Transistor - Warum erfolgt die Verstärkung vor dem Transistor und nicht danach?

Ich weiß, dass dies eine Noob-Frage ist, aber ich kann in den Google-Suchergebnissen keine Antwort darauf finden.

Nun, meine Frage lautet im Grunde: Wie kommt es, dass die Verstärkung vor dem Transistor [rote Linie] und nicht nach dem Transistor [blaue Linie] erfolgt? Ich dachte, dass der Strom durch den Transistor fließen muss, um erhöht zu werden.

Der Kollektor des Verstärkers (der mit "C" bezeichnete Pin) befindet sich tatsächlich NACH dem Transistor (unter Verwendung des Referenzrahmens des Fragestellers, was etwas irreführend ist). Die Basis (B) ist der Eingang, und der aktive Transistor erzeugt eine Situation, in der der Strom am Kollektor ein Vielfaches des Stroms der Basis beträgt. Der Basisstrom ist also der Eingang und der Kollektorstrom ist der Ausgang.

In diesem Fall erzeugt das Vervollständigen des Stromkreises an der Basis mit Ihrem Finger einen kleinen Strom durch die Basis. Der Transistor arbeitet so, dass ein Strom erzeugt wird, der ein Vielfaches des Stroms an der Basis beträgt und die LED beleuchtet.

Warum? Ich werde auf den Mechanismus eingehen, aber das ist es, was Transistoren für ihren Lebensunterhalt tun.

Die Abbildung stammt von http://media.tumblr.com/tumblr_luy74c89IH1qf00w4.png , stammt aber wahrscheinlich von Horowitz und Hill, The Art of Electronics. "Transistor Man" betrachtet den Strom an der Basis und stellt den Strom am Kollektor so ein, dass er ein Vielfaches des Basisstroms ist. All dies hat natürlich mit den Eigenschaften von Siliziumübergängen zu tun, aber das geht etwas über den Rahmen Ihrer Frage hinaus.

Der Strom am Emitter ist die Summe der Basis- und Kollektorströme.

Dies ist wirklich eine Vereinfachung, aber es geht um das Wesentliche Ihrer Frage.

Sie sehen eine Stromschleife, also haben nach und vor nicht viel Bedeutung. Abgesehen von dem winzigen Basisstrom ist der Strom im roten und blauen Pfad gleich.

Ihr Konzept von vorher und nachher in der Elektronik ist nicht anwendbar. Sie müssen einige Grundlagen verstehen, bevor Sie dies verstehen können, aber das wäre zu viel, um hier eine Antwort zu geben.

Ich dachte, dass der Strom durch den Transistor fließen muss, um erhöht zu werden.

Dies unterstreicht ein gefährliches Missverständnis. Strom ist der Ladungsfluss . Ladung wird wie Energie niemals erzeugt oder zerstört . Daher werden Sie niemals ein Gerät finden, bei dem der in das Gerät fließende Gesamtstrom nicht dem ausfließenden Gesamtstrom entspricht. In formellerer Form wird dies als das derzeitige Gesetz von Kirchhoff bezeichnet .

Das macht Sinn. Gibt es ein Gerät, das Sie so in einen Schlauch stecken können, dass das austretende Wasser größer ist als das eintretende Wasser? Wenn ja, wäre es eine unendliche Wassermaschine. Ebenso gibt es keine Endloslademaschine.

In Ihrem Stromkreis tritt Strom durch die Basis und den Kollektor ein und durch den Emitter aus. Der Emitterstrom ist genau gleich dem Basisstrom plus dem Kollektorstrom. Aufgrund der Verstärkung des Transistors ist der Basisstrom um einen Faktor von 100 oder mehr viel kleiner als der Kollektorstrom - dieser Parameter wird aufgerufen$h_{FE}$ im Datenblatt.

Da der Emitterstrom die Summe aus Basis- und Kollektorstrom ist und somit auch viel größer als der Basisstrom ist, ist es durchaus gültig (und häufig nützlich), Dinge an den Emitter des Transistors anzuschließen, um die Verstärkung des Transistors zu nutzen. Siehe Warum sollte man LEDs mit einem gemeinsamen Emitter ansteuern?

