Mit BJTs können wir den Basisstrom mit Vin steuern (aus dem Diagramm). Warum heißt es in Lehrbüchern, dass BJTs stromgesteuert sind, wenn es offensichtlich ist, dass eine Änderung der Spannung den Strom durch den Kollektor steuert?
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Antworten:
In der obigen Schaltung steuert Vin den Strom, der zur Basis fließt, nicht den Spannungsabfall über der Basis und dem Emitter des Transistors selbst.
Der Spannungsabfall über Vbe beträgt für Vin> 0,7 immer etwa 0,7 V; Die Überspannung fällt über den R1 ab.
Indem Sie Vin ändern, steuern Sie tatsächlich den Strom, der zur Basis fließt, basierend auf der folgenden Gleichung:
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Präambel
Beginnen wir mit einem kleinen Exkurs: Was macht einen Generator zu einem Stromgenerator anstelle eines Spannungsgenerators? Schauen Sie sich die VI-Eigenschaften an: Diejenige mit größtenteils konstanter Spannung (fast horizontal in der IV-Ebene) wird als Spannungsgenerator bezeichnet, diejenige mit größtenteils konstantem Strom (fast horizontal in der VI-Ebene) wird als Stromgenerator bezeichnet.
(Bilder von der Website der Electronics Tutorials)
Dies liegt daran, dass der „Akzent“ auf der konstanten Größe liegt (der gelieferten Spannung oder dem zugeführten Strom - während die andere Größe abhängig von der Last und der Nachgiebigkeit des Generators variabel ist). (Anmerkung 1)
In einem gesteuerten Gerät liegt der Akzent auf der variablen Menge. Angesichts der exponentiellen Eingangscharakteristik, die Vbe nahezu konstant lässt, ist dies der Strom, den Sie als Regelgröße sehen möchten. Dies ist eine direkte Folge der Ausbreitung von Fehlern: Wenn Sie eine steile Funktion haben, wird ein kleiner Fehler in der nahezu konstanten Größe x zu einem viel größeren Fehler in der stark variierenden Größe q (und umgekehrt).
Bild aus "Eine Einführung in die Fehleranalyse", Taylor und verzerrt, um den Zweck zu erfüllen
Die Quintessenz ist, dass es einfacher ist, zwischen 10 und 40 uA (Verhältnis 1 zu 4) zu unterscheiden, als 0,65 und 0,67 V (Verhältnis 1 zu 1,03) zu trennen. (Hinweis für weniger flexible Köpfe: Wie die extremeren Werte, die ich vor dieser Bearbeitung verwendet habe, sind dies Werte, die den Kontrast zwischen einer erkennbaren Änderung dessen darstellen sollen, was Sie als Steuervariable sehen möchten - dem Strom, der in die Basis eintritt. und die schwache Änderung der Spannung zwischen Basis und Emitter).
Das Einfachste
Sie können sehen, warum dies als Stromregelung bezeichnet wird, indem Sie es an die Grenzen treiben, indem Sie das einfachste Modell für einen BJT verwenden, wie Chua, Desoer und Kuh in ihren "linearen und nichtlinearen Schaltungen" gezeigt haben: In den folgenden Bildern sind alle Dioden ideal ( Die Schwellenspannung ist Null, ebenso wie der Serienwiderstand (dies sind perfekt offene Stromkreise bei Sperrvorspannung und perfekte Kurzschlüsse bei Vorwärtsvorspannung).
