Por que um BJT é considerado "controlado por corrente"?

Com os BJTs, podemos controlar a corrente base usando Vin (do diagrama). Por que os livros didáticos afirmam que os BJTs são controlados por corrente quando é óbvio que alterar a tensão controla a corrente através do coletor?

No circuito acima, Vin está controlando a corrente que vai para a base, não a queda de tensão na base e no emissor do próprio transistor.

A queda de tensão em Vbe será sempre de cerca de 0,7V para Vin> 0,7; o excesso de tensão será derrubado no R1.

Ao alterar Vin, você está realmente controlando a corrente que vai para a base com base na equação:

Preâmbulo

Vamos começar com uma pequena digressão: o que torna um gerador um gerador de corrente em vez de um gerador de tensão? Observe as características do VI: aquele com tensão quase constante (quase horizontal no plano IV) será chamado de gerador de tensão, aquele com corrente quase constante (quase horizontal no plano VI) será chamado de gerador de corrente.

(Fotos tiradas do site de tutoriais sobre eletrônica)

Isso ocorre porque o 'sotaque' está na quantidade constante (a tensão ou a corrente fornecida - enquanto a outra quantidade é variável dependendo da carga e da conformidade do gerador). (Nota 1)

Em um dispositivo controlado, o acento está na quantidade variável. Dada a característica de entrada exponencial, que deixa o Vbe quase constante, é atual que você gostaria de ver como a variável de controle. Isso é uma conseqüência direta da propagação de erros: quando você tem uma função íngreme, um pequeno erro na quantidade quase constante x se tornará um erro muito maior na quantidade amplamente variável q (e vice-versa).

Foto tirada de "Uma introdução à análise de erros", Taylor e distorcida para atender à finalidade

A conclusão é que é mais fácil distinguir entre 10 e 40 uA (proporção de 1 a 4) do que separar 0,65 e 0,67 V (proporção de 1 a 1,03). (Observe as mentes menos flexíveis: como os valores mais extremos que usei antes desta edição, esses são valores criados para mostrar o contraste entre uma mudança discernível no que você deseja ver como a variável de controle - a corrente que entra na base - e a fraca alteração na tensão entre a base e o emissor).

A coisa mais simples

Você pode ver por que isso é chamado de controle de corrente, levando-o aos limites, adotando o modelo mais simples para um BJT, como mostrado por Chua, Desoer e Kuh em seus "Circuitos lineares e não lineares": nas figuras a seguir, todos os diodos são ideais ( a tensão limite é zero e a resistência em série também; estes são circuitos perfeitamente abertos quando polarizados reversamente e curtos perfeitos quando polarizados para frente).

E0 adiciona uma tensão limite à característica de entrada, enquanto a ação do transistor é expressa por ic = beta * ib. Observe que o gerador de corrente controlado por corrente. Aqui estão as características correspondentes de entrada e saída

Muito simples, certo? Você pode compará-los com características reais e ver que eles se assemelham a eles. Simples como é, este é um modelo legítimo e pode ser usado para modelar circuitos em que, ao alterar ib (você não pode alterar Vbe neste modelo, uma vez que é fixo), altera o valor de Ic. Você pode ver como alterar ib, interceptando a característica de entrada com a linha de carga de entrada

Ao alterar E1 (não parte do BJT), você altera ib (parte do BJT). Em seguida, você pode encontrar o valor de ic correspondente ao valor de ib, selecionar a característica de saída correspondente e encontrar a tensão por interseção com a linha de carga de saída.

Alguém pula na cadeira gritando " O QUE? Você está usando o beta para projetar um amplificador para ser colocado em produção mundial para aplicações nucleares de missão crítica? Além disso, de onde você acha que o beta vem? Além disso, você não sabe que o beta pode mudar em noventa e nove bilhões de por cento apenas olhando para ela? "

O ponto é que, para um determinado transistor, você tem um valor razoavelmente definido de beta (você pode medi-lo com antecedência, portanto, não importa se o lote de produção mostra uma dispersão vergonhosa) e se você não andar muito longe, pode razoavelmente ignorar sua variação com os outros parâmetros elétricos. Observe que este é um modelo simplificado que não modela variações de beta com a temperatura, a corrente ou mesmo a cor do cabelo; é um modelo simplificado que capta a essência da ação do transistor, da mesma maneira que o "homem do transistor" às vezes ofendido da The Art of Electronics.

