tranzystor11, Elektronika, Tranzystory(1)

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pierwsze kroki
część
11
dla początkujących
Czarna skrzynka i parametry h
W dzisiejszym odcinku jeszcze raz przypomnę pojęcie czarnej skrzynki, zajmiemy się bowiem parametrami
macierzowymi h, budzącymi grozę wielu początkujących. Ten odcinek pozwoli zrozumieć sens parametrów h
i ich praktyczną przydatność. Wspólnie wysnujemy też ważne wnioski dotyczące obliczeń teoretycznych.
Ostatnio tłumaczyłem ci, że tranzystor,
choć ma tylko trzy nóżki, jest tworem bar−
dzo kapryśnym i wcale nie jest łatwo precy−
zyjnie opisać jego właściwości. Na twoje i
moje szczęście, w praktyce zazwyczaj nie
ma potrzeby wnikać we wszystkie szczegó−
ły. Chyba się ze mną zgodzisz, że gdybyśmy
musieli od początku analizować wspomnia−
ny w poprzednim odcinku model Ebersa−
Molla lub jakiś inny, jeszcze bardziej skom−
plikowany, to na pewno odeszłaby nam o−
chota na zajmowanie się elektroniką.
Dlatego jeśli to konieczne, zamiast ja−
kichś koszmarnych obliczeń z wykorzysta−
niem wyższej matematyki (które zresztą
przeprowadza każdy program komputero−
wej symulacji), przyjmujemy modele pro−
stsze, czasem nawet bardzo uproszczone.
Takie uproszczone modele pozwalają prze−
prowadzić obliczenia ze stosunkowo nie−
wielkim błędem. Chyba nie muszę cię prze−
konywać, że można narysować wiele róż−
nych modeli, które w lepszym lub gorszym
stopniu będą przedstawiać działanie tranzy−
stora. Jednym z takich modeli jest model
czwórnikowy. Zajmiemy się nim, i to nie tyl−
ko ze względu na program szkolny, ale
przede wszystkim po to, żebyś się nie bał
parametrów podawanych w katalogach i
rozumiał ich sens.
Zaczynamy.
Czarna skrzynka
W mądrych książkach często używa się
pojęcia czarnej skrzynki. “Czarna skrzynka”
to jakiś układ spełniający określone funkcje.
W środku “czarnej skrzynki” może być za−
mknięty na przykład chrabąszcz, układ elek−
troniczny albo grupa sprytnych krasnolud−
ków. A może coś jeszcze innego... Czarna
skrzynka na pewno ma wejście i wyjście.
Podajemy coś na wejście, a coś pojawia się
na wyjściu. Oczywiście w naszym “elektro−
nicznym” przypadku to coś, to sygnały elek−
tryczne podawane na wejście oraz uzyski−
wane na wyjściu. Mamy więc napięcie wej−
ściowe – oznaczamy je Uwe, napięcie wy−
jściowe – Uwy, oraz ewentualnie prądy:
wejściowy Iwe i wyjściowy Iwy. Ilustrację
znajdziesz na rysunku 1.
Niech we wnętrzu czarnej skrzynki ci−
chutko siedzi tranzystor, ale nie “goły”, tyl−
ko z obwodami polaryzującymi – czyli właś−
ciwie wzmacniacz tranzystorowy. Może to
wyglądać jak na rysunku 2a, 2b lub 2c. W
poprzednim odcinku tłumaczyłem sprawę
różnych modeli tranzystora. Teraz pode−
jdziemy do sprawy jeszcze inaczej. Nie
będziemy wnikać w szczegóły budowy i
właściwości tranzystora, tylko potraktujemy
go jako czarną skrzynkę, która pełni funkcję
wzmacniacza i (uważaj!) będą nas intereso−
wać jedynie napięcia i prądy wejściowe o−
raz wyjściowe oraz zależności nimi
rządzące.
Oto prościutki przykład. Mamy czarną
skrzynkę, dla której opis działania jest bez−
nadziejnie prosty:
Uwy = 10 x Uwe
Przecież to nic innego, jak wzmacniacz
(napięciowy) o wzmocnieniu równym 10.
Proste jak... obręcz!
