Dlaczego prąd nadal przepływa przez kolektor, mimo że obwód tranzystora nie ma Vcc

Natknąłem się na samouczek, w którym uznałem, że powyższy obwód NPN BJT jest nieprawidłowy z powodu wyciągniętych wniosków.

Ale kiedy zasymulowałem ten obwód, okazało się, że wnioski są prawdziwe.

Byłem całkowicie zdziwiony i wydaje mi się, że mam pewne fundamentalne nieporozumienie na temat zachowania tranzystora.

Powyższy obwód nie jest zasilany. Nie ma Vcc. Istnieje napięcie wejściowe Vin, które wzrasta od zera do 1 V.

Poniżej znajduje się wykres napięcia wyjściowego Vout w odniesieniu do Vin:

A tutaj poniżej wykres jest prąd przez obciążenie I (Rload) i prąd kolektora Ic w odniesieniu do Vin.

Pytanie:

Moje zamieszanie dotyczy tego, w jaki sposób wszelkie prądy powstają i przepływają przez kolektor i obciążenie, gdy nie ma różnicy potencjałów między zaciskami kolektora tranzystora i emitera.

Zgodnie z fabułą wydaje się, że KCL jest zadowolony, ponieważ I (Rload) + Ic = 0.

Ale czego nie rozumiem, w jaki sposób prąd kształtuje się i płynie w ten sposób.

Gdyby ktoś mnie zapytał, powiedziałbym: „Prąd przepłynie od podstawy do emitera, a stąd do ziemi. Nie będzie prądu przez ładunek, a Vout wyniesie zero”.

Jestem całkowicie zaskoczony tym obwodem. Oczywiście moim zdaniem coś jest nie tak. Dlaczego obecna pętla działa w ten sposób?

Ma to związek ze strukturą tranzystora BJT. Spójrzmy na NPN:

^{Źródło obrazu}

Masz region kolektora wykonany z półprzewodnika typu N, podstawy typu P i emitera typu N. Nie będę wchodził w szczegóły, ponieważ wykracza to poza zakres pytania, ale wystarczy zadać pytanie - czy kolektor i emiter nie wyglądają podobnie?

To, co zrobiłeś, to podłączyć emiter do ziemi, a kolektor do ziemi za pomocą rezystora. Następnie przyłożyłeś napięcie do bazy.

Normalnie to, czego można się spodziewać po napięciu na podstawie, to przepływ prądu z podstawy do emitera - jest to w zasadzie dioda, której podstawą jest anoda, a emiter jest katodą. Jeżeli napięcie na katodzie jest wyższe niż podstawa, przepływ prądu przez złącze baza-emiter spowoduje przepływ prądu z kolektora do emitera.

Jednak w twoim przypadku kolektor nie ma wyższego potencjału niż podstawa, ale ma niższy potencjał. Tu pojawia się moje pytanie - podobnie jak złącze baza-emiter, złącze baza-kolektor jest również złączem PN, które jest również diodą. Znowu podstawą jest anoda, ale tym razem kolektor jest katodą. Oznacza to, że po przyłożeniu wyższego napięcia do podstawy niż do katody prąd przepływa z podstawy przez katodę.

Teraz masz prąd przepływający od podstawy do katody, przez rezystor do ziemi, w ten sposób identyfikowany jest tajemniczy przepływ prądu.

Aby wyjaśnić dalej, oto twój obwód, jeśli weźmiemy pod uwagę złącza PN jako diody (*):

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Możesz zobaczyć, w jaki sposób prąd może teraz przepływać zarówno przez diodę Base-Emitter, jak i diodę Base-Collector.

Jeśli chodzi o to, dlaczego na obecnym wykresie prąd kolektora jest ujemny, jest to prawie na pewno spowodowane sposobem sondowania drutu w symulacji.

Sonda symulacyjna zostanie tak skonfigurowana, aby przepływ prądu do kolektora był uważany za „dodatni”. Dodatkowo zostanie skonfigurowana druga sonda, więc przepływ prądu przez rezystor od góry do dołu jest uważany za „dodatni”.

Jednak w tym przypadku prąd płynie z kolektora („ujemny” z punktu widzenia sond) i do rezystora („dodatni” z punktu widzenia drugiej sondy). W rezultacie w znaku występuje rozbieżność.

