Transistor - ¿Por qué ocurre la amplificación antes del transistor y no después?

El colector del amplificador (el pin etiquetado como "C") en realidad está DESPUÉS del transistor (usando el marco de referencia del autor de la pregunta, que es algo engañoso). La Base (B) es la entrada, y el transistor activo crea una situación en la que la corriente en el colector es muchas veces mayor que la de la base. Entonces, la corriente base es la entrada y la corriente del colector es la salida.

En este caso, completar el circuito en la base con el dedo crea una pequeña corriente a través de la base. El transistor resuelve las cosas para crear una corriente muchas veces mayor que en la base, encendiendo el LED.

¿Por qué? Voy a jugar con el mecanismo, pero esto es lo que hacen los transistores para ganarse la vida.

La figura está tomada de http://media.tumblr.com/tumblr_luy74c89IH1qf00w4.png , pero probablemente se originó en Horowitz y Hill, The Art of Electronics. "Transistor Man" observa la corriente en la base y ajusta la corriente en el colector para que sea un múltiplo de la corriente base. Por supuesto, todo esto tiene que ver con las propiedades de las uniones de silicio, pero eso va un poco más allá del alcance de su pregunta.

La corriente en el emisor es la suma de las corrientes de base y colector.

Esto realmente es una simplificación excesiva, pero llega a la esencia de su pregunta.

Está viendo un bucle de corriente, por lo que después y antes no tienen mucho significado. Aparte de la pequeña corriente base, la corriente en los caminos rojo y azul es la misma.

Tu concepto de antes y después en electrónica no es aplicable. Debe comprender algunos conceptos básicos antes de que pueda entender esto, pero eso sería demasiado para tratar de enseñar en una respuesta aquí.

Estaba pensando que la corriente tenía que pasar por el transistor para aumentar.

Esto pone de relieve un concepto erróneo peligroso. La corriente es el flujo de carga . La carga, como la energía, nunca se crea ni se destruye . Por lo tanto, nunca encontrará un dispositivo en el que la corriente total que fluye hacia el dispositivo no sea igual a la corriente total que fluye hacia afuera. En términos más formales, esto se llama la ley actual de Kirchhoff .

Esto tiene sentido. ¿Hay algún dispositivo que pueda poner en una manguera para que el agua que sale sea mayor que el agua que entra? De ser así, sería una máquina de agua infinita. Del mismo modo, no existe una máquina de carga infinita.

En su circuito, la corriente entra por la base y el colector, y sale por el emisor. La corriente del emisor es exactamente igual a la corriente base más la corriente del colector. Debido a la ganancia del transistor, la corriente base es mucho más pequeña que la corriente del colector por un factor de 100 o más; este parámetro se llama$h_{FE}$en la hoja de datos.

Debido a que la corriente del emisor es la suma de la corriente de la base y del colector, y por lo tanto también es mucho más grande que la corriente de la base, es perfectamente válido (y con frecuencia útil) conectar cosas al emisor del transistor para hacer uso de la ganancia del transistor. Consulte ¿Por qué se conducirían LED con un emisor común?

Además, su uso de "antes" y "después" sugiere que cree que puede comenzar en el terminal + de la batería y luego avanzar hasta el terminal - siguiendo un razonamiento lineal de causa y efecto. no puedes No tiene sentido, de todos modos. Los llamamos circuitos porque son solo eso:

circuito ( sûrkt ) s. 1. un Una línea cerrada, generalmente circular, que rodea un objeto o área.

La corriente fluye a través de la batería como todo lo demás. La carga eléctrica se mueve en un círculo . Un círculo no tiene un comienzo ni un final, por lo que no puede tener un "antes" o un "después".

No necesita nada tan complejo como un circuito de transistores para ilustrar esto; solo funcionará un LED y una resistencia. Prueba esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Hay alguna diferencia funcional entre estos circuitos? Si realmente quiere entrar en la cadena de causa y efecto, entonces necesita pensar a la velocidad de la luz y leer ¿Cómo sabe la corriente cuánto fluir, antes de haber visto la resistencia?

Tal vez sea un poco más fácil si piensas que el circuito está dibujado de la siguiente manera:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Su dedo actúa como una resistencia (una resistencia variable en gran parte impredecible), conectando la terminal positiva de V2 a la base del transistor. Eso permite que fluya un poco de corriente a través de la parte base/emisor del transistor (tanto el emisor como el terminal negativo de la batería están conectados a tierra, por lo que también están conectados entre sí). Luego, el transistor multiplica esa corriente por algún factor (más o menos) constante, y deja que esa corriente proporcional fluya entre el emisor y el colector. Dado que ese circuito también incluye el LED, la corriente fluye a través de él y emite luz.