Właśnie! Wiesz już, że jeśli w czarnej
skrzynce cicho siedzi wzmacniacz tranzy−
storowy, to musimy liczyć się z nieliniowoś−
cią charakterystyki i jeśli zniekształcenia
sygnału mają być małe, to przetwarzane
sygnały też muszą być małe – chodzi o to,
by pracować na niewielkim odcinku charak−
terystyki, który w przybliżeniu można uznać
za prostoliniowy (porównaj rysunki 6 i 7 w
EdW 11/98). Tylko w przypadku małych
sygnałów możemy uważać, że (w danym
punkcie pracy) tranzystorowy wzmacniacz
pracuje liniowo.
Ściślej biorąc, powinniśmy zapisać:
uwy = 10 x uwe
Rys. 1 Czarna skrzynka
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/99
33
Tranzystory
Pierwsze kroki
Rys. 2 Przykładowe czarne skrzynki
sób opisu czarnej skrzynki miałby być w
miarę precyzyjny, trzeba jeszcze u−
względnić dodatkowe czynniki, na przykład
coś takiego jak wpływ napięcia wyjściowe−
go na właściwości wejścia (wewnętrzne
sprzężenie zwrotne)?
W tranzystorze rzeczywiście występuje
takie wewnętrzne sprzężenie zwrotne. Na
rysunku 3c reprezentowane jest przez do−
datkowe źródło napięcia umieszczone w
obwodzie wejściowym. I oto mamy model
czwórnikowy tranzystora w pełnej krasie.
Zachowanie takiego czwórnika można i
trzeba jakoś opisać równaniami. I na pewno
nie wystarczy jedynie podać wartość
wzmocnienia. Wzory powinny uwzględniać
pokazane oporności i sprzężenie zwrotne.
Jeśli przyjmiemy, że właściwości nasze−
go tranzystora przedstawia model czwórni−
kowy z rysunku 3c, to moglibyśmy napisać
równania go opisujące. Mają one postać:
u
1
= z
11
i
1
+ z
12
i
2
u
2
= z
21
i
1
+ z
22
i
2
To są tak zwane równania impedancyj−
ne. Nie musisz dobrze rozumieć ich sensu,
zwróć tylko uwagę, że wszystko tu zgadza
się z intuicją. Mianowicie z
11
to niewątpli−
wie oporność (ściślej impedancja) wejścio−
wa, z
22
to oczywiście oporność (impedan−
cja) wyjściowa. Parametr z
21
niewątpliwie
reprezentuje wzmocnienie, natomiast z
12
reprezentuje wspomniane wewnętrzne
sprzężenie zwrotne. Przemyśl to dobrze!
Wprowadzone właśnie parametry z świet−
nie zgadzają się z intuicją!
Nieco gorzej jest ze spotykanymi częś−
ciej tak zwanymi parametrami hybrydowy−
mi tranzystora oznaczonymi h
21
, h
21e
, h
21E
,
h
11b
, h
12e
, h
22
. Nie bój się ich! Nadmienię
tylko, że literka h pochodzi od słowa hybryd
(mieszany). Za chwilę się okaże, że owe
h
11
, h
12
, h
21
i h
22
niosą dokładnie taką samą
treść jak oswojone właśnie parametry z.
Parametry h powiążemy z siecią (mode−
lem) pokazaną na rysunku 3d. A oto stoso−
wne równania:
u
1
= h
11
i
1
+ h
12
u
2
i
2
= h
21
i
1
+ h
22
u
2
Może wyda ci się to dziwne, nieprzyjaz−
ne i zbyt skomplikowane. Jeśli uważasz, że
to są skomplikowane zależności, to się gru−
bo mylisz. Potrzebne wzory akurat nie są
specjalnie skomplikowane i wcale nie trze−
ba znać rachunku macierzowego, by z nich
skorzystać.
Porównaj te dwa równania z poprzedni−
mi. Czy już widzisz, że h
11
to właściwie z
11
czyli impedancja wejściowa? Świetnie! Pa−
rametr h
21
, podobnie jak z
21
, reprezentuje
wzmocnienie – tym razem prądowe. Po−
dobnie jak z
22
, również h
22
ma ścisły zwią−
zek z opornością wyjściową, czy też wydaj−
nością prądową. Zauważ, że prąd wyjścio−
wy i
2
to prąd wejściowy i
1
pomnożony
przez współczynnik wzmocnienia prądowe−
go h
21
, ale zmieniony o wartość h
22
u
2
(pod−
gdzie małe literki u oraz i wskazują, iż
chodzi o sygnały zmienne (domyślnie – o
małej amplitudzie).
