Napětí v obvodech tranzistoru

Úloha číslo: 368

Tranzistor je do obvodu zapojen se společným emitorem. Prochází jím bázový proud 20 µA a kolektorový proud 2,0 mA. Napětí mezi bází a emitorem je 0,7 V, mezi kolektorem a emitorem 20 V. Vypočítejte výkony zdrojů v obou obvodech a porovnejte je.

Zdroje uvažujte ideální, tedy bez vnitřních odporů.

Nápověda 1
Uvědomte si, jak vypadá tranzistor a co znamená zapojení tranzistoru do obvodu „se společným emitorem“.
Řešení nápovědy 1
Tranzistor je polovodičová součástka tvořená krystalem se dvěma přechody PN. Střední část krystalu se nazývá báze B a přechody PN ji oddělují od oblastí s opačným typem vodivosti, které označujeme jako kolektor C a emitor E.

Při zapojení tranzistoru se společným emitorem je emitorový přechod zapojen v propustném směru do bázového i kolektorového obvodu. Kolektorový přechod je součástí kolektorového obvodu a je zapojen v závěrném směru.

Častěji se používají tranzistory typu NPN, proto je i na obrázcích v této úloze.
Nápověda 2
Uvědomte si nebo vyhledejte, jak vypočítáme výkon zdroje v obvodu.
Řešení nápovědy 2
Elektrický výkon zdroje v obvodu vypočítáme jako součin elektromotorického napětí zdroje a proudu, který obvodem prochází.

Protože zdroje v obvodu jsou ideální, jsou elektromotorická napětí zdrojů stejná jako napětí na tranzistoru.
Rozbor
Tranzistor je polovodičová součástka tvořená krystalem se dvěma přechody PN. Střední část krystalu se nazývá báze B a přechody PN ji oddělují od oblastí s opačným typem vodivosti, které označujeme jako kolektor C a emitor E. Na obrázku je znázorněno zapojení tranzistoru typu NPN do obvodu se společným emitorem:

Toto zapojení tvoří dva obvody, které nazýváme bázový a kolektorový.

Výkon elektrického zdroje v obvodu vypočítáme jako součin napětí zdroje a proudu, který obvodem prochází.

Výkon zdroje v kolektorovém obvodu se tedy rovná součinu napětí zdroje, který je zapojen do kolektorového obvodu, a proudu, který kolektorovým obvodem prochází (kolektorový proud). Napětí zdroje je stejné jako napětí naměřené mezi emitorem a kolektorem.

Výkon zdroje v bázovém obvodu je roven součinu napětí zdroje zapojeného do bázového obvodu a proudu, který tímto obvodem prochází (bázový proud). Napětí zdroje se rovná napětí mezi bází a emitorem.
Řešení
Při zapojení tranzistoru se společným emitorem je emitorový přechod zapojen v propustném směru do bázového i kolektorového obvodu. Kolektorový přechod je součástí kolektorového obvodu a je zapojen v závěrném směru.

Výkon zdroje P v obvodu vypočítáme jako součin napětí zdroje U a proudu I, který obvodem prochází:
\[P\,=\,UI.\]
V kolektorovém obvodu je napětí zdroje U_C rovno napětí, které bylo naměřeno mezi kolektorem a emitorem. Proud procházející kolektorovým obvodem I_C označujeme jako kolektorový proud.

V obvodu báze se napětí zdroje U_B rovná napětí mezi bází a emitorem. Proud procházející bázovým obvodem I_B nazýváme bázový proud.

Pro výkon elektrického zdroje P_C v kolektorovém obvodu a výkonu zdroje P_B v obvodu báze platí:
\[P_\mathrm{C}\,=\,U_\mathrm{C}I_\mathrm{C}\] \[P_\mathrm{B}\,=\,U_\mathrm{B}I_\mathrm{B}.\]

Číselné dosazení

Ze zadání úlohy známe tyto hodnoty:

I_B = 20 µA = 2,0·10^-5 A	bázový proud
I_C = 2,0 mA = 2,0·10^-3 A	kolektorový proud
U_B = 0,7 V	napětí mezi bází a emitorem
U_C = 20 V	napětí mezi kolektorem a emitorem
\(\frac{P_C}{P_B}\,=\,?\)	poměr výkonů

\[\frac{P_\mathrm{C}}{P_\mathrm{B}}\,=\,\frac{U_\mathrm{C}I_\mathrm{C}}{U_\mathrm{B}I_\mathrm{B}}\,=\frac{20{\cdot}2\cdot10^{-3}}{0{,}7{\cdot}2\cdot 10^{-5}}\,\mathrm{W}\,\dot{=}\,2900\]

Vidíme, že elektrický výkon zdroje v kolektorovém obvodu je přibližně 2 900krát větší než výkon zdroje v obvodu báze.

Odpověď
Elektrický výkon zdroje v kolektorovém obvodu činí 40 mW a výkon zdroje v obvodu báze je 14 µW.

Výkon zdroje v kolektorovém obvodu je přibližně 2 900krát vyšší než výkon zdroje v bázovém obvodu.

Poznámka:

Při zapojení tranzistoru se společným emitorem prochází obvodem báze malý proud, který je příčinou vzniku mnohem většího proudu v kolektorovém obvodu. Nastal tzv. tranzistorový jev. Tranzistor je zapojený jako zesilovač. Pomocí obvodu s malým proudem a výkonem tedy ovládáme větší proud a výkon v obvodu kolektorovém.
Komentář
V elektrických obvodech může být tranzistor zapojen třemi základními způsoby. Podle elektrody, která je společná pro vstupní i výstupní obvod, se rozlišuje zapojení se společným emitorem, společnou bází a společným kolektorem.

Zapojení tranzistoru se společnou bází výrazně zesiluje napětí a nepatrně zeslabuje proud. Zesiluje tedy výkon.

Díky zesilování napětí i proudu se při zapojení tranzistoru se společným emitorem zesiluje výkon více než v zapojení se společnou bází. Proto je zapojení se společným emitorem výhodnější a více používané.

Zapojení se společným kolektorem není příliš běžné a používá se pouze výjimečně a pro speciální účely.
Odkaz na podobnou úlohu
Vyzkoušejte také podobnou úlohu Zesilovací činitel v tranzistoru.