Ist der Transistor abgeschaltet?

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Betrachten Sie in der folgenden Schaltung den Operationsverstärker als ideal (Verstärkung = ∞, Eingangswiderstand = ∞) und der Transistor Beta beträgt 20 A / A.Finden Sie den Strom durch den 1kΩ-Widerstand

Ursprünglich habe ich hier ein virtuelles Erdungskonzept verwendet, aber in der angegebenen Antwort ist der Transistor abgeschaltet, sodass die Spannung am -ve-Anschluss 5 V beträgt. Gibt diese Schaltung eine Rückmeldung an den Operationsverstärker oder nicht? Wie kann es abgeschnitten werden? Wir müssen Strom durch 1 kΩ Widerstand und Spannung am Kollektor finden. Meine Antwort: 300 uA Gegebene Antwort: 0A

user29918
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Verwenden Sie einfach die opamp goldenen Regeln. Der Transistor ist nicht abgeschaltet.
BeB00
Die Antwort sollte in der 300uA-Region ja sein.
Trevor_G
Ignoriere meine vorherige (gelöschte) Antwort, es ist falsch, weil ich den Emitterwiderstand> im Grunde ignoriert habe. <
BeB00
3
Diese Frage ist schwer zu beantworten, da es sich um eine Rennbedingung handelt. Da wir uns in der idealen Welt befinden, müssen wir die Reihenfolge angeben, in der die Quellen eingeschaltet werden (einschließlich der Leistung des Operationsverstärkers). Abhängig von der Reihenfolge der Operationen kann jede Antwort richtig sein.
Nino
Wieder wird dieses Design niemals funktionieren, aber dies funktioniert auf tinyurl.com/ybsrt2k2, dh 0A. Das korrigierte Design ist 286uA, nicht 300uA mit 10,5k
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Antworten:

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Diese Schaltung:

macht nicht viel Sinn. Aufgrund der positiven Rückkopplung gibt es zwei mögliche stabile Zustände.

In einem stabilen Zustand ist der Transistor vollständig ausgeschaltet. Das heißt, der negative Eingang des Operationsverstärkers liegt bei 5 V. Da der positive Eingang immer bei 2 V liegt, wird der Operationsverstärkerausgang so niedrig wie möglich gehalten. Da Sie sagten, zu analysieren, wie der Operationsverstärker ideal wäre, bedeutet dies, dass der Ausgang auf 0 geht. Dies hält den Transistor aus. Dieser Zustand ist daher in der Tat stabil.

Der andere mögliche stabile Zustand ist, wenn der negative Eingang des Operationsverstärkers unter 2 V liegt. Dies würde den Ausgang hoch treiben, was den Transistor eingeschaltet halten würde. Da dies jedoch ein idealer Operationsverstärker ist, würde der Ausgang zur positiven Versorgung gehen. Sie haben nicht gesagt, was das ist, also gehe ich davon aus, dass es die gleichen 5 V sind, mit denen der Rest des Stromkreises versorgt wird. Bei 5 V an der Basis würde der Emitter etwa 4,3 V betragen und 4,3 mA würden durch den unteren Widerstand fließen (Argh, keine Komponentenbezeichner). Dies würde 4,5 V über dem oberen Widerstand erzeugen, was eindeutig nicht möglich ist, da die Spannungsabfälle nicht zu 5 V addieren.

Angenommen, der Transistor kann bei ausreichender Basisstromstärke auf 200 mV CE abfallen. Damit bleiben 4,8 V an den beiden Widerständen. Da der Transistor eine Verstärkung von 20 hat, ist der Emitterstrom 5% höher als der Kollektorstrom. Die Spannungsabfälle an den beiden Widerständen sind daher gleich, dh sie betragen jeweils 2,4 V. Das bedeutet, dass die Kollektorspannung 2,6 V beträgt. Diese liegt über 2 V, auf die der positive Eingang festgelegt ist, sodass die Schaltung schnell in den ersten stabilen Zustand übergeht, wenn sie jemals in den voll eingeschalteten Zustand des Transistors gelangt.

