Cómo hacer que el transistor permanezca en la región de saturación y el cálculo adecuado del valor Rc

Cómo analizar circuitos interruptores saturados.

Primero, calcule cuánta corriente de colector desea cuando el interruptor está encendido. Suponga que el voltaje del colector al emisor es Vce (sat) de la hoja de datos. Podría ser algo así como 0,2 V para algunos transistores o 1 V para otros, según la cantidad de corriente y el tipo de transistor.

En segundo lugar, divida la corriente de colector deseada por 10 o 20. Este número, 10 o 20, se denomina beta forzada (beta (forzada)).

En tercer lugar, haga arreglos para impulsar la base con Ic/Beta (forzado).

Ejemplo completo. Tengo un LED que quiero manejar con 20mA. VCC es 5V. La hoja de datos del LED dice que Vf es 3V a If = 20mA. Entonces quiero que Ic sea de 20 mA.

Vce(sat) para mi 2N3904 es 0.2V a 20mA. Entonces, después de restar Vce (sat) y Vf de VCC, me quedan 1.8 V para caer a través de mi resistencia. Por lo tanto, el valor de la resistencia debe ser 1,8 V/20 mA = 90 ohmios (elija el valor más cercano, por ejemplo, 91 ohmios).

Estoy manejando la base del transistor con un pin IO de mi microprocesador (VCC = 5V). Voy a usar una versión beta forzada de 20. Así que quiero que mi corriente base sea de 1 mA. La base va a estar alrededor de 0.7V con 1mA atravesándola. Entonces, la resistencia base debe caer 4.3V con una corriente de 1mA. Esto significa que la resistencia base debe ser de 4,3 k, que es un valor estándar.

Así es como maneja un interruptor saturado. Desde la perspectiva de causa y efecto, la forma en que funciona es cuando impulsas la base con fuerza, empuja el transistor a la saturación. Para lograr la saturación, siempre desea suministrar un exceso de corriente a la base para empujar Vce hacia abajo. Es la corriente base la que hace que Vce caiga. Al suministrar un exceso de corriente a la base, está obligando al transistor a operar en beta baja. Por eso lo llaman beta forzada.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Para permanecer en la saturación, el voltaje entre el colector y el emisor tiene que ser exactamente igual a Vce en el carácter anterior, ¿es así?

En un transistor bipolar, la 'saturación' significa que V _CE es lo más bajo posible en esa corriente de colector, cambiando efectivamente de una fuente de corriente controlada a una resistencia. En esta región I _C ya no es proporcional a I _B , es decir. el transistor está 'saturado' con corriente base y no puede encenderse más.

Pero cuando el transistor funciona en Vce y 0 < Ib < (Ic/beta), lo que significa que Ic no está en la capacidad máxima del transistor. La caída de tensión entre colector y emisor es un valor fijo para el transistor de determinado material (0,7 V para silicio y 0,2 V para germanio). ¿Está bien?

Parece que estás un poco confundido aquí. V _BE a menudo se considera un valor fijo de 0,7 V para el silicio. Cuando no está saturado, V _CE se desliza hacia arriba y hacia abajo (a lo largo de la 'línea de carga' roja en el gráfico) a medida que varía I _{C , debido a la variación de la caída de voltaje en la carga.}

La línea de carga en ese gráfico es solo un ejemplo de resistencia de carga particular (en este caso, 100 Ω), y el punto 'A' es V _{CE (sat)} solo para esa carga. Si la resistencia de la carga fuera mayor, la línea interceptaría el eje Y más abajo, y VCE _(sat) sería menor.

Y, Rc, la resistencia en serie con el colector toma el resto del voltaje de la fuente de alimentación. Por ejemplo, la fuente de alimentación de 5 V Vce es de 0,7 V, siempre que el transistor esté abierto. Y, el voltaje que queda para las resistencias en serie con colector es 5V - 0.7V = 4.3V. ¿Está bien?

Sí.

Entonces, ¿el valor de Rc para limitar la corriente Ic desde su máximo, digamos 0.6A, sería 4.3V / 0.6A = 7.17 Ohm?

Sí, pero solo si V _{CE (sat)} es 0,7 V en I _C = 0,6 A. Dependiendo del transistor, podría ser mayor o menor. En su gráfico, V _{CE (sat)} es ~ 0.7 V a 60 mA, por lo que a 600 mA sería mucho más alto (~ 7 V, suponiendo una extrapolación lineal).

Cuando se usa un divisor de voltaje (dos resistencias en serie) para controlar el Ub, el voltaje en la base, lo que hace que Ub sea más alto que la caída de voltaje de 0.7V requerida para que Ube abra el transistor, ¿por qué Ub podría ser más alto que 0.7v? Pensé que Ub siempre permanecería en 0,7 V para el silicio... y 0,2 V para el germanio.

Los 0,7 V y 0,2 V son solo aproximaciones utilizadas para calcular resistencias de polarización, etc., el voltaje real aumenta a medida que aumenta la corriente base.

Aquí hay un gráfico de VBE (sat) (y V _{CE (sat)} ) frente a I _C para BC547-BC550 : -

A una corriente base de 100 μA (I _C = 1 mA) V _BE es de hecho 0,7 V, pero a una corriente base más alta aumenta (a ~1 V a 30 mA). En el funcionamiento lineal, I _B suele ser inferior a 1 mA, por lo que 0,7 V es lo suficientemente cercano para la mayoría de los cálculos.

Tenga en cuenta que la clasificación de corriente máxima absoluta del colector de CC de este transistor es de 100 mA, en cuyo punto V _{CE (sat)} es típicamente ~ 150 mV. si funciona con un suministro de 5 V, la resistencia de carga mínima permitida para limitar la corriente del colector a 100 mA sería (5-0,15)/0,1 = 48,5 Ω. En la práctica, se elegiría una resistencia más alta para reducir la corriente del colector y mejorar la confiabilidad.