Dociekliwi czytelnicy zauważą ponadto,
że tak podany wzór nie charakteryzuje
wszystkich kluczowych parametrów czar−
nej skrzynki, a w rzeczywistości – wzmac−
niacza tranzystorowego. Nie wiadomo na
przykład, co tam “siedzi na wejściu”, czyli
jaka tam występuje oporność, a tym sa−
mym jakie prądy płyną na wejściu i na wy−
jściu. Wiemy, że układ wzmacnia napięcie,
ale co z prądami?
Trzeba więc dodać dalsze istotne infor−
macje. Po pierwsze podać, jakiej konfigura−
cji układowej (rys. 2a, 2b czy 2c) oraz jakie−
go punktu pracy dotyczą parametry − zwyk−
le wystarczy podać wartość (stałego) prądu
pracy kolektora, ewentualnie napięcie stałe
kolektor − emiter. Napięcia i prądy zmienne
będą występować niejako na tle tego prądu
i napięcia stałego. Po drugie trzeba jakoś
wyrazić występujące oporności.
Czy nasz układ ma oporność wejściową
(dla przebiegów zmiennych) nieskończenie
wielką? Wtedy prąd wejściowy byłby ró−
wny zeru. Ale przecież oporność wejścio−
wa nie musi być, i wcale nie jest, aż tak du−
ża. Już teraz zapamiętaj, że generalnie o−
porność wejściowa tranzystora bipolarnego
jest raczej mała. I to jest poważna wada, z
którą można i trzeba walczyć. Jak? To już in−
na historia.
A wyjście? Na rysunkach 1 i 2 zaciski
wyjściowe nie są podłączone. W rzeczywi−
stości do wyjścia dołączona jest zawsze ja−
kaś oporność obciążenia (np. opór wejścio−
wy następnego stopnia).
Patrząc na rysunek 3 zapomnij na jakiś
czas o układach z rysunku 2, o obwodach
polaryzacji i o prądach stałych (problem za−
silania też pomijamy – możesz sobie wyob−
razić, że bateria zasilająca znajduje się
wewnątrz czarnej skrzynki). Teraz interesu−
je nas tylko, jak nasza czarna skrzynka za−
chowuje się przy podaniu na wejście ma−
łych napięć zmiennych. Jaki najprostszy
model pokazywałby zachowanie naszego
wzmacniacza tranzystorowego?
Czy na przykład czarna skrzynka, a właś−
ciwie układ tranzystorowy, ma nieograni−
czoną wydajność prądową? Raczej nie.
Jeśli wyjście ma ograniczoną wydajność
prądową, to zapewne można to potrakto−
wać jako istnienie wewnętrznej rezystancji
wyjściowej. Możemy więc przedstawić
naszą skrzynkę w postaci czwórnika jak na
rysunku 3a lub pamiętając, że obwód kolek−
torowy zachowuje się jak źródło prądowe
raczej jak na rysunku 3b (oporność dołączo−
na równolegle do źródła prądowego). Zau−
waż, że na rysunku 3a oznaczyłem wy−
stępujące oporności nie literką R czy r (rezy−
stancja), tylko
małą literką z,
co pokazuje,
że chodzi o o−
porność ze−
spoloną – im−
pedancję (dla
przebiegów
zmiennych).
Nie jest jakaś
przeszkoda w
rozważaniach
– pomału zbli−
żamy się w
ten sposób
do zapisu, jaki
znasz z ksią−
żek.
A może,
jeśli taki spo−
Rys. 3 Wzmacniacze z rysunku 2 w postaci czworników
34
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/99
Pierwsze kroki
powiem, że prąd ten jest pomniejszony, bo
h
22
może mieć i ma wartość ujemną).
Analogicznie jak z
12
, także h
12
reprezen−
tuje wpływ napięcia wyjściowego na wej−
ście. Nic więc dziwnego, że parametry te
mają następujące nazwy:
h
11
– rezystancja (ściślej impedancja)
wejściowa przy zwarciu wyjścia,
h
12
– współczynnik sprzężenia zwrotne−
go przy rozwartym wejściu,
h
21
– współczynnik wzmocnienia prądo−
wego przy zwartym wyjściu,
h
22
– konduktancja (odwrotność rezy−
stancji, a ściślej admitancja) wyjściowa przy
rozwartym wejściu.