E0 fügt der Eingangskennlinie eine Schwellenspannung hinzu, während die Transistorwirkung durch ic = beta * ib ausgedrückt wird. Beachten Sie den stromgesteuerten Stromgenerator. Hier sind die entsprechenden Eingabe- und Ausgabeeigenschaften
Ziemlich einfach, oder? Sie können sie jedoch mit den tatsächlichen Merkmalen vergleichen und feststellen, dass sie ihnen ähneln. So einfach es ist, dies ist ein legitimes Modell und kann zum Modellieren von Schaltkreisen verwendet werden, bei denen Sie durch Ändern von ib (Sie können Vbe in diesem Modell nicht ändern, da es fest ist) den Wert von Ic ändern. Sie können sehen, wie Sie ib ändern können, indem Sie die Eingangskennlinie mit der Eingangslastlinie schneiden
Durch Ändern von E1 (nicht Teil des BJT) ändern Sie ib (Teil des BJT). Dann können Sie den Wert von ic finden, der diesem Wert von ib entspricht, die entsprechende Ausgangskennlinie auswählen und die Spannung durch Schnittpunkt mit der Ausgangslastlinie ermitteln.
Jemand wird auf seinen Sitz springen und schreien: " WAS? Sie verwenden Beta, um einen Verstärker zu entwickeln, der für unternehmenskritische Nuklearanwendungen in die weltweite Produktion gebracht werden soll. Woher kommt Ihrer Meinung nach Beta? Außerdem kennen Sie diese Beta nicht kann sich um bis zu neunzig Milliarden Prozent ändern, wenn man es nur betrachtet? "
Der Punkt ist, dass Sie für einen bestimmten Transistor einen vernünftig definierten Beta-Wert haben (Sie können ihn vorher messen, es spielt also keine Rolle, ob das Produktionslos eine beschämende Streuung aufweist) und wenn Sie nicht zu weit wandern, können Sie ihn vernünftigerweise ignorieren seine Variation mit den anderen elektrischen Parametern. Beachten Sie, dass dies ein vereinfachtes Modell ist, das keine Beta-Variationen mit Temperatur, Strom oder sogar Haarfarbe modelliert. Es ist ein vereinfachtes Modell, das den Kern der Transistor-Action auf den Punkt bringt, ähnlich wie der manchmal verleumdete "Transistor-Mann" von The Art of Electronics.
Können Sie die Grenzfrequenz des Transistors aus diesem Modell ermitteln? Nee. Können Sie den frühen Effekt mit diesem Modell erklären? Nee. Können Sie den Differenzwiderstand der BE-Verbindung mit diesem Modell erklären? Nee. Können Sie die Produktion von Ladungspaaren aufgrund von Strahlung erklären? Nee. Können Sie die Quantisierung des zweiten Feldes und die Biegung der Raumzeit erklären? Nee.
Bedeutet dies, dass dieses Modell völlig unbrauchbar ist? Nee. Das extrem vereinfachte Verhalten dieses Modells zeigt, warum in vielen Lehrbüchern angegeben wird, dass BJTs stromgesteuert sind. Die tatsächlichen Eingabekennlinien ähneln der vertikalen Linie, bei der Sie nur ib und nicht vbe variieren können, deren Wert als fest angesehen wird. (Und deshalb habe ich diesen Exkurs am Anfang dieser Antwort gemacht).
Vielleicht möchten Sie das einfachste Modell für einen Mosfet vergleichen: Seite 151 von Chua hat auch dieses.
Wie Sie sehen können, ist der Gate-Strom fest (auf Null, um pedantisch zu sein), eine Bedingung, die doppelt so hoch ist wie die im BJT gezeigte: Die VI-Eingangskennlinie ist horizontal. Die einzige Kontrolle, die Sie hier haben, ist mittels vgs. Bedeutet dies, dass wir die Existenz des Tunneleffekts negieren? Nein, das ist nur ein Modell. Ein vereinfachtes Modell, das unter anderem das Tunneln nicht berücksichtigt, aber dennoch zeigt, warum Sie in einem MOSFET auf die Gate-Source-Spannung einwirken.
