Wie kann man sich den Elektronenfluss in einem solchen Schaltkreis Schritt für Schritt vorstellen? Wie können wir sagen, dass es zum Beispiel Konstantstrom liefern würde?

1. Der erste Schritt besteht darin, den Elektronenfluss zu vergessen. Denken Sie an einen herkömmlichen Stromfluss von Plus nach Minus oder Masse. So machen wir es (fast) alle und deshalb zeichnen wir die positive Schiene oben im Schaltplan. Das Verständnis des Elektronenflusses hat seinen Nutzen, aber nicht für die allgemeine Schaltungsanalyse. Beachten Sie, dass die Pfeile in Dioden- und Transistorsymbolen beide die Richtung des konventionellen Stroms zeigen.

2. Angenommen, beide Transistoren sind anfangs ausgeschaltet.
3. Finden Sie jetzt heraus, was eingeschaltet werden könnte. Es wird anfangs nicht T1 sein, da kein Strom zur Basis fließt. T2 wird über den 2,2-kΩ-Widerstand zu seiner Basis bei (1) gespeist, sodass er eingeschaltet wird.
4. Wenn T2 einschaltet, fließt Strom vom Kollektor und durch R. Die LED beginnt zu leuchten.
5. Die Spannung an (2) beginnt nun zu steigen. Wenn es etwa 0,6 oder 0,7 V erreicht, beginnt T1 sich einzuschalten.
6. Das Einschalten von T1 beginnt, die Vorspannung von T2 zu stehlen, und die Schaltung pendelt sich bei 0,7 V über R ein. Wenn die Spannung an R steigt, stiehlt T1 mehr Vorspannung. Wenn es nach unten geht, schaltet sich T1 ein wenig aus.
7. Der Strom durch die LED wird sein$I = \frac V R = \frac {0.7} R$.

Was ist die Intuition zum Lesen von Transistor- / Widerstandsschaltungen?

Genauer gesagt bedeutet „Lesen“ hier „Verstehen“. Die Frage lautet also: "Wie verstehen wir Schaltkreise intuitiv?"

Was Verständnis ist

Aber was bedeutet es, eine Schaltung zu verstehen? Dazu reicht es nicht aus, nur zu sehen, dass beispielsweise "wenn T1 an ist, T2 aus ist usw.", dh. nur um konkrete Tatsachen festzustellen. Eine Schaltung zu verstehen bedeutet zunächst einmal, die Grundidee, das Konzept hinter dieser Mischung von Komponenten zu sehen. Wenn Sie dies nicht tun, wie sie sagen, werden Sie "den Wald vor lauter Bäumen nicht sehen" ... Sie werden nicht verstehen, was Sie verstanden haben ...

Sie haben zu Recht auf die Intuition als Mittel zum Verständnis von Schaltkreisen hingewiesen. Fügen Sie außerdem Fantasie, gesunden Menschenverstand, Analogien, Emotionen ... und natürlich angesammeltes Vorwissen hinzu ... und Sie haben alles, was Sie brauchen, um Schaltungen zu verstehen. Wenn Sie sich dann entscheiden, die Schaltung zu implementieren, benötigen Sie neben diesen "qualitativen Mitteln" auch "quantitative Mittel" für ihre Berechnung und viele "Details" ... aber in diesem Stadium brauchen Sie sie nicht unbedingt.

Schaltungen verstehen

Wir beginnen mit der Suche nach etwas Bekanntem – eher elementaren Schaltungsbausteinen (Unterblöcken) und Grundideen (Konzepten). Lass es uns mit deiner Schaltung machen ...

Szenario 1

Regulierendes Element. Das erste, was wir in Ihrer Schaltung bemerken, ist, dass der Transistor T2 mit seinem Kollektor und Emitter in Reihe zur LED geschaltet ist; Er regelt also den Strom durch die LED wie ein variabler Widerstand ( Rheostat ).

Strom-Spannungs-Wandler. Dann bemerken wir, dass der LED-Strom I durch den Widerstand R fließt; Der Spannungsabfall darüber ist also proportional zum Strom - VR = IR Ja, schließen wir, also wird der Widerstand in den Emitter eingefügt, um den Strom in Spannung umzuwandeln. Damit erkennen wir den nächsten Schaltungsbaustein – einen passiven Strom-Spannungs-Wandler .

Ein weiterer Strom-Spannungs-Wandler. Ermutigt durch unseren Erfolg machen wir weiter ... und finden einen weiteren Widerstand (2,2 k), der als derselbe Strom-Spannungs-Wandler fungiert , aber jetzt in den Kollektor eingefügt ist. Offensichtlich besteht seine Aufgabe darin, T1-Kollektorstromänderungen in Spannungsänderungen umzuwandeln ...

