Warum wird der Strom in dieser NICHT-Transistorschaltung nicht zwischen dem Transistor und der LED aufgeteilt?

tl; dr-Version: Die Vce(on) des Transistors ist niedriger als die Vf der LED . Wenn also der Transistor eingeschaltet ist, liegt die LED deutlich unter ihrer Vf-Schwelle und leitet daher nicht.

LEDs, Vf und Farbton

Die LED hat, wie alle Dioden, eine Vorwärtsspannung von Anode zu Kathode, Vf. Die LED leitet nicht, bis die Vf-Schwelle erreicht ist, wonach der Strom schnell ansteigt.

Diese Vf-Spannung variiert je nach LED-Typ zwischen 1,1 V für einen Infrarottyp bis zu etwa 3 V für eine blaue oder weiße LED. Diese unterschiedlichen Vf-Schwellenwerte stammen von den Materialien, die zur Herstellung von LEDs in verschiedenen Farben verwendet werden. Im Vergleich dazu haben gewöhnliche Siliziumdioden eine Vf von 0,7 V.

Hier ist eine schöne Grafik, die das unterschiedliche Vf-Verhalten für eine Vielzahl von LED-Typen zeigt.

Von hier: http://lednique.com/current-voltage-relationships/iv-curves/

Bipolar Junction, was ist Ihre Funktion

Der Bipolartransistor hingegen hat eine minimale Kollektor-Emitter-Spannung Vce, wenn er eingeschaltet ist – das heißt Vce(on). Diese Vce(on)-Spannung beträgt etwa 0,2 V. Der Grund dafür liegt außerhalb des Rahmens dieser Diskussion. Nur wissen, dass es so ist, sonst gehen wir in den Ebers-Moll-Kaninchenbau.

Bipolar zieht mich runter

Wenn also der Transistor eingeschaltet ist, zieht er in dieser Schaltung die LED-Anode-zu-Kathoden-Spannung auf die Vce(on) des Transistors von 0,2 V herunter, weit unter die LED-Vf von 1,1 V oder höher . Sie sehen dies auf dem Vf-Diagramm oben: 0,2 V liegt weit im stromlosen Bereich aller LED-Typen.

Dadurch fließt bei eingeschaltetem Transistor (fast) kein Strom durch die LED. Die LED-Vf-Schwelle wird nicht erreicht, also leitet sie nicht. Elektronen finden nicht den Weg zu Löchern, es werden keine Energiequanten als Photonen emittiert und die LED bleibt dunkel.

Die mathematische Wahrheit ist, dass sich der Strom tatsächlich zwischen der LED und dem Transistor aufteilt, aber der Strom, der durch die LED fließt, effektiv Null ist.

Die LED beginnt erst dann erheblichen Strom zu ziehen, wenn die Spannung über ihr relativ nahe an die normale Betriebs-Vf herankommt (typischerweise etwa 2-3 V für LEDs mit sichtbarem Licht). Wenn der Transistor wie in diesem Beispiel gesättigt ist, hat er vielleicht 100 mV, also fließt wahrscheinlich weniger als ein nA Strom.

Die LED verhält sich nicht wie ein Widerstand, sie ist nichtlinear .

Wenn Sie den Kollektor des Transistors zum +9-V-Knoten bewegen, bleibt die LED eingeschaltet (eine gute 9-V-Versorgung vorausgesetzt), aber der Transistor wird sehr heiß und wird schnell zerstört.

Eine nützlichere Idee könnte darin bestehen, einen Widerstand in Reihe mit dem Transistorkollektor hinzuzufügen. Wenn der Widerstand hoch genug ist, wird das LED-Licht nur dimmen und nicht ganz ausgehen, wenn der Transistor einschaltet.

Bearbeiten: Hier ist eine Simulation der verschiedenen Szenarien:

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

D1 leitet laut Simulation nur 3nA. D3 leitet genauso wie D6 (aber der Transistor Q3 ist nicht mehr lange von dieser Welt). D4 leitet nur 2,4 mA, daher wird es etwas gedimmt, bleibt aber beleuchtet.

Grob gesagt, wenn der Transistor eingeschaltet ist, können Sie ihn durch ein Stück Draht ersetzen ... und die LED wird vollständig überbrückt. Der gesamte Strom wird also durch den "Draht" fließen (umgeleitet, gelenkt). Sie können die LED und alle Elemente außer dem 1 k Kollektorwiderstand und der Stromversorgung entfernen. Ihre Schaltung besteht nur aus zwei Elementen - dem Widerstand und der Stromversorgung ... und tut nichts.

Wenn der Transistor ausgeschaltet ist, können Sie ihn entfernen (zusammen mit dem 1-k-Basiswiderstand, dem Eingangsschalter und der Eingangsspannungsquelle). Jetzt besteht Ihre Schaltung aus drei Elementen - dem Widerstand, der Stromversorgung und der leuchtenden LED.