W zagranicznych katalogach spotyka się
odmienne oznaczenia parametrów h.
h
11
– hie input impedance (i – input –
wejście),
h
12
– hre reverse voltage ratio (r – rever−
se – wsteczny),
h
21
– hfe small signal current gain (f – for−
ward – w przód),
h
22
– hoe output admitance (o – output –
wyjście).
Czy jednak nie jest to dla ciebie strasznie
obce i niezrozumiałe sformułowanie “przy
zwartym wyjściu, rozwartym wejściu”? Jak
na przykład można zmierzyć parametry
tranzystora “przy zwarciu wyjścia”? Prze−
cież zwarcie wyjścia uniemożliwi pracę
tranzystora!
Bez sensu?
Hop, hop, nie tak prędko!
Pamiętaj, że rozważamy parametry dla
prądu zmiennego. A więc jeśli nasz tranzy−
stor będzie pracował w układzie z rysunku
2a, to wspomniane zwarcie zacisków wy−
jściowych dla przebiegów zmiennych zape−
wni kondensator C2 o odpowiednio dużej
pojemności. Oporność (reaktancja) konden−
satora o wielkiej pojemności będzie na tyle
mała, że możemy ją potraktować jako zwar−
cie. Kondensator ten jednocześnie odetnie
składową stałą, umożliwiając przepływ
prądów stałych, właściwą polaryzację i
pracę tranzystora. Przykładowe układy po−
miarowe parametrów h znajdziesz na ry−
sunku 4 oraz na rysunku 5 w EdW 11/98
str. 65. Proste?
Okazało się więc, że nie jest to takie
straszne do zrozumienia.
Ale jeśli jeszcze mózg ci trochę pracuje
zapytasz: a do czego mi są potrzebne te ca−
łe parametry h?
Służę odpowiedzią. Teoretycznie ma to
wyglądać tak: przypuśćmy, że musisz za−
projektować wzmacniacz tranzystorowy.
Trzeba, żeby ten wzmacniacz miał określo−
ne wzmocnienie A, oporność wejściową
Rwe i oporność wyjściową Rwy. W katalo−
gu tranzystorów znajdujesz wartości para−
metrów h, wybierasz układ pracy tranzysto−
ra (wg rysunku 2: ze wspólnym emiterem,
wspólnym kolektorem, albo wspólną bazą),
podstawiasz do nieskomplikowanych wzo−
Rys. 4 Przykładowy układ pomiaru parametru h
OE), 2b(wspólny kolektor – OC) i 2c (wspól−
na baza – OB).
Ale to nadal nie koniec − w katalogach i
książkach spotkasz też obok oznaczenia
h
21e
także oznaczenie h
21E
. Duża litera E
wskazuje nie tylko, że parametr dotyczy u−
kładu ze wspólnym emiterem, ale przede
wszystkim informuje, że jest to wzmocnie−
nie dla prądu stałego (w literaturze często
zamiast h
21E
spotkasz h
FE
określane też jako
DC current gain, czyli wzmocnienie dla
prądu stałego).
Czy h
21e
= h
21c
= h
21b
i czy na przykład
h
11e
= h
11c
= h
11b
?
Czy
rów, przeliczasz, dobierasz napięcie zasila−
nia. Na koniec wyliczasz wszystkie rezy−
stancje ustalające stałoprądowy punkt pra−
cy i oto obliczyłeś wszystkie elementy po−
trzebnego ci wzmacniacza. Zaprojektowa−
łeś wzma−cniacz.
Tak to wygląda w teorii i takimi zadania−
mi katują w szkole i na studiach. Natomiast
w praktyce, owszem, przeprowadzamy pe−
wne obliczenia, ale niewiele ma to związku
z omawianymi właśnie parametrami h i mo−
delem tranzystora z rysunku 3d.
i h
21e
to to samo? A może
to ra−
czej h
21E
? A może zarówno
, h
21e
i h
21E
to
jedno i to samo? Czy też
= h
21c
? Jak myś−
lisz?
Ściśle rzecz biorąc, nie jest to to samo.
W katalogach znajdziesz tylko parametry h
dla układu wspólnego emitera − OE. War−
tości niektórych parametrów h dla układów
OC i OB bardzo się różnią, niemniej można
je, łatwo obliczyć, korzystając z wzorów,
które znajdziesz w podręcznikach. Nie będę
ci podawał tych wzorów. I ja i ty jesteśmy
leniwi (prawda?), nie lubimy się nadmiernie
męczyć i chcemy uprościć, co tylko się da.