Common-Emitter-Stufe. Wir denken also, die Kombination aus dem Transistor T1 und dem Kollektorwiderstand von 2,2 k ist die bekannte Emitterschaltung ...

Gemeinsame Kollektorstufe. … die eine andere berühmte Transistorkonfiguration steuert – die gemeinsame Kollektorstufe ( Emitterfolger ) T2.

Negative Rückmeldung. Die beiden im Kreis geschalteten Verstärkerstufen lassen vermuten, dass hier eine Gegenkopplung vorliegt. Mal sehen ob das so ist...

Um einen konstanten Strom durch die LED aufrechtzuerhalten, muss der Transistor T2 eine konstante Spannung über dem Widerstand R aufrechterhalten. Wir sehen, dass die Spannung VR mit der Schwellenspannung von T1 von 0,7 V verglichen und durch T1 verstärkt wird, das T2 steuert, um VR konstant zu halten. Wenn zum Beispiel der LED-Strom aus irgendeinem Grund abnimmt, nimmt auch VR ab. T1 erhöht seine Kollektorspannung und T2 erhöht den LED-Strom. Ja, sicher ... das ist das großartige Prinzip des negativen Feedbacks .

Szenario 2

Emitterfolger. Mit dem gleichen Erfolg können wir in T2 einen Emitterfolger erkennen, der eine konstante Spannung über einem konstanten Widerstand R aufrechterhält… also ist auch der Strom konstant.

Dazu sollte dieser Emitterfolger mit einer konstanten (Referenz-)Eingangsspannung angesteuert werden. Wir wissen, dass es über eine Diode erhalten werden sollte ... aber wir sehen hier keine solche Diode ... wir sehen einen Transistor (T1). Was zur Hölle ist das?

Widlars Idee. Wir stellen fest, dass das Verhalten des T1 sehr interessant ist. Da etwa 0,7 V über den Basis-Emitter-Übergang von T2 verloren gehen, zwingt die negative Rückkopplung T1, seine Kollektorspannung (Basis von T2) auf 1,4 V zu erhöhen, um etwa 0,7 V an seiner Basis zu halten. So sehen wir hier die geniale Idee von Widlar .

Szenario 3, 4 ...

Auf diese Weise suchen wir immer wieder nach neuen Sichtweisen...

Wie kann man sich den Elektronenfluss in einem solchen Schaltkreis Schritt für Schritt vorstellen?

Um Schaltkreise intuitiv zu verstehen, benötigen Sie eine möglichst allgemeine Vorstellung von elektrischem Strom als etwas, das unter dem Einfluss von so etwas wie Druck fließt ... und auf dem Weg auf so etwas wie ein Hindernis stößt. Und was extrem wichtig (aber unterschätzt) ist, WO der Strom fließt.

Jeder Strom beginnt dort, wo der „Druck“ am höchsten ist (dem positiven Quellenanschluss) und kehrt dort zurück, wo der „Druck“ am niedrigsten ist (dem negativen Quellenanschluss); sein Pfad ist also eine geschlossene Linie (Schleife). Deshalb zeichne ich Strompfade immer als volle Schleifen in Grün (Assoziation mit Wasserströmung). Hier ist ein Beispiel dafür, wie Ihre Schaltung mit visualisierten Strömen aussieht:

Abschluss

Ich verstehe sehr gut, dass dies für Sie ein schwieriger Weg ist, eine so "einfache" Schaltung aus nur zwei Widerständen und zwei Transistoren zu verstehen ... einfach weil es viel Vorerfahrung erfordert. Aber ich wollte Ihnen zeigen, was wahres Verstehen bedeutet und wie es sich vom wörtlichen „Lesen“ von Schaltplänen unterscheidet. Ich hoffe, dies wird Sie in Zukunft dazu anregen, nach wahrem Verständnis zu streben ...

Ressourcen

Hier sind einige meiner Ressourcen zur Schaltungsphilosophie:

Wie man elektronische Schaltungen versteht, präsentiert und erfindet (Flash-Inhalte, benötigt eine Ruffle-Erweiterung für den Browser)

Analoge Elektronik 2004

Schaltungsgeschichten auf dem Whiteboard

Analoge Elektronik 2008

Schaltungsidee Wikibook

Circuit Stories ist mein Blog

Was ist eine Schritt-für-Schritt-Methode, um über den Fluss von Elektronen nachzudenken?

Hier ist der entscheidende Unterschied zwischen Hardware und Software. Software befasst sich mit Algorithmen, bei denen es sich um Abfolgen einfacher Schritte handelt, die zur Implementierung komplexerer Funktionen erforderlich sind. Diese Funktionen können wiederum zu noch komplexeren Sequenzen kombiniert werden, um schließlich die gewünschte Funktionalität zu implementieren. Deshalb funktioniert die „Schritt-für-Schritt“-Analyse so gut für Software.