Stellen Sie sich im Normalfall (nicht idealer Transistor) den parallel geschalteten Kollektor-Emitter-Teil und die LED wie einen Stromteiler vor ... bestehend nur aus zwei nichtlinearen Widerständen.

Ein anderer (ich denke besserer) Gesichtspunkt bei dieser Verbindung besteht darin, sich den Kollektorwiderstand (R1) und den Transistor (R2) als einen variablen "Spannungsteiler" R1-R2 vorzustellen, der die LED versorgt. Wenn dann "R2" zu niedrig ist (der Transistor ist gesättigt), reicht die vom "Spannungsteiler" erzeugte Spannung nicht aus, um die LED in Vorwärtsrichtung vorzuspannen (zu beleuchten) ... wie alle Kommentare hier erklären.

Sie können sowohl den "Stromteiler"- als auch den "Spannungsteiler"-Standpunkt verwenden, um sich den Betrieb der Stufe mit gemeinsamem Emitter vorzustellen. Ersteres ist besser geeignet, wenn die Last niederohmig ist (Ihr Fall); Letzteres - wenn die Last hochohmig ist (auch offener Stromkreis).

Es gibt noch eine andere Betrachtungsweise, nämlich die Betrachtung der Kennlinien der beteiligten Teile. Vielleicht hilft dir das, herauszufinden, was los ist.

Stellen Sie zunächst fest, wie viel Basisstrom durch den Transistor fließt, wenn er eingeschaltet ist. Der Basis-Emitter-Übergang hat die Kennlinie einer Diode, daher sollten Sie den Strom ermitteln können, indem Sie eine Lastlinie durch die Kennlinie der Basis-Emitter-Diode ziehen (die Lastlinie ist eine Gerade mit der ermittelten Steigung durch den 1k Basiswiderstand).

Wählen Sie dann unter Verwendung dieses Basisstromwerts die richtige Ic-zu-Uce-Kurve des Transistors aus. Durch diese Kurve können Sie wieder eine Lastlinie ziehen, die dem 1k-Kollektorwiderstand entspricht. Auf diese Weise finden Sie den richtigen Uce-Wert, also die Spannung zwischen Kollektor und Emitter.

Ermitteln Sie anhand dieser Spannung den Strom durch die LED für diese Spannung anhand der Kennlinie der LED. (Dies ist nicht ganz genau, da der Strom durch die LED die Spannung am Kollektorwiderstand beeinflusst, aber es gibt Ihnen eine gute Annäherung).

Die Kennlinien sind den Datenblättern der Teile zu entnehmen. Wenn Sie die prinzipielle Lösung wissen wollen, wählen Sie einige beispielhafte Teile aus, für die Sie Datenblätter mit den Kurven finden können.

Sie werden feststellen, dass der Strom durch die LED sehr klein ist. Viel zu klein für eine nennenswerte Lichtabgabe.

Ich probier mal die Antwort des Laien. Es kann angenommen werden, dass Ihre Schaltung nur zwei Zustände hat, wenn der Transistor eingeschaltet ist und der andere, wenn er ausgeschaltet ist. Im EIN-Fall fällt der Transistorwiderstand sehr niedrig ab und kann als gerades Stück Kupferdraht zwischen Masse und Dioden- / Widerstandsübergang betrachtet werden (oder wenn Sie mathematisch werden möchten, dann ein Widerstand von c1 Ohm). Die Versorgungsspannung an der Diode ist also tatsächlich sehr niedrig (etwa weniger als 0,1 Volt) und weit unter der Diodendurchlassspannung, die zum Aufleuchten erforderlich ist. Dioden jeder Art benötigen eine Durchlassspannung von typischerweise 0,4 c bis 1,2 Volt, um zu leiten. Diese Spannungsschwelle wird durch den entworfenen Typ des Transistors definiert und beeinflusst die Farbe der Photonen/des Lichts, das er emittiert.

Im Aus-Fall kann der Transistor als hochohmiger Widerstand betrachtet werden, und Sie könnten auf dem Papier diese Komponente einfach ausradieren und anhand dessen überprüfen, was in der Schaltung übrig ist. In diesem Fall vereinfacht sich die Schaltung zu einer einfachen Diode in Reihe mit einem 1k-Widerstand, der an die Versorgung angeschlossen ist. Die Diode sieht die volle Versorgungsspannung und leuchtet. Der 1k-Widerstand ist die einzige Komponente, die den Strom durch die Diode begrenzt, und muss daher so dimensioniert werden, dass der maximale Durchlassstrom der Diode nicht überschritten wird. 1 k bei 10 V ergeben 10 mA, was für die meisten typischen LEDs ungefähr richtig ist.

