Zona activa de functionare a tranzistorului

Zona activa de functionare a tranzistorului

Definitii

Tranzistor blocat

Cand baza nu este polarizata, si prin urmare nu exista curent intre emitor si colector, spunem ca tranzistorul este blocat.

Tranzistor saturat

Invers, cand intre emitor si colector trece cantitatea maxima de curent permisa de colector si de sursa de putere, spunem ca tranzistorul este saturat.

Tranzistor in zona activa de functionare

Dar, in cazul in care curentul controlat este mai mare decat zero dar este sub valoarea maxima admisa de sursa si de circuit, tranzistorul va functiona intre zonele de blocare si saturare; in acest caz, spune ca tranzistorul functioneaza in zona activa.

Exemplu

Sa consideram circuit teoretic alaturat.

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

Variatia curent-tensiune

In aceasta simulare, vom seta valoarea sursei de curent la 20 µA si vom varia tensiunea sursei (V₁) intre 0 V si 2 V; vom observa apoi curentul ce trece prin sursa.

Un curent de baza constant de 20 µA controleaza un curent maxim de 2 mA prin colector, de exact 100 de ori mai mare. Pentru aceasta valoare a curentului de baza, curentul prin colector nu poate creste mai mult. Putem observa de pe grafic ca forma curbei este plata in afara de prima portiune, portiune unde tensiunea bateriei (V₁) creste de la 0 V la 0,25 V. In acest interval, curentul prin colector creste rapid de la 0 A la 2 mA.

Cresterea tensiunii bateriei

Sa observam ce se intampla daca largim plaja valorilor de tensiune a bateriei, de la intervalul 0 - 2 V, la intervalul 0 - 50 V, mentinand un curent de baza constant de 20 µA.

Dupa cum era de asteptat, rezultatul este acelasi. Curentul prin colector nu poate trece de 2 mA (de exact 100 de ori valoarea curentului bazei!), cu toate ca tensiunea bateriei (V₁) variaza de la 0 V pana la 50 V. Putem trage concluzia ca tensiunea dintre colector si emitor nu are niciun efect asupra curentului din colector, decat la valori foarte mici (putin peste 0 volti). Peste aceasta tensiune "critica", valoarea tensiunii nu mai are nicio importanta pentru valoarea curentului colectorului. Tranzistorul se comporta in acest caz precum un regulator de curent, permitand un curent de exact 2 mA prin colector, si nu mai mult.

Cresterea curentului bazei

Urmatorul pas consta in cresterea curentului bazei, de la 20 µA la 75 µA, mentinand tensiunea bateriei in intervalul 0 - 50 V.

Pentru curentul maxim de baza, 75 µA, curentul prin colector este (din nou) de 100 de ori mai mare, 7,5 mA si din nou curba curent-tensiune este plata, cu exceptia primei parti. Putem trage concluzia ca factorul decisiv ce contribuie la valoarea curentului prin colector este curentul bazei, tensiunea bateriei (V₁) fiind irelevanta atata timp cat se situeaza peste o anumita valoare minima.

Curbe caracteristice

Aceasta relatie dintre curent si tensiune este fundamental diferita fata de relatia curent-tensiune a rezistorului. In cazul rezistorului, curentul creste liniar pe masura ce caderea de tensiune la bornele sale creste. In cazul tranzistorului, curentul dinspre emitor spre colector are o valoare limita fixa, valoare peste care nu poate creste, indiferent de caderea de tensiune dintre emitor si colector.

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

Pentru functionarea corecta a tranzistorului, acesta trebuie sa se afle tot timpul in zona activa de functionare (pentru amplificatoare clasa A), nu in cea de blocare si nici in cea de saturatie. Tineti minte ca tranzistorul este un dispozitiv controlat in curent, prin urmare, daca ar functiona in zona de saturatie, acesta nu ar mai putea fi controlat prin intermediul curentului bazei; o crestere a curentului bazei, atunci cand tranzistorul se afla in zona de saturatie, nu duce la o crestere a curentului colector-emitor, asa cum era de asteptat. In schimb, daca tranzistorul se afla in zona activa de functionare, o crestere/scadere a curentului bazei duce la o crestere/scadere a curentului prin colector

Observatie

Trebuie inteles faptul foarte important, ca in graficul de mai sus, avem trei variabile: tensiunea colector emitor (E_{colector-emitor}), curentul de la emitor la colector (I_colector) si curentul bazei (I_baza). Pentru fiecare variatie a curentului de baza, de la 5 µA la 20 µA la 40 pana la 75 µA, vom avea o alta curba caracteristica, si practic, pot exista o infinitate de curbe intre aceste valori.

Factorul beta (factorul de amplificare in curent)

Din moment ce tranzistorul se comporta precum un regulator de curent, limitand curentul colectorului printr-o proportie fixa fata de curentul bazei, putem exprima aceasta caracteristica standard a tranzistoarelor printr-un raport, cunoscut sub numele de factor beta sau factor de amplificare in curent, si simbolizat prin litera greceasca β, sau prin h_fe:

Factorul β al oricarui tranzistor este determinat de modul sau de fabricare, si este o marime ce nu poate fi modificata dupa confectionarea acestuia. Este foarte greu sa gasim doi tranzistori, de acelasi tip, care sa posede un factor β identic, datorita variabilelor fizice ce afecteaza valoarea acestuia. Daca vrem sa construim un circuit in care avem nevoie de tranzistori cu β egali, acestia se pot cumpara in seturi, la un pret mai mare. Dar, construirea unor circuite electronice cu astfel de dependinte nu este indicata.

β nu ramane constant pentru toate conditiile de operare. Pentru un tranzistor fizic, raportul β poate varia cu un factor mai mare decat trei intre limitele curentului de operare. De exemplu, un tranzistor marcat cu β = 50, poate in realitate sa prezinte un raport I_c / I_b de 30 sau chiar de 100, in functie de valoarea curentului prin colector, temperatura tranzistorului, frecventa semnalului amplificat, plus alte variabile. Desi teoretic vom considera β ca fiind constant pentru oricare tranzistor, in realitate acest lucru nu este valabil!

Modelul dioda-potentiometru al tranzistorului

Pentru a intelege mai usor modul de functionare al tranzistorului, putem considera modelul teoretic alaturat.

Conform acestui model, tranzistorul este o combinatie dintre o dioda si un potentiometru. Curentul prin dioda baza-emitor controleaza rezistenta potentiometrului colector-emitor, lucru evidentiat prin linia intrerupta dintre cele doua componente, ceea ce duce la controlul curentului prin colector. Tranzistorul de sus este de tipul NPN. Tranzistorul de tipul PNP, va avea dioda baza-emitor inversata.

Modelul dioda-sursa-de-curent al tranzistorului

Un model mult mai precis insa, este cel din figura alaturata.

Conform acestui model, tranzistorul este o combinatie dintre o dioda si o sursa de curent, iesirea sursei de curent fiind un multiplu (raportul beta) al curentului de baza. Acest model descrie mult mai precis caracteristica intrare/iesire a tranzistorului: curentul de baza stabileste o un anumit curent in colector, si nu o anumita rezistenta colector-emitor, precum in cazul precedent. Din pacate, folosirea unei surse de curent ii poate induce pe cei mai ne-experimentati in eroare; un tranzistor nu este in niciun caz o sursa de energie electrica, dar pe model, faptul ca sursa de energie este externa tranzistorului, nu este aparenta.