Bisher haben wir gesehen, wie die (vereinfachte) Beziehung zwischen ib und ic als Kontrolle von ic mittels ib durch Beta angesehen werden kann. Wir können aber auch Alpha verwenden, warum nicht? Lassen Sie mich wörtlich ein weiteres Lehrbuch zitieren, das BJTs stromgesteuerte Geräte betrachtet: "Quantenphysik von Atomen, Molekülen, Festkörpern, Kernen und Teilchen 2e" von Eisberg und Resnick, p. 474 (auf Seite 475 wird eine allgemeine Basiskonfiguration angezeigt):
Sind sich diese beiden Herren der Rolle der Quantenmechanik in der Bandentheorie der Festkörper nicht bewusst? Haben sie nicht von Quantenstatistiken gehört? Wissen sie überhaupt, was ein Loch ist (ganz zu schweigen vom Tempco)? Könnten sie vergessen haben, dass das Anlegen von Spannungen die Energieniveauprofile verändern könnte, die Valenz- und Leitungsbändern zugeschrieben werden? Das glaube ich nicht. Sie wählten einfach ein einfacheres Modell, um zu erklären, wie man die sogenannte Transistorwirkung interpretieren kann.
Der Künstler Bruno Munari hat einmal gesagt: " Komplizieren ist einfach, Vereinfachen ist kompliziert. ... Jeder kann komplizieren. Nur wenige können vereinfachen. " Unter anderem entschieden sich Chua, Desoer, Kuh, Eisberg und Resnick für eine Vereinfachung.
Wer spielt zuerst in der Basis?
Nun zurück zu (fast) echten Transistoren. Dies ist das erste vbe-Zeichen, das ich nach einer Google-Bildsuche gefunden habe :
Keine Ahnung, ob es echt ist, aber es sieht plausibel aus. Die Sache, die hier zu beachten ist, ist, dass, wenn sich ib stark ändert, um 100 Prozent, vbe sich um relativ kleine Beträge ändert, nur eine Handvoll Prozent. Dies liegt an der exponentiellen Beziehung des BE-Übergangs. Angenommen, Sie möchten diesen BJT verwenden, um an ungeraden Tagen 10 mA und an geraden Tagen 15 mA zu erzeugen. Sie haben ein deutsches Labor, das das Beta des jeweiligen Transistors in Ihrer Hand misst, und es hat sich über den interessierenden Bereich als 250 herausgestellt. Angenommen, Sie haben einen Strom- und Spannungsgenerator mit einer Genauigkeit von 10%.
Aktuelle Steuerung : Sie können ic = beta ib verwenden, um den Wert von ib zu ermitteln, den Sie festlegen müssen. Die Nennwerte von 10 und 15 mA von ic erfordern Nennwerte von 40 e 60 uA für ib. Angesichts der Genauigkeit Ihres Stromgenerators erwarten Sie die folgenden Strombereiche in Ein- und Ausgabe:
Spannungsregelung : Sie glauben nicht an Beta, daher müssen Sie eine Spannung angeben, die eine vbe von ... Ja, von was erzeugt? Lesen Sie es in der obigen Grafik (aber dann müssen Sie die schreckliche Beziehung ic = beta ib akzeptieren). Ich denke, Sie müssen das Ebers-Moll-Modell verwenden, um die Werte auf die gewünschten Werte für ic zu berechnen. Nehmen wir an, wir haben festgestellt, dass es genau 0,65 und 0,67 V sind (genau wie ich oben einen genauen Wert für Beta verwendet habe). Wenn wir versuchen, diese genauen Werte einzustellen, liefert unser in China gefertigter 10% genauer Generator die folgenden Spannungsbereiche
... es scheint, dass wir in den von uns gelieferten Spannungsbereichen bereits eine Überlagerung haben: Wir sind möglicherweise nicht in der Lage, gerade Tage von ungeraden zu unterscheiden.
Ich denke, es ist besser, auf die Strombasis zurückzugreifen, um den Kollektorstrom zu steuern.
Selbst wenn ich mit der Stromregelung einen 10% igen Fehler beim gemessenen Beta-Wert zulasse, kann ich die beiden Strombereiche (8,10-12,10 mA gegenüber 12,15-18,15 mA) (ungerade und) immer noch (kaum, aber immer noch) erkennen gerade Tage.
