Warum fließt der Strom immer noch durch den Kollektor, obwohl die Transistorschaltung keine Vcc hat?

Ich bin auf ein Tutorial gestoßen, in dem ich dachte, dass die obige BJT-NPN-Schaltung aufgrund der Schlussfolgerungen falsch ist.

Aber als ich diese Schaltung simulierte, fand ich heraus, dass die Schlussfolgerungen wahr waren.

Ich war völlig verwirrt und habe anscheinend ein grundlegendes Missverständnis über das Verhalten von Transistoren.

Die obige Schaltung wird nicht mit Strom versorgt. Es gibt kein Vcc. Es gibt eine Eingangsspannung Vin, die von Null auf 1 V erhöht wird.

Unten ist das Diagramm der Ausgangsspannung Vout in Bezug auf Vin:

Und hier unten ist der Strom durch die Last I (Rload) und der Kollektorstrom Ic in Bezug auf Vin aufgetragen.

Frage:

Meine Verwirrung ist, wie sich Strom durch Kollektor und Rload bildet und fließt, wenn zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen des Transistors kein Potentialunterschied besteht.

Gemäß der Darstellung scheint KCL zufrieden zu sein, weil I (Rload) + Ic = 0 ist.

Aber was ich nicht verstehe, wie sich der Strom so formt und fließt.

Wenn mich jemand fragen würde, würde ich sagen: "Der Strom fließt von der Basis zum Emitter und damit zur Erde. Es wird kein Strom durch die Last fließen und dort wird Vout Null sein."

Ich bin völlig verwirrt mit dieser Schaltung. Offensichtlich stimmt aus meiner Sicht etwas nicht. Warum läuft die Stromschleife so?

Es hat mit der Struktur eines BJT-Transistors zu tun. Schauen wir uns ein NPN an:

^Bildquelle

Sie haben einen Kollektorbereich aus Halbleiter vom N-Typ, eine Basis vom P-Typ und einen Emitter vom N-Typ. Ich werde nicht ins Detail gehen, da dies den Rahmen der Frage sprengt, aber lassen Sie es uns mit einer Frage genügen - sehen Sammler und Emitter nicht ähnlich aus?

Sie haben den Emitter mit Masse und den Kollektor über einen Widerstand mit Masse verbunden. Sie haben dann eine Spannung an die Basis angelegt.

Normalerweise würde man bei einer Spannung an der Basis erwarten, dass Strom von der Basis zum Emitter fließt - es handelt sich im Grunde genommen um eine Diode, bei der die Basis die Anode und der Emitter die Kathode ist. Wenn die Spannung an der Kathode höher als die Basis ist, bewirkt dieser Stromfluss durch den Basis-Emitter-Übergang, dass Strom von Kollektor zu Emitter fließt.

In Ihrem Fall liegt der Kollektor jedoch nicht auf einem höheren Potential als die Basis, sondern auf einem niedrigeren Potential. Hier kommt meine Frage ins Spiel - ähnlich wie der Basis-Emitter-Übergang ist der Basis-Kollektor-Übergang auch ein PN-Übergang, der auch eine Diode ist. Wieder ist die Basis die Anode, aber diesmal ist der Kollektor die Kathode. Das heißt, wenn Sie an der Basis eine höhere Spannung anlegen als an der Kathode, fließt ein Strom von der Basis durch die Kathode.

Sie haben jetzt Strom von der Basis zur Kathode, durch den Widerstand zur Erde, so dass der mysteriöse Stromfluss identifiziert wird.

Zur weiteren Verdeutlichung ist hier Ihre Schaltung, wenn wir die PN-Übergänge als Dioden (*) betrachten:

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

Sie können sehen, wie der Strom jetzt sowohl durch die Basis-Emitter-Diode als auch durch die Basis-Kollektor-Diode fließen kann.

In Bezug darauf, warum in Ihrem aktuellen Diagramm der Kollektorstrom als negativ angezeigt wird, hängt dies mit ziemlicher Sicherheit davon ab, wie Sie den Draht in Ihrer Simulation untersucht haben.

Die Simulationssonde wird so eingerichtet, dass der Stromfluss in den Kollektor als "positiv" betrachtet wird. Zusätzlich wird die zweite Sonde so eingerichtet, dass der Stromfluss durch den Widerstand von oben nach unten als "positiv" betrachtet wird.

In diesem Fall fließt jedoch Strom aus dem Kollektor (aus Sicht der Sonden "negativ") und in den Widerstand (aus Sicht der zweiten Sonde "positiv"). Infolgedessen gibt es eine Diskrepanz im Zeichen.

Im Grunde ist es so, als hätten Sie zwei Amperemeter in Reihe, aber eines ist rückwärts verdrahtet. Sie zeigen gleiche, aber entgegengesetzte Messwerte.