Darüber hinaus deutet Ihre Verwendung von "vor" und "nach" darauf hin, dass Sie glauben, Sie könnten am + -Anschluss der Batterie beginnen und sich dann nach einigen linearen Ursache-Wirkungs-Überlegungen zum - -Anschluss durcharbeiten. Das kannst du nicht. Es macht sowieso keinen Sinn. Wir nennen sie Schaltkreise, weil sie genau das sind:

cir · cuit (sûrkt) n. 1. a. Eine geschlossene, normalerweise kreisförmige Linie, die um ein Objekt oder einen Bereich verläuft.

Der Strom fließt wie alles andere durch die Batterie. Die elektrische Ladung bewegt sich im Kreis . Ein Kreis hat weder einen Anfang noch ein Ende, daher können Sie kein "Vorher" oder "Nachher" haben.

Sie brauchen nichts so Komplexes wie eine Transistorschaltung, um dies zu veranschaulichen. Nur eine LED und ein Widerstand funktionieren. Versuche dies:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Gibt es einen funktionalen Unterschied zwischen diesen Schaltkreisen? Wenn Sie wirklich in die Ursache-Wirkungs-Kette einsteigen möchten, müssen Sie mit Lichtgeschwindigkeit denken und lesen. Woher weiß der Strom, wie viel er fließen muss, bevor Sie den Widerstand gesehen haben?

Vielleicht ist es etwas einfacher, wenn Sie sich vorstellen, dass die Schaltung so gezeichnet ist:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Ihr Finger fungiert als Widerstand (ein weitgehend unvorhersehbarer variabler Widerstand), der den positiven Anschluss von V2 mit der Basis des Transistors verbindet. Dadurch kann ein wenig Strom durch den Basis- / Emitterteil des Transistors fließen (sowohl der Emitter als auch der Minuspol der Batterie sind geerdet, sodass sie auch miteinander verbunden sind). Der Transistor multipliziert diesen Strom dann mit einem (mehr oder weniger) konstanten Faktor und lässt diesen proportionalen Strom zwischen Emitter und Kollektor fließen. Da diese Schaltung auch die LED enthält, fließt Strom durch sie und sie sendet Licht aus.

Ihr Schaltplan ist im Grunde derselbe, außer dass sie V1 und V2 zu einem einzigen Netzteil kombiniert haben. Sie benötigen lediglich +9 V an zwei Stellen, sodass beide Stellen an dieselbe Stromversorgung angeschlossen werden. Dem Rest der Schaltung ist es egal, woher diese Energie kommt oder dass sowohl auf der "Eingangs" -Seite als auch auf der "Ausgang" -Seite der Schaltung dieselbe Stromversorgung verwendet wird.

Mit anderen Worten ist die Eingangsschaltung im Grunde die Basis / der Emitter, und der Ausgang ist der Kollektor / Emitter. Aus diesem Grund wird dies als gemeinsame Emitterschaltung bezeichnet - der Emitter wird zwischen Eingang und Ausgang geteilt (gemeinsam). Es gibt auch gemeinsame Basis- und gemeinsame Kollektorschaltungen, obwohl gemeinsamer Emitter (kein Wortspiel beabsichtigt) viel häufiger ist.

Ersetzen Sie den Transistor durch einen einfachen Schalter, sodass Sie nur eine Batterie, eine LED, einen Schalter und einen Strombegrenzungswiderstand haben.

Beachten Sie, dass beim Schließen des Schalters Strom auf beiden "Seiten" des Schalters fließt. "Warum steuert der Schalter den Strom" vor "und" nach "ihm?" Weil es sein muss: Der Strom in einer einfachen geschlossenen Schleife muss überall gleich sein. Das Schließen des Schalters führt nicht dazu, dass der Schalter Strom "erzeugt". Dadurch kann der Schalter Strom durchlassen .

