¿Cómo actúa un transistor como un amplificador considerando la conservación de energía?

La corriente de base en un transistor controla la corriente del colector. La energía proviene de la fuente de alimentación. No se genera dentro del transistor.

El 'catch' es que un transistor solo controla el flujo de corriente; no genera en sí misma potencia. La energía provendría de alguna otra parte del circuito, quizás de la compañía eléctrica a través de una fuente de alimentación o de una batería.

Ahora, un posible punto de confusión es que los transistores se pueden representar como circuitos equivalentes que contienen una llamada "fuente de corriente". Esto suena como que podría generar energía, ¿sí? Bueno, resulta que una "fuente" puede generar o absorber energía, dependiendo de la relación entre la corriente que la atraviesa y el voltaje que la atraviesa. Lo principal que hace una "fuente" es fijar la corriente (en el caso de una fuente de corriente) o el voltaje (en el caso de una fuente de voltaje) a un valor específico. Por ejemplo, una batería de iones de litio actúa como una fuente de voltaje. Si conecta una resistencia a través de los terminales de la batería, la batería suministrará corriente para mantener el voltaje más o menos constante. Sin embargo, si conecta una fuente de alimentación externa, la batería comenzará a cargarse, absorbiendo energía mientras intenta mantener la tensión constante.

Ahora, hay varios "modelos" o "circuitos equivalentes" diferentes de diferentes tipos de transistores, todos los cuales utilizan fuentes dependientes de alguna manera. El truco es que estos modelos solo son válidos en condiciones de operación particulares, y resulta que no hay ningún conjunto de condiciones bajo las cuales un transistor generará energía. Esto no es un truco de las matemáticas, la razón de esto es que no hay nada dentro de un transistor que sea capaz de generar energía; Lo único que puede hacer un transistor es generar una caída de voltaje para oponerse al flujo de corriente. Por lo general, resulta que los transistores terminan disipando mucha energía y necesitan ser montados en grandes disipadores de calor.

Un BJT se usa generalmente como un amplificador de potencia y la potencia ganada por la señal de salida proviene de la fuente de alimentación de CC que utiliza.

La corriente de amplificación por sí sola se puede hacer sin amplificación de potencia usando un transformador pero, si desea un amplificador de potencia (es decir, el producto de voltios y amperios aumentados) entonces necesita una fuente de alimentación.

La energía es el promedio de los tiempos de energía: \ $ E = P \ veces t \ $. La energía se conserva. Dado que el poder es solo momentos instantáneos de energía, también es un hecho que, en general, el poder también se conserva. Por lo tanto, a menudo verá declaraciones como "la entrada de energía debe ser igual o mayor que la salida de alimentación". En promedio y en escalas humanas de tiempo y localidad, eso también es bastante cierto. Pero es la conservación de la energía lo que realmente gobierna el universo como lo entendemos.

El poder, en sí mismo, es como una especie de moneda. Cada moneda tiene dos caras: voltaje y corriente. La potencia es el producto de voltios veces actual: \ $ P = V \ veces I \ $. Tenga en cuenta que ninguno de estos son el tiempo. Así que no hay ninguna implicación aquí de que la corriente (\ $ I \ $) debe conservarse, porque el voltaje (\ $ V \ $) se puede ajustar. Tampoco hay ninguna implicación de que el voltaje se conserve, porque la corriente se puede ajustar. En promedio, lo que se conserva es energía y poder. No voltaje y corriente.

La energía por unidad de tiempo (potencia) proviene de la fuente de alimentación. Esa energía y energía proporciona calor, electricidad y actividades de transductor y tiene que seguir ideas básicas de conservación de energía. Pero el transistor BJT consume una pequeña cantidad de corriente de "combinación" proporcionada a la región del emisor de base para activar una mayor corriente de colector. Lo que falta aquí es cualquier discusión sobre los voltajes involucrados y el resto del circuito, también, especialmente incluyendo las fuentes de energía. El transistor BJT se extrae de esas fuentes y esas fuentes pierden energía mucho más que el muy pequeño efecto local del BJT como una pequeña parte de un circuito y una fuente de energía mucho más grandes.

La ley de conservación se aplica al sistema cerrado como una caja negra. Pero son posibles pequeños aumentos locales de energía, siempre que esos aumentos provengan de algún otro lugar que esté ignorando. Así como la vida misma en la Tierra puede parecer una organización que proviene de la desorganización y viola las leyes de entropía, el hecho es que la entropía del sol aumenta mucho, mucho más que cualquier pequeña disminución local de la entropía representada por una forma de vida aislada en la Tierra. Debe aplicar un sistema adecuadamente completo al aplicar las leyes de conservación.

Es posible ver dicho amplificador como un circuito que transfiere la potencia de CC (desde la fuente de alimentación) a la potencia de la señal, disponible en la salida de los amplificadores.

Existen los llamados "amplificadores de potencia" que, sin embargo, NO amplifican la potencia. Pero su principal tarea no es amplificar el voltaje de una señal, sino PROPORCIONAR la mayor potencia de señal posible en su salida. Y la relación de potencia de salida a entrada es la llamada "eficiencia".

Consideremos un transistor NPN típico, y consideremos dos caminos eléctricos a través de él: el colector al emisor y la base al emisor. Estas son las únicas rutas a través de las cuales fluirá la corriente cuando el dispositivo se esté utilizando de manera convencional como un amplificador.

Cuando no hay voltaje de polarización directa (en relación con el emisor) en el terminal base, no fluye corriente significativa a través de ninguna ruta en el dispositivo.

Cuando el voltaje en el terminal base (en relación con el emisor) está en el rango de polarización directa (depende de las características específicas del dispositivo, pero quizás de 0,6 V), una pequeña cantidad de corriente fluye a través de la base hacia el emisor. Esto tiene el efecto de alterar la capacidad de transporte de corriente del dispositivo en la otra ruta, desde el colector hasta el emisor. La pequeña cantidad de corriente que fluye de la base al emisor permite que una corriente mucho más grande fluya desde el colector al emisor. La corriente de emisor de base no controla la corriente de emisor de colector. Piense en ello más como operar una válvula. En el rango de polarización directa, pequeños cambios en la corriente del emisor de base causan grandes cambios en la capacidad de transporte de corriente de la ruta del colector-emisor. Así tenemos un amplificador. Para fluir a través del colector, la corriente aún debe ser proporcionada por una fuente externa (batería, fuente de alimentación, etc.).

Casi todo lo que se describe como un amplificador funciona de manera análoga, ya sea eléctrica o incluso mecánica. Hay una fuente de alimentación que proporciona la potencia de salida, una señal de entrada y el dispositivo de amplificación que simplemente controla el flujo de energía a través del dispositivo en respuesta a la señal de entrada. No es necesario violar las leyes de conservación.