Preguntas básicas sobre amplificación de transistores

¿Alguien puede explicar cómo un transistor puede amplificar voltaje o corriente? Según yo, amplificación significa: envía algo pequeño, sale más grande. Digamos, por ejemplo, que quiero amplificar una onda de sonido. Le susurro a un amplificador de sonido, y sale, por ejemplo, 5 veces más grande (dependiendo del factor de amplificación)

Pero cuando leo sobre la acción de amplificación de transistores , todos los libros de texto dicen que debido a un pequeño cambio en la corriente base ΔIb pero un gran cambio correspondiente en la corriente del emisor ΔIe, hay amplificación. ¿Pero dónde está la amplificación? ¿Qué se amplifica como lo he definido? ¿Es incorrecto mi comprensión del término amplificación ? ¿Y cómo se transfiere la corriente de un área de baja resistencia a un área de alta resistencia?

Creo que he entendido cómo se construye el transistor y cómo fluyen las corrientes. Entonces, ¿alguien puede explicar la acción de amplificación del transistor claramente y relacionarlo con lo que entiendo sobre la amplificación?

Comenzaré primero con la definición de amplificación. En la forma más general, la amplificación es solo una relación entre dos valores. No implica que el valor de salida sea mayor que el valor de entrada (aunque esa es la forma en que se usa más comúnmente). Tampoco es importante si el cambio actual es grande o pequeño.

Ahora pasemos a algunos valores de amplificación comunes utilizados:

La más importante (y de la que habla su pregunta) es . Se define como β = I $\beta$ , dondeIces la corriente que va al colector yyo$\beta= \frac {I_c} {I_b}$$I_c$$I_b$ es la corriente que ingresa a la base. Si reorganizamos un poco la fórmula, obtendremos que es la fórmula más utilizada. Debido a esa fórmula, algunas personas dicen que el transistor "amplifica" la corriente base.$I_c=\beta I_b$

Ahora, ¿cómo se relaciona eso con la corriente del emisor? Bueno, también tenemos la fórmula Cuando combinamos esa fórmula con la segunda fórmula, obtenemos β I b + I b + I e = 0 . De eso podemos obtener la corriente del emisor como - I e = β I b + I b = I b ( β + 1 ) (tenga en cuenta que I $I_c+I_b+I_e=0$$\beta I_b + I_b + I_e=0$$-I_e=\beta I_b + I_b= I_b (\beta + 1)$$I_e$ es corriente entrando en el emisor, por lo que es negativo).

A partir de eso, puede ver que usando el como una herramienta útil en los cálculos, podemos ver la relación entre la corriente base del transistor y la corriente emisora ​​del transistor. Como en la práctica el β está en el rango de cientos a miles, podemos decir que la corriente de base "pequeña" se "amplifica" en corriente de colector "grande" (que a su vez hace que la corriente del emisor sea "grande"). Tenga en cuenta que no hablé de ningún delta hasta ahora. Esto se debe a que el transistor como elemento no requiere corriente para cambiar. Simplemente puede conectar la base a una corriente continua constante y el transistor funcionará bien. Si se requiere el cambio en la corriente, '$\beta$$\beta$

También se usa otro valor y su nombre es . Esto es lo que es:$\alpha$ . Cuando reorganizamos eso, podemos ver queIc=αIe. Entoncesαes el valor por el cual se amplifica la corriente del emisor para producir corriente de colector. En este caso, la amplificación en realidad nos da una salida más pequeña (aunque en la prácticaαestá cerca de 1, algo así como 0.98 o superior), porque como sabemos, la corriente del emisor que sale del transistor es la suma de la corriente base y colector de corriente que van al transistor.$\alpha = \frac {I_c} {I_e}$$I_c= \alpha I_e$$\alpha$$\alpha$

Ahora hablaré un poco sobre cómo el transistor amplifica el voltaje y la corriente. El secreto es: no lo hace. El amplificador de voltaje o corriente lo hace! El amplificador en sí es un circuito un poco más complejo que explota las propiedades de un transistor. También tiene nodo de entrada y nodo de salida. La amplificación de voltaje es la relación de voltaje entre esos nodos . La amplificación actual es la relación de corrientes entre esos dos nodos:Ai=Iou$A_v = \frac {V_{out}}{V_{in}}$ . También tenemos amplificación de potencia que es el producto de la amplificación de corriente y voltaje. ¡Tenga en cuenta que la amplificación puede cambiar dependiendo de los nodos que elijamos como nodo de entrada y nodo de salida!$A_i=\frac {I_{out}}{I_{in}}$

Hay algunos valores más interesantes relacionados con los transistores que puedes encontrar aquí.

Para resumir esto: tenemos un transistor que está haciendo algo. Para usar el transistor de manera segura, necesitamos poder representar lo que está haciendo el transistor. Una de las formas de representar los procesos que suceden en el transistor es usar el término "amplificación". Entonces, utilizando la amplificación, podemos evitar comprender realmente lo que está sucediendo en el transistor (si tiene alguna clase de física de semiconductores, aprenderá eso allí) y solo tenemos pocas ecuaciones que serán útiles para una gran cantidad de problemas prácticos.

El transistor no amplifica. Imagine ondas de sonido golpeando un micrófono: lo que sucede en realidad es que la señal de sonido no pasa al micrófono, pero el micrófono produce una señal correspondiente a la señal de sonido; No es la señal real.