Você pode encontrar a frequência de corte do transistor deste modelo? Não. Você pode explicar o efeito Early com este modelo? Não. Você pode explicar a resistência diferencial da junção BE com este modelo? Não. Você pode explicar a produção de pares de cargas devido à radiação? Não. Você pode explicar a quantização do segundo campo e a flexão do espaço-tempo? Não.

Isso significa que esse modelo é completamente inútil? Não. O comportamento extremamente simplificado desse modelo mostra por que muitos livros didáticos afirmam que os BJTs são atualmente controlados. A característica de entrada real se parece com a linha vertical em que você só pode variar ib, e não vbe, cujo valor é considerado fixo. (E foi por isso que fiz essa digressão no início desta resposta).

Você pode comparar o modelo mais simples para um Mosfet: a página 151 de Chua também tem esse.

Como você pode ver, a corrente do portão é fixa (em zero para ser pedante), uma condição dupla para a mostrada no BJT: a característica de entrada VI é horizontal. O único controle que você tem aqui é por meio de vgs. Isso significa que estamos negando a existência do efeito do túnel? Não, isso é apenas um modelo. Um modelo simplificado que, entre outras coisas, não considera o tunelamento, mas ainda consegue mostrar por que, em um MOSFET, você atua na tensão da porta-fonte.

Até agora, vimos como a relação (simplificada) entre ib e ic pode ser vista como controle de ic por meio de ib, através de beta. Mas também podemos usar alfa, por que não? Deixe-me citar, literalmente, outro livro que considera os atuais dispositivos controlados por BJT: "Física Quântica de Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas 2e", de Eisberg e Resnick, p. 474 (na página 475 é mostrada uma configuração básica comum):

A idéia básica da ação do transistor é que uma corrente no circuito emissor controla uma corrente no circuito coletor. Mais de 90% da corrente através do emissor, de modo que as correntes tenham magnitudes semelhantes. Mas a tensão no coletor de base pode ser muito maior do que na conexão da base do emissor, porque o primeiro é polarizado inversamente, de modo que a potência no circuito do coletor pode ser muito maior do que a entrada de energia no circuito do emissor. . Portanto, o transistor atua como um amplificador de potência.

Esses dois senhores não sabem do papel desempenhado pela mecânica quântica na teoria das bandas de sólidos? Eles não ouviram falar em estatística quântica? Eles sabem o que é um buraco (sem mencionar o tempco)? Eles poderiam ter esquecido que a aplicação de tensões poderia modificar os perfis de nível de energia atribuídos às bandas de valência e condução? Acho que não. Eles simplesmente escolheram um modelo mais simples para explicar como se pode interpretar a chamada ação do transistor.

O artista Bruno Munari disse uma vez: " Complicar é simples, simplificar é complicado. ... Todo mundo é capaz de complicar. Apenas alguns podem simplificar ". Entre outros, Chua, Desoer, Kuh, Eisberg e Resnick optaram por simplificar.

Quem joga na base, primeiro?

Agora, de volta aos transistores (quase) reais. Este é o primeiro vbe chars que criei após uma pesquisa de imagens do Google :

Não sei se é real, mas parece plausível. O que se deve notar aqui é que, quando ib muda muito, em 100s por cento, o vbe muda em quantidades relativamente pequenas, apenas um punhado de porcentagens. Isso ocorre devido à relação exponencial da junção BE. Digamos que você queira usar este BJT para produzir 10 mA em dias ímpares e 15 mA em dias pares. Você tem um laboratório alemão que mede a beta do transistor específico em sua mão e saiu 250 em todo o intervalo de interesse. Digamos que você tenha um gerador de corrente e tensão com uma precisão de 10%.