Zasadniczo jest to jak posiadanie dwóch amperomierzy szeregowo, ale jeden podłączony do tyłu. Pokażą równe, ale przeciwne odczyty.

Informacje o bonusie

Teraz prąd Base-Collector będzie znacznie niższy niż prąd Base-Emitter, częściowo dlatego, że masz rezystor szeregowy od kolektora do ziemi, co spowoduje spadek napięcia i ograniczenie prądu (podobnie jak szeregowanie rezystora z diodą LED) , ale także częściowo dlatego, że struktura NPN jest bardziej złożona.

Emiter jest domieszkowany bardziej niż kolektor, co oznacza, że ​​złącze BE będzie miało znacznie niższy spadek napięcia przewodzenia niż złącze BC. W rezultacie nawet bez rezystora prąd BC będzie znacznie mniejszy niż prąd BE.

W rzeczywistości możesz użyć tranzystora BJT w odwrotnej kolejności (zamieniając C i B), ale wydajność zostanie znacznie obniżona.

^{(*) Widok diody nie reprezentuje całkowicie tranzystora NPN. Jeśli skleisz dwie diody razem, nie uzyskasz tranzystora NPN z powodu między innymi metalowych przewodów diody. Jednak dokładnie pokazuje efekt, który widzisz.}

Ma to stanowić uzupełnienie kompleksowej odpowiedzi Toma i jest udzielane poprzez cofnięcie się o krok. To odpowiedź na temat modeli.

Tranzystor to skomplikowany obiekt. Z wielu powodów można to uprościć, zastępując go modelem, który przechwytuje niektóre, ale nie wszystkie, zachowania.

Na przykład, podczas pomiaru tranzystora z funkcją „testu diody” DMM, model „dwóch diod” wyjaśnia pomiary. Ale nie mówi ci, skąd pochodzi zysk. Model jest na to zbyt prosty.

Podczas polaryzacji tranzystora „normalnie”, na przykład w celu wytworzenia wspólnego wzmacniacza emitera, model „sterowanego prądem źródła prądu” rejestruje znacznie więcej zachowania, pozwala obliczyć prądy polaryzacji i współczynniki wzmocnienia. Ale jest to zbyt proste i abstrakcyjne, aby wyjaśnić, co dzieje się w pytaniu PO.

Kiedy ludzie używają modeli, zwykle wychwytuje najprostsze zachowanie dla ich celu i nie więcej. Jako takie, zwykle możemy znaleźć przypadki narożne, które ilustrują wady dowolnego modelu. Następnie musimy znaleźć bardziej kompletny model, rozłożyć i przeanalizować kompletny skomplikowany obiekt lub zdecydować, że nie potrzebujemy dodatkowej precyzji i znaleźć sposób pracy z przybliżeniem modelu (wszystkie trzy są wykonywane w różnych okolicznościach).

Zawsze rozbawiał mnie model ludzi, którym mój szef używał, gdy zastanawiał się, ile osób przypisać do danego projektu inżynierskiego, zastępował ludzi „puszkami mięsa obiadowego”, co uchwyciłoby niepodzielność, część biologii i (może mój post-hoc, może jego podtekst) niemożność dowiedzenia się, co dostaniesz, dopóki nie otworzysz puszki i prawdopodobnie nie będziesz rozczarowany. Zobaczmy, mamy budżet w wysokości 2 milionów w ciągu 4 lat, więc możemy sobie pozwolić na umieszczenie na nim 5 puszek mięsa obiadowego! Mimo że model nieco upraszcza szczegóły, nie przypominam mu, by odnosił mniejsze sukcesy w planowaniu zasobów niż jakikolwiek inny kierownik projektu.

Wystarczy dodać kilka punktów do doskonałej odpowiedzi Toma Carpentera

Powyższy obwód nie jest zasilany.

V _in jest źródłem zasilania.

... jak to możliwe, że jakiekolwiek formy i przepływy prądu przepływają przez kolektor i obciążenie, gdy nie ma różnicy potencjałów między kolektorem a emiterem tranzystora?

V _out to różnica potencjałów między kolektorem tranzystora a jego emiterem. Twoje wykresy wyraźnie pokazują, że nie jest to zero.

Ponadto, swoje działki pokazać prądu przez R _obciążenia . Przez rezystor nigdy nie będzie prądu bez różnicy potencjałów między jego zaciskami. To jest prawo Ohma.