Recuerde que las señales reales en el mundo real no pueden amplificarse ni atenuarse. ¿Puedes captar un sonido o cualquier otra señal del mundo real? No. Son como son, solo podemos hacer un sistema que funcione sobre el efecto de la señal del mundo real; ondas de sonido golpeadas en un micrófono, golpes de luz en la lente de una cámara, etc.

Pero cuando se trata del caso de un transistor, aplica una señal de entrada a la base y obtiene una nueva señal correspondiente a la señal de entrada con mayor amplitud en el colector. Tenga en cuenta que esto sucede porque un pequeño cambio en el lado de entrada corresponderá a un gran cambio en el lado de salida, debido a la variación en la resistencia. Es solo un efecto uno a uno. La señal de salida es una señal totalmente nueva de una amplitud mayor, no la señal real.

La señal se está amplificando. Dependiendo del diseño del amplificador de transistor, la corriente base real puede o no ser parte de la corriente de salida. No te obsesiones con una definición de amplificación que requiera que cada electrón de entrada se agrande y luego pase a la salida ...

El principio de funcionamiento de un BJT (Transistor de unión bipolar), que lo convierte en algo útil, es que amplifica la corriente . Lanza una corriente pequeña, saca una corriente más grande. El factor de amplificación es un parámetro importante del transistor, y se llama$h_{FE}$. Un transistor de propósito general puede tener un$h_{FE}$de 100, por ejemplo, a veces más alto. Los transistores de potencia tienen que hacerlo con menos, como 20 a 30.
Entonces, si inyecto una corriente de 1 mA en la base de mi transistor NPN de propósito general, obtendré 100 mA de corriente de colector. Eso es amplificación, ¿verdad? Amplificación de corriente .

How about voltage amplification? Well, let's add a couple of resistors. Resistors are cheap, but if you want to make money you can try to sell them expensive by calling them "voltage-to-current converters" :-).

We've added a base resistor, which will cause a base current of

$I_B = \dfrac{V_B - 0.7 V}{R_B}$

And we know that the collector current $I_C$ is a factor $h_{FE}$ higher, so

$I_C = \dfrac{h_{FE} \cdot (V_B - 0.7 V)}{R_B}$

Resistors are really great things, because next to "voltage-to-current converters" you an also use them as "current-to-voltage converters"! (we can charge even more for them!) Due to Ohm's Law:

$V_{RL} = R_L \cdot I_C$

and since $V_C = V_{CC} - V_{RL}$

we get

$V_C = V_{CC} - R_L \cdot \dfrac{h_{FE} \cdot (V_B - 0.7 V)}{R_B}$

or

$V_C = - \dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot V_B + \left(\dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot 0.7 V + V_{CC}\right)$

The term between the brackets is a constant which we're not interested in at the moment. The first term shows that $V_C$ is $V_B$ multiplied by some factor depending on three constants. Let's use concrete values: 100 for $h_{FE}$, 10 kΩ for $R_B$ and 1 kΩ for $R_C$. Then (again ignoring the constant factor)

$V_C = - \dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot V_B = - \dfrac{100 \cdot 1k\Omega}{10 k\Omega} \cdot V_B = - 10 \cdot V_B$

So the output voltage is 10 times the input voltage plus a constant bias. Looks like we can use the transistor for voltage amplification as well.

Amplifiy sound, and you're amplifying the energy-flow: the input watts of sound become larger output watts.

Note that an electrical transformer doesn't amplify. It can step up voltage, but it cant increase the watts.

Transistors (and any sort of valve or switch) can amplify. They do it by using a tiny wattage to control a power supply which can output a huge wattage. The large output comes from the power supply, while the input signal is valving the transistpr on and off.

If you have a giant hydraulic press, you can crush cars by touching a valve switch with your little finger. The valve amplified your finger motion to mash Chevys. But actually it was the hundreds-HP haudraulic supply which provided the increased wattage. With NPNs, same idea. Transistors are valves for flowing charge instead of flowing haudraulic fluid.

What is my understanding is that for a transistor to amplify you need to bias it properly. Forward biasing of BE junction makes it a conducting diode so input resistance is less. Reverse biasing CE junction makes it non conducting diode so output resistance is high. And if Ic is almost equal to Ie then the current causes a low voltage drop at input and large one at output. This is why its called an Amplifier.

With a transistor, you can achieve this: Give a small signal(ac) at input, and get a larger valued(higher amplitude) signal at output. But this is not all. You have to give DC supply at collector and base; emitter if required. This is called biasing the dc point. The rms power you get at the output will be less than the dc power you have supplied.

If you want to do analysis, there are two steps involved for any circuit.

1. DC analysis: don't consider any ac signal. Find out the values of all diode currents based on dc voltage at various nodes(Collector, base , emitter). This is done by using KVL along various loops.

2. AC model:
   This makes very clear: what we draw as a circuit v/s what elements are actually present inside. Going further, the diode has forward resistance. So the actual model will be like this:

From DC analysis, you must have found the value of Ie. According to diode theory, Re = (26mV/Ie). Our aim is to find Vout/Vin.
1. Vout will depend on Ic.
2. Ic will depend on Ib.
3. Ib will depend on Vin and Re.
4. Re we have found from DC analysis.

In AC analysis, we make all the DC supply to 0V. By looking at this, you can make out that the output signal will be an amplified one, right?

Note: This was just to give you an intuitive idea that amplification does take place. But whether you will get amplification or not depends on whether the transistor is in linear(amplifier), saturation or cut off(switch). Again, what will be amplified(current or voltage) depends on type of configuration. So that all comprises of 3-4 chapters of any standard book on analog theory.