Funderingar om mättade BJT transistorer

[Mårten]

Hej, hej!

Jag försöker förstå mig på hur en transistor fungerar (en vanlig bipolär, npn-typ), och har nu fastnat på vad som menas med att transistorn är mättad. Min teori är att mättnad uppstår när basströmmen (I_B) är så stor, så att kollektorströmmen (I_C) inte kan bli större längre, dvs det går maximalt med ström (I_Cmax) genom transistorn. Även om I_B görs större, så kommer inte I_C att öka. Är det detta som är mättnad?

Samtidigt läser jag om att det finns något som heter U_CE(sat), dvs potentialfallet över transistorn vid mättnad, och den brukar ligga på 0,2 volt (jag antar förresten att det är ett sorts minimivärde på U_CE, dvs vid icke-mättnad så är U_CE större). Säg att I_Cmax är 10 mA. Då skulle man väl kunna tänka sig att 0,2V/10mA = 20 ohm, dvs resistansen hos transistorn (R_t) vid mättnad. Om nu transistorns kollektor matas med spänning på V_cc = 10 volt via en resistor på 80 ohm, så kommer strömmen bli 10 volt / (80+20 ohm) = 100 mA. Då blir frågan: 1) 100 mA är mer än I_Cmax=10 mA och hur går det ihop? 2) Potentialfallet över 80ohms-resistorn blir 80 ohm * 0,1 A = 8 volt. Då har vi 2 volts potentialfall kvar, men i transistorn faller bara 0,2 volt och hur går det då ihop?

Hoppas någon som har bättre koll på det här än vad jag har hinner svara!

Edit: Rubrik / blueint

[psynoise]

Transistorns ledningsförmåga (konduktans) är bara proportionel mot basströmmen i det området som man kallar för arbetsområdet mellan strypt och bottnad/mättnad. Ett tips är att bläddra lite datablad, en rät linje kännetecknar linjäritet.

EDIT:
Ändrade från linjära området till arbetsområdet villket borde vara mer korrekt.

EDIT2:
Blandade ihop strypt och bottnad, tur att man fick lite repetition genom denna tråd.b

[TomasL]

Om du kör 100 mA genom transistorn brinner den upp.
IC_max anger den maximala kollektor-emitterströmmen, vilket du inte får överstiga, alltså måste du dimensionera kollektormotståndet så strömmen inte överskrids.
Om nu UCE_sat är 0,2V och ICE_max är 10mA och matningen är 10V, så blir det minsta tillåtna värdet på kollektormotståndet 10V-0,2V=9,8V/10mA= 0,98k.
Har du lägre värde, kommer transistorn att förstöras.

I ditt exempel blir kollektorströmmen 9,8/0,08=122,5mA

[prototypen]

Samtidigt läser jag om att det finns något som heter U_CE(sat), dvs potentialfallet över transistorn vid mättnad, och den brukar ligga på 0,2 volt (jag antar förresten att det är ett sorts minimivärde på U_CE, dvs vid icke-mättnad så är U_CE större). Säg att I_Cmax är 10 mA. Då skulle man väl kunna tänka sig att 0,2V/10mA = 20 ohm, dvs resistansen hos transistorn (R_t) vid mättnad. Om nu transistorns kollektor matas med spänning på V_cc = 10 volt via en resistor på 80 ohm, så kommer strömmen bli 10 volt / (80+20 ohm) = 100 mA. Då blir frågan: 1) 100 mA är mer än I_Cmax=10 mA och hur går det ihop? 2) Potentialfallet över 80ohms-resistorn blir 80 ohm * 0,1 A = 8 volt. Då har vi 2 volts potentialfall kvar, men i transistorn faller bara 0,2 volt och hur går det då ihop?


Edit: Rubrik / blueint

En bipolär transistor är inte resistiv, Ucesat är ganska konstant över ett ganska stor spann på Ic, däremot så kanske den är specad till 0,2 V vid 10mA (det KAN vara 0,1V vid 1 mA och 0,25V vid 100mA) ofta finns ett diagram med sat-spänning vid olika bas och kollektorström.