Wenn Sie bei der Spannungsregelung einen 10% igen Fehler zum berechneten (oder aus dem Diagramm abgelesenen) Spannungswert hinzufügen (und ich bin großzügig, da dieser Fehler verstärkt wird), sind Sie bereits in der Unsicherheit verloren. Dies ist die grundlegende Fehlerausbreitungstheorie.
Pause
Dieser Beitrag braucht Zeit, ich werde einen anderen zurückkommen, um etwas mehr hinzuzufügen. Lassen Sie mich nur auf die Frage des Religionskrieges eingehen, den Sie vielleicht gesehen haben. Worum geht es?
Transistoren sind Festkörpervorrichtungen, deren innere Funktionsweise unter Verwendung der Gesetze der Quantenphysik erklärt werden muss. Angesichts der Bandstruktur der Energieniveaus elektrischer Ladungsträger in Festkörpern ist es natürlich, auf Energieniveaus zurückzugreifen, um das Innenleben dieser Geräte darzustellen. Energie und Potential sind eng miteinander verbunden, so dass die meisten Modelle dazu neigen, relevante Größen in Abhängigkeit von Potentialen (Differenzen) auszudrücken. Der Grund, warum ich geschrieben habe
ist, dass Spannung und Strom auch eng miteinander verbunden sind: Sie sind gekoppelte Größen der Aufwands-Fluss-Art, so dass man im Grunde keine ohne die andere haben kann. Es ist jedoch eine heikle Angelegenheit, und ich denke, man sollte auch überlegen, was es bedeutet, eine Spannungsdifferenz zu erzeugen. Wird es nicht durch Verdrängung von Ladungen erzeugt (durch elektrochemische Reaktion in einer Batterie, durch elektromagnetische Wechselwirkung in einem mechanischen Generator)? Ich vermute, dass am Ende alle Geräte grundsätzlich ladungsgesteuert sind: Sie verschieben Ladungen von hier nach dort und erzielen einen bestimmten Effekt.
Ich vermute, dass die Kreuzfahrer der "Spannungsregelung" davon ausgehen, dass das Gegenstück der "Stromregelung" Elektronik in Forrest Mims Büchern gelernt hat und noch nie ein Buch über Quantenphysik, Festkörper oder Halbleiterbauelemente gesehen hat. Sie scheinen die Bedeutung der Steuervariablen als die Variable zu ignorieren, die man zum Betätigen einer Steuerung wählt. Ich hoffe, das Zitat von Eisberg & Resnick (zwei "solide" Physiker, wenn Sie mir das Wortspiel erlauben) wird ihnen zeigen, dass dies nicht der Fall ist.
Anmerkung (1) Die idealen Generatorkurven sind genau das: ideal. Versuchen Sie sich einen Übergang von einem idealen Spannungsgenerator zu einem idealen Stromgenerator vorzustellen, der durch gute, durchschnittliche und miese Spannungsgeneratoren und dann durch miese, durchschnittliche und gute Stromgeneratoren verläuft.
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Es ist sinnvoller, es als spannungsgesteuerte Stromquelle zu betrachten, wenn Sie eine Kleinsignalanalyse durchführen, z. B. für einen Verstärker, der den Hybrid-Pi-Modus 1 verwendet .
Beides ist nicht besonders nützlich, wenn Sie Schaltanwendungen bewerten, da der Basisstrom hoch genug ist, dass der Kollektorstrom durch die externe Schaltung und nicht durch die Transistoreigenschaften bestimmt wird (die erste hilft etwas dabei, sicherzustellen, dass ein Zustand vorliegt).
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Andere Antworten haben Meinungen darüber geäußert, ob der BJT spannungsgesteuert oder stromgesteuert ist oder beides. In meiner Antwort möchte ich stattdessen Folgendes ansprechen:
Betrachten Sie die folgende alternative Schaltung:
simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab
Ist das nicht offensichtlich ?
und
und somit, dass der Basisstrom den Strom durch den Kollektor steuert?
Also nein , es ist nicht klar , durch Ihr Beispiel, dass der BJT ist Spannung gesteuert.
