Активный режим работы транзистора с биполярным переходом (ТБП)[1]
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 эмиттером и коллектором (т.е. пропускает через коллектор столько тока, сколько позволяют источник питания коллектора 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:
Рис. 1. Схема для моделирования SPICE в «активном режиме» и список соединений.
bipolar transistor simulation i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 2 0.05 .plot dc i (vammeter) .end
В англоязычной технической литературе «Q» – это стандартное буквенное обозначение транзистора на принципиальной схеме, так же как «R» - для резистора, а «C» - для конденсатора (в русскоязычной литературе по электронике транзисторы на схемах принято обозначать как «VT»). В этой схеме у нас есть NPN транзистор, питаемый от батареи (V1) и управляемый током от источника тока (I1).
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 (I1) на постоянное значение 20 мкА, затем изменим напряжение на батарее (V1) 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).
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:
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 i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .end
Тот же результат! Коллекторный ток стабильно составляет 2 мА, хотя напряжение аккумулятора (V1) варьируется от 0 до 50 вольт. Из нашего моделирования может создаться впечатление, что напряжение между коллектором и эмиттером 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 (I1) с 20 мкА до 75 мкА, снова изменив напряжение аккумулятора (V1) с 0 до 50 В и построив график коллекторного тока:
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 i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i (vammeter) .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 резисторе. В случае с резистором ток увеличивается линейно с увеличением напряжения на нём. Здесь же, с транзистором, ток от эмиттера к коллектору остаётся ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько высоко увеличивается напряжение на эмиттере и коллекторе.
Часто бывает полезно наложить друг на друга несколько графиков ток/напряжение коллектора 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 транзистора:
Рис. 5. Коллекторный ток в зависимости от напряжения коллектор/эмиттер для различных базовых токов.
Каждая кривая на этом графике отражает коллекторный ток транзистора, построенный в диапазоне напряжений коллектор/эмиттер для заданной величины базового тока. Поскольку транзистор склонен вести себя как регулятор тока, ограничивая коллекторный ток коллектора в соотношении, диктуемой базовым током, полезно выразить эту пропорцию как стандартную меру производительности транзистора. В частности, отношение коллекторного тока к базовому току известно как бета-коэффициент (обозначается греческой буквой β):
Рис. 6. Бета-коэффициент. β также известен как hfe или h21э.
Иногда коэффициент β обозначается как «hfe» или «h21э» – это метка, используемая в области математического анализа полупроводников, относящаяся к «гибридным параметрам», где нужно стремиться точно предсказать характеристики транзистора с помощью подробных уравнений. Переменных из числа «гибридных параметров» немало, но каждая из них помечена общей буквой «h» и определённым нижним индексом. Переменная «hfe» («h21э») – 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 транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменён после изготовления. Редко бывает, чтобы два транзистора одинаковой конструкции точно совпадали из-за физических переменных, влияющих на β. Если конструкция схемы основана на равных отношениях β между несколькими транзисторами, «согласованные наборы» транзисторов 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 транзистора 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 Iколлектор/Iбаза от 30 до 100, в зависимости от величины коллекторного тока, температуры транзистора и частоты усиленного сигнала, а также могут влиять многие другие факторы. В учебных целях достаточно принять постоянное значение β для любого данного транзистора; 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:
Рис. 7. Элементарная модель диодно-резисторного транзистора.
В этой модели транзистор представляет собой комбинацию диода и реостата (переменного резистора). Ток, проходящий через диодный переход база/эмиттер контролирует сопротивление реостатаколлектор/эмиттер (это показано с помощью пунктирной линии, соединяющей оба компонента), тем самым управляя коллекторным током. На этой схеме смоделирован NPN транзистор, что касаемо PNP транзистора, 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:
Здесь транзистор – комбинация диода 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 транзистора: 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 транзистора 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 коллектора и базовым током называется бета-коэффициентом. Обозначается как β или «hfe» («h21э»).
Соотношение β различно для каждого транзистора, и кроме того:
β изменяется в зависимости от условий эксплуатации.