Controle atual : você pode usar ic = beta ib para encontrar o valor de ib que você deve definir. Os valores nominais de 10 e 15 mA de ic requerem valores nominais de 40 e 60 uA para ib. Dada a precisão do seu gerador atual, você espera ver as seguintes faixas de corrente na entrada e na saída:

ib = 36-44 uA -> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA -> ic = 13,5-16,5 mA

Controle de tensão : você não acredita em beta, então deve especificar uma tensão que crie um vbe de ... Sim, o que? Leia no gráfico acima (mas você terá que aceitar a terrível relação ic = beta ib). Eu acho que você terá que usar o modelo Ebers-Moll para calcular os valores para os valores desejados para ic. Mas digamos que determinamos que são precisamente 0,65 e 0,67V (assim como usei um valor preciso para beta acima) Quando tentamos definir esses valores precisos, nosso gerador de 10% de precisão fabricado na China fornecerá as seguintes faixas de tensão

0,585 - 0,715 V -> de volta a Ebers-Moll, para calcular ic, ... muito ruim a incerteza será exponenciada ...

0,603 - 0,737 V -> não, aguarde, antes de calcular ...

... parece que já temos uma superposição nas faixas de tensão que estamos fornecendo: talvez não consigamos distinguir dias pares dos ímpares.

Eu acho que é melhor recorrer à base atual como um meio de controlar a corrente do coletor.

Com o controle de corrente, mesmo que eu permita um erro de 10% no valor medido de beta, ainda posso (quase, mas ainda) distinguir as duas faixas de corrente (8,10-12,10 mA vs 12,15-18,15 mA) correspondentes a ímpar e dias pares.

Com o controle de tensão, se você adicionar um erro de 10% no valor calculado (ou lido do diagrama) da tensão (e eu estou sendo generoso desde que esse erro será amplificado), você já estará perdido na incerteza. Essa é a teoria básica da propagação de erros.

Intervalo

Este post está demorando, voltarei outro para adicionar algo mais. Deixe-me abordar a questão da guerra religiosa que você pode ter testemunhado. O que é isso tudo?

Transistor são dispositivos de estado sólido cujo trabalho interno precisa ser explicado usando as leis da física quântica. Dada a estrutura da banda dos níveis de energia de transportadores elétricos em sólidos, é natural recorrer a níveis de energia para descrever o funcionamento interno desses dispositivos. Energia e potencial estão intimamente relacionados entre si, portanto, a maioria dos modelos tende a expressar quantidades relevantes em função do potencial (diferença) s. A razão pela qual escrevi

Nota: A dependência do Vbe mostrada no modelo de Ebers-Moll não implica uma relação de causa-efeito. É apenas mais simples escrever as equações dessa maneira. Ninguém o proíbe de usar funções inversas.

é que tensão e corrente também estão intimamente relacionadas: são quantidades acopladas do tipo fluxo de esforço, de modo que basicamente você não pode ter uma sem a outra. É uma questão delicada, e acho que também devemos considerar o que significa criar uma diferença de tensão. Não é criado pelo deslocamento de cargas (por reação eletroquímica em uma bateria, por interação eletromagnética em um gerador mecânico). Eu suspeito que, no final, todos os dispositivos sejam basicamente controlados por carga: você move as cargas daqui para lá e obtém um certo efeito.

Suspeito que os cruzados de 'controle de tensão' estejam assumindo que a contraparte de 'controle de corrente' tenha aprendido eletrônica nos livros de Forrest Mims e nunca tenha visto um livro de física quântica, estado sólido ou dispositivos semicondutores. Eles parecem ignorar o significado de controlar a variável como a variável que escolhe definir para acionar um controle. Espero que a citação de Eisberg & Resnick (dois físicos 'sólidos', se você me permitir o trocadilho) mostre a eles que esse não é o caso.

Nota (1) As curvas ideais do gerador são exatamente isso: ideais. Tente imaginar uma transição de um gerador de tensão ideal para um gerador de corrente ideal passando por geradores de tensão bons, médios e ruins, depois geradores de corrente ruins, médios e bons.

$I_C=\beta I_B$

É mais útil pensar nisso como uma fonte de corrente controlada por tensão quando você estiver analisando sinais pequenos, como em um amplificador, usando o modo pi híbrido l.

