스위치로 쓰는 트랜지스터

교육과정: Sek I/II, A-level (Electronics), electronics courses

목표¶

작은 베이스 전류가 큰 컬렉터 전류를 어떻게 제어하는지 확인하고, 트랜지스터의 전류 증폭률을 측정합니다.

실험 장치¶

6 V 전압원. 베이스 회로: 스위치, 4.7 kΩ 저항, 전류계 — NPN 트랜지스터(\(\beta\) = 100)의 베이스에 연결. 컬렉터 회로: 6 V / 0.5 W 전구와 전류계 — 컬렉터에 연결. 이미터는 전압원의 (−)극에 연결되어 있습니다. 스위치는 닫혀 있습니다.

실험 방법¶

두 전류계의 측정값을 기록하고, 베이스 전류에 대한 컬렉터 전류의 비를 구하세요.
스위치를 열었다가 다시 닫으세요. 전구를 관찰하세요.
베이스 저항의 매개변수 카드에서 4.7 kΩ을 47 kΩ으로 바꾸세요. 두 전류를 다시 기록하고 그 비를 구하세요.
트랜지스터의 매개변수 카드에서 전류 증폭률 \(\beta\)를 100에서 200으로 바꾸세요.

예상 결과

베이스 전류는 약 1.1 mA, 컬렉터 전류는 약 82 mA이며, 전구는 거의 최대 밝기로 빛납니다. 전류의 비는 약 73으로 \(\beta\)보다 작습니다. 트랜지스터가 포화 상태여서, 이제 컬렉터 전류를 제한하는 것은 베이스가 아니라 전구입니다. 베이스 전류가 없으면 트랜지스터가 차단되어 전구가 꺼집니다. 47 kΩ 저항에서는 베이스 전류가 약 0.11 mA, 컬렉터 전류가 약 11 mA이고, 전류가 흐르는데도 전구는 빛나지 않습니다. 필라멘트가 960 K까지만 가열됩니다. 이때 전류의 비는 \(\beta\) = 100과 같습니다. \(\beta\) = 200에서는 컬렉터 전류가 두 배인 23 mA로 늘지만, 베이스 전류는 거의 변하지 않습니다. 실제 트랜지스터에서는 \(\beta\)를 고를 수 없습니다. 같은 종류의 트랜지스터라도 그 값이 100에서 300까지 서로 다르며, 47 kΩ 저항일 때의 전류 비가 바로 그 트랜지스터의 \(\beta\)를 보여 줍니다.

질문¶

전구를 켜는 전류는 전구 자체의 전류보다 몇 배 작습니까?
4.7 kΩ 저항에서는 전류의 비가 \(\beta\)보다 작은데, 47 kΩ에서는 왜 그 값과 같습니까?
이 전구로 트랜지스터를 포화시킬 수 있는 가장 큰 베이스 저항은 얼마입니까?

답

약 73배입니다. 약 1.1 mA의 베이스 전류가 약 82 mA의 전구 전류를 흐르게 합니다.
4.7 kΩ에서는 1.1 mA의 베이스 전류가 \(\beta \cdot I_B\) ≈ 110 mA까지 허용하는데, 이는 6 V에서 전구가 흘릴 수 있는 약 82 mA보다 큽니다. 트랜지스터는 포화 상태입니다. 컬렉터와 이미터 사이의 전압이 작고, 전류는 전구와 전압원이 정하며, 베이스 전류를 더 늘려도 전류가 커지지 않습니다. 47 kΩ에서는 \(\beta \cdot I_B\) ≈ 11 mA가 전구가 흘릴 수 있는 전류보다 훨씬 작으므로, 트랜지스터는 활성 영역에서 동작하고 컬렉터 전류는 베이스 전류의 \(\beta\)배가 됩니다.
포화되려면 \(\beta \cdot I_B\)가 적어도 전구 전류만큼은 되어야 하므로 \(I_B\) ≥ 82 mA / 100 = 0.82 mA입니다. 베이스 저항 양단의 전압은 약 1.1 mA · 4.7 kΩ ≈ 5.2 V이므로 \(R_B\) ≤ 5.2 V / 0.82 mA ≈ 6.3 kΩ, 즉 약 6 kΩ입니다. 실제로는 \(\beta\)의 편차에 대비한 여유를 두기 위해 이보다 몇 배 작은 저항을 씁니다.