KWALIFIKACJA ELM5 - STYCZEŃ 2017

PYTANIE NR 15.
Tranzystor NPN, którego współczynnik wzmocnienia prądowego P = 50, pracuje w układzie pokazanym na rysunku. Jaka jest wartość napięcia kolektor-emiter tego tranzystora?
Ilustracja przedstawia schemat elektryczny zawierający tranzystor NPN, który jest kluczowym elementem w układzie
A.
B.
C.
D.
Wyjaśnienie poprawnej odpowiedzi:
UCE wyznacza się z analizy obwodu prądu stałego: najpierw oblicza się prąd bazy z gałęzi polaryzacji, potem prąd kolektora z zależności IC≈β·IB, a na końcu spadek napięcia na rezystorze kolektorowym i napięcia węzłowe. Otrzymane UCE=9,5 V oznacza pracę poza nasyceniem.

Pełne wyjaśnienie:

Napięcie UCE (kolektor–emiter) jest różnicą potencjałów między kolektorem a emiterem tranzystora. Aby je policzyć w układzie zasilanym prądem stałym, wykonuje się typową analizę punktu pracy:

  • Krok 1: prąd bazy – z odczytanego ze schematu toru polaryzacji bazy (źródło i rezystory) wyznacza się IB z praw Ohma/Kirchhoffa. W praktyce uwzględnia się, że złącze baza–emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, więc w torze bazy występuje spadek napięcia UBE typowy dla krzemowego tranzystora.
  • Krok 2: prąd kolektora – w obszarze aktywnym zachodzi zależność IC≈β·IB, gdzie wzmocnienie prądowe podano jako 50. To pozwala obliczyć spodziewany prąd kolektora wynikający z prądu bazy.
  • Krok 3: weryfikacja nasycenia – należy sprawdzić, czy tak wyznaczony prąd kolektora jest możliwy przy danym zasilaniu i rezystorze w kolektorze. Innymi słowy: czy obwód kolektora nie ogranicza prądu do wartości mniejszej (wtedy tranzystor wchodziłby w nasycenie, a zależność z β przestaje być właściwym opisem).
  • Krok 4: obliczenie UCE – mając prąd kolektora, oblicza się spadek napięcia na rezystorze kolektorowym, następnie napięcie kolektora względem emitera, a z tego UCE.

Wynik UCE=9,5 V jest spójny z sytuacją, w której tranzystor ma dodatnie napięcie kolektor–emiter wyraźnie większe od wartości charakterystycznych dla nasycenia, więc pracuje liniowo (w obszarze aktywnym) albo jest blisko odcięcia, zależnie od wartości prądów z obliczeń.

Odpowiedź "UCE=0 V" odpowiadałaby idealnemu zwarciu kolektor–emiter, czego w rzeczywistym układzie z rezystorem i skończonym zasilaniem zwykle nie ma. "UCE=2,5 V" oraz "UCE=5 V" mogą wynikać z pomylenia napięcia węzłowego kolektora z napięciem między kolektorem a emiterem lub z pominięcia części spadków napięć w obwodzie. Kluczowe jest konsekwentne liczenie napięć względem tego samego punktu odniesienia i sprawdzanie trybu pracy tranzystora.

Dodatkowe pytania

Dodatkowe pytania (FAQ):
UCE to napięcie między kolektorem a emiterem: UCE=UC−UE. Informuje o "zapasie" napięcia na tranzystorze i pomaga ocenić, czy element pracuje w obszarze aktywnym (liniowo), w odcięciu czy w nasyceniu (jako klucz).
W obszarze aktywnym przyjmuje się zależność IC≈β·IB (β bywa też oznaczane jako hFE). Po obliczeniu IB z obwodu bazy mnożysz przez β i dopiero potem sprawdzasz, czy obwód kolektora nie ogranicza tego prądu (nasycenie).
Bo w nasyceniu zależność IC=β·IB przestaje opisywać układ. Prąd kolektora jest wtedy ograniczony przez zasilanie i rezystor w kolektorze, a UCE spada do małej wartości. Bez tej kontroli łatwo policzyć "niemożliwy" prąd i błędne napięcie.
Najczęstsze błędy to: pomylenie UCE z napięciem kolektora względem masy, pominięcie spadków napięć na rezystorach, nieuwzględnienie kierunku przepływu prądu oraz automatyczne użycie β bez sprawdzenia nasycenia. Pomaga rozpisanie napięć węzłowych i oczek.
W praktyce prawie nigdy. Nawet w nasyceniu tranzystor ma pewne niezerowe napięcie kolektor–emiter, a w układzie dodatkowo występują spadki na rezystorach i ograniczenia zasilania. Odpowiedź 0 V bywa pułapką "idealnego zwarcia", które nie opisuje rzeczywistego elementu.
Odcięcie oznacza bardzo mały prąd bazy i kolektora (złącze B–E nie przewodzi). W obliczeniach wychodzi wtedy IB≈0, IC≈0, a napięcie kolektora "podciąga się" przez rezystor do wartości bliskiej zasilaniu. To daje wysokie UCE w porównaniu do nasycenia.
Podana wartość β=50 pozwala przeliczyć prąd bazy na spodziewany prąd kolektora w obszarze aktywnym. Jest to klucz do wyznaczenia spadku napięcia na rezystorze kolektorowym, a następnie napięcia UCE. Trzeba jednak pamiętać, że β nie jest stałe w każdym warunku.
Bo to obwód bazy zwykle "ustala sterowanie" tranzystora: z niego wynika IB, a dopiero potem (przez β) wynika IC. Odwrotna kolejność często prowadzi do pominięcia kluczowego ograniczenia: czy zasilanie i rezystor kolektorowy pozwalają na taki prąd (nasycenie).
Najczęściej analizuje się: UBE (czy baza–emiter przewodzi), UCE (czy tranzystor ma "zapas" napięcia) oraz napięcia węzłowe kolektora i emitera względem punktu odniesienia. Z tych wartości można wnioskować o stanie: odcięcie, obszar aktywny lub nasycenie.
Ćwicz schematy DC z tranzystorem: wyznaczanie IB, IC, spadków na rezystorach i UCE, zawsze z kontrolą nasycenia. Dobrą metodą jest pisanie kroków: (1) baza, (2) kolektor, (3) sprawdzenie trybu pracy, (4) napięcia węzłowe.
info

Statystycznie 35% uczniów zna prawidłową odpowiedź. bardzo trudne

Według specjalistów z branży: "Otrzymane UCE=9,5 V oznacza pracę poza nasyceniem."

Źródła:

  • Sedra, Smith: "Microelectronic Circuits", rozdziały o tranzystorze BJT (DC biasing, prądy i napięcia w układzie), wydania akademickie (źródło ogólne – bez wskazania konkretnej strony).
  • Horowitz, Hill: "The Art of Electronics", rozdziały o tranzystorach bipolarnych (BJT) i analizie prostych stopni DC (źródło ogólne – bez wskazania konkretnej strony).

Materiały:

  • Podręczniki z elektroniki analogowej (rozdziały o tranzystorach bipolarnych i punktach pracy)
  • Zbiory zadań z analizy obwodów DC z elementami półprzewodnikowymi
  • Noty katalogowe tranzystorów (sekcje: hFE, V_CE(sat), charakterystyki)

Aktualizacja pytania: 31.03.2026



Aktualizacja pytania: 31.03.2026
📡 Brak połączenia internetowego