¿Por qué un BJT se considera "controlado por corriente"?

Con los BJT, podemos controlar la corriente base usando Vin (del diagrama). ¿Por qué los libros de texto indican que los BJT están controlados por corriente cuando es obvio que cambiar el voltaje controla la corriente a través del colector?

En el circuito anterior, Vin controla la corriente que va a la base, no la caída de voltaje a través de la base y el emisor del transistor.

La caída de voltaje en Vbe siempre estará alrededor de 0.7V para Vin> 0.7; el exceso de voltaje se caerá a través del R1.

Al cambiar Vin, en realidad estás controlando la corriente que va a la base según la ecuación:

Preámbulo

Comencemos con una pequeña digresión: ¿qué hace que un generador sea un generador de corriente en lugar de un generador de voltaje? Observe las características de VI: el que tenga un voltaje mayormente constante (casi horizontal en el plano IV) se llamará generador de voltaje, el que tenga una corriente mayoritariamente constante (casi horizontal en el plano VI) se llamará generador de corriente.

(Fotografías tomadas del sitio web de Tutoriales de electrónica)

Esto se debe a que el 'acento' está en la cantidad constante (el voltaje o la corriente suministrada, mientras que la otra cantidad es variable dependiendo de la carga y el cumplimiento del generador). (Nota 1)

En un dispositivo controlado, el acento está en la cantidad variable. Dada la característica de entrada exponencial, que deja a Vbe casi constante, es la corriente que le gustaría ver como la variable de control. Esta es una consecuencia directa de la propagación de errores: cuando tiene una función pronunciada, un pequeño error en la cantidad casi constante x se convertirá en un error mucho mayor en la cantidad q, que varía ampliamente (y viceversa).

Fotografía tomada de "Una introducción al análisis de errores", Taylor y distorsionada para ajustarse al propósito

La conclusión es que es más fácil distinguir entre 10 e 40 uA (relación 1 a 4) que separar 0,65 y 0,67 V (relación 1 a 1,03). (Nota para las mentes menos flexibles: al igual que los valores más extremos que usé antes de esta edición, estos son valores inventados para mostrar el contraste entre un cambio discernible en lo que desea ver como la variable de control, la corriente que ingresa a la base, y el débil cambio en el voltaje entre la base y el emisor).

Lo mas simple

Puede ver por qué eso se llama control de corriente al llevarlo al límite adoptando el modelo más simple para un BJT, como lo muestran Chua, Desoer y Kuh en sus "Circuitos lineales y no lineales": en las siguientes imágenes, todos los diodos son ideales ( el voltaje de umbral es cero, y también lo es la resistencia en serie; estos son circuitos perfectamente abiertos cuando están polarizados inversamente y cortos perfectos cuando están polarizados hacia adelante).

E0 agrega un voltaje de umbral a la característica de entrada, mientras que la acción del transistor se expresa mediante ic = beta * ib. Tenga en cuenta que el generador de corriente controlado por corriente. Aquí están las características de entrada y salida correspondientes.

Bastante simple, ¿verdad? Sin embargo, puede compararlos con características reales y ver que se parecen a ellos. Tan simple como es, este es un modelo legítimo y puede usarse para modelar circuitos donde, al cambiar ib (no puede cambiar Vbe en este modelo, ya que es fijo), cambia el valor de Ic. Puede ver cómo puede hacer un cambio ib intersectando la característica de entrada con la línea de carga de entrada

Al cambiar E1 (no es parte de BJT), cambia ib (parte de BJT). Luego puede encontrar el valor de ic correspondiente a ese valor de ib, seleccionar la característica de salida correspondiente y encontrar el voltaje por intersección con la línea de carga de salida.

