Los transistores son difíciles de entender con las leyes

Debe recordar que un transistor es una especie de "válvula de corriente". Permite que pase una cantidad de corriente entre el colector y el emisor que es$H_{fe}$veces mayor que la corriente que pasa por la base del transistor.

en tu ejemplo$H_{fe}$aparentemente está configurado para$100$. La corriente base es sólo$186\mu{A}$por lo que la corriente del colector no puede exceder$18.6\mu{A}$. (Por supuesto, podría ser menor que eso si la corriente no está disponible, momento en el cual el transistor está saturado).

Como es de esperar, el LED cae sobre$2V$a través de él. El restante$7V$desde el$9V$el suministro se cae a través$V_{ce}$.

Entonces, en este caso, el transistor no actúa como un interruptor, sino como un regulador de corriente lineal.

Sin embargo, no es muy bueno ya que el$H_{fe}$de transistores es en realidad un valor muy vago. Si quisiera un limitador de corriente, el siguiente circuito es mejor y se basa en un valor de resistencia para establecer la corriente.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El truco aquí es darse cuenta de que los transistores (esencialmente) funcionan en uno de dos modos: lineal y saturado. Cuando se usan como interruptores, como suele ser el caso, tienen un voltaje colector-emisor muy bajo y una corriente de base alta o, dicho de otro modo, funcionan con baja ganancia. En estas condiciones, la corriente del colector puede variar bastante sin que cambie demasiado la Vce. A su vez, esto significa que la corriente del colector debe controlarse, y en los circuitos de LED esto normalmente se hace agregando una resistencia en serie para limitar la corriente.

Sin embargo, existe otro modo, denominado modo lineal, que se caracteriza por una Vce superior a la tensión base-emisor y mayores ganancias, normalmente superiores a 100. Cuando se opera a estos niveles, la corriente del colector se establece por el producto de la corriente base y ganancia, y las variaciones en Vce tendrán poco efecto en la corriente del colector. En otras palabras, el transistor actuará como un amplificador de corriente.

En el circuito que has mostrado, 186 uA es lo suficientemente pequeño como para que, con una ganancia de 100 y teniendo en cuenta la caída de voltaje del LED, el transistor esté operando con 7 voltios Vce, lo que significa que está en modo lineal. Proporciona efectivamente la caída de voltaje que "normalmente" se produciría mediante una resistencia en serie con el LED.

Esto tiene ventajas y desventajas. Por un lado, lo convierte en un circuito simple. No hay necesidad de una resistencia adicional. La desventaja es que el transistor disipa más potencia de lo que sería el caso. En realidad, esto no es un problema en este caso en particular, ya que la potencia total es de solo 130 mW y casi cualquier transistor puede manejarlo. Si el transistor fuera llevado a la saturación, Vce sería del orden de 0,2 voltios, y el transistor (al mismo nivel de corriente) solo disiparía alrededor de 4 mW, con una resistencia para dejar caer los otros 126 mW. En general, es más barato disipar energía con resistencias que con transistores.

¿Por qué no hacerlo "normalmente" como lo has hecho tú? Porque los transistores muestran variaciones amplias (3:1 o mejores) en la ganancia. Entonces, si maneja un montón de LED con su circuito, es casi seguro que mostrarán amplias variaciones en el brillo. Además, por supuesto, amplias variaciones en la disipación de energía.

No dejes que los modelos te engañen. Su simulación utiliza un valor de ganancia nominal de 100, y esta es una suposición inicial perfectamente buena al modelar un circuito. Pero no es algo con lo que puedas contar en el mundo real. Debe leer las hojas de datos y vigilar de cerca la diferencia entre las cifras "típicas" y el máximo/mínimo.

EDITAR - Y tenga en cuenta que dije "esencialmente". Sí, hay una condición intermedia. Para una corriente de colector dada y corrientes de base variables, a medida que Vce baja (alrededor de 1 voltio), hay una región de transición donde la ganancia comienza a caer. Pero la ganancia varía de todos modos, tanto con la corriente como con el voltaje.

El transistor que ha mostrado tiene una ganancia de corriente de 100. Entonces, dado que su corriente base es limitada, la corriente del colector está limitada por la ganancia de corriente lineal de 100,

Sin embargo, generalmente usamos transistores como interruptores para LED donde la ganancia de corriente cae hacia 10 en el Vce (sat) nominal. (por lo general, hFE comienza a reducirse por debajo de Vce = 2). Entonces, el mejor diseño satura el diodo emisor base con 10% a 5% de la corriente de carga (es decir, 2 a 1 mA) y luego usa un colector serie Rc para proporcionar la caída de voltaje y limitar la corriente.

Con estas suposiciones de Ic=20mA, Vf=2V, V+=9V entonces Vce=0.5V @ Ib=5%Ic o Ic/Ib=20 entonces V(Rc)=(9-2-0.5)[V] /20 [mA]= 325 ohmios

Si uno quisiera más LED de 9V bat, es posible que pueda admitir 4 en serie con una variación más amplia en el brillo a medida que la batería cae a 8.5V o 3 en serie para una menor variación y calcular un valor Rc más bajo. (9-3*2,0 V-0,5 V)/20 mA = 125 ohmios

Aquí hay un método gráfico para predecir el comportamiento del transistor más la resistencia más el LED

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

"Específicamente, no estoy muy seguro de cómo los transistores afectan exactamente a los circuitos con respecto al voltaje y la corriente. Cuando trato de averiguarlo, lo pienso a través de la lente de cómo una resistencia afecta la naturaleza del circuito, ¿es esto un defecto? ¿perspectiva?"

Sí, puedo ver la confusión aquí. Tal vez si explicara la función de los transistores vista desde la "teoría del flujo de electrones", así como "convencional (también conocida como teoría del flujo de agujeros)"

Teoría convencional:

La función de un transresistor (ahora llamado transistor) es variar la caída de voltaje a través del colector y el emisor con un pequeño voltaje aplicado a la base.

Teoría del flujo de electrones:

La función de un transistor es variar una corriente más grande a través de la unión del colector al emisor con una corriente más pequeña a través de las uniones de la base al emisor.

Esperemos que eso aclare la confusión.