Los transistores son difíciles de envolver con las leyes

Debe recordar que un transistor es un tipo de "válvula de corriente". Permite que una cantidad de corriente pase entre el colector y el emisor que es \ $ H_ {fe} \ $ veces más grande que la corriente que pasa a través de la base del transistor.

En su ejemplo \ $ H_ {fe} \ $ aparentemente se establece en \ $ 100 \ $. La corriente de base es solo \ $ 186 \ mu {A} \ $, por lo que la corriente del recopilador no puede exceder de \ $ 18.6 \ mu {A} \ $. (Por supuesto, podría ser menor que eso si la corriente no está disponible, momento en el cual el transistor está saturado).

Como usted espera, el LED cae alrededor de \ $ 2V \ $ a través de él. El \ $ 7V \ $ restante de la fuente \ $ 9V \ $ se elimina en \ $ V_ {ce} \ $.

Entonces, en este caso, el transistor no actúa como un interruptor, sino como un regulador de corriente lineal.

Sin embargo, no es muy bueno ya que el \ $ H_ {fe} \ $ de los transistores es en realidad un valor muy vago. Si desea un limitador de corriente, el circuito a continuación es mejor y se basa en un valor de resistencia para configurar la corriente.

$$ I = 0.7 / R1 $$

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

El truco aquí es darse cuenta de que los transistores (esencialmente) funcionan en uno de dos modos: lineal y saturado. Cuando se usan como interruptores, como suele ser el caso, tienen un voltaje colector-emisor muy bajo y una alta corriente de base, o, para decirlo de otra manera, funcionan con baja ganancia. En estas condiciones, la corriente del colector puede variar un poco sin muchos cambios en Vce. A su vez, esto significa que la corriente del colector debe controlarse, y en los circuitos LED, esto normalmente se hace agregando una resistencia en serie para limitar la corriente.

Sin embargo, existe otro modo, llamado modo lineal, que se caracteriza por un Vce mayor que el voltaje del emisor de base y mayores ganancias, generalmente por encima de 100. Cuando se opera a estos niveles, la corriente de colector se establece mediante el producto de La corriente base y la ganancia, y las variaciones en Vce tendrán poco efecto en la corriente del colector. En otras palabras, el transistor actuará como un amplificador de corriente.

En el circuito que has mostrado, 186 uA es lo suficientemente pequeño para que, con una ganancia de 100 y teniendo en cuenta la caída de tensión del LED, el transistor esté funcionando con 7 voltios Vce, lo que significa que está en línea modo. Proporciona efectivamente la caída de voltaje que "normalmente" se realiza mediante una resistencia en serie con el LED.

Esto tiene ventajas y desventajas. Por un lado, lo convierte en un circuito simple. No hay necesidad de una resistencia adicional. El lado negativo es que el transistor disipa más potencia de lo que sería el caso. Esto no es realmente un problema en este caso particular, ya que la potencia total es de solo 130 mW, y casi cualquier transistor puede manejarlo. Si el transistor fuera conducido a la saturación, Vce sería del orden de 0.2 voltios, y el transistor (en el mismo nivel de corriente) solo disiparía alrededor de 4 mW, con una resistencia para dejar caer los otros 126 mW. En general, es más barato disipar la potencia con resistencias en lugar de transistores.

¿Por qué no hacerlo "normalmente" como lo has hecho? Porque los transistores muestran variaciones amplias en ganancia (3: 1 o mejor). Entonces, si manejas un montón de LED con tu circuito, es casi seguro que mostrarán amplias variaciones en el brillo. Además, por supuesto, amplias variaciones en la disipación de energía.

No dejes que los modelos te engañen. Su simulación utiliza un valor de ganancia nominal de 100, y este es un supuesto de partida perfectamente bueno al modelar un circuito. Pero no es algo con lo que se pueda contar en el mundo real. Debe leer las hojas de datos y vigilar de cerca la diferencia entre las cifras "típicas" y el máximo / mínimo.

EDITAR - Y note que dije "esencialmente". Sí, hay una condición intermedia. Para una corriente de colector dada y corrientes de base variables, a medida que Vce baja (alrededor de 1 voltio), hay una región de transición donde la ganancia comienza a disminuir. Pero la ganancia varía de todos modos, tanto con la corriente como con el voltaje.

El Transistor que ha mostrado tiene una ganancia de corriente de 100. Por lo tanto, como su corriente de base es limitada, la corriente de colector está limitada por la ganancia de corriente lineal de 100,

Sin embargo, generalmente usamos transistores como interruptores para LED donde la ganancia de corriente cae hacia 10 en el Vce nominal (sat). (Por lo general, hFE comienza a reducir por debajo de Vce = 2). Por lo tanto, el mejor diseño satura el diodo emisor de base con 10% a 5% de la corriente de carga (es decir, de 2 a 1 mA) y luego usa un colector Rc para proporcionar la caída de voltaje y limitar la corriente.

Con estas suposiciones de Ic = 20 mA, Vf = 2V, V + = 9V luego Vce = 0.5V @ Ib = 5% Ic o Ic / Ib = 20, por lo tanto V (Rc) = (9-2-0.5) [V ] / 20 [mA] = 325 Ohms

Si uno quisiera más LED de 9V bat, podría ser compatible con 4 en serie con una variación más amplia en el brillo a medida que la batería cae a 8,5 V o 3 en serie por menos variación y calcular un valor de Rc más bajo. (9-3 * 2.0V-0.5V) / 20mA = 125 Ohmios

Aquí hay un método gráfico para predecir el comportamiento del transistor más la resistencia más el LED

^{simular este circuito : esquema creado usando href="https://www.circuitlab.com/"> CircuitLab}

"Específicamente, no estoy muy seguro de cómo los transistores afectan a los circuitos en relación con el voltaje y la corriente. Cuando trato de averiguarlo, pienso a través de la lente de cómo una resistencia afecta la naturaleza del circuito, Esta es una perspectiva defectuosa? "

Sí, puedo ver la confusión aquí. Tal vez si expliqué la función de los transistores vista desde la "teoría del flujo de electrones", así como la "convencional (también conocido como flujo de agujeros)"

Teoría convencional:

La función de un transresistor (ahora llamado transistor) es variar la caída de voltaje en el colector y el emisor con un pequeño voltaje aplicado a la base.

Teoría del flujo de electrones:

La función de un transistor es variar una corriente más grande a través del colector a la unión del emisor con una corriente más pequeña a través de la base a las uniones del emisor.

Esperemos que eso aclare la confusión.