I upraszczamy. Uważaj! Dla układów
wspólnego kolektora i emitera rzeczywiś−
cie parametr h
21c
oraz h
21e
można w pier−
wszym przybliżeniu utożsamiać z
Parametry h
Teraz już nie boisz się parametrów h. Z
parametrem h
11
nie masz problemu – jest
to po prostu oporność (ściślej – impedan−
cja) wejściowa. Nic nowego – omawialiś−
my to już w poprzednim odcinku (porównaj
rysunek 8 w EdW 11/98).
Sprawa wpływu wyjścia na wejście re−
prezentowana jest przez parametr h
12
. Pa−
rametr ten należy uwzględnić w dokładniej−
szych obliczeniach, ale ponieważ sprzęże−
nie to jest niewielkie, przy obliczeniach wię−
kszości układów amatorskich można go po
prostu pominąć (czyli wrócić do uproszczo−
nego modelu z rysunku 3a i 3b).
Analogicznie, przy obliczaniu większości
prostych układów tranzystorowych można
pominąć parametr h
22
. Nie można go po−
minąć tylko w tych nielicznych układach
pracy, gdy w kolektorze umieszczone jest
obciążenie o wyjątkowo dużej oporności. O
tym za chwilę.
Nie powinien sprawić ci kłopotu para−
metr h
21
– “współczynnik wzmocnienia
prądowego przy zwartym wyjściu”. Współ−
czynnik wzmocnienia prądowego natych−
miast skojarzy ci się z parametrem
. Ale dla
układu wspólnej bazy, h
21b
ma wartość zbli−
żoną do jedności, wynosząc mniej więcej
0,95...0,999 (być może spotkałeś się kiedyś
z parametrem zwanym [
− alfa]. Szczegó−
łów nie będę ci tłumaczył. Jeśli do tej pory
nadążałeś za mną, doskonale poradzisz so−
bie ze zrozumieniem właściwości wzmac−
niaczy w konfiguracji OE, OC i OB, których
obszerne (i nudne jak na mój gust) opisy
znajdziesz w podręcznikach.
Zapamiętaj tylko, że choć parametry h
12
,
h
22
(a wbrew pozorom także h
11
) odgrywają
mniejszą rolę i w amatorskiej praktyce
często się je pomija, o tyle katalogowego
parametru h
21
lekceważyć nie można, bo
głównie on decyduje o właściwościach
wzmacniaczy tranzystorowych. Za chwilę
zajmiemy się tym bliżej, a teraz parę uwag
dla bardziej zaawansowanych.
Znaczenie h
22
(dla zaawansowanych)
W niektórych zastosowaniach nie wolno
pomijać znaczenia parametru h
22
. Problem
ilustruje rysunek 5.
W jednym z wcześniejszych odcinków
tłumaczyłem ci, co to jest źródło prądowe.
Dowiedziałeś się, że o wielkości sygnału
napięciowego na takim źródle (na kolekto−
rze tranzystora) decyduje głównie wartość
oporności obciążenia – czym większa opor−
ność obciążenia, tym większy sygnał wy−
jściowy. Zakładając, że obwód kolektorowy
to idealne źródło prądowe (rys. 5a), można
, który
określiliśmy jako stosunek prądu kolektora
do prądu bazy. I rzeczywiście jesteś nieda−
leko prawdy.
Ale to nie koniec
Zwróć uwagę, że najczęściej na końcu
oznaczenia h
21
umieszczona jest jeszcze li−
terka. Może to być mała literka e, c lub b.
Jak się może domyślasz, parametry te do−
tyczą tranzystorowych wzmacniaczy ma−
łych napięć zmiennych, pracujących w kon−
kretnej konfiguracji: wspólnego emitera,
kolektora albo bazy. Czyli podstawowych u−
kładów z rysunków 2a (wspólny emiter –
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/99
35
Pierwsze kroki
Rys. 5 Obciążenie źródłą prądowego
zbędne początkującym (którzy być może
nadal nie bardzo rozumieją o co chodzi). Ale
powinni o tym pamiętać wszyscy bardziej
zaawansowani, którzy będą stosować tran−
zystory w roli źródeł prądowych, albo chcie−
liby umieścić w obwodzie kolektora nie re−
zystory, tylko źródła prądowe.
