Tranzystor jako klucz

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

Otwórz pełną wersję ↗

Cel

Zobaczyć, jak mały prąd bazy steruje dużym prądem kolektora, i zmierzyć wzmocnienie prądowe tranzystora.

Układ

Źródło 6 V. Obwód bazy: wyłącznik, opornik 4,7 kΩ i amperomierz — do bazy tranzystora NPN (\(\beta\) = 100). Obwód kolektora: żarówka 6 V / 0,5 W i amperomierz — do kolektora. Emiter jest połączony z ujemnym biegunem źródła. Wyłącznik jest zamknięty.

Przebieg doświadczenia

1. Zapisać wskazania obu amperomierzy i wyznaczyć stosunek prądu kolektora do prądu bazy.
2. Rozewrzeć wyłącznik, a następnie ponownie go zamknąć. Obserwować żarówkę.
3. Na karcie parametrów opornika bazy zmienić 4,7 kΩ na 47 kΩ. Ponownie zapisać natężenia obu prądów i wyznaczyć ich stosunek.
4. Na karcie parametrów tranzystora zmienić wzmocnienie prądowe \(\beta\) ze 100 na 200.

Oczekiwany wynik

Prąd bazy wynosi około 1,1 mA, prąd kolektora około 82 mA — żarówka świeci prawie z pełną jasnością. Stosunek prądów wynosi około 73, mniej niż \(\beta\): tranzystor jest w stanie nasycenia i prąd kolektora ogranicza teraz żarówka, a nie baza. Bez prądu bazy tranzystor jest zatkany i żarówka gaśnie. Z opornikiem 47 kΩ prąd bazy wynosi około 0,11 mA, prąd kolektora około 11 mA, a żarówka nie świeci, choć płynie prąd: włókno nagrzewa się tylko do 960 K; stosunek prądów jest równy \(\beta\) = 100. Przy \(\beta\) = 200 prąd kolektora podwaja się, do 23 mA, a prąd bazy prawie się nie zmienia. W rzeczywistym tranzystorze \(\beta\) nie jest czymś, co się wybiera: różni się między tranzystorami tego samego typu, od 100 do 300, a stosunek prądów z opornikiem 47 kΩ pokaże \(\beta\) danego egzemplarza.

Pytania

1. Ile razy prąd, który włącza żarówkę, jest mniejszy od prądu samej żarówki?
2. Dlaczego z opornikiem 4,7 kΩ stosunek prądów jest mniejszy od \(\beta\), a z opornikiem 47 kΩ jest mu równy?
3. Przy jakim największym oporze opornika bazy tranzystor z tą żarówką jeszcze wchodzi w stan nasycenia?

Odpowiedzi

1. Około 73 razy: prąd bazy około 1,1 mA włącza prąd żarówki około 82 mA.
2. Przy 4,7 kΩ prąd bazy 1,1 mA pozwalałby na \(\beta \cdot I_B\) ≈ 110 mA, czyli więcej, niż żarówka przepuszcza przy 6 V, około 82 mA. Tranzystor jest nasycony: napięcie między kolektorem a emiterem jest małe, natężenie prądu wyznaczają żarówka i źródło, a dodatkowy prąd bazy go nie zwiększa. Przy 47 kΩ \(\beta \cdot I_B\) ≈ 11 mA to znacznie mniej, niż przepuściłaby żarówka, tranzystor pracuje w stanie aktywnym, a prąd kolektora jest równy prądowi bazy pomnożonemu przez \(\beta\).
3. Nasycenie wymaga, aby \(\beta \cdot I_B\) było co najmniej równe prądowi żarówki, więc \(I_B\) ≥ 82 mA / 100 = 0,82 mA. Na oporniku bazy jest około 1,1 mA · 4,7 kΩ ≈ 5,2 V, więc \(R_B\) ≤ 5,2 V / 0,82 mA ≈ 6,3 kΩ, czyli około 6 kΩ. W praktyce stosuje się opornik kilka razy mniejszy, aby zachować zapas na rozrzut \(\beta\).