In ähnlicher Weise kann man bestätigen, dass man den Kollektorstrom steuern kann , indem man die Basis-Emitter-Spannung mit einer Spannungsquelle steuert .
Unabhängig davon haben einige Benutzer nachdrücklich ihre Position zum Ausdruck gebracht, dass der BJT-Kollektorstrom eindeutig spannungsgesteuert ist und dass es nicht blass ist, etwas anderes vorzuschlagen.
Es ist schon eine Weile her, dass ich Festkörperphysik studiert habe, also habe ich beschlossen, meine Bibliothek mit EE-Lehrbüchern zu konsultieren. Das erste Lehrbuch, das ich aus dem Regal gezogen habe, ist " Solid State Electronic Devices ", 3. Aufl.
Hier ist ein ausführliches Zitat aus Abschnitt 7.2.2:
Jetzt bin ich mir fast sicher, dass diejenigen, die fest im Spannungskontrolllager sind, dies als Bestätigung ihrer Position interpretieren werden, ebenso wie diejenigen, die fest im Stromkontrolllager sind. Also werde ich es einfach dabei belassen. Lass das Bellen beginnen ...
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Vielleicht würde ein Beispiel es besser erklären. Stellen Sie sich vor, ich fahre ein Auto und seine Geschwindigkeit hängt davon ab, wie stark und wie lange ich Gas gebe. Aber ich möchte keine Geldstrafen bekommen, deshalb respektiere ich immer Geschwindigkeitsbegrenzungen. Jetzt kommst du und sagst:
Was Sie sagen, ist in diesem speziellen Fall wahr, aber das ändert nichts an der Tatsache, dass Autos sich nicht im geringsten um flache Metallgegenstände in ihrer Umgebung kümmern.
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Wenn Sie Vin zu einer Konstanten und R1 zu einer Variablen machen würden, würden Sie sagen, dass BJTs widerstandsgesteuerte Geräte sind?
In Ihrem Setup scheinen Sie die Kontrolle über eine Spannung zu haben und beobachten, dass sie den Kollektorstrom beeinflussen kann. Es ist vernünftig, dies als Beweis dafür zu verwenden, dass der Strom dieser Schaltung spannungsgesteuert ist, aber es ist nicht vernünftig zu sagen, dass dies bedeutet, dass alle BJTs spannungsgesteuert sind.
Sie müssen zwischen dem gesamten System und einer Komponente im System unterscheiden, selbst wenn es sich um die interessanteste oder sogar die einzig interessant aussehende Komponente handelt.
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Ich denke, es ist sinnvoll, einen BJT-Strom als geregelt zu bezeichnen, wenn man ihn mit dem MOSFET vergleicht.
Der MOSFET hat ein Gate, und je höher die Spannung am Gate ist (die im Wesentlichen keinen Strom zieht), desto höher ist die Leitfähigkeit von Drain-> Source. Dies ist also ein spannungsgesteuertes Gerät.
Alternative,
Ein BJT hat eine Basis. Je höher die Leitfähigkeit vom Kollektor zum Emitter ist, desto höher ist der Basisstrom.
Als praktisches Beispiel, das den Unterschied wirklich hervorhebt:
Diese Speichertopologie kann mit BJTs nicht implementiert werden, da für die Leitung ein konstanter Basisstrom erforderlich ist. In einem MOSFET können Ladungen in ein isoliertes Gate injiziert werden. Wenn sie injiziert werden, bleiben sie dort und halten den MOSFET die ganze Zeit leitend. Diese Leitfähigkeit (oder deren Fehlen, wenn keine Ladungen injiziert wurden) wird erfasst und zum Lesen des gespeicherten Bitzustands verwendet.
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Bisher zähle ich 10 Antworten und viele Kommentare. Und wieder habe ich gelernt, dass die Frage, ob der BJT spannungs- oder stromgesteuert ist, eine Frage der Religion zu sein scheint. Ich fürchte, der Fragesteller („ Warum geben Lehrbücher an, dass BJTs derzeit kontrolliert werden “) wird aufgrund so vieler unterschiedlicher Antworten verwirrt sein. Einige sind richtig und andere völlig falsch. Daher möchte ich im Interesse des Fragestellers die Situation zusammenfassen und klären.
