Tranzistor bipolar - Regimuri de functionare

Tranzistor bipolar - Regimuri de functionare

Ín functie de modul de combinare al polarizarilor jonctiunilor baza-emitor si baza-colector ale unui tranzistor bipolar, pot fi stabilite patru regimuri de functionare, dupa cum urmeaza:

- regimul activ normal (RAN), atunci cänd jonctiunea baza-emitor este polarizata direct si jonctiunea baza-colector este polarizata invers;

- regimul activ invers (RAI), atunci cänd jonctiunea baza-emitor este polarizata invers si jonctiunea baza-colector este polarizata direct;

- regimul de saturatie (RS), atunci cänd ambele jonctiuni ale tranzistorului sunt polarizate direct;

- regimul de blocare sau de taiere a curentilor (RB), atunci cänd ambele jonctiuni ale tranzistorului sunt polarizate invers.

Ín tabelul 2.2, se prezinta schematic aceste regimuri de functionare, ímpreuna cu polaritatile tensiunilor si , pentru ambele tipuri de tranzistoare bipolare: NPN si PNP. Reprezentate íntr-un plan, ca ín fig. 2.3, fiecare regim de functionare ocupa un cadran.

Tabelul 2.2. Regimurile de functionare ale unui TB

Fig. 2. Localizarea regimurilor de functionare ale TB, ín planul tensiunilor si

Modelul matematic, exprimat prin ecuatiile Ebers-Moll, descrie comportarea tranzistorului bipolar, pentru orice polaritate sau valori ale tensiunilor aplicate celor doua jonctiuni sau, altfel spus, ín orice regim de functionare: RAN, RAI, RS sau RB. Ín cazul precizarii regimului de functionare, ecuatiile Ebers-Moll au o forma mai simpla, ca de altfel si modelul cu circuit echivalent, asa cum se va vedea ín continuare.

Daca se considera regimul activ normal al unui tranzistor bipolar de tip NPN, pentru , ecuatiile (2.7), (2.8) si (2.9) devin:

, (2.10)

, (2.11)

. (2.12)

Dupa introducerea ecuatiei (2.11) ín (2.10), aceasta din urma devine

. (2.13)

Modelul de semnal mare, cu circuit echivalent, al tranzistorului bipolar ín regim activ normal, se obtine prin transpunerea directa a ecuatiilor (2.11) si (2.13), ca ín fig. 2.4a. Daca efectul curentilor reziduali este neglijabil, se obtine modelul simplificat din fig. 2.4b.

Pentru acelasi tip de tranzistor, ín regim activ invers, ecuatiile Ebers-Moll se reduc la forma:

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Dupa introducerea ecuatiei (2.15) ín (2.14), ultima ecuatie capata forma deja cunoscuta,

(2.17)

Fig. 2.4. Modele de c.c., cu circuit echivalent, pentru un TB ín RAN: a. modelul obtinut prin transpunerea directa a ecuatiilor (2.11) si (2.13); b. modelul simplificat

Fig. 2.5. Modele de c.c., cu circuit echivalent, pentru un TB ín RAI: a. modelul obtinut prin transpunerea directa a ecuatiilor (2.15) si (2.17); b. modelul simplificat

Modelul cu circuit echivalent, asociat ecuatiilor (2.15) si (2.17), este dat ín fig. 2.5a, iar modelul simplificat, obtinut prin neglijarea efectului curentilor reziduali, este prezentat ín fig. 2.5b.

Ín regim de blocare, ecuatiile Ebers-Moll pentru un tranzistor de tip NPN au forma redusa:

, (2.18)

, (2.19)

. (2.20)

Tinänd seama de (2.4) si (2.5), si admitänd ca

(2.21)

(2.22)

ecuatiile curentilor tranzistorului bipolar devin:

(2.23)

(2.24)

(2.25)

Rezultatele (2.23)(2.25) caracterizeaza un tranzistor bipolar blocat. Ecuatiile curentilor printr-un tranzistor blocat, transpuse íntr-un circuit echivalent, conduc la modelul din fig. 2.6a. Daca se tine seama de valoarea extrem de mica a curentului rezidual de colector, modelul tranzistorului bipolar blocat se rezuma la un íntrerupator deschis, ca ín fig. 2.6b.

Fig. 2.6. Modele de c.c., cu circuit echivalent, pentru un TB ín RB: a. modelul obtinut prin transpunerea directa a ecuatiilor (2.24) si (2.25); b. modelul simplificat

Frontiera dintre regimurile activ normal si de blocare ale unui tranzistor bipolar este descrisa de ecuatia . Pentru un tranzistor bipolar, prezinta interes cunoasterea tensiunii , pentru care se atinge starea descrisa de ecuatiile  (2.23)(2.25). Din ecuatia (1.17), scrisa pentru tranzistorul bipolar blocat, adica

(2.26)

rezulta

(2.27)

Pentru si , cu , se obtine

Ín regim de saturatie, tranzistorul bipolar are ambele jonctiuni polarizate direct, astfel ca singura simplificare a modelului matematic poate fi adusa prin neglijarea unitatii ín raport cu exponentialele:

(2.28)

(2.29)

(2.30)

Ecuatiile (2.28) si (2.29) pot fi transpuse direct íntr-un circuit echivalent, care se aseamana modelului general din fig. 2.1a. Reprezentarea simplificata a unui tranzistor bipolar saturat este aceea de íntrerupator ínchis (fig. 2.7a).

Fig. 2.7. Modele de c.c., cu circuit echivalent, pentru un TB ín RS: a. modelul simplificat cu íntrerupator ínchis; b. modelul simplificat cu surse de tensiune

Frontiera dintre regimurile activ normal si de saturatie ale unui tranzistor bipolar este descrisa de ecuatia . Un punct de functionare al tranzistorului bipolar, care se afla pe aceasta granita, va fi caracterizat prin , starea tranzistorului fiind aceea de saturatie incipienta. Functionarea tranzistorului bipolar de tip NPN, ín regim de saturatie, presupune aplicarea tensiunilor si, ín consecinta, . Pentru tranzistoare de mica putere, valorile uzuale ale sunt de , ín timp ce are valori de . Un model frecvent utilizat pentru reprezentarea unui tranzistor bipolar saturat este acela din fig. 2.7b, ín care sunt evidentiate cele doua tensiuni: si