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“.

  • Nápověda 2

    Uvědomte si nebo vyhledejte, jak vypočítáme výkon zdroje v obvodu.

  • 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:

    Tranzistor NPN v zapojení 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.

    Tranzistor NPN v zapojení se společným emitorem

    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 UC rovno napětí, které bylo naměřeno mezi kolektorem a emitorem. Proud procházející kolektorovým obvodem IC označujeme jako kolektorový proud.

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

    Pro výkon elektrického zdroje PC v kolektorovém obvodu a výkonu zdroje PB v obvodu báze platí:

    \[P_C\,=\,U_CI_C\] \[P_B\,=\,U_BI_B.\]
  • Číselné dosazení

    Ze zadání úlohy známe tyto hodnoty:

    IB = 20 µA = 2,0·10-5 A bázový proud
    IC = 2,0 mA = 2,0·10-3 A kolektorový proud
    UB = 0,7 V napětí mezi bází a emitorem
    UC = 20 V napětí mezi kolektorem a emitorem
    \(\frac{P_C}{P_B}\,=\,?\) poměr výkonů

    \[\frac{P_C}{P_B}\,=\,\frac{U_CI_C}{U_BI_B}\,=\frac{20{\cdot}2\cdot10^{-3}}{0{,}7{\cdot}2\cdot 10^{-5}}\,\mathrm{W}\,\dot{=}\,2900\]

    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 bázíspolečným 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.

Úroveň náročnosti: Úloha vhodná pro studenty střední školy
Úloha na porovnávání a rozlišování
Multimediální encyklopedie fyziky
Původní zdroj: Fyzika pro II.roč. gym., E.Svoboda a kol., SPN Praha, 1985. 
Zpracováno v diplomové práci Marie Snětinová (2010).
×Původní zdroj: Fyzika pro II.roč. gym., E.Svoboda a kol., SPN Praha, 1985.
Zpracováno v diplomové práci Marie Snětinová (2010).
Zaslat komentář k úloze