Transistoren sind schwer mit Gesetzen zu begreifen

Sie müssen bedenken, dass ein Transistor eine Art "Stromventil" ist. Es lässt also eine gewisse Strommenge zwischen Kollektor und Emitter fließen$H_{fe}$mal größer als der Strom, der durch die Basis des Transistors fließt.

In deinem Beispiel$H_{fe}$ist anscheinend eingestellt$100$. Der Basisstrom ist nur$186\mu{A}$damit der Kollektorstrom nicht überschritten werden kann$18.6\mu{A}$. (Es könnte natürlich weniger sein, wenn der Strom nicht verfügbar ist, an welchem ​​​​Punkt der Transistor gesättigt ist.)

Wie zu erwarten, fällt die LED um$2V$gegenüber von. Der Rest$7V$von dem$9V$Versorgung wird rüber fallen gelassen$V_{ce}$.

In diesem Fall fungiert der Transistor also nicht als Schalter, sondern als linearer Stromregler.

Allerdings nicht sehr gut, da die$H_{fe}$von Transistoren ist eigentlich ein sehr vager Wert. Wenn Sie einen Strombegrenzer wollten, ist die folgende Schaltung besser und stützt sich auf einen Widerstandswert, um den Strom einzustellen.

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

Der Trick dabei ist zu erkennen, dass Transistoren (im Wesentlichen) in einem von zwei Modi arbeiten: linear und gesättigt. Als Schalter eingesetzt, wie es üblich ist, haben sie eine sehr niedrige Kollektor-Emitter-Spannung und einen hohen Basisstrom – oder anders gesagt, sie arbeiten mit geringer Verstärkung. Unter diesen Bedingungen kann der Kollektorstrom ziemlich stark schwanken, ohne dass sich Vce stark ändert. Dies bedeutet wiederum, dass der Kollektorstrom gesteuert werden muss, und in LED-Schaltungen wird dies normalerweise durch Hinzufügen eines Vorwiderstands zur Strombegrenzung erreicht.

Es gibt jedoch einen anderen Modus, den sogenannten linearen Modus, der durch Vce größer als die Basis-Emitter-Spannung und höhere Verstärkungen, typischerweise über 100, gekennzeichnet ist. Beim Betrieb mit diesen Pegeln wird der Kollektorstrom durch das Produkt aus Basisstrom und eingestellt Verstärkung, und Schwankungen in Vce haben wenig Einfluss auf den Kollektorstrom. Mit anderen Worten, der Transistor wirkt als Stromverstärker.

In der von Ihnen gezeigten Schaltung sind 186 uA klein genug, dass der Transistor bei einer Verstärkung von 100 und unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls der LED mit 7 Volt Vce arbeitet, was bedeutet, dass er sich im linearen Modus befindet. Es liefert effektiv den Spannungsabfall, der "normalerweise" durch einen Widerstand in Reihe mit der LED erfolgen würde.

Das hat Vor- und Nachteile. Einerseits sorgt es für eine einfache Schaltung. Ein zusätzlicher Widerstand ist nicht erforderlich. Der Nachteil ist, dass der Transistor mehr Leistung verbraucht, als dies sonst der Fall wäre. Dies ist in diesem speziellen Fall eigentlich kein Problem, da die Gesamtleistung nur 130 mW beträgt und fast jeder Transistor damit umgehen kann. Wenn der Transistor in die Sättigung getrieben würde, wäre Vce in der Größenordnung von 0,2 Volt, und der Transistor würde (bei demselben Strompegel) nur etwa 4 mW verbrauchen, wobei ein Widerstand die anderen 126 mW absenken würde. Im Allgemeinen ist es billiger, Leistung mit Widerständen statt mit Transistoren abzuleiten.

Warum machst du es nicht "normal" so wie du es getan hast? Weil Transistoren große Verstärkungsvariationen (3:1 oder besser) aufweisen. Wenn Sie also eine Reihe von LEDs mit Ihrer Schaltung ansteuern, zeigen diese mit ziemlicher Sicherheit große Helligkeitsschwankungen. Plus natürlich große Schwankungen in der Verlustleistung.

Lassen Sie sich nicht von Modellen täuschen. Ihre Simulation verwendet einen nominalen Verstärkungswert von 100, und dies ist eine vollkommen gute Ausgangsannahme beim Modellieren einer Schaltung. Aber darauf kann man sich in der realen Welt nicht verlassen. Sie müssen Datenblätter lesen und den Unterschied zwischen "typischen" Zahlen und Max/Min genau im Auge behalten.

BEARBEITEN - Und beachten Sie, dass ich "im Wesentlichen" gesagt habe. Ja, es gibt eine Zwischenbedingung. Für einen gegebenen Kollektorstrom und variierende Basisströme gibt es einen Übergangsbereich, in dem die Verstärkung abfällt, wenn Vce niedrig wird (um etwa 1 Volt herunter). Aber die Verstärkung variiert trotzdem, sowohl mit Strom als auch mit Spannung.

Der von Ihnen gezeigte Transistor hat eine Stromverstärkung von 100. Da Ihr Basisstrom begrenzt ist, wird der Kollektorstrom durch die lineare Stromverstärkung von 100 begrenzt.

Wir verwenden jedoch im Allgemeinen Transistoren als Schalter für LEDs, bei denen die Stromverstärkung bei der Nenn-Vce(sat) auf 10 abfällt. (normalerweise beginnt hFE unter Vce=2 zu sinken). Das bessere Design sättigt also die Basis-Emitter-Diode mit 10 % bis 5 % des Laststroms (dh 2 bis 1 mA) und verwendet dann eine Kollektorserie Rc, um den Spannungsabfall bereitzustellen und den Strom zu begrenzen.

Mit diesen Annahmen von Ic=20mA, Vf=2V, V+=9V dann Vce=0.5V @ Ib=5%Ic oder Ic/Ib=20 also V(Rc)=(9-2-0.5)[V]/20 [mA]= 325 Ohm

Wenn man mehr LEDs von 9-V-Fledermaus wünscht, kann man möglicherweise 4 in Reihe mit einer größeren Helligkeitsvariation unterstützen, wenn die Batterie auf 8,5 V oder 3 in Reihe fällt, um weniger Variation zu erzielen und einen niedrigeren Rc-Wert zu berechnen. (9-3*2,0 V-0,5 V)/20 mA = 125 Ohm

Hier ist eine grafische Methode, um das Verhalten des Transistors plus Widerstand plus LED vorherzusagen

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

„Besonders bin ich mir nicht ganz sicher, wie genau Transistoren Schaltungen in Bezug auf Spannung und Strom beeinflussen. Wenn ich versuche, es herauszufinden, denke ich durch die Linse, wie ein Widerstand die Art der Schaltung beeinflusst, ist dies ein Fehler? Perspektive?"

Ja, ich kann die Verwirrung hier sehen. Vielleicht, wenn ich die Transistorfunktion aus der "Elektronenflusstheorie" sowie aus der "konventionellen (auch bekannt als Lochflusstheorie)" erkläre.

Konventionelle Theorie:

Die Funktion eines Transwiderstands (jetzt Transistor genannt) besteht darin, den Spannungsabfall über Kollektor und Emitter mit einer kleinen an die Basis angelegten Spannung zu variieren.

Elektronenflusstheorie:

Die Funktion eines Transistors besteht darin, einen größeren Strom über den Kollektor-Emitter-Übergang mit einem kleineren Strom über den Basis-Emitter-Übergang zu variieren.

Hoffentlich beseitigt das die Verwirrung.