In der Elektronik kann jeder Teil der Schaltung durch eine Übertragungsfunktion dargestellt werden. Diese Funktionen sind jedoch gleichzeitig und nicht als Folge zu betrachten. Sie können nicht sagen, dass ein Widerstand Spannung in Strom umwandelt, und dann nimmt ein BJT dies als Basisstrom und verstärkt ihn um eine bestimmte Verstärkung. Tatsächlich ändert die Änderung des BJT-Basisstroms die Spannung am Widerstand, was wiederum den Basisstrom usw. beeinflusst.

Eine Möglichkeit, über eine Schaltung nachzudenken, ist die Transientenanalyse . Sie beginnen überall mit Nullströmen und finden dann heraus, welche Pfade in der Schaltung leiten können. Jetzt stellen Sie sich vor, dass einige kleine Ströme in diesen Pfaden fließen, und finden heraus, wie sich dies auf die Spannungen auswirken würde, und berechnen dann die Ströme angesichts der aktualisierten Spannungen usw. neu. Das ist im Wesentlichen das, was Transistor in seiner Antwort getan hat.

Eine andere Methode, die für einige Schaltungen (einschließlich Ihrer) funktioniert, ist die DC-Analyse . Sie beginnen mit der Annahme, dass alle Ströme und Spannungen in der Schaltung konstant sind, und finden dann die Werte heraus, indem Sie die Gleichungen lösen.

Schließlich ist es für eine bestimmte Klasse von Schaltungen (z. B. Filter) hilfreich zu verstehen, wie die Schaltung bei verschiedenen Frequenzen funktioniert: das ist die AC-Analyse .

Wenn Sie sich einen SPICE-Simulator besorgen und sich die Ergebnisse der Transientenanalyse ansehen, erhalten Sie oft eine gute Vorstellung davon, wie die Schaltung funktioniert. Es sagt Ihnen, was mit allen Strömen und Spannungen im Laufe der Zeit passiert, und Sie müssen nur herausfinden, warum sich die Schaltung so verhält.

Es gibt im Allgemeinen zwei Verwendungen für (BJT-) Transistoren:

1. Ein elektronischer Ein-/Ausschalter (Sättigungs-/Cutoff-Modus)
2. Ein Verstärker (aktiver Modus)

Ohne die spezifischen Spannungen und Eigenschaften der Transistoren zu kennen, muss der Anwendungsfall aus dem Kontext bestimmt werden. Hier machen Schalter wenig Sinn, also müssen wir es mit Verstärkern zu tun haben - mehr Strom in die Basis (verursacht durch steigende Basisspannung) lässt mehr Strom durch das Kollektor-Emitter-Paar (CE) zu. Beachten Sie, dass diese Transistoren NPNs sind. PNPs, die ein etwas anderes Symbol haben, lassen nur dann mehr Strom durch die CE-Anschlüsse, wenn Sie die Basisspannung verringern.

Das erste, was zu beachten ist, ist, dass der Knoten über T1 (Knoten 1) schwebend ist. Wenn T1 also vollständig ausgeschaltet ist, steigt er auf +V an. Der Knoten unter T2 (Knoten 2) ist mit gnd verbunden, wenn T2 ausgeschaltet ist. Wenn T2 durch den Anstieg der Spannung am Knoten 1 (dh seiner Basisspannung) eingeschaltet wird, lässt er Strom durch, erhöht die Spannung am Knoten 2 und schaltet T1 ein. Wenn es T1 vollständig einschaltet, dann ist Knoten 1 (ungefähr) geerdet, schaltet T2 aus, schaltet somit T1 aus und startet diesen Zyklus neu.

Da die Transistoren als Verstärker fungieren, erhalten wir diese Zwischenaktion, bei der T1 und T2 nicht vollständig ein- und ausgeschaltet werden, sondern nur geringfügig in der Basisspannung ansteigen und abfallen, gegeneinander ausgeglichen sind und dadurch einen konstanten Strom erzielen.