Protte

[Mårten]

Schysst med alla svar! Hoppas kunna bidra tillbaks någon gång... Det börjar klarna lite, lite iaf, men har nu följande följdfrågor:

1) Fattar fortfarande inte riktigt vad mättnad innebär. Jag trodde alltså att mättnad innebar att I_Cmax går genom transistorn. Något av era svar ovan antydde att så inte var fallet ("Ucesat är ganska konstant över ett ganska stor spann på Ic" (min kursivering)). Vad innebär isåfall mättnad?

2)

En bipolär transistor är inte resistiv

Men hur kan det vara ett potentialfall i transistorn (t.ex. 0,2 volt) om den inte har någon form av inbyggd resistans?

3)

I ditt exempel blir kollektorströmmen 9,8/0,08=122,5mA

Får man räkna ut strömmen så där? Nu har väl du bara tittat på potentialfallet över resistorn, och sen delat med resistorns storlek för att få strömmen. Måste man inte dela totala potentialfallet i kretsen med totala motståndet för att få strömmen (med kretsen menar jag från V_cc över resistor och transistor till nollnivån)? Om inte, varför inte då?

[slatte]

1. mättad tror jag är samma sak som bottnad transistor och då har du helt rätt att Ic MAX går igenom transistorn.

2. Vet inte korrekt hur detta fungerar men jag kan ge dig ett exempel "diod" spänningsfall typiskt 0,7V

3. För att få ut Ic strömmen gör du precis som föregånde har sagt. potetialfallet över Rc motståndet delat med resistansen på Rc => dvs 9,8/80 = 0,1225A

[bearing]

2. Alla P/N- eller N/P-övergångar har spänningsfall. T.ex. är det ett spänningsfall på runt 0,7V mellan basen och emittern när transistorn är aktiv.

1. Bara för att transistorn är mättad behöver inte någon hög ström gå mellan kollektor och emitter. Mättad innebär just att det flyter så hög ström genom basen att Ic kan variera från noll till högt utan att Uce ändras så mycket.

3. Så fort två storheter är kända kan den tredje enkelt räknas ut, oavsett hur komplex kretsen är.

edit:basen och emmittern, inte kollektorn.

[TomasL]

Schysst med alla svar! Hoppas kunna bidra tillbaks någon gång... Det börjar klarna lite, lite iaf, men har nu följande följdfrågor:


3)

I ditt exempel blir kollektorströmmen 9,8/0,08=122,5mA

Får man räkna ut strömmen så där? Nu har väl du bara tittat på potentialfallet över resistorn, och sen delat med resistorns storlek för att få strömmen. Måste man inte dela totala potentialfallet i kretsen med totala motståndet för att få strömmen (med kretsen menar jag från V_cc över resistor och transistor till nollnivån)? Om inte, varför inte då?

Jo, eftersom spänningsfallet över transistorn i princip är oberoende av kollektorströmmen, i detta fallet 0,2V, detta oavsett om du kör 1mA eller 1A genom transistorn, därför blir kollektormotståndet alltid den strömbegränsande faktorn.
Så sambandet Rc = (U-Uce)/Ic gäller alltid (i princip, något förenklat), dessutom är inte en transistor, utom för mosfetar resistiv, utan liknar mer en EMK, där EMK'ns spänning motsvarar Uce.

[psynoise]

2) Som TomasL sa, tänk att R = v(t) / i(t) (ohmsmodel) inte gäller. Vill man göra en model över transistorn använder man sig enklast av en beroende strömkälla.

[Mårten]

Okej, då ska vi se om jag fattat saker rätt nu...

a) Spänningen U_B genererar en basström I_B. U_B måste normalt vara större än 0,6 V för att det ska bildas någon I_B överhuvudtaget, och därmed i sin tur någon I_C. Vid U_B < 0,6 V är alltså transistorn strypt. Däremellan finns ett område U_B = 0,6 V till U_Bsat (=1,0 V?). Ovanför U_Bsat och motsvarande högre strömmar I_B, så är transistorn mättad (den har bottnat). Att den är mättad innebär alltså bara att potentialfallet U_CE har gått ner till sitt lägsta värde, typ 0,2 V. Är detta rätt uppfattat?

b) Det där att den är mättad, kanske innebär att strömförstärkningsfaktorn h_FE är extra konstant från och med då?

c) Här en sak jag fortfarande inte förstår: Säg att V_cc är 10 V, och att vi har ett kollektormotstånd på 1000 ohm, och att potentialen faller 0,2 V över transistorn. Då blir alltså strömmen 9,8 mA. Säg sen att strömförstärkningsfaktorn är h_FE = 100, och att jag stoppar in I_B = 50 µA. Då blir I_C = 5mA. Men jag kom ju nyss fram till att strömmen var 9,8 mA. Vart tar de andra 4,8 mA:en vägen?