Isso também não é particularmente útil quando você está avaliando aplicações de comutação, já que a corrente base será alta o suficiente para que a corrente do coletor seja determinada pelo circuito externo e não pelas características do transistor (a primeira ajuda um pouco para garantir que a condição exista).

$V_{BE}$

Outras respostas expressaram opiniões sobre se o BJT é controlado por tensão ou corrente ou ambos. Na minha resposta, desejo abordar o seguinte:

quando é óbvio que alterar a tensão controla a corrente através do coletor?

Considere o seguinte circuito alternativo:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Não é óbvio que

e

e assim que a corrente base controla a corrente através do coletor?

$I_B$$V_{BE}$$V_{BE}$$I_B$

Portanto , não , não é óbvio , pelo seu exemplo, que o BJT é controlado por tensão.

$v_{BE}$$i_B$

Da mesma forma, pode-se confirmar que se pode controlar a corrente do coletor controlando a tensão do emissor base com uma fonte de tensão.

Independentemente disso, um par de utilizadores têm fortemente expressa sua posição de que a corrente de colector BJT é claramente -controlado por tensão e que para sugerir o contrário é inaceitável.

Faz um tempo desde que estudei física de estado sólido, então decidi consultar minha biblioteca de livros didáticos de EE. O primeiro livro que tirei da prateleira é " Solid State Electronic Devices ", 3ª Ed.

Aqui está uma citação abrangente da seção 7.2.2:

$i_C$$i_B$

$i_C$$i_E$$i_B$$i_C$

$i_B$

No entanto, existe uma diferença importante nos tempos em que elétrons e orifícios passam na base. O excesso médio de furo passa um tempo $\tau_t$$W_b$$L_p$$\tau_p$

$\tau_p$$\tau_p$$\tau_t$$\frac{\tau_p}{\tau_t}$

$$\frac{i_C}{i_B} = \beta = \frac{\tau_p}{\tau_t}$$

$\gamma = 1$

$(i_B)$$i_B$

Agora estou quase certo de que aqueles que estão firmemente no campo de controle de tensão interpretam isso como confirmação de sua posição, assim como aqueles que estão firmemente no campo de controle de corrente. Então, vou deixar por isso mesmo. Que comecem os latidos ...

$V_{in}$$I_{B}$$I_{B} = V_{in}/ R_1$$I_C = \beta \cdot I_B$

$V_{in}$$I_C$$R_1$$R_1$$V_{in}$

Talvez um exemplo explicasse melhor. Imagine que eu dirijo um carro, e sua velocidade depende de quão forte eu pressiono o acelerador e por quanto tempo. Mas não quero multas, por isso sempre respeito os limites de velocidade. Agora você vem e diz:

Por que eles dizem que os carros são controlados pelo pedal do acelerador, quando, na realidade, sua velocidade depende de objetos planos de metal com números pintados?

Então, o que você diz é verdade neste caso em particular, mas isso não muda o fato de que os carros não se importam nem um pouco com objetos de metal planos em seus arredores.

Se você tornasse Vin uma constante e R1 uma variável, você diria que os BJT são dispositivos controlados por resistência?

Na sua configuração, você parece ter o controle de uma tensão e observa que é capaz de afetar a corrente do coletor. É razoável usá-lo como prova de que a corrente deste circuito é controlada por tensão, mas não é razoável dizer que isso significa que todos os BJTs são controlados por tensão.

Você precisa fazer uma distinção entre todo o sistema e um componente do sistema, mesmo quando é o componente mais interessante ou o único que parece interessante.

Eu acho que faz sentido chamar uma corrente BJT controlada quando você a compara ao MOSFET.

O MOSFET possui uma porta, e quanto maior a tensão na porta (que consome essencialmente nenhuma corrente), maior a condutância da fonte de drenagem->. Portanto, este é um dispositivo controlado por tensão.

Alternativamente,

Um BJT tem uma base. Quanto maior a condutância do coletor para o emissor, maior a corrente de base.

