¿Cómo saturar un transistor NPN?

Lleve suficiente corriente a la base para que la unión base-colector se polarice hacia adelante. La cantidad de corriente dependerá del tipo de transistor. La 'saturación' tiene que ver con cuántos de los portadores de carga en la región base pueden llegar a la región colectora. Algunos vendrán del terminal base, pero muchos más entrarán en la región base desde la región emisora. Más allá de una cierta cantidad de corriente base, simplemente no habrá un aumento en los portadores de carga disponibles que pueden cruzar la unión BC.

Un transistor entra en saturación cuando las uniones base-emisor y base-colector tienen polarización directa, básicamente. Entonces, si el voltaje del colector cae por debajo del voltaje base y el voltaje del emisor está por debajo del voltaje base, entonces el transistor está saturado.

Considere este circuito de amplificador de emisor común. Si la corriente del colector es lo suficientemente alta, la caída de voltaje en la resistencia será lo suficientemente grande como para reducir el voltaje del colector por debajo del voltaje base. ¡Pero tenga en cuenta que el voltaje del colector no puede bajar demasiado, porque la unión base-colector será como un diodo con polarización directa! Por lo tanto, tendrá una caída de voltaje en la unión base-colector, pero no será la habitual de 0,7 V, será más como 0,4 V.

¿Cómo lo sacas de la saturación? Podría reducir la cantidad de impulso base al transistor (ya sea reducir el voltaje$V_{be}$o reducir la corriente$I_b$), que luego reducirá la corriente del colector, lo que significa que la caída de voltaje a través de la resistencia del colector también disminuirá. Esto debería aumentar el voltaje en el colector y actuar para sacar el transistor de la saturación. En el caso "extremo", esto es lo que se hace cuando apaga el transistor. La unidad base se elimina por completo.$V_{be}$es cero y también lo es$I_b$. Por lo tanto,$I_c$también es cero, y la resistencia del colector es como un pull-up, elevando el voltaje del colector a$V_{CC}$.

Un comentario de seguimiento sobre su declaración

¿Se satura un BJT al elevar Vbe por encima de cierto umbral? Lo dudo, porque los BJT, tal como los entiendo, están controlados por corriente, no por voltaje.

Hay varias formas diferentes de describir el funcionamiento del transistor. Una es describir la relación entre las corrientes en los diferentes terminales:

etc. Mirándolo de esta manera, se podría decir que la corriente de colector está controlada por la corriente de base .

Otra forma de verlo sería describir la relación entre el voltaje base-emisor y la corriente del colector, que es

Mirándolo de esta manera, la corriente del colector está controlada por el voltaje base .

Esto es definitivamente confuso. Me confundió durante mucho tiempo. La verdad es que realmente no se puede separar el voltaje base-emisor de la corriente base, porque están interrelacionados. Así que ambas opiniones son correctas. Cuando trato de comprender un circuito en particular o una configuración de transistor, encuentro que generalmente es mejor elegir el modelo que sea más fácil de analizar.

Editar:

¿Se satura un BJT al permitir que Ib supere cierto umbral? Si es así, ¿este umbral depende de la "carga" que está conectada al colector? ¿Está saturado un transistor simplemente porque Ib es lo suficientemente alto como para que la beta del transistor ya no sea el factor limitante en Ic?

La parte en negrita es básicamente correcta. Pero el$I_b$El umbral no es intrínseco a un transistor en particular. Dependerá no solo del transistor en sí sino de la configuración:$V_{CC}$,$R_C$,$R_E$, etc.

El transistor BJT se saturará en el momento en que el Ic no siga la relación lineal de:

$I_c = HFE * I_b$.

Por lo tanto, todo lo que tenemos que hacer es limitar el Ic para que no alcance este valor.

Desde$I_b$está determinado por el valor de la resistencia conectada a la base y el voltaje de activación en su otro extremo, es fácil de forzar$I_b$a cualquier valor. Cuándo$I_b$se determina calcular el teórico$I_c$y establecer el$R_c$reducirlo (digamos por 5-8) para entrar en la zona de saturación y evitar que siga la relación lineal.

