Transistor - Warum findet die Verstärkung vor dem Transistor statt und nicht danach?

Der Kollektor des Verstärkers (der Pin mit der Bezeichnung "C") befindet sich tatsächlich NACH dem Transistor (unter Verwendung des Referenzrahmens des Fragestellers, der etwas irreführend ist). Die Basis (B) ist der Eingang, und der aktive Transistor erzeugt eine Situation, in der der Strom am Kollektor ein Vielfaches des Basisstroms beträgt. Der Basisstrom ist also der Eingang und der Kollektorstrom der Ausgang.

In diesem Fall erzeugt das Schließen des Stromkreises an der Basis mit Ihrem Finger einen kleinen Strom durch die Basis. Der Transistor arbeitet Dinge aus, um einen Strom zu erzeugen, der um ein Vielfaches höher ist als an der Basis und die LED zum Leuchten bringt.

Warum? Ich tippe auf den Mechanismus, aber damit verdienen Transistoren ihren Lebensunterhalt.

Die Abbildung stammt von http://media.tumblr.com/tumblr_luy74c89IH1qf00w4.png , stammt aber wahrscheinlich von Horowitz und Hill, The Art of Electronics. "Transistor Man" betrachtet den Strom an der Basis und stellt den Strom am Kollektor so ein, dass er ein Vielfaches des Basisstroms ist. All dies hat natürlich mit Eigenschaften von Siliziumübergängen zu tun, aber das geht etwas über den Rahmen Ihrer Frage hinaus.

Der Strom am Emitter ist die Summe aus Basis- und Kollektorstrom.

Das ist wirklich eine zu starke Vereinfachung, aber es trifft den Kern Ihrer Frage.

Sie betrachten eine Stromschleife, also haben nach und vor nicht viel Bedeutung. Abgesehen von dem winzigen Basisstrom ist der Strom in den roten und blauen Pfaden gleich.

Ihr Konzept von vorher und nachher in der Elektronik ist nicht anwendbar. Sie müssen einige Grundlagen verstehen, bevor Sie dies verstehen können, aber das wäre zu viel, um zu versuchen, hier eine Antwort zu lehren.

Ich dachte, dass der Strom durch den Transistor fließen musste, um erhöht zu werden.

Dies unterstreicht ein gefährliches Missverständnis. Strom ist der Ladungsfluss . Ladung wird wie Energie niemals erzeugt oder zerstört . Sie werden also nie ein Gerät finden, bei dem der in das Gerät fließende Gesamtstrom nicht gleich dem ausfließenden Gesamtstrom ist. Formaler ausgedrückt wird dies als Kirchhoffs aktuelles Gesetz bezeichnet .

Das macht Sinn. Gibt es ein Gerät, das Sie in einen Schlauch einbauen können, damit das austretende Wasser größer ist als das eintretende Wasser? Wenn ja, wäre es eine unendliche Wassermaschine. Ebenso gibt es keine unendliche Ladungsmaschine.

In Ihrem Stromkreis tritt Strom durch die Basis und den Kollektor ein und tritt durch den Emitter aus. Der Emitterstrom ist genau gleich dem Basisstrom plus dem Kollektorstrom. Aufgrund der Verstärkung des Transistors ist der Basisstrom um den Faktor 100 oder mehr viel kleiner als der Kollektorstrom – dieser Parameter wird genannt$h_{FE}$im Datenblatt.

Da der Emitterstrom die Summe aus Basis- und Kollektorstrom ist und somit auch viel größer als der Basisstrom ist, ist es vollkommen gültig (und häufig nützlich), Dinge am Emitter des Transistors anzubringen, um die Verstärkung des Transistors zu nutzen. Siehe Warum sollte man LEDs mit einem gemeinsamen Emitter ansteuern?