Zurück zum Transistor. Siehst du? Der Transistor wirkt als Verstärker, "verstärkt" den Strom jedoch nicht wirklich. Der Strom im CE-Pfad muss auf beiden Seiten des Transistors gleich sein, da der Transistor nichts enthält, was den Elektronenfluss erhöht. Der Transistor ermöglicht einfach Änderungen in einem kleinen Strom (in diesem Fall im Basis-Emitter-Pfad), um den Fluss im größeren Strom (im Kollektor-Emitter-Pfad) zu steuern.

Die LED wäre in der Tat heller, wenn Sie sie nachher setzen, da auf dem Vor-Transistor eine Strommenge von hfe * Ib vorhanden ist und nach dem Transistor (hfe + 1) Ib vorhanden ist. Sie werden dies wahrscheinlich nicht bemerken, da hfe 100 oder mehr in den meisten Fällen und 1% zusätzlicher Strom nicht sichtbar mehr Licht verursachen. Wenn Sie einen Transistor mit hfe von beispielsweise 5 haben, werden Sie es bemerken, aber in diesem Fall können Sie ihn nicht mit Ihrem Finger einschalten, da die "1" von Ihrem Finger kommt. Das hfe Ib muss von irgendwoher kommen und es kommt von vor dem Transistor aus der 9V "Batterie".

Elektrischer Strom ist wie der Wasserstrom, er muss von irgendwoher kommen. Wenn nach dem Transistor Strom vorhanden ist, muss VOR dem Transistor Strom vorhanden sein!

Ein Transistor kann verwendet werden, um Strom, Spannung oder beides zu verstärken. In der angegebenen Schaltung wird es verwendet, um beide zu verstärken. Bei Verwendung des Emitters als "Ausgang" variiert die Ausgangsspannung fast 1: 1 mit der Eingangsspannung. In einigen Schaltungen ist dieses 1: 1-Spannungsverhalten sehr wünschenswert, da die Genauigkeit der Einheitsverstärkung durch die Komponenteneigenschaften nicht wesentlich beeinflusst wird. Damit ein Transistor die Ausgangsspannungen nach oben oder unten skalieren kann, muss jedoch der Kollektor als "Ausgang" verwendet werden.

Bei der angegebenen Schaltung bleibt die Basisspannung bei etwa 0,7 Volt, sodass die Spannung am Finger unabhängig von der Spannung an der LED oder ihrem Strombegrenzungswiderstand bei etwa 8,3 Volt bleibt (die Eingangsspannung ändert sich also um fast nichts). während sich die Ausgangsspannung stark ändert - wodurch die Spannung verstärkt wird). Wenn die LED und der Transistor am Kollektor wären, würde jedes von der LED oder ihrem Widerstand abfallende Volt die Spannung verringern, die durch den Finger fließen könnte.

Beachten Sie, dass die gezeigte Schaltung leicht "gefährlich" ist, da ein Kurzschluss der Fingerkontakte eine nahezu unbegrenzte Strommenge durch den Transistor treiben kann. Das Hinzufügen eines Widerstands mit mittlerem Wert (die Verwendung des gleichen Werts wie für den LED-Widerstand kann zweckmäßig sein) in Reihe mit der Basis und / oder dem Fingerkontakt auf der Versorgungsseite würde ihn sicherer machen.

Es ist zu beachten, dass bei einer Berührung, die kaum ausreicht, um den Transistor einzuschalten, das Schaltungsverhalten sehr empfindlich auf eine Transistorkennlinie namens "Beta" reagiert, die von einem Transistor zum nächsten erheblich variieren kann. Grundsätzlich bedeutet dies, dass einige Transistoren die Menge des Fingerstroms um den Faktor 50 verstärken können, während andere Transistoren ihn um den Faktor 200 verstärken können. Für diese spezielle Anwendung spielt dies möglicherweise keine Rolle, aber einige Anwendungen erfordern ein vorhersagbareres Niveau von Verstärkung. Das Hinzufügen eines Widerstands mit kleinem Wert zur Basis würde dazu führen, dass der Transistor einen Strom durchlässt, der proportional zu dem Betrag ist, um den die Basisspannung 0,7 überschreitet; Durch Anschließen einer Reihenschaltung aus Diode und Widerstand würde die Basisspannung 0,7 um einen Betrag überschreiten, der proportional zum Fingerstrom war.