Por ejemplo:$R_b$está conectado a 5V y$R_c$(solo para hacerlo interesante) a 12V. Supongamos HFE = 50. Si establecemos$R_b=5K$después

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

Esto implica que el$I_c$estarán$1mA * 50 = 50mA$. Ahora bien, si configuramos el$R_c$ser alrededor de 2K esto limitará$I_c$a menos de 6mA, valor casi 10 veces menor que el rango lineal y el transistor se saturará.

Si usa el transistor como interruptor, se recomienda agregar una resistencia adicional (10K) entre la base y la tierra (para una conmutación rápida y prevención de fugas, siempre que el BJT sea de tipo NPN)

La saturación es cuando un aumento en la entrada no produce un aumento en la salida. En un BJT, esto se debe a que la salida ha alcanzado su máxima conducción de corriente.

El método con el que diseño para garantizar que un BJT de conmutación en modo de emisor común se sature cuando se conduce es ...

Encuentre en la hoja de datos del BJT su Ic(max) y hFE(min).

Calcule la corriente base requerida Ib como 5 x Ic(max)/hFE(min)

El 5 x es un "factor de elusión" personal, que permite una corriente de base adicional para garantizar que el BJT se sature por completo.

Esto supone un caso simple: un BJT pequeño en modo de emisor común que cambia a pequeño (digamos <2 A) carga una frecuencia baja (digamos <50 kHz) con una fuente de corriente base capaz. De lo contrario, se deben considerar otras condiciones analógicas, como si la saturación del BJT brindará un buen rendimiento de conmutación o si un MOSFET/etc. debe usarse en su lugar. (Sin embargo, eso está más allá del alcance de esta respuesta).

Sé que esta es una vieja pregunta, pero mucha gente todavía la ve.

Otra forma de saber si su transistor está saturado es observando la relación de$i_C/i_B$. Este parámetro se denomina "beta forzada". La beta forzada se puede considerar como el valor beta requerido para el estado actual del transistor.

Si encuentra que el valor de la beta forzada es menor que el valor de la beta ($h_{fe}$), entonces sabes que estás en saturación, porque en la región activa estarías usando el valor "completo" de la beta.

Esta forma es útil cuando no conoce el valor de$V_{BE}$.

Vale la pena señalar que en el "mundo real" la saturación NO es un estado único bien definido. A medida que aplica una corriente de base creciente$V_{CEsat}$continuará cayendo para una corriente de colector dada.

"Hace mucho tiempo" usé un transistor bipolar para cambiar un divisor de voltaje. El voltaje de saturación del transistor afectó el voltaje de salida del divisor. Usé un transistor de alta ganancia (probablemente BC 817-40 con un$\beta$de ~= 400) y un impulso de corriente base de aproximadamente diez veces la corriente del colector, es decir, "beta forzada" de 0,1. Esta reducida$V_{CEsat}$a unos pocos mV en comparación con los 10 de mV que generalmente se ven a baja$I_{C}$.

Una versión beta de 0,1 rara vez sería útil o aceptable, pero en este caso lo fue.

Hoy en día usaría un bajo adecuado$R_{DSon}$MOSFET para el interruptor.

Hay dos formas de poner el transistor en modo de saturación:

1) Uso de la resistencia Rc: podemos calcular la corriente máxima (Ic) asumiendo que Vce = 0. Ic (max) = Vcc / Rc

puede encontrar la corriente de base correspondiente (Ib) = Ic/(beta).

El transistor estará saturado si aplica una corriente base superior a la corriente base calculada

2) Al usar la corriente de saturación nominal (hoja de datos): puede aplicar una corriente base que tiende a producir una corriente de colector más grande que la indicada en la hoja de datos

Saturar un transistor también depende de su hoja de datos. Debes encontrar un gráfico con un no lineal$h_{FE}$incluido$V_{BEsat}$y$V_{CEsat}$y usa eso$\beta$para tus calculos

Ahora puede calcular fácilmente la corriente base que es$I_{C} \over h_{FE}$y la base necesitaba resistencia que es

Busque otro gráfico que muestre la influencia de$I_{C}$sobre la ganancia de CC.

Tenga cuidado para que esta ganancia sea la que desea.

El NPN BJT ingresará al modo de saturación cuando Vcb esté por debajo de algún valor. Sedra&Smith utiliza un valor de 0,4 V, pero dependerá del dispositivo.

Aunque no tengo idea de por qué querrías usar BJT como interruptor. Los MOSFET son más adecuados para esta tarea.