Darüber hinaus deutet Ihre Verwendung von "vorher" und "nachher" darauf hin, dass Sie glauben, Sie könnten am + Pol der Batterie beginnen und sich dann nach einer linearen Ursache-Wirkungs-Überlegung zum - Pol vorarbeiten. Du kannst nicht. Es macht sowieso keinen Sinn. Wir nennen sie Schaltkreise, weil sie genau das sind:

cir·cuit (sûrkt) n. 1. ein. Eine geschlossene, normalerweise kreisförmige Linie, die um ein Objekt oder einen Bereich verläuft.

Strom fließt durch die Batterie wie durch alles andere auch. Die elektrische Ladung bewegt sich im Kreis . Ein Kreis hat weder Anfang noch Ende, also kann es kein „vorher“ oder „nachher“ geben.

Sie brauchen nichts so Komplexes wie eine Transistorschaltung, um dies zu veranschaulichen; Nur eine LED und ein Widerstand funktionieren. Versuche dies:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Gibt es einen funktionalen Unterschied zwischen diesen Schaltungen? Wenn Sie wirklich in die Ursache-Wirkungs-Kette einsteigen wollen, müssen Sie mit Lichtgeschwindigkeit denken und lesen , wie der Strom weiß, wie viel er fließen muss, bevor Sie den Widerstand gesehen haben?

Vielleicht ist es etwas einfacher, wenn Sie sich die Schaltung so vorstellen:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Ihr Finger fungiert als Widerstand (ein weitgehend unvorhersehbarer variabler Widerstand), der den positiven Anschluss von V2 mit der Basis des Transistors verbindet. Dadurch kann ein wenig Strom durch den Basis- / Emitterteil des Transistors fließen (sowohl der Emitter als auch der Minuspol der Batterie sind geerdet, also auch miteinander verbunden). Der Transistor multipliziert dann diesen Strom mit einem (mehr oder weniger) konstanten Faktor und lässt diesen proportionalen Strom zwischen Emitter und Kollektor fließen. Da dieser Schaltkreis auch die LED enthält, fließt Strom durch ihn und er emittiert Licht.

Ihr Schaltplan ist im Grunde derselbe, außer dass sie V1 und V2 zu einem einzigen Netzteil kombiniert haben. Sie benötigen lediglich +9 V an zwei Stellen, sodass beide Stellen mit derselben Stromversorgung verbunden sind. Dem Rest der Schaltung ist es egal, woher dieser Strom kommt oder ob dieselbe Stromversorgung sowohl auf der "Eingangsseite" als auch auf der "Ausgangsseite" der Schaltung verwendet wird.

Mit anderen Worten, der Eingangskreis ist im Grunde der Basis/Emitter und der Ausgang ist der Kollektor/Emitter. Aus diesem Grund wird dies als gemeinsame Emitterschaltung bezeichnet - der Emitter wird zwischen Eingang und Ausgang geteilt (gemeinsam). Es gibt auch gemeinsame Basis- und gemeinsame Kollektorschaltungen, obwohl gemeinsamer Emitter (kein Wortspiel beabsichtigt) viel häufiger ist.

Ersetzen Sie den Transistor durch einen einfachen Schalter, sodass Sie nur eine Batterie, eine LED, einen Schalter und einen Strombegrenzungswiderstand haben.

Beachten Sie, dass beim Schließen des Schalters Strom auf beiden "Seiten" des Schalters fließt. "Warum steuert der Schalter den Strom sowohl "vor" als auch "nach" ihm? Weil es sein muss: Strom in einem einfachen geschlossenen Regelkreis muss überall gleich sein. Das Schließen des Schalters führt nicht dazu, dass der Schalter Strom "produziert". Es ermöglicht dem Schalter, Strom zu leiten .

Zurück zum Transistor. Siehst du? Der Transistor fungiert als Verstärker, "verstärkt" den Strom jedoch nicht wirklich. Der Strom im CE-Pfad muss auf beiden Seiten des Transistors gleich sein, da der Transistor nichts enthält, was den Elektronenfluss erhöht. Der Transistor lässt einfach Änderungen eines kleinen Stroms (in diesem Fall im Basis-Emitter-Pfad) zu, um den Fluss des größeren Stroms (im Kollektor-Emitter-Pfad) zu steuern.