Mam pytanie: czy w twoich wzmacnia−
czach tranzystorowych oporność wyjścio−
wa całego wzmacniacza rzeczywiście wy−
znaczona jest przez h
22
? Jeśli myślisz, że
tak, to się grubo mylisz. Pamiętaj, że anali−
zujemy działanie tranzystorów w teorety−
cznych układach pracy. Właśnie tak może−
my śmiało nazwać “książkowe”, podsta−
wowe układy pracy OE, OC, OB z rysunku
2, a układy pomiarowe wyglądają podobnie
jak na rysunku 4 oraz rysunku 5 w EdW
11/98. Ty w praktyce będziesz stosował
wzmacniacze, gdzie w obwodzie kolektora
umieszczony jest rezystor. Jaka będzie
wtedy rezystancja wyjściowa (dla przebie−
gów zmiennych)?
Wrócimy do tej kwestii wjednym z na−
stępnych odcinków, a już teraz zapamiętaj,
że oporność wyjściowa praktycznie jest ró−
wna rezystancji rezystora umieszczonego
w obwodzie kolektora (bowiem oporność
związana z parametrem h
22
ma bardzo dużą
wartość i niewiele zmienia). A teraz wraca−
my do parametru h
21
.
Zajmijmy się tym bliżej. Tabela 1 zawiera
katalogowe dane tranzystorów BC107...109.
Z porównania danych z tabeli wynikają
dwa główne wnioski. Po pierwsze, dla tran−
zystorów tego samego typu, nawet z tej sa−
mej grupy trzeba liczyć się ze znacznym
rozrzutem wartości wzmocnienia prądowe−
go pomiędzy poszczególnymi egzemplarza−
mi. Po drugie, wzmocnienie dla prądu sta−
łego (DC Current Gain czyli h
21E
) nie jest do−
kładnie równe wzmocnieniu dla małych
przebiegów zmiennych (h
21e
).
Idźmy jeszcze krok dalej. Rysunek 6 po−
kazuje zależność wzmocnienia stałoprądo−
wego (czyli h
21E
) od prądu kolektora dla tran−
zystorów BC546...BC548. Ze względu na
rozrzut między egzemplarzami, oś pionowa
wyskalowana jest w procentach, a nie w
wartościach wzmocnienia. Wyraźnie widać,
że wzmocnienie maleje przy bardzo małych
oraz stosunkowo dużych prądach kolektora.
Pokrewne dane dotyczące tranzystorów
BC546...548 zawarte są w tabeli 2
prosto obliczyć zmiany napięcia wyjściowe−
go, jeśli zmiany prądu kolektora będą wyno−
sić, powiedzmy
I =1mA
I * R
L
Czym większa oporność obciążenia R
L
,
tym większy sygnał wyjściowy. Czy to jed−
nak znaczy, że zwiększając oporność obcią−
żenia (np. przez zwiększanie wartości rezy−
stora w obwodzie kolektorowym lub zasto−
sowanie obciążenia w postaci zewnętrzne−
go źródła prądowego) można dowolnie
zwiększać napięcie wyjściowe, a tym sa−
mym dowolnie zwiększać wzmocnienie
wzmacniacza tranzystorowego? Niestety
nie i to z kilku powodów.
Przede wszystkim obwód kolektora nie
jest idealnym źródłem prądowym – sygnali−
zuje to rysunek 3b i 3d, gdzie niejako
wewnątrz tranzystora, równolegle ze źród−
łem prądowym, włączona jest jakaś opor−
ność. Oporność ta jest stosunkowo duża
(bo jej odwrotność – przewodność (prze−
wodność zespolona czyli admitancja h
22
ma
małą wartość). Ale jak by nie było, opor−
ność ta jest jakimś wstępnym obciążeniem
dla źródła prądowego. Dołączenie ze−
wnętrznego obciążenia może tylko zmniej−
szyć całkowitą rezystancję obciążenia – po−
równaj rysunek 5b. Na pewno wypadkowa
rezystancja obciążenia nie będzie nigdy
mniejsza niż wewnętrzna rezystancja R
I
.
Jeśli tak, to nawet stosując bardzo dużą
oporność w kolektorze tranzystora, nie
zwiększysz całkowitej oporności powyżej
R
max
= 1/h
22
Tym samym nie możesz uzyskać dowol−
nie dużego napięcia na wyjściu.
