Źródło prądu i napięcia

Żeby zrozumień działanie tranzystora bipolarnego, najpierw musimy sobie zadać, pozornie dość banalne, pytanie - czy prąd jest skutkiem napięcia czy napięcie jest skutkiem prądu?

Początkowo odpowiedź wydawać się może oczywista - przecież jak mam baterię o jakimś konkretnym stałym napięciu i jak do niej podłączę żarówkę, to wtedy popłynie prąd. Jak podłączę inną żarówkę, to popłynie inny, większy lub mniejszy prąd, w zależności od rezystancji żarówki, którą podłączamy. Gdyby tego napięcia w baterii nie było, wówczas prąd by nie popłynął. Wydaje się zatem oczywiste, że to przepływ prądu jest skutkiem napięcia. Mówi o tym nieśmiertelne prawo Ohma, gdzie I = U/R. Im wyższe napięcie zasilające oraz im mniejsza będzie rezystancja odbiornika, tym większy przez niego przepłynie prąd.

Bateria, zasilacz, gniazdko w ścianie - to wszystko są źródła napięcia. Ich działanie wydaje się proste. Jednak oprócz źródeł napięcia mamy także źródła prądu. Istnieją pewne elementy, dla których bardziej od napięcia istotny jest prąd. Są to niektóre elementy światłoczułe, a także zasilacz laboratoryjny pracujący w trybie CC (constant current). Jeśli do źródła prądu będziemy podłączać różne odbiorniki, wówczas będzie płynął przez nie zawsze ten sam prąd, obojętnie jaką mają rezystancję. Początkowo może się to kłócić z intuicyjnym pojęciem prawa Ohma. Jednak co w takiej sytuacji dzieje się z napięciem? Czy prawo Ohma wtedy nie obowiązuje?

Oczywiście, że tak! Jednak musimy je przekształcić do innej formy U = IR. Jak to wyjaśnić po ludzku? Jeżeli do badanego odbiornika podłączymy woltomierz i będziemy zmieniać prąd płynący przez odbiornik, wówczas zaobserwujemy że wraz ze zmianą płynącego prądu zmienia się również napięcie występujące na odbiorniku.

Weźmy nieco bardziej praktyczny przykład, jakim jest pomiar natężenia prądu. Multimetry są tak naprawdę woltomierzami, które w sprytny sposób przekształcają mierzoną wielkość na napięcie. Wewnątrz amperomierza jest nic innego jak kilka rezystorów o wartości najczęściej 0,1R, 1R, 10R lub coś podobnego. Rezystor ten, zwany bocznikiem pomiarowym, przekształca prąd przez niego płynący na napięcie, które możemy zmierzyć woltomierzem, podłączonym do wyprowadzeń tego rezystora.

Metoda polega na tym, że szeregowo w badany obwód wpinamy amperomierz. Prąd płynący przez rezystor pomiarowy wywołuje na nim napięcie, które mierzy miernik. Dlaczego w amperomierzu są wykorzystywane różne rezystory do pomiaru (przynajmniej dwa)?

Zobaczmy co się stanie, jeśli prąd 1A zmierzymy rezystorem 0,1R. Wówczas, zgodnie z prawem Ohma, U = IR = 1 x 0,1 = 0,1V. Co to oznacza? Z punktu widzenia badanego obwodu jest to spadek napięcia. Czyli jeśli badany obwód jest zasilany napięciem 5V, to odbiornik w tym obwodzie już nie będzie miał do swoje dyspozycji całych 5V, a tylko 4,9V, ponieważ 0,1V pojawiło się na rezystorze pomiarowym.

Co by było, jeśli prąd byśmy mierzyli rezystorem 1R? Policzmy. U=IR = 1 x 1 = 1V. Czyli na rezystorze byśmy mieli spadek napięcia 1V, a dla odbiornika by zostało tylko 4V. Mogłoby to wprowadzić istotne zakłócenie w działaniu odbiornika.

Widzimy, że czasami napięcie jest źródłem prądu, a czasami prąd jest źródłem napięcia. Wszystko zależy od sytuacji, jaką rozpatrujemy.

Co to ma wspólnego z tranzystorem?

Cały ten dość długi wywód miał dążyć do krótkiego stwierdzenia - tranzystor to źródło prądu sterowane prądem. Oznacza to, że pewien niewielki prąd, płynący przez bazę tranzystora steruje większym prądem, płynącym przez jego kolektor i emiter. Co dzieje się z napięciem występującym na tranzystorze oraz na odbiorniku, którym ten tranzystor steruje? Otóż sprawa jest prosta - zgodnie z prawem Ohma, napięcie na tych elementach tak się rozłoży, aby płynął przez nie odpowiedni prąd. Tak właśnie działa źródło prądowe.