Su esquema es básicamente el mismo, excepto que combinaron V1 y V2 en una sola fuente de alimentación. Simplemente necesita +9V en dos lugares, por lo que conecta ambos lugares a la misma fuente de alimentación. Al resto de los circuitos realmente no le importa de dónde proviene esa energía, o si se usa la misma fuente de alimentación tanto en el lado de "entrada" como en el lado de "salida" del circuito.

En otras palabras, el circuito de entrada es básicamente la base/emisor y la salida es el colector/emisor. Es por eso que esto se llama un circuito de emisor común: el emisor se comparte (común) entre la entrada y la salida. También hay circuitos de base común y colector común, aunque el emisor común es (sin juego de palabras) mucho más común.

Reemplace el transistor con un interruptor simple, de modo que solo tenga una batería, un LED, un interruptor y una resistencia limitadora de corriente.

Tenga en cuenta que cuando cierra el interruptor, la corriente fluye en ambos "lados" del interruptor. "¿Por qué el interruptor controla la corriente "antes" y "después" de ella? Porque tiene que serlo: la corriente en un circuito cerrado simple tiene que ser la misma en todas partes. Cerrar el interruptor no da como resultado que el interruptor "produzca" corriente. Permite que el interruptor pase corriente.

Volvamos al transistor. ¿Lo ves? El transistor actúa como un amplificador, pero en realidad no "amplifica" la corriente. La corriente en la ruta CE tiene que ser la misma en ambos lados del transistor, porque el transistor no tiene nada que se sume al flujo de electrones. El transistor simplemente permite cambios en una pequeña corriente (en la ruta base-emisor en este caso) para controlar el flujo en la corriente más grande (en la ruta colector-emisor).

De hecho, el LED sería más brillante si lo coloca después porque en el transistor anterior habrá una cantidad de corriente hfe * Ib, y tendrá (hfe + 1) Ib después del transistor. Probablemente no notará esto porque hfe 100 o más en la mayoría de los casos y 1% de corriente adicional no causarán visiblemente más luz. Si tiene un transistor con hfe de, digamos, 5, entonces lo notará, pero en ese caso no podrá encenderlo con el dedo porque el "1" proviene de su dedo. El hfe Ib debe provenir de algún lugar y proviene de antes del transistor de la "batería" de 9V.

La corriente eléctrica es como la corriente del agua, debe venir de alguna parte, si hay corriente DESPUÉS del transistor, ¡debe haber corriente ANTES del transistor!

Se puede usar un transistor para amplificar corriente, voltaje o ambos. En el circuito indicado, se está utilizando para amplificar ambos. Cuando se utiliza el emisor como "salida", el voltaje de salida variará casi 1:1 con el voltaje de entrada. En algunos circuitos, ese comportamiento de voltaje 1:1 es muy deseable, ya que la precisión de la ganancia unitaria no se verá afectada significativamente por las características de los componentes. Sin embargo, para que un transistor aumente o disminuya los voltajes de salida, es necesario usar el colector como "salida".

Con el circuito indicado, el voltaje base permanecerá en aproximadamente 0,7 voltios, por lo que el voltaje en el dedo permanecerá en aproximadamente 8,3 voltios, independientemente del voltaje en el LED o su resistencia limitadora de corriente (por lo que el voltaje de entrada cambia casi nada, mientras que el voltaje de salida cambia mucho, amplificando así el voltaje). Si el LED y el transistor estuvieran en el colector, cada voltio caído por el LED o su resistencia reduciría el voltaje que podría fluir a través del dedo.

Tenga en cuenta que el circuito que se muestra es ligeramente "peligroso" ya que un cortocircuito en los contactos de los dedos podría generar una cantidad casi ilimitada de corriente a través del transistor. Agregar una resistencia de valor moderado (usar el mismo valor que para la resistencia LED podría ser conveniente) en serie con la base y/o el contacto con los dedos del lado de la fuente lo haría más seguro.

Tenga en cuenta que cuando se le da un toque que apenas es suficiente para encender el transistor, el comportamiento del circuito será muy sensible a una característica del transistor llamada "beta", que puede variar considerablemente de un transistor a otro. Básicamente, eso significa que algunos transistores pueden amplificar la cantidad de corriente del dedo por un factor de 50, mientras que otros transistores pueden amplificarla por un factor de 200. Para esta aplicación en particular, eso puede no importar, pero algunas aplicaciones requieren un nivel más predecible de amplificación. Agregar una resistencia de valor pequeño a la base haría que el transistor pasara una corriente proporcional a la cantidad en que el voltaje de la base excede 0.7; conectar una combinación en serie de un diodo y una resistencia haría que el voltaje base excediera 0.7 en una cantidad que era proporcional a la corriente del dedo.