Como um exemplo prático que realmente destaca a diferença:

• Memória flash

É impossível implementar essa topologia de memória com BJTs, porque é necessária uma corrente base constante para a condução. Em um MOSFET, as cargas podem ser injetadas em um portão isolado. Se forem injetados, eles permanecerão lá e manterão o MOSFET conduzindo o tempo todo. Essa condutância (ou a falta dela, se nenhuma carga foi injetada) é detectada e usada para ler o estado de bit armazenado.

Até agora, conto 10 respostas e muitos comentários. E, novamente, aprendi que a questão de o BJT ser controlado por tensão ou corrente parece ser uma questão de religião. Receio que o questionador (" Por que os livros didáticos afirmam que os BJTs são controlados atualmente ") fique confuso por causa de tantas respostas diferentes. Alguns estão corretos e outros estão totalmente errados. Portanto, no interesse do interlocutor, gosto de resumir e esclarecer a situação.

1) O que eu nunca entenderei é o seguinte fenômeno: Não existe uma única prova de que a corrente coletor Ic de um BJT seja controlada / determinada pela corrente base Ib. No entanto, ainda existem alguns caras (até engenheiros!) Que repetem repetidamente que o BJT - na sua opinião - seria controlado por corrente. Mas eles apenas repetem essa afirmação sem nenhuma prova - sem surpresa, porque não há prova nem verificação.

A única justificativa é sempre a simples relação Ic = beta x Ib. Mas essa equação nunca pode nos dizer nada sobre causa e efeito. Mais do que isso, eles esquecem / ignoram como essa equação foi originalmente derivada: Ic = alfa x Ie e Ie = Ic + Ib. Portanto, Ib é apenas uma parte (pequena) de Ie - nada mais. (Barrie Gilbert: A corrente de base é apenas um "defeito").

2) Por outro lado, existem muitos efeitos observáveis ​​e propriedades de circuitos que mostram e comprovam claramente que o BJT é controlado por tensão. Penso que todo mundo que sabe como um simples diodo pn funciona também deve reconhecer o que é uma tensão de difusão e como uma tensão externa pode reduzir o efeito de barreira dessa propriedade fundamental da junção pn.

Nós devemos aplicar uma TENSÃO adequada nos terminais correspondentes para permitir uma corrente através da zona de exaustão. Essa tensão (resp. O campo elétrico correspondente) é a única quantidade que fornece a força para o movimento carregado da transportadora, que chamamos de corrente! Existe alguma razão para que a junção pn do emissor base se comporte completamente diferente (e NÃO reage com a tensão)?

Mediante solicitação, posso listar pelo menos 10 efeitos e propriedades do circuito que podem ser explicados apenas com o controle de tensão. Por que essas observações são frequentemente ignoradas?

3) O questionador apresentou um circuito que merece um comentário adicional. Sabemos que um opamp (indubitavelmente acionado por tensão) pode ser conectado como um amplificador de corrente de entrada e saída de tensão (amplificador de transresistência). Isso significa: sempre precisamos distinguir entre as propriedades da unidade amplificadora “despida” e um circuito completo com peças adicionais.

Para o presente caso, isso significa: O BJT como parte autônoma é acionado por tensão - no entanto, visualizando todo o circuito (com um resistor R1), podemos tratar o arranjo completo como circuito acionado por corrente se R1 for muito maior que o resistência de entrada do caminho BE. Nesse caso, temos um divisor de tensão acionado pela tensão Vin.

Implicitamente, duas perguntas:
1. por que ele pode ser considerado "controlado por corrente" e
2. por que é conveniente considerar um BJT como "controlado por corrente"?

$V_{\mathrm{BC}}$$I_{\mathrm E}$

$V_{\mathrm{BE}}$$I_{\mathrm B}$$V_{\mathrm{BE}}$$V_{\mathrm{BC}} \approx V_{\mathrm{EC}}$$I_{\mathrm B}$quase linearmente. Isso é tudo.

$I_C = \beta \cdot I_B$$\beta$$I_B$$I_C$

A tensão de base (isto é, a tensão medida no terminal de base em relação ao GND) é na verdade mais ou menos constante (pelo menos em saturação), como característica de uma queda de tensão direta no diodo.