Generalny wnioski są następujące:
− nie można traktować obwodu kolekto−
rowego tranzystora jako idealnego źródła
prądowego,
− o wartości maksymalnego wzmocnie−
nia napięciowego wzmacniacza tranzysto−
rowego zdecyduje nie wartość wzmocnie−
nia prądowego h
21
, tylko h
22
.
Nadążasz? Na rysunku 5b zaznaczyłem
oporność (rezystancję) R
I
dołączoną równo−
legle do źródła prądowego. Natomiast na
rysunku 3b i 3d zaznaczone są nie tyle opor−
ności, tylko przewodności (zespolone czyli
admitancje – stąd literka y na rys 3b). Na
tym poziomie rozważań nie ma to znacze−
nia, możesz traktować je wszystkie jako re−
zystancje. Zresztą te informacje nie są nie−
U =
Tabela 2
Wzmocnienie stałoprądowe tranzystorów
BC546...548 (U
CE
=5V)
I
C
tranzystor min.typ.max.
10mA 547A/548A 90
10mA 546B/547B/548B 150
10mA 548C 270
2mA 546 100 450
2mA 547/548 110 800
2mA 547A/548A 110 180 220
2mA 546B/547B/548B 200 290 450
2mA 547B/548C
?
Czy do praktycznych obliczeń potrzebne są
dokładne wartości h
21e
i h
21E
z katalogu?
420 520 800
100mA 547A/548A
120
Tabela 1
h
FE
− DC Current Gain I
C
=2mA V
CE
=5V
min.
100mA 546B/547B/548B
180
100mA 548C
300
Typ.
max.
BC107
110
230
450
Jeszcze inaczej jest w przypadku tranzy−
stora mocy (w układzie Darlingtona) typu
BDV65 – pokazuje to rysunek 7 (Jeśli nie
wiesz jeszcze, co to jest ten „Darlington“,
nie przejmuj się. Czytaj dalej i wyciągaj
wnioski. A do „Darlingtona“ jeszcze
wrócimy).
Mało tego! Rysunek 8 pokazuje
podobną zależność wzmocnienia w fun−
kcji prądu kolektora, ale dla trzech róż−
nych temperatur i dla dwóch napięć ko−
BC107 Gr. A
110
180
220
BC107 Gr. B
200
290
450
BC108
110
350
800
BC108 Gr. A
110
180
220
BC108 Gr. B
200
290
450
BC108 Gr. C
420
520
800
BC109
200
350
800
BC109 Gr. B
200
290
450
BC109 Gr. C
420
520
800
h
fe
Small Signal Current Gain I
C
=2mA
f = 1 kHz V
CE
=5V
Typ.
BC107
250
BC107 Gr. A
190
BC107 Gr. B
300
BC108
370
BC108 Gr. A
190
BC108 Gr. B
300
BC108 Gr. C
500
BC109
370
BC109 Gr. B
300
BC109 Gr. C
550
Rys. 6 Zależność wzmocnienia od prądu
kolektora
36
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/99
h
2
To jak jest z używanym do tej pory, nie−
precyzyjnym parametrem oznaczanym
Pierwsze kroki
Na pewno możesz zmierzyć parame−
try konkretnego egzemplarza w warun−
kach, w jakich będzie pracował. Ale w
praktyce coś takiego robimy bardzo rzad−
ko.
Rys. 7 Zależność wzmocnienia od prądu
tranzystora BDV65
No to jaką wartość wzmocnienia
prądowego masz wziąć do ewentualnych
obliczeń?
Uważaj! Doszliśmy do bardzo waż−
nych wniosków praktycznych:
Po pierwsze do poważnych obliczeń
projektowych trzeba wziąć spodziewane
parametry najgorszego egzemplarza. A
do obliczeń mniej poważnych? Niestety,
tak samo! Nawet gdy zmierzysz wzmoc−
nienie konkretnego egzemplarza dla prze−
widywanych warunków pracy. Bo co
wtedy, gdy tranzystor się zepsuje i ktoś
go wymieni na jakikolwiek egzemplarz te−
go samego typu?
W katalogu szukaj więc tylko wskazó−
wek, jakie może być wzmocnienie mini−
malne związane z rozrzutem, prądem ko−
lektora czy częstotliwością.