Wenn die Basis ohnehin höher angesteuert würde, wäre der BC-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und die Kollektorspannung würde immer noch nicht unter 2 V liegen. Der hochgeschlagene Opamp-Ausgang ist daher kein stabiler Zustand. Diese Schaltung würde daher immer in dem einzigen stabilen Zustand enden, den es gibt, nämlich dem Ausgang, der niedrig zugeschlagen wird.

Also ja, der Transistor ist immer ausgeschaltet.

Hoppla

Ich habe gerade festgestellt, dass ich den oberen Widerstand als 1,05 kΩ falsch verstanden habe, wenn er tatsächlich 10,5 kΩ beträgt. Dies macht den zweiten möglichen stabilen Zustand jedoch immer noch nicht stabil.

Im zweiten möglichen stabilen Zustand wird der Opamp-Ausgang hochgeschlagen. Dies ist ein idealer Operationsverstärker, dh sein Ausgang beträgt 5 V (vorausgesetzt, 5 V versorgen den Operationsverstärker ebenfalls wie zuvor angegeben). Mit 5 V an der Basis kann der Kollektor des Transistors nicht unter 4,3 V fallen, da er dann in Vorwärtsrichtung vorgespannt wäre und als Diode wirkt. Der negative Eingang würde deutlich über 2 V liegen, so dass der Ausgang niedrig zugeschlagen würde und die Schaltung auf diese Weise verriegeln würde.

Mal sehen, was genau am Wendepunkt zwischen den beiden Vollschienenausgängen passieren würde. Das heißt, der Kollektor hat eine Spannung von 2 V, was bedeutet, dass ein Kollektorstrom von 286 µA fließen würde. Die Verstärkung des Transistors beträgt 20, also würden 21/20 davon, dh 300 uA Emitterstrom, fließen. Das heißt, der Emitter liegt bei 300 mV.

Das ist ein theoretisch möglicher Zustand, aber kein stabiler. Lärm passiert immer. Wenn die Kollektorspannung nur ein wenig höher wäre, würde der Operationsverstärkerausgang sinken. Dadurch wird der Strom durch den Transistor reduziert, wodurch die Kollektorspannung weiter erhöht wird, wodurch der Transistorstrom weiter reduziert wird.

Was würde also an diesem Wendepunkt passieren, wenn der Kollektorstrom ein wenig sinken würde? Die Basisspannung würde ansteigen und mehr Kollektorstrom verursachen, wodurch die Kollektorspannung abfällt, wodurch die Basisspannung ansteigt usw. Schließlich würde die Basisspannung genug ansteigen, um den BC-Übergang in Vorwärtsrichtung vorzuspannen. Jetzt steigt die Kollektorspannung wieder an. Wenn es 2 V erreicht, steigt die Basisspannung nicht mehr an.

Jetzt haben wir tatsächlich eine negative Rückkopplung, weil der BC-Übergang wie eine Diode wirkt. Dies ist daher ein stabiler Zustand, aber nicht einer, in dem der Transistor auf normale Weise verwendet wird oder in dem seine Datenblattparameter viel Orientierungshilfe sind.

Die Antwort lautet nun, dass es zwei mögliche Antworten gibt, je nachdem, in welchem ​​Zustand die Schaltung stecken bleibt. Im ersten Fall ist der Transistor immer ausgeschaltet. Im zweiten Fall ist der BC-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt, sodass es keine sinnvolle Frage mehr ist, ob er sich im "Cutoff" befindet oder nicht.