Bonus Info

Jetzt ist der Basis-Kollektor-Strom viel niedriger als der Basis-Emitter-Strom, teilweise weil Sie den Vorwiderstand vom Kollektor zur Masse haben, der eine gewisse Spannung abfällt und so den Strom begrenzt (ähnlich wie wenn ein Widerstand mit einer LED in Reihe geschaltet wird). , aber auch teilweise, weil die NPN-Struktur komplexer ist.

Der Emitter ist stärker dotiert als der Kollektor, was bedeutet, dass der BE-Übergang tatsächlich einen viel geringeren Durchlassspannungsabfall aufweist als der BC-Übergang. Infolgedessen ist der BC-Strom auch ohne den Widerstand erheblich geringer als der BE-Strom.

Tatsächlich können Sie einen BJT-Transistor in umgekehrter Richtung verwenden (C und B vertauschen), aber die Leistung wird massiv beeinträchtigt.

^{(*) Die Diodenansicht repräsentiert nicht vollständig einen NPN-Transistor. Wenn Sie zwei Dioden so zusammenkleben, erhalten Sie unter anderem aufgrund der dazwischen liegenden Metallleitungen der Diode keinen NPN-Transistor. Es zeigt jedoch genau den Effekt, den Sie sehen.}

Dies ist als Ergänzung zu Toms umfassender Antwort gedacht und wird durch einen "Schritt zurück" beantwortet. Es ist eine Antwort über Modelle.

Ein Transistor ist ein kompliziertes Objekt. Für viele Zwecke kann es vereinfacht werden, indem es durch ein Modell ersetzt wird, das einige, aber nicht alle Verhaltensweisen erfasst.

Wenn beispielsweise ein Transistor mit der Funktion "Diodentest" eines DMM gemessen wird, erklärt das Modell "Zwei Dioden" die Messungen. Aber es sagt Ihnen nicht, woher der Gewinn kommt. Dafür ist das Modell zu einfach.

Wenn Sie einen Transistor "normal" vorspannen, um beispielsweise einen gemeinsamen Emitterverstärker zu erzeugen, erfasst das Modell "Stromgesteuerte Stromquelle" viel mehr Verhalten und ermöglicht die Berechnung von Vorspannungsströmen und Verstärkungsfaktoren. Aber es ist zu einfach und abstrakt, um zu erklären, was in der Frage des OP passiert.

Wenn Menschen Modelle verwenden, ist es normalerweise so, dass sie das einfachste Verhalten für ihren Zweck erfassen und nicht mehr. Daher können wir normalerweise Eckfälle finden, die die Mängel eines Modells veranschaulichen. Wir müssen dann ein vollständigeres Modell finden, das komplizierte Objekt analysieren und analysieren oder entscheiden, dass wir keine zusätzliche Präzision benötigen und einen Weg finden, mit der Näherung des Modells zu arbeiten (alle drei werden unter verschiedenen Umständen durchgeführt).

Ich war immer amüsiert von dem Modell der Leute, das mein Chef benutzte, um herauszufinden, wie viele Leute einem bestimmten Ingenieurprojekt zugewiesen werden sollten. Er ersetzte die Leute durch "Dosen mit Fleisch vom Mittagessen", was die Unteilbarkeit und einen Teil der Biologie erfassen würde und (vielleicht mein Post-hoc, vielleicht sein Untertext) die Unfähigkeit zu wissen, was Sie bekommen würden, bis Sie die Dose öffneten und wahrscheinlich enttäuscht waren. Mal sehen, wir haben ein Budget von 2 Millionen über 4 Jahre, also können wir es uns leisten, 5 Dosen Mittagessenfleisch darauf zu legen! Obwohl das Modell die Details etwas vereinfacht, erinnere ich mich nicht daran, dass er bei der Ressourcenplanung weniger erfolgreich war als jeder andere Projektmanager.

Fügen Sie nur ein paar Punkte zu Tom Carpenters hervorragender Antwort hinzu

Die obige Schaltung wird nicht mit Strom versorgt.

V _in ist eine Stromquelle.

... wie kommt es, dass sich Strom durch Kollektor und Rload bildet und fließt, wenn zwischen Kollektor und Emitter des Transistors kein Potentialunterschied besteht?

V _out ist die Potentialdifferenz zwischen dem Kollektor des Transistors und seinem Emitter. Ihre Diagramme zeigen deutlich, dass es nicht Null ist.

Darüber hinaus zeigen Ihre Diagramme Strom durch R- _Last . Es kann niemals Strom durch einen Widerstand ohne eine Potentialdifferenz zwischen seinen Anschlüssen fließen. Das ist Ohmsches Gesetz.