Po drugie, tranzystory trzeba wyko−
rzystywać w taki sposób, żeby nieunik−
nione rozrzuty ich parametrów nie wpły−
wały na działanie układu. Jak? Stosując
układy pracy nieco inne, niż te podsta−
wowe, “książkowe”, pokazane na ry−
sunku 2. Sprawę tę omówimy w je−
dnym z następnych odcinków. A już te−
raz ci powiem, że zawsze warto stoso−
wać tranzystory o jak największej war−
tości wzmocnienia prądowego. I to
wszystko!
Rys. 9 Wzmocnienie „Darlingtona“ w funkcji
częstotliwości
dnie opisać jego działanie należałoby
posługiwać się dość złożonym mode−
lem, co najmniej takim jak na rysunku 3
z poprzedniego odcinka lub jeszcze bar−
dziej skomplikowanym.
Uważasz, że dwa odcinki poświęcone
modelom tranzystora to dużo? Jeśli tak,
to zajrzyj do podręczników ze szkoły śre−
dniej, albo lepiej akademickich, a przeko−
nasz się, ile tam poświęcono miejsca te−
mu tematowi, a także jak katuje się u−
czniów i studentów, każąc im przeprowa−
dzać obliczenia opierające się na arbitral−
nie przyjętych (żeby nie powiedzieć − wy−
ssanych z palca) wartościach parame−
trów h.
Nie miej pretensji do mnie, bo to nie z
mojej winy okazało się, że przeciętny
konstruktor−amator (i nie tyko amator) nie
przeprowadza obliczeń z wykorzystaniem
parametrów h. Przedstawiony materiał
ma ci jedynie rozszerzyć horyzonty i po−
móc wyciągnąć pewne wnioski.
Teraz nie będziesz się bał katalogo−
wych parametrów h. Z grubsza wiesz, ja−
ki sens ma każdy z nich. Okazało się to
wszystko łatwe do zrozumienia. Jeśli
więc będziesz chciał przeprowadzać teo−
retyczne obliczenia, skorzystasz z katalo−
gowych parametrów h, związanych z ry−
sunkiem 3b i odpowiednich wzorów (któ−
rych ci tu nie podałem, a które straszą w
licznych podręcznikach). Ale mnie w to
nie mieszaj! Ja w następnych odcinkach
zajmę się praktycznymi sposobami obli−
czeń prostych wzmacniaczy tranzystoro−
wych, a do tego będzie potrzebna tylko
szacunkowa wartość wzmocnienia
prądowego.
lektora. Wykres dotyczy dość popularne−
go tranzystora 2N5400/5401.
A i to nie koniec! Rysunek 9 przedsta−
wia zależność wzmocnienia od częstotli−
wości tranzystora mocy (Darlingtona) ty−
pu 2N6040...6045. Jak widać, wzmocnie−
nie szybko spada ze wzrostem częstotli−
wości. Na szczęście tak małe pasmo
mają tylko (i to nie wszystkie) tranzystory
Darlingtona. Pojedyncze tranzystory ma−
łej i dużej mocy mają pasmo znacznie
szersze.
Przeanalizuj przedstawione informa−
cje. I co? Czy katalog pozwoli określić
wzmocnienie danego tranzystora? Wszy−
stko wskazuje, że nie! Może trzeba je po
prostu zmierzyć?
Nie myśl jednak, że rozwiążesz problem
mając multimetr cyfrowy z funkcją pomiaru
wzmocnienia tranzystorów. Co zmierzysz?
Zmierzysz wzmocnienie stałoprądowe przy
nieznanym prądzie kolektora. A w twoim u−
kładzie tranzystor będzie pracował przy in−
nym prądzie kolektora... I wzmocnienie sta−
łoprądowe (nie mówiąc o zmiennoprądo−
wym) będzie inne. A temperatura, częstot−
liwość?
Popadasz pomału w rozpacz? Czyżby
miało się okazać, że cała wiedza o para−
metrach hybrydowych zda się psu na
budę, bo “często pomijamy h
11
, h
12
, h
22
”,
a z kolei wartość h
21
jest niewiadoma ze
względu na koszmarnie duży rozrzut pa−
rametrów pomiędzy egzemplarzami oraz
ze względu na zależność od prądu kolek−
tora, temperatury i częstotliwości pracy?
Aż tak źle nie jest!
Podsumowanie
Jeśli tak, to po co ta cała zabawa z
czarnymi skrzynkami, modelami, itd.? Ko−