Olin Lathrop
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Dies funktioniert tinyurl.com/ybsrt2k2
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Was ist mit genau gleich 2V Anfangsbedingung? Ich behaupte auch Ihre Antwort auf unter 2 V, aber es ist schwer in der idealen Welt zu quantifizieren, das könnte jetzt auch undefiniert sein, wenn ich darüber nachdenke.
Nino
Ich habe dafür gesorgt, dass es in LTSPICE mit + -12V am Operationsverstärker im gesättigten Zustand bleibt und die 5V verlangsamt.
Trevor_G
@Tevor: Siehe Ergänzung zur Antwort. Ich hatte den oberen Widerstandswert anfangs falsch verstanden. Es gibt einen anderen stabilen Zustand mit dem Kollektor bei 2 V, aber es erfordert, dass der BC-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
Olin Lathrop
Ja, es ist wirklich komisch. Sobald es einrastet, erscheint es ziemlich stabil, obwohl es selbst mit 1 V Wechselstrom über den 2 V liegt.
Trevor_G
3

Ihre berechneten Zahlen erscheinen gemäß CircuitLab korrekt.

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

Aber dem würde ich nicht vertrauen.

In LTSPICE kann ich es jedoch nur zum Laufen bringen, indem ich die 5-V-Versorgung verlangsame, damit es in der richtigen Reihenfolge geschieht. Dann ist der Transistor gesättigt und der Kollektor folgt der Emitterspannung mit ~ 2 mA Emitterstrom.

Wenn in Sättigung ...

Vc=VbVbe+VCESAT

Als solches steigt die Kollektorspannung mit der Basisspannung an und umgekehrt. Da der Transistor nicht mehr invertiert, ist die Rückkopplung des Operationsverstärkers in Ihrer Schaltung effektiv negativ.

Aufgrund der magischen Eigenschaft von Transistoren, die Ihnen einen Vce-SAT ergibt, der kleiner als Vbe ist, befinden Sie sich in dem Modus, in dem Vc <Vb ist, sodass der Basiskollektorübergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist ...

Die Schaltung wird effektiv dies ....

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung

Wie auch immer ... es ist eine schlechte Strecke. Wie OLIN betont, wird der Transistor wirklich auf bizarre Weise verwendet.

Also, um Ihre eigentliche Frage zu beantworten ..

Ist der Transistor abgeschaltet?

Es hängt davon ab, wann die 5V hochgefahren sind.

Wenn es zuletzt kam, kann der Transistor gesättigt sein,

Wenn es zuerst hochkam, ist der Transistor ausgeschaltet.

Wenn es irgendwo in der Mitte auftauchte ... wirf eine Münze!

Trevor_G
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Mit positivem Feedback ist der Simulator falsch
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Das ist seltsam. Ich habe diese Schaltung mit jeder Schaltung simuliert und die Antwort war anders. Dieser Transistor war abgeschaltet, so dass die Kollektorspannung 5 V und der Emitterstrom Null betrug. Können Sie es analytisch / konzeptionell erklären? Deshalb ist das nicht abgeschnitten.
user29918
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Verschiedene Simulatoren können dies unterschiedlich lösen, da sie auf einem Regime beruhen, in dem BJTs normalerweise nicht verwendet werden und für das sie nicht spezifiziert sind.
Olin Lathrop
Sehen Sie sich in Ihrer obigen Simulation die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers an. Das sollte Ihnen sagen, ob der Simulator die Vorwärtsvorspannung des BC-Übergangs berücksichtigt oder nicht. Ein TL081 führt auch andere Probleme ein, da er sich seinen Schienen überhaupt nicht nähern kann. Das nicht ideale Verhalten kann in dieser Schaltung von großer Bedeutung sein.
Olin Lathrop
1
Die Ablehnung ist definitiv unverdient. Mit hoher Wiederholungszahl haben Sie sozusagen ein Bullauge auf dem Rücken. Ich bekomme auch zufällige ungeklärte Abstimmungen, normalerweise in Klumpen über mehrere Fragen. Im Fall von cany hast du bereits eine +1 von mir. Ich habe darüber nachgedacht, Ihre letzte Schaltung zu veröffentlichen, in der der Transistor durch zwei Dioden ersetzt ist, aber Sie haben bereits großartige Arbeit geleistet.
Olin Lathrop
2

Ich beschloss, meinen Kommentar in eine Antwort umzuwandeln, um alle Grundlagen abzudecken und Menschen, die dieselbe Frage beantworten, dazu zu bringen, die Denkschule des anderen auf unterschiedliche Weise zu sehen.