Alguien se subirá a su asiento gritando " ¿QUÉ? ¿Estás usando beta para diseñar un amplificador para ser puesto en producción mundial para aplicaciones nucleares de misión crítica? Además, ¿de dónde crees que viene la beta? Además, ¿no sabes esa beta? puede cambiar hasta un noventa y nueve mil millones por ciento con solo mirarlo "

El punto es que para un transistor dado tiene un valor beta razonablemente definido (puede medirlo de antemano, por lo que no importa si el lote de producción muestra una dispersión vergonzosa) y si no va demasiado lejos, puede ignorarlo razonablemente Su variación con los otros parámetros eléctricos. Tenga en cuenta que este es un modelo simplificado que no modela variaciones de beta con temperatura, corriente o incluso color de cabello; Es un modelo simplificado que capta la esencia de la acción del transistor, de la misma manera que el "hombre transistor" a veces vilipendiado de The Art of Electronics.

¿Puedes encontrar la frecuencia de corte del transistor de este modelo? No ¿Puedes explicar el efecto temprano con este modelo? No ¿Puede explicar la resistencia diferencial de la unión BE con este modelo? No ¿Puede explicar la producción de pares de carga debido a la radiación? No ¿Puede explicar la cuantización del segundo campo y la curvatura del espacio-tiempo? No

¿Significa esto que este modelo es completamente inútil? No El comportamiento extremadamente simplificado de este modelo muestra por qué muchos libros de texto afirman que los BJT están controlados actualmente. La característica de entrada real se asemeja a esa línea vertical donde solo puede variar ib, y no vbe, cuyo valor se considera fijo. (Y es por eso que hice esa digresión al comienzo de esta respuesta).

Es posible que desee comparar el modelo más simple para un Mosfet: la página 151 de Chua también tiene ese.

Como puede ver, la corriente de la puerta es fija (en cero para ser pedante), una condición dual a la que se muestra en el BJT: la característica de entrada VI es horizontal. El único control que tienes aquí es mediante vgs. ¿Significa esto que estamos negando la existencia del efecto túnel? No, esto es solo un modelo. Un modelo simplificado que, entre otras cosas, no considera la tunelización, pero aún logra mostrar por qué en un MOSFET usted actúa sobre el voltaje de la fuente de la puerta.

Hasta ahora hemos visto cómo la relación (simplificada) entre ib e ic puede verse como un control de ic mediante ib, a través de beta. Pero también podemos usar alfa, ¿por qué no? Permítanme citar, textualmente, otro libro de texto que considera los dispositivos controlados actuales de BJT: "Física cuántica de átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas 2e", por Eisberg y Resnick, p. 474 (en la página 475 se muestra una configuración base común):

La idea básica de la acción del transistor es que una corriente en el circuito emisor controla una corriente en el circuito colector. Más del 90% de la corriente a través del emisor, por lo que las corrientes son de magnitud similar. Pero el voltaje a través del colector base puede ser mucho mayor que el de la conexión emisor-base, ya que el primero tiene polarización inversa, por lo que la salida de potencia en el circuito colector puede ser mucho mayor que la entrada de potencia en el circuito emisor . Por lo tanto, el transistor actúa como un amplificador de potencia.

¿Son estos dos caballeros ajenos al papel que juega la mecánica cuántica en la teoría de bandas de sólidos? ¿No han oído hablar de estadísticas cuánticas? ¿Saben siquiera qué es un agujero (sin mencionar el tempco)? ¿Podrían haber olvidado que la aplicación de voltajes podría modificar los perfiles de nivel de energía atribuidos a las bandas de valencia y conducción? No lo creo. Simplemente eligieron un modelo más simple para explicar cómo se puede interpretar la llamada acción del transistor.

El artista Bruno Munari dijo una vez: " Complicar es simple, simplificar es complicado ... Todos pueden complicar. Solo unos pocos pueden simplificar ". Entre otros, Chua, Desoer, Kuh, Eisberg y Resnick decidieron simplificar.

¿Quién juega en la base, primero?

Ahora, de vuelta a (casi) transistores reales. Estos son los primeros caracteres vbe que se me ocurrieron después de una búsqueda de imágenes en Google :

No sé si es real, pero parece plausible. Lo que hay que notar aquí es que cuando ib cambia mucho, en cientos de porcentajes, vbe cambia en cantidades relativamente pequeñas, solo un puñado de porcentajes. Esto se debe a la relación exponencial de la unión BE. Digamos que desea utilizar este BJT para producir 10 mA en días impares y 15 mA en días pares. Tienes un laboratorio alemán que mide la beta del transistor particular en tu mano y salió como 250 en el rango de interés. Digamos que tiene un generador de corriente y voltaje con una precisión del 10%.