Die Antwort von DNKguyens wurde auf verschiedene Arten beantwortet. Zunächst einmal, wenn der Transistor die Spannung senkt, ist keine mehr übrig, um durch die LED zu fließen, die theoretisch den Anwalt des Teufels spielt. Wir wissen, dass wahrscheinlich 0,7 Volt übrig sind, was viel zu niedrig ist ( besonders) mit dem Widerstand ist in Reihe mit der LED, um es Gate zu machen und zu feuern oder einzuschalten. Kurz gesagt, der Transistor in seinem Diagramm schließt die gesamte verfügbare Leistung gegen Masserückleitung kurz, die normalerweise zündet, oder schaltet die LED ein, um sie einzuschalten oder Licht zu emittieren. Nun noch etwas: Zumindest einige, wenn nicht alle LEDs unterhalb der Lichtemissionsspannung verhalten sich in den meisten Fällen wie eine Diode vom Typ 1n914.

Das Gate oder der Schalter ist der entscheidende Faktor dafür, dass Strom in beide Richtungen fließt. Wenn der Schalter offen ist, erhält die Basis kein Signal und so ist der Transistor ausgeschaltet und der gesamte Strom muss durch die LED fließen, die den Transistor umgeht. Aber wenn der Schalter geschlossen ist, erhält die Basis eine Vorspannung und beginnt so stark zu leiten, dass der gesamte Strom durch den Transistor fließt und mit dem Minus der Batterie geerdet wird, sodass die Kollektorspannung ungefähr der Spannung zwischen Kollektor und Emitter entspricht, was nicht der Fall ist ausreichend, um die LED zum Leuchten zu bringen, obwohl sie noch angeschlossen ist. Es gibt eine Möglichkeit, sie zum Leuchten zu bringen, selbst wenn der Schalter oder das Gate geschlossen ist und der Transistor leitet, indem ein Spannungsteiler verwendet wird.

Die Antwort hier wirft eine andere Frage auf. Zunächst einmal ist dies nur eine mentale Übung oder versuchen Sie zu tun. Arbeiten? Wenn Sie die LED aus- und einschalten, ist dies ein schlechter Weg, da dies die ganze Zeit Strom verbraucht und Abwärme erzeugt. Wenn Sie nun mit unbegrenzter Versorgungsleistung versorgt werden, ist dies möglicherweise kein Problem. Wenn Ihre Versorgung jedoch eine Batterie ist, ist dies eine ganz andere Geschichte, aber es ist immer noch schlechte technische Praxis, die von Ihnen dargestellte Schaltung zu verwenden. Es wäre so viel einfacher, die LED und den Strombegrenzungswiderstand in den Rücklaufzweig des Schalttransistors zu stecken, dann schaltet die Steuerspannung einfach den Transistor ein oder nicht, damit die LED aus ist oder nicht. Sie müssten nur sicherstellen, dass der Schalttransistor genügend Strom führt, um die LED mit Strom zu versorgen. Der Steuerungs- oder Basiswiderstand hängt davon ab, welche Leistung Sie zum Schalten zur Verfügung haben. Der Leistungseingangswiderstand hängt davon ab, wie stark die Versorgungsspannung abfallen muss, um die richtige Arbeitsspannung des Transistors und der LED zu erreichen. Ob Sie einen N- oder einen P-Kanal-Schalttransistor verwenden, hängt natürlich davon ab, ob Ihre Versorgungsspannung positiv oder negativ ist. Dies bestimmt auch, in welche Richtung Sie Ihrer Diode (LED) gegenüberstehen. Die Polarität Ihrer Schaltspannungen muss an Ihre Versorgung geliefert werden, oder sie muss durch einen Wechselrichter geleitet werden, sei es ein anderer einfacher Transistorschalter oder ein Wechselrichter-IC. Ob Sie einen N- oder einen P-Kanal-Schalttransistor verwenden, hängt natürlich davon ab, ob Ihre Versorgungsspannung positiv oder negativ ist. Dies bestimmt auch, in welche Richtung Sie Ihrer Diode (LED) gegenüberstehen. Die Polarität Ihrer Schaltspannungen muss an Ihre Versorgung geliefert werden, oder sie muss durch einen Wechselrichter geleitet werden, sei es ein anderer einfacher Transistorschalter oder ein Wechselrichter-IC. Ob Sie einen N- oder einen P-Kanal-Schalttransistor verwenden, hängt natürlich davon ab, ob Ihre Versorgungsspannung positiv oder negativ ist. Dies bestimmt auch, in welche Richtung Sie Ihrer Diode (LED) gegenüberstehen. Die Polarität Ihrer Schaltspannungen muss an Ihre Versorgung geliefert werden, oder sie muss durch einen Wechselrichter geleitet werden, sei es ein anderer einfacher Transistorschalter oder ein Wechselrichter-IC.