Como saturar um transistor NPN?

Eu entendo que no "modo de saturação", um BJT funciona como um simples interruptor. Eu usei isso antes de acionar LEDs, mas não sei se entendi claramente como coloquei o transistor nesse estado.

Um BJT fica saturado ao elevar Vbe acima de um certo limite? Duvido disso, porque os BJTs, como os entendo, são controlados por corrente, não por tensão.

Um BJT fica saturado ao permitir que Ib ultrapasse um certo limite? Nesse caso, esse limite depende da "carga" conectada ao coletor? Um transistor está saturado simplesmente porque Ib é alto o suficiente para que o beta do transistor não seja mais o fator limitante em Ic?

Conduza corrente suficiente na base para que a junção do coletor da base fique polarizada para a frente. Quanta corrente dependerá do tipo de transistor. 'saturação' tem a ver com quantas das transportadoras de carga na região base podem chegar à região coletora. Alguns virão do terminal base, mas muitos outros entrarão na região base a partir da região emissora. Além de uma certa quantidade de corrente base, simplesmente não haverá um aumento nas transportadoras de carga disponíveis que podem atravessar a junção BC.

Um transistor entra em saturação quando as junções emissor-base e coletor-base são polarizadas para frente, basicamente. Portanto, se a tensão do coletor cair abaixo da tensão de base e a tensão do emissor estiver abaixo da tensão de base, o transistor estará saturado.

Considere este circuito do amplificador emissor comum. Se a corrente do coletor for alta o suficiente, a queda de tensão no resistor será grande o suficiente para diminuir a tensão do coletor abaixo da tensão de base. Mas observe que a tensão do coletor não pode ficar muito baixa, porque a junção do coletor de base será como um diodo de polarização direta! Portanto, você terá uma queda de tensão na junção do coletor de base, mas não será o 0,7V habitual, será mais parecido com 0,4V.

Como você tira isso da saturação? Você pode reduzir a quantidade de acionamento da base para o transistor (reduzir a tensão ou reduzir a corrente ), o que reduzirá a corrente do coletor, o que significa que a queda de tensão no resistor do coletor também será reduzida. Isso deve aumentar a tensão no coletor e agir para tirar o transistor da saturação. No caso "extremo", é o que é feito quando você desliga o transistor. A unidade base é removida completamente. é zero e . Portanto, é zero, e o resistor do coletor é como um pull-up, elevando a tensão do coletor até . I b V b e I b I c V C $V_{be}$$I_b$$V_{be}$$I_b$$I_c$$V_{CC}$

Um comentário de acompanhamento sobre sua declaração

Um BJT fica saturado ao elevar Vbe acima de um certo limite? Duvido disso, porque os BJTs, como os entendo, são controlados por corrente, não por tensão.

Existem várias maneiras diferentes de descrever a operação do transistor. Uma é descrever a relação entre correntes nos diferentes terminais:

etc. Olhando desta maneira, você poderia dizer que a corrente do coletor é controlada pela corrente de base .

Outra maneira de analisar seria descrever a relação entre a tensão do emissor base e a corrente do coletor, que é

Olhando desta maneira, a corrente do coletor é controlada pela tensão básica .

Isso é definitivamente confuso. Isso me confundiu por um longo tempo. A verdade é que você não pode realmente separar a tensão do emissor base da corrente base, porque elas estão inter-relacionadas. Portanto, ambas as visualizações estão corretas. Ao tentar entender uma configuração específica de circuito ou transistor, acho melhor escolher apenas o modelo que facilita a análise.

Editar:

Um BJT fica saturado ao permitir que Ib ultrapasse um certo limite? Nesse caso, esse limite depende da "carga" conectada ao coletor? Um transistor está saturado simplesmente porque Ib é alto o suficiente para que o beta do transistor não seja mais o fator limitante em Ic?

A parte em negrito é basicamente exatamente correta. Mas o limite não é intrínseco a um transistor em particular. não apenas do transistor, mas também da configuração: , , , etc.V C C R C R $I_b$$V_{CC}$$R_C$$R_E$

O transistor BJT será saturado no momento em que Ic não seguirá a relação linear de:

$I_c = HFE * I_b$ .

Portanto, tudo o que precisamos fazer é limitar o Ic de atingir esse valor.

