04. Zona activă de funcţionare a tranzistorului

Acasă » Electronică analogică » 04 - Tranzistorul

Definiţii

Tranzistor blocat

Când baza nu este polarizată, şi prin urmare nu există curent între emitor şi colector, spunem că tranzistorul este blocat.

Tranzistor saturat

Invers, când între emitor şi colector trece cantitatea maximă de curent permisă de colector şi de sursa de putere, spunem că tranzistorul este saturat.

Tranzistor în zona activă de funcţionare

Dar, în cazul în care curentul controlat este mai mare decât zero dar este sub valoarea maximă admisă de sursă şi de circuit, tranzistorul va funcţiona între zonele de blocare şi saturare; în acest caz, spune că tranzistorul funcţionează în zona activă.

Exemplu

Să considerăm circuit teoretic alăturat.

Circuitul este format dintr-un tranzistor (Q₁) de tip NPN, alimentat de o baterie (V₁) şi controlat printr-o sursă de curent (I₁). Sursa de curent va genera un curent fix, generând o tensiune mai mică sau mai mare pentru asigurarea acestui curent prin ea.

Variaţia curent-tensiune

În această simulare, vom seta valoarea sursei de curent la 20 µA şi vom varia tensiunea sursei (V₁) între 0 V şi 2 V; vom observa apoi curentul ce trece prin sursă.

Un curent de bază constant de 20 µA controlează un curent maxim de 2 mA prin colector, de exact 100 de ori mai mare. Pentru această valoare a curentului de bază, curentul prin colector nu poate creşte mai mult. Putem observa de pe grafic că forma curbei este plată în afară de prima porţiune, porţiune unde tensiunea bateriei (V₁) creşte de la 0 V la 0,25 V. În acest interval, curentul prin colector creşte rapid de la 0 A la 2 mA.

Creşterea tensiunii bateriei

Să observăm ce se întâmplă dacă lărgim plaja valorilor de tensiune a bateriei, de la intervalul 0 - 2 V, la intervalul 0 - 50 V, menţinând un curent de bază constant de 20 µA.

După cum era de aşteptat, rezultatul este acelaşi. Curentul prin colector nu poate trece de 2 mA (de exact 100 de ori valoarea curentului bazei!), cu toate că tensiunea bateriei (V₁) variază de la 0 V până la 50 V. Putem trage concluzia că tensiunea dintre colector şi emitor nu are niciun efect asupra curentului din colector, decât la valori foarte mici (puţin peste 0 volţi). Peste această tensiune „critică”, valoarea tensiunii nu mai are nicio importanţă pentru valoarea curentului colectorului. Tranzistorul se comportă în acest caz precum un regulator de curent, permiţând un curent de exact 2 mA prin colector, şi nu mai mult.

Creşterea curentului bazei

Următorul pas constă în creşterea curentului bazei, de la 20 µA la 75 µA, menţinând tensiunea bateriei în intervalul 0 - 50 V.

Pentru curentul maxim de bază, 75 µA, curentul prin colector este (din nou) de 100 de ori mai mare, 7,5 mA şi din nou curba curent-tensiune este plată, cu excepţia primei părţi. Putem trage concluzia că factorul decisiv ce contribuie la valoarea curentului prin colector este curentul bazei, tensiunea bateriei (V₁) fiind irelevantă atâta timp cât se situează peste o anumită valoare minimă.

Curbe caracteristice

Această relaţie dintre curent şi tensiune este fundamental diferită faţă de relaţia curent-tensiune a rezistorului. În cazul rezistorului, curentul creşte liniar pe măsură ce căderea de tensiune la bornele sale creşte. În cazul tranzistorului, curentul dinspre emitor spre colector are o valoare limită fixă, valoare peste care nu poate creşte, indiferent de căderea de tensiune dintre emitor şi colector.

O reprezentare a tuturor acestor curbe (variaţii) curent-tensiune pe un singur grafic, pentru un anumit tranzistor, poartă numele de curbe caracteristice.