Da wir uns in der völlig idealen und unendlich schnellen Welt befinden, ist die endgültige Antwort undefiniert, es sei denn, wir geben die Anfangsbedingungen aller Knoten an.

Die wirklich entscheidende Anfangsbedingung ist, ob die Spannung des invertierenden Eingangs anfänglich über 2 V oder unter 2 V oder gleich 2 V liegt.

V- (@ t = 0) = über 2 V.

In diesem Fall ist der Ausgang des OpAmp niedrig und der BJT ist ausgeschaltet und wird niemals eingeschaltet.

V- (@ t = 0) = weniger als 2V

In diesem Fall ist der Ausgang des Operationsverstärkers hoch und der BJT eingeschaltet und stabilisiert sich um 300 uA, um den invertierenden Eingang bei 2 V zu halten.

V- (@ t = 0) = 2 V.

In diesem Fall bestimmt der Anfangszustand des Ausgangs des Opamp, wo sich die Schaltung stabilisiert. Wenn der Ausgang des Opamp hoch genug ist, dass der BJT sofort 300 uA oder mehr leitet, stabilisieren wir uns am invertierenden Eingang bei 2 V. Wenn der Opamp-Ausgang niedriger als erforderlich ist, um etwa 300 uA zu erhalten, steigt am invertierenden Eingang die Spannung an, was dazu führt, dass das Geländer auf 5 V geschaltet wird und der BJT ausgeschaltet wird.

Nino
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1

Das Design ist falsch, bei invertierender BJT-Rückmeldung MÜSSEN die +/- Eingänge umgekehrt werden.

Dann ist Ve = 0,3 Vc = 2 V Vb = 0,95, Vce = 1,05 ! [Bildbeschreibung hier eingeben

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Wieder funktioniert es gut wie es ist.
Trevor_G
Macht es? Bist du sicher?
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Versuchen Sie dies tinyurl.com/ya7t9nds
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Laut CircuitLab ist dies auch bei einer anständigen vorgespannten Wechselstromquelle der Fall.
Trevor_G
Ich habe keine Mitgliedschaft und von Ihren Ergebnissen sieht es logisch fehl
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Wenn die Spannung am nicht invertierenden Eingang ansteigt, steigt die Ausgangsspannung an und somit nimmt die Spannung am invertierenden Eingang ab . Das ist positives Feedback. Das Konzept des virtuellen Bodens gilt nur bei negativer Rückkopplung.

Wenn der invertierende Eingang anfänglich bei 5 V liegt, ist der Ausgang des Operationsverstärkers negativ und der Transistor ist abgeschaltet.

τεκ
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Ihr zweiter Absatz sollte der erste sein, da dies Ihre Annahme ist, dass der invertierende Eingang anfänglich bei 5 V liegt. Ihre Analyse ist falsch, wenn dies nicht der Fall ist.
Nino
Die Schaltung hat zwei stabile Zustände. In einem Fall ist der Opamp-Ausgang negativ unendlich und der Transistor ist abgeschaltet. Im anderen Fall ist der Opamp-Ausgang positiv unendlich und der Transistor befindet sich in umgekehrter Sättigung. Im zweiten Fall sind die Schaltungsströme alle unendlich, daher ist sie nicht wirklich repräsentativ.
τεκ
Eigentlich ist der zweite nicht stabil. Die gegebene Antwort ist der einzige stabile Zustand.
τεκ
Das ist nicht richtig, der Strom kann aufgrund des endlichen Widerstands und der Spannung nicht unendlich sein, siehe meine Antwort.
Nino
@Nino Ein idealer Operationsverstärker hat keine "Schienenspannung", daher wäre die Ausgangsspannung unendlich.
τεκ