1) Was ich nie verstehen werde, ist das folgende Phänomen: Es gibt keinen einzigen Beweis dafür, dass der Kollektorstrom Ic eines BJT durch den Basisstrom Ib gesteuert / bestimmt würde. Trotzdem gibt es immer noch einige Leute (sogar Ingenieure!), Die immer wieder wiederholen, dass der BJT - ihrer Ansicht nach - stromgesteuert wäre. Aber sie wiederholen diese Behauptung nur ohne Beweise - keine Überraschung, denn es gibt keinen Beweis und keine Überprüfung.
Die einzige „Rechtfertigung“ ist immer die einfache Beziehung Ic = beta x Ib. Aber eine solche Gleichung kann uns niemals etwas über Ursache und Wirkung sagen. Darüber hinaus vergessen / ignorieren sie, wie diese Gleichung ursprünglich abgeleitet wurde: Ic = alpha x Ie und Ie = Ic + Ib. Daher ist Ib nur ein (kleiner) Teil von Ie - sonst nichts. (Barrie Gilbert: Der Basisstrom ist nur ein "Defekt").
2) Im Gegensatz dazu gibt es viele beobachtbare Effekte und Schaltungseigenschaften, die deutlich zeigen und beweisen, dass der BJT spannungsgesteuert ist. Ich denke, jeder, der weiß, wie eine einfache pn-Diode funktioniert, sollte auch erkennen, was eine Diffusionsspannung ist und wie eine externe SPANNUNG den Barriereeffekt dieser grundlegenden Eigenschaft des pn-Übergangs verringern kann.
Wir müssen eine geeignete SPANNUNG an die entsprechenden Klemmen anlegen, um einen Strom durch die Verarmungszone zu lassen. Diese Spannung (bzw. das entsprechende elektrische Feld) ist die einzige Größe, die die Kraft für die Bewegung des geladenen Trägers liefert, die wir Strom nennen! Gibt es einen Grund, warum sich der Basis-Emitter-pn-Übergang völlig anders verhalten sollte (und NICHT auf die Spannung reagiert)?
Auf Anfrage kann ich mindestens 10 Effekte und Schaltungseigenschaften auflisten, die nur mit Spannungsregelung erklärt werden können. Warum werden diese Beobachtungen so oft ignoriert?
3) Der Fragesteller hat eine Schaltung vorgelegt, die einen zusätzlichen Kommentar verdient. Wir wissen, dass ein Operationsverstärker (zweifellos spannungsgesteuert) als Strom-Ein-Spannungs-Aus-Verstärker (Transwiderstandsverstärker) verdrahtet werden kann. Das heißt: Wir müssen immer zwischen den Eigenschaften der „nackten“ Verstärkereinheit und einer kompletten Schaltung mit zusätzlichen Teilen unterscheiden.
Für den vorliegenden Fall bedeutet dies: Der BJT als eigenständiger Teil ist spannungsgesteuert. Wenn wir jedoch die gesamte Schaltung (mit einem Widerstand R1) betrachten, können wir die vollständige Anordnung als stromgesteuerte Schaltung behandeln, wenn R1 viel größer als der ist Eingangswiderstand des BE-Pfades. In diesem Fall haben wir einen Spannungsteiler, der von der Spannung Vin angetrieben wird.
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Implizit zwei Fragen:
1. Warum kann es als „stromgesteuert“ betrachtet werden und
2. Warum ist es zweckmäßig , ein BJT als „stromgesteuert“ zu betrachten.
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Die Basisspannung (dh die am Basisanschluss in Bezug auf GND gemessene Spannung) ist tatsächlich mehr oder weniger eine Konstante (zumindest in Sättigung), wie sie für einen Diodenvorwärtsspannungsabfall charakteristisch ist.
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