Um diese Schaltung quantitativ zu analysieren, nehmen wir zunächst an, dass die Basis-Emitter-Spannung ($v_{BE}$) für einen Silizium-BJT ist typischerweise ungefähr konstant, bei ungefähr 0,7 V (das genaue$v_{BE}$ist in seinen Spezifikationen angegeben). Also muss der Strom durch R (um die Basisspannung von T1 zu erhalten) sein$0.7/R$nach dem Ohmschen Gesetz. In einem FET fließt kein Strom durch die "Basis" (dh Gate). Wenn also T1 und T2 FETs wären, wären wir fertig; die Ströme von Emitter und Kollektor (dh src/drain) wären gleich. Aber da T1 und T2 BJTs sind, fließt ein Teil des Stroms am Knoten 1 durch T2 und wird zum Diodenstrom addiert, um den Strom durch R zu erhalten, und ein Teil des Stroms am Knoten 2 wird durch die Basis von T1 umgeleitet und somit von subtrahiert Strom durch R: für einen BJT,$i_{emitter} = i_{collector} + i_{base}$.

Ein gutes Modell von BJTs im aktiven Modus hält das$i_{collector} = \alpha i_{emitter}$Und$\alpha = \frac{\beta}{1+\beta}$Wo$\beta$ist nur eine Eigenschaft des spezifischen Transistors, typischerweise zwischen 20 und 200. Somit ist der Diodenstrom$0.7/R + i_{T1, base} ‒ i_{T2, base}$und weit innerhalb von 5% von$0.7/R$(vorausgesetzt$v_{BE}=0.7V$).

Meine Antwort ist - mehr oder weniger - ein Kommentar, der helfen kann, das grundlegende Funktionsprinzip der Schaltung zu erklären.

In der analogen Elektronik gibt es Schaltungen, die auf zwei verschiedene Arten erklärt werden können. Dies gilt beispielsweise für harmonische Oszillatoren (negative Widerstandsansicht, frequenzselektive Rückkopplungsansicht) oder – wie in diesem Fall – für Schaltungen mit aktiver Rückkopplung .

Da die gegebene Schaltung kein Eingangssignal benötigt, haben wir kein Kriterium, um den Hauptverstärker und den Rückkopplungspfad zu definieren. Daher sind zwei Ansichten möglich:

1.) T1 ist der Hauptverstärker in Common-Emitter-Konfiguration. Der Vorspannungspunkt von T1 wird durch aktive Gegenkopplung (zurück zur Basis von T1) bereitgestellt und stabilisiert.

2.) T2 ist der Hauptverstärker (der als Emitterfolger arbeitet) mit einem Vorspannungspunkt, der durch aktive negative Rückkopplung (zurück zur Basis von T2) bereitgestellt und stabilisiert wird.

Stabilisierung : Die Schaltung ist sehr unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, da beide Transistoren (wenn sie in engem Kontakt montiert sind) ähnlich auf Temperaturänderungen reagieren können. Das bedeutet: In beiden Fällen verstärkt der Transistor in der Rückkopplungsschleife die (normale, passive) Rückkopplungswirkung des Widerstands in der Rückkopplungsschleife.

Ich bin sicher, dass die anderen sehr gute und hilfreiche Antworten waren. Ich bin der Meinung, dass intuitives Verstehen zu kurzen und einfachen Erklärungen führt. Ich versuche hier, meine Gedanken auf den Punkt zu bringen, als ich mir Ihren Schaltplan ansah.

1. Vbe wird im Allgemeinen als 0,7 V angenommen. Weisen Sie Knotenspannungen für diejenigen zu, die Sie können.
2. Kapitel 2 in Art of Electronics ist ein gutes Lernmaterial, um einen mentalen Katalog von Schaltungsbausteinen zu erstellen. Stromquellen und -spiegel, Differenzverstärker, Kaskoden, Emitterfolger und verschiedene Verstärker bilden viele Schaltungen, die Sie vielleicht sehen werden. Vorausgesetzt, die Schaltung ist gut gezeichnet, werden Sie diese Blöcke oft aufgreifen und ziemlich schnell einen Sinn für die Funktion der Schaltung bekommen.

In Ihrer Schaltung bildet R über Basis und Emitter von T1 eine Konstantstromquelle. 0,7 V über 70 Ohm ergibt 10 Milliampere. Durch die LED fließen ca. 10 mA.

Die LED benötigt eine bestimmte Spannung, um 10 mA zu leiten. Überprüfen Sie das Datenblatt für diesen Wert. Überprüfen Sie, wie hell 10 mA diese LED ansteuern.

T2 Vce ist das, was von V+ übrig bleibt, um die LED zum Leuchten zu bringen und zwei Vbe-Tropfen zu treiben. Der 2.2k R setzt T2 in Vorwärtsrichtung und begrenzt T1 Ic. Überprüfen Sie, ob es sich um einen angemessenen Wert für V+ handelt. Überprüfen Sie, ob T2 mit dieser Vce umgehen kann.

Zusammenfassend treibt Ihre Schaltung eine LED mit 10 Milliampere für V + zwischen 5 V und 15 V oder so an. Das ist kurz und einfach, ohne zu simpel zu sein. Ich hoffe.