[bearing]

b) Snarare helt tvärtom. När transistorn är mättad är h_FE lågt och blir lägre ju mer ström som flyter genom basen.

c) Om h_FE är 100 är det inte möjligt att mätta transistorn med 50 mikroampere helt enkelt (såvida inte I_Cmax är typ 1 mA). Jag vet inte var du vill komma. Siffrorna i exemplet är orimliga. Om 5mA flyter genom transistorn och motståndet kommer spänningen över motståndet vara 5V, således kommer U_CE vara 5V.

[Mindmapper]

Det mesta är redan sagt men jag kommer ändå med ett inlägg.

Jag brukar förklara bottnad (mättad) med att; i normalfallet styrs kollektorströmmen av basströmmen. Förhållandet därimellan Ic/Ib kallas förstärkning eller Hfe. Ic/Ib=Hfe. Det finns olika typer av förstärning och de anges på olika sätt. Vilket inte gås in på mera här. Kollektortrömmen ökar/minskar genom att spänningen mellan Kollektor-emitter (Uce) minskar/ökar beroende på om Ib ökar/minskar.

Med ökad baström så ökar kollektorströmmen till dess att spänningsfallet över kollektor-emitter är så litet som det bara kan bli. Att ytterligare öka Ib ger alltså ingen ökad Ic när transistorn är bottnad. Uce är då ca 0,1- 0,3V beroende på hur stor Ic är. Tänk då på att hur stor Ic är beror på allt i hela kopplingen, dvs om summan av alla resistanser (eg. impedanser) är låg eller hög om mattningsspänningen är låg eller hög.

Med att inte transistorn är resistiv så menar prototypen att strömmen genom transistorn inte är proportionell mot spänningen över den på samma sätt som en resistans. En vanlig resistor har alltid ett konstant förhållande R = U/I. Dvs resistansen är samma oberoende på om spänningen är 1V eller 10V. I transistorn är det betydligt komplexare förhållanden som råder. Det finns även resistorer som inte är riktigt resisistiva t.ex VDR, även termistorer ändrar resistans beroende om strömmen blir så stor att uppvärmnign sker. På samma sätt finns transistorer (FET) som kan beter sig mera som styrbara resistanser.

Det blir rätt mycket att hålla koll på, och en hel del komplexa uträkningar om hela sanningen ska fram. Därför förenklas det ibland och ibland inte vilket kan förvilla.

Edit: Under tiden jag skrev i lugn och ro hann ni med två inlägg.

[Mårten]

Aha, kling! Nu fattar till och med jag, tror jag!

Då var det lite som jag trodde från början, att mättnad råder när ökade I_B inte längre gör I_C högre, man stannar liksom vid ett I_Cmax och istället är det h_FE som minskar som sagt med ökade I_B. Fast sen - förstår jag nu - att I_Cmax är en term reserverat för den ström transistorn klarar av som mest utan att gå sönder. För där blev jag också lite förvillad av att trots att transistorn var mättad, så kunde man ändå höja I_C. Men det beror ju bara på att man får liksom olika stora mättnads-I_C beroende på vilken V_cc-spänning och kollektormotstånd man har. Ett visst V_cc har ju liksom bara en viss energi för att orka dra iväg en viss mängd laddningar som mest ur transistorn, samtidigt som mängden tillgängliga laddningar i transistorn begränsas av I_B. Typ nåt sånt resonerar jag iaf, hoppas det inte är allt för tokigt...

Därför förenklas det ibland och ibland inte vilket kan förvilla.

Jo, oftast är det förenklingarna som förvillar mest, för de innehåller ofta logiska luckor, som gör att man inte får ihop det...

Tack så mycket för hjälpen - fantastiskt med denna samlade kunskap ni besitter här!