]]
[[Категория:Активный режим]]