Como é determinado pelo valor do resistor conectado à base e pela tensão de acionamento na outra extremidade, é fácil forçar a qualquer valor. Quando é determinado, calcule o teórico e defina o para reduzi-lo (digamos 5-8) para entrar na zona de saturação e impedir que ele siga a relação linear.$I_b$$I_b$$I_b$$I_c$$R_c$

Por exemplo: está conectado a 5V e (apenas para torná-lo interessante) a 12V. Suponha HFE = 50. Se então$R_b$$R_c$$R_b=5K$

$I_b = (5-0.5)/5K ~= 1mA$

Isso implica que o será . Agora, se para cerca de 2K, isso limitará a menos de , um valor quase 10 vezes menor que a faixa linear e o transistor ficará saturado.$I_c$$1mA * 50 = 50mA$$R_c$$I_c$

Se estiver usando o transistor como uma chave, é recomendável adicionar um resistor adicional (10K) entre a base e o terra (para rápida comutação e prevenção de vazamentos, desde que o BJT seja do tipo NPN)

A saturação ocorre quando um aumento na entrada não produz um aumento na saída. Em um BJT, isso seria porque a saída atingiu sua condução máxima de corrente.

O método com o qual eu projeto para garantir que um BJT de comutação no modo de emissor comum seja levado à saturação quando a condução for ...

Encontre na folha de dados do BJT seu Ic (max) e hFE (min).

Calcular a corrente base necessária Ib como 5 x Ic (máx) / hFE (min)

O 5 x é um 'fator de correção' pessoal, permitindo uma corrente base adicional para garantir que o BJT seja totalmente inserido na saturação.

Isso pressupõe um caso simples: um pequeno BJT no modo emissor comum alternando pequeno (digamos <2 A) carrega uma frequência baixa (digamos <50 kHz) com uma fonte de corrente de base capaz. Caso contrário, existem outras condições analógicas a serem consideradas, como se a saturação do BJT fornecer um bom desempenho de comutação ou se um MOSFET / etc. deve ser usado em seu lugar. (Isso está além do escopo desta resposta.)

Sei que essa é uma pergunta antiga, mas muitas pessoas ainda a estão vendo.

Uma outra maneira de saber se o seu transistor está na saturação é observando a razão de . Este parâmetro é chamado de "beta forçado". O beta forçado pode ser considerado o valor beta necessário para o estado atual do transistor.$i_C/i_B$

Se você achar que o valor do beta forçado é menor que o valor do beta ( ), então você sabe que está em saturação, porque na região ativa você usaria o valor "completo" do beta.$h_{fe}$

Dessa forma, é útil quando você não conhece o valor de .$V_{BE}$

Vale a pena notar que, no "mundo real", a saturação NÃO é um único estado bem definido. À medida que você aplica uma corrente de base crescente, continuará caindo para uma determinada corrente de coletor.$V_{CEsat}$

"Há muito tempo" usei um transistor bipolar para trocar um divisor de tensão. A tensão de saturação do transistor afetou a tensão de saída do divisor. Usei um transistor de alto ganho (provavelmente BC 817-40 com de ~ = 400) e um inversor de corrente de base cerca de dez vezes a corrente do coletor - ou seja, "Beta forçado" de 0,1. Isso reduziu a alguns mV em comparação com os 10's de mV geralmente vistos em baixo .V C E s a t I $\beta$$V_{CEsat}$$I_{C}$

Um beta de 0,1 raramente seria útil ou aceitável, mas nesse caso era.

Hoje em dia eu usaria um MOSFET baixo para o switch.$R_{DSon}$

Existem duas maneiras de colocar o transistor no modo de saturação:

1) Uso do resistor Rc: podemos calcular a corrente máxima (Ic) assumindo Vce = 0. Ic (max) = Vcc / Rc

você pode encontrar a corrente base correspondente (Ib) = Ic / (beta).

O transistor estará saturado se você aplicar uma corrente de base maior que a corrente de base calculada

2) Usando corrente de saturação nominal (Folha de dados): Você pode aplicar uma corrente de base que tende a produzir uma corrente de coletor maior do que a indicada na folha de dados

$h_{FE}$$V_{BEsat}$$V_{CEsat}$$\beta$

$I_{C} \over h_{FE}$

$I_{C}$

Tenha cuidado para que esse ganho seja o que você deseja.

O NPN BJT entrará no modo de saturação quando Vcb estiver abaixo de algum valor. Sedra & Smith usam um valor de 0,4V, mas isso depende do dispositivo.

Embora eu não tenha idéia de por que você desejaria usar o BJT como um interruptor. MOSFETS são mais adequados para esta tarefa.