Die LED wäre in der Tat heller, wenn Sie sie nachher setzen, da am Transistor vor dem Transistor eine hfe * Ib-Strommenge anliegt und nach dem Transistor (hfe + 1) Ib vorhanden ist. Sie werden dies wahrscheinlich nicht bemerken, da hfe 100 oder mehr in den meisten Fällen und 1% zusätzlicher Strom nicht sichtbar mehr Licht verursachen. Wenn Sie einen Transistor mit einer hfe von beispielsweise 5 haben, werden Sie es bemerken, aber in diesem Fall können Sie ihn nicht mit Ihrem Finger einschalten, da die "1" von Ihrem Finger kommt. Das hfe Ib muss irgendwo herkommen und es kommt vor dem Transistor aus der 9V "Batterie".

Elektrischer Strom ist wie Wasserstrom, er muss irgendwo herkommen, wenn Strom NACH dem Transistor fließt, muss Strom VOR dem Transistor sein!

Ein Transistor kann verwendet werden, um Strom, Spannung oder beides zu verstärken. In der angegebenen Schaltung wird es verwendet, um beide zu verstärken. Bei Verwendung des Emitters als "Ausgang" ändert sich die Ausgangsspannung fast 1:1 mit der Eingangsspannung. In einigen Schaltungen ist dieses 1:1-Spannungsverhalten sehr wünschenswert, da die Genauigkeit der Einheitsverstärkung nicht wesentlich von den Komponenteneigenschaften beeinflusst wird. Damit ein Transistor Ausgangsspannungen nach oben oder unten skalieren kann, ist es jedoch notwendig, den Kollektor als "Ausgang" zu verwenden.

Bei der angegebenen Schaltung bleibt die Basisspannung bei etwa 0,7 Volt, sodass die Spannung am Finger bei etwa 8,3 Volt bleibt, unabhängig von der Spannung an der LED oder ihrem Strombegrenzungswiderstand (so dass sich die Eingangsspannung um fast nichts ändert). während sich die Ausgangsspannung stark ändert - also die Spannung verstärkt). Wenn die LED und der Transistor am Kollektor wären, würde jedes Volt, das von der LED oder ihrem Widerstand abfällt, die Spannung verringern, die durch den Finger fließen könnte.

Beachten Sie, dass die gezeigte Schaltung etwas "gefährlich" ist, da das Kurzschließen der Fingerkontakte eine nahezu unbegrenzte Strommenge durch den Transistor treiben könnte. Das Hinzufügen eines Widerstands mit mittlerem Wert (möglicherweise mit dem gleichen Wert wie für den LED-Widerstand) in Reihe mit dem Basis- und / oder versorgungsseitigen Fingerkontakt würde dies sicherer machen.

Beachten Sie, dass bei einer Berührung, die kaum ausreicht, um den Transistor einzuschalten, das Schaltungsverhalten sehr empfindlich auf eine Transistorcharakteristik namens "Beta" reagiert, die von einem Transistor zum nächsten erheblich variieren kann. Grundsätzlich bedeutet dies, dass einige Transistoren den Fingerstrom um den Faktor 50 verstärken können, während andere Transistoren ihn um den Faktor 200 verstärken können. Für diese spezielle Anwendung spielt das möglicherweise keine Rolle, aber einige Anwendungen erfordern einen besser vorhersagbaren Pegel von Verstärkung. Das Hinzufügen eines kleinen Widerstands zur Basis würde dazu führen, dass der Transistor einen Strom durchlässt, der proportional zu dem Betrag ist, um den die Basisspannung 0,7 überschreitet; Das Anschließen einer Reihenschaltung aus einer Diode und einem Widerstand würde dazu führen, dass die Basisspannung 0,7 um einen Betrag übersteigt, der proportional zum Fingerstrom ist.