Pentru funcţionarea corectă a tranzistorului, acesta trebuie să se afle tot timpul în zona activă de funcţionare (pentru amplificatoare clasa A), nu în cea de blocare şi nici în cea de saturaţie. Ţineţi minte că tranzistorul este un dispozitiv controlat în curent, prin urmare, dacă ar funcţiona în zona de saturaţie, acesta nu ar mai putea fi controlat prin intermediul curentului bazei; o creştere a curentului bazei, atunci când tranzistorul se află în zona de saturaţie, nu duce la o creştere a curentului colector-emitor, aşa cum era de aşteptat. În schimb, dacă tranzistorul se află în zona activă de funcţionare, o creştere/scădere a curentului bazei duce la o creştere/scădere a curentului prin colector

Observaţie

Trebuie înţeles faptul foarte important, că în graficul de mai sus, avem trei variabile: tensiunea colector emitor (E_{colector-emitor}), curentul de la emitor la colector (I_colector) şi curentul bazei (I_bază). Pentru fiecare variaţie a curentului de bază, de la 5 µA la 20 µA la 40 până la 75 µA, vom avea o altă curbă caracteristică, şi practic, pot exista o infinitate de curbe între aceste valori.

Factorul beta (factorul de amplificare în curent)

Din moment ce tranzistorul se comportă precum un regulator de curent, limitând curentul colectorului printr-o proporţie fixă faţă de curentul bazei, putem exprima această caracteristică standard a tranzistoarelor printr-un raport, cunoscut sub numele de factor beta sau factor de amplificare în curent, şi simbolizat prin litera grecească β, sau prin h_fe:

Factorul β al oricărui tranzistor este determinat de modul său de fabricare, şi este o mărime ce nu poate fi modificată după confecţionarea acestuia. Este foarte greu să găsim doi tranzistori, de acelaşi tip, care să posede un factor β identic, datorită variabilelor fizice ce afectează valoarea acestuia. Dacă vrem să construim un circuit în care avem nevoie de tranzistori cu β egali, aceştia se pot cumpăra în seturi, la un preţ mai mare. Dar, construirea unor circuite electronice cu astfel de dependinţe nu este indicată.

β nu rămâne constant pentru toate condiţiile de operare. Pentru un tranzistor fizic, raportul β poate varia cu un factor mai mare decât trei între limitele curentului de operare. De exemplu, un tranzistor marcat cu β = 50, poate în realitate să prezinte un raport I_c / I_b de 30 sau chiar de 100, în funcţie de valoarea curentului prin colector, temperatura tranzistorului, frecvenţa semnalului amplificat, plus alte variabile. Deşi teoretic vom considera β ca fiind constant pentru oricare tranzistor, în realitate acest lucru nu este valabil!

Modelul diodă-potenţiometru al tranzistorului

Pentru a înţelege mai uşor modul de funcţionare al tranzistorului, putem considera modelul teoretic alăturat.

Conform acestui model, tranzistorul este o combinaţie dintre o diodă şi un potenţiometru. Curentul prin dioda bază-emitor controlează rezistenţa potenţiometrului colector-emitor, lucru evidenţiat prin linia întreruptă dintre cele două componente, ceea ce duce la controlul curentului prin colector. Tranzistorul de sus este de tipul NPN. Tranzistorul de tipul PNP, va avea dioda bază-emitor inversată.

Modelul diodă-sursă-de-curent al tranzistorului

Un model mult mai precis însă, este cel din figura alăturată.

Conform acestui model, tranzistorul este o combinaţie dintre o diodă şi o sursă de curent, ieşirea sursei de curent fiind un multiplu (raportul beta) al curentului de bază. Acest model descrie mult mai precis caracteristica intrare/ieşire a tranzistorului: curentul de bază stabileşte o un anumit curent în colector, şi nu o anumită rezistenţă colector-emitor, precum în cazul precedent. Din păcate, folosirea unei surse de curent îi poate induce pe cei mai ne-experimentaţi în eroare; un tranzistor nu este în niciun caz o sursă de energie electrică, dar pe model, faptul că sursa de energie este externă tranzistorului, nu este aparentă.