Control actual : puede usar ic = beta ib para encontrar el valor de ib que debe establecer. Los valores nominales de 10 y 15 mA de ic requieren valores nominales de 40 e 60 uA para ib. Dada la precisión de su generador de corriente, esperará ver los siguientes rangos de corriente en entrada y salida:

ib = 36-44 uA -> ic = 9-11 mA ib = 54-66 uA -> ic = 13.5-16.5 mA

Control de voltaje : no cree en beta, por lo que debe especificar un voltaje que cree un vbe de ... Sí, ¿de qué? Vaya a leerlo en el gráfico anterior (pero luego tendrá que aceptar la terrible relación ic = beta ib). Supongo que tendrá que usar el modelo de Ebers-Moll para calcular los valores a los valores deseados para ic. Pero supongamos que determinamos que es precisamente 0,65 y 0,67 V (al igual que he usado un valor preciso para beta, arriba) Cuando intentamos establecer esos valores precisos, nuestro generador de precisión de 10% fabricado en China suministrará los siguientes rangos de voltaje

0.585 - 0.715 V -> volver a Ebers-Moll, para calcular ic, ... lástima que la incertidumbre se expondrá ...

0,603 - 0,737 V -> no, espera, antes de calcular ...

... parece que ya tenemos una superposición en los rangos de voltaje que estamos suministrando: es posible que no podamos distinguir los días pares de los impares.

Supongo que es mejor recurrir a la base actual como un medio para controlar la corriente del colector.

Con el control de corriente, incluso si permito un error del 10% en el valor medido de beta, todavía puedo (apenas, pero aún) distinguir los dos rangos de corriente (8.10-12.10 mA vs 12.15-18.15 mA) correspondientes a impar y aquellos dias.

Con el control de voltaje, si agrega un error del 10% en el valor de voltaje calculado (o leído en el diagrama) (y estoy siendo generoso ya que ese error se va a amplificar), ya está perdido en la incertidumbre. Esta es la teoría básica de propagación de errores.

Descanso

Esta publicación está tomando tiempo, volveré otra para agregar algo más. Permítanme abordar la cuestión de la guerra religiosa que pudieron haber presenciado. ¿Qué es todo eso?

Los transistores son dispositivos de estado sólido cuyo funcionamiento interno debe explicarse utilizando las leyes de la física cuántica. Dada la estructura de banda de los niveles de energía de los portadores eléctricos en sólidos, es natural recurrir a los niveles de energía para representar el funcionamiento interno de estos dispositivos. La energía y el potencial están estrechamente relacionados entre sí, por lo que la mayoría de los modelos tienden a expresar cantidades relevantes en función del potencial (diferencia) s. La razón por la que escribí

Nota: La dependencia de Vbe que se muestra en el modelo de Ebers-Moll no implica una relación causa-efecto. Es más simple escribir las ecuaciones de esa manera. Nadie te prohíbe usar funciones inversas.

es que el voltaje y la corriente también están estrechamente relacionados: son cantidades acopladas del tipo de flujo de esfuerzo, por lo que básicamente no se puede tener una sin la otra. Sin embargo, es un asunto delicado, y supongo que también se debe considerar lo que significa crear una diferencia de voltaje. ¿No se crea al desplazar cargas (por reacción electroquímica en una batería, por interacción electromagnética en un generador mecánico)? Sospecho que, al final, todos los dispositivos están básicamente controlados por la carga: mueve las cargas de aquí para allá y obtiene un cierto efecto.

Sospecho que los cruzados del 'control de voltaje' están asumiendo que la contraparte del 'control actual' ha aprendido electrónica en los libros de Forrest Mims y nunca ha visto un libro de física cuántica, estado sólido o dispositivos semiconductores. Parecen ignorar el significado de la variable de control como la variable que uno elige establecer para accionar un control. Espero que la cita de Eisberg & Resnick (dos físicos 'sólidos' si me permiten el juego de palabras) les muestre que este no es el caso.

Nota (1) Las curvas ideales del generador son solo eso: ideal. Trate de imaginar una transición de un generador de voltaje ideal a un generador de corriente ideal que pase por generadores de voltaje buenos, promedio y pésimos, luego generadores de corriente pésimos, promedio y buenos.

En general, podría imaginarse que el BJT es una fuente de corriente controlada por corriente al encontrar el punto de polarización en una aplicación lineal (señal grande). $I_C=\beta I_B$

Es más útil pensar en ella como una fuente de corriente controlada por voltaje cuando se realiza un análisis de señal pequeña, como para un amplificador, utilizando el modo pi híbrido l.

Ninguno de los dos es particularmente útil cuando está evaluando aplicaciones de conmutación, ya que la corriente base será lo suficientemente alta como para que la corriente del colector esté determinada por el circuito externo y no por las características del transistor (la primera ayuda un poco a garantizar que exista esa condición).

Un BJT no está controlado por la corriente, pero, para una aproximación útil, se comporta de esa manera. Bajo modelos más precisos del BJT, como Ebers-Moll , la corriente del colector no es una función de la corriente base sino del voltaje base ( ).$V_{BE}$

Otras respuestas han expresado opiniones sobre si el BJT es controlado por voltaje o controlado por corriente o ambos. En mi respuesta, deseo abordar en su lugar esto:

cuando es obvio que cambiar el voltaje controla la corriente a través del colector?

Considere el siguiente circuito alternativo:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿No es obvio que

y

y así que la corriente base controla la corriente a través del colector?

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

Entonces no , no es obvio , por su ejemplo, que el BJT está controlado por voltaje.

$v_{BE}$$i_B$

Del mismo modo, se puede confirmar que se puede controlar la corriente del colector controlando el voltaje del emisor base con una fuente de voltaje.

En cualquier caso, un par de usuarios han expresado firmemente su posición de que la corriente del colector BJT está claramente controlada por voltaje y que sugerir lo contrario está más allá de lo normal.

Ha pasado un tiempo desde que estudié física en estado sólido, así que decidí consultar mi biblioteca de libros de texto EE. El primer libro de texto que saqué del estante es " Dispositivos electrónicos de estado sólido ", 3ª ed.

Aquí hay una cita extensa de la sección 7.2.2:

$i_C$$i_B$

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

$i_B$

$\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$

Ahora estoy casi seguro de que aquellos que están firmemente en el campo de control de voltaje interpretarán esto como una confirmación de su posición al igual que aquellos que están firmemente en el campo de control actual. Así que lo dejaré así. Que empiecen los ladridos ...

$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}$

Quizás un ejemplo lo explicaría mejor. Imagine que conduzco un automóvil, y su velocidad depende de qué tan fuerte empuje el acelerador y por cuánto tiempo. Pero no quiero recibir multas, por lo que siempre respeto los límites de velocidad. Ahora vienes y dices:

¿Por qué dicen que los autos están controlados por el acelerador, cuando en realidad su velocidad depende de objetos metálicos planos con números pintados en ellos?

Entonces, lo que usted dice es cierto en este caso en particular, pero eso no cambia el hecho de que a los automóviles no les importan en lo más mínimo los objetos metálicos planos en su entorno.

Si convirtieras a Vin en una constante y R1 en una variable, ¿dirías que los BJT son dispositivos controlados por resistencia?

En su configuración, parece tener control de un voltaje y observar que puede afectar la corriente del colector. Es razonable usar esto como prueba de que la corriente de este circuito está controlada por voltaje, pero no es razonable decir que esto significa que todos los BJT están controlados por voltaje.

Debe hacer una distinción entre todo el sistema y un componente en el sistema, incluso cuando es el componente más interesante o incluso el único aspecto interesante.

Creo que tiene sentido llamar a una corriente BJT controlada cuando se compara con el MOSFET.

El MOSFET tiene una compuerta, y cuanto mayor sea el voltaje en la compuerta (que esencialmente no consume corriente), mayor será la conductancia del drenaje-> fuente. Entonces, este es un dispositivo controlado por voltaje.

Alternativamente,

Un BJT tiene una base. Cuanto mayor sea la conductancia del colector al emisor, mayor será la corriente base.

Como un ejemplo práctico que realmente destaca la diferencia:

• Memoria flash

Esta topología de memoria es imposible de implementar con BJT, porque se requiere una corriente base constante para la conducción. En un MOSFET, las cargas se pueden inyectar en una puerta aislada. Si se inyectan, permanecerán allí y mantendrán el MOSFET funcionando todo el tiempo. Esta conductancia (o falta de ella, si no se inyectaron cargas) se detecta y se usa para leer el estado de bit almacenado.

Hasta ahora, cuento 10 respuestas y muchos comentarios. Y nuevamente, he aprendido que la cuestión de si el BJT está controlado por voltaje o corriente parece ser una cuestión de religión. Me temo que el interrogador (" ¿Por qué los libros de texto afirman que los BJT están controlados por la corriente ") se confundirá debido a tantas respuestas diferentes. Algunos son correctos y otros están totalmente equivocados. Por lo tanto, en interés del interlocutor, me gusta resumir y aclarar la situación.

1) Lo que nunca entenderé es el siguiente fenómeno: no hay una sola prueba de que la corriente de colector Ic de un BJT esté controlada / determinada por la corriente base Ib. Sin embargo, todavía hay algunos tipos (¡incluso ingenieros!) Que repiten una y otra vez que el BJT, en su opinión, estaría controlado por la corriente. Pero solo repiten esta afirmación sin ninguna prueba, no es de extrañar, porque no hay prueba ni verificación.

La única "justificación" es siempre la relación simple Ic = beta x Ib. Pero tal ecuación nunca puede decirnos nada sobre causa y efecto. Más que eso, olvidan / ignoran cómo se originó originalmente esta ecuación: Ic = alfa x Ie e Ie = Ic + Ib. Por lo tanto, Ib es solo una parte (pequeña) de Ie, nada más. (Barrie Gilbert: La corriente base es solo un "defecto").

2) En contraste, hay muchos efectos observables y propiedades de ciruit que muestran y prueban claramente que el BJT está controlado por voltaje. Creo que todos los que saben cómo funciona un simple diodo pn también deberían reconocer qué es un voltaje de difusión y cómo un VOLTAJE externo puede reducir el efecto barrera de esta propiedad fundamental de la unión pn.

Debemos aplicar un VOLTAJE adecuado en los terminales correspondientes para permitir que una corriente atraviese la zona de agotamiento. ¡Este voltaje (resp. El campo eléctrico correspondiente) es la única cantidad que entrega la fuerza para el movimiento del portador cargado, que llamamos corriente! ¿Hay alguna razón por la cual la unión pn del emisor base debería comportarse de manera completamente diferente (y NO reaccione al voltaje)?

A pedido, puedo enumerar al menos 10 efectos y propiedades de circuito que pueden explicarse únicamente con el control de voltaje. ¿Por qué estas observaciones son tan a menudo ignoradas?

3) El interlocutor ha presentado un circuito que merece un comentario adicional. Sabemos que un amplificador operacional (indudablemente impulsado por voltaje) puede conectarse como un amplificador de corriente de entrada-salida (amplificador de transresistencia). Eso significa: Siempre tenemos que distinguir entre las propiedades de la unidad amplificadora "desnuda" y un circuito completo con partes adicionales.

Para el presente caso, esto significa que: La BJT como una parte independiente es voltaje impulsado - sin embargo, la visualización de todo el circuito (con una resistencia R1) que podemos tratamos la disposición completa como circuito accionado actual si R1 es mucho mayor que la resistencia de entrada de la ruta BE. En este caso, tenemos un divisor de voltaje impulsado por el voltaje Vin.

Implícitamente, dos preguntas:
1. por qué puede considerarse "controlado por corriente", y
2. por qué es conveniente considerar un BJT "controlado por corriente".

$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}$casi linealmente Eso es todo.

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

El voltaje base (es decir, el voltaje medido en el terminal base con respecto a GND) es en realidad más o menos una constante (al menos en saturación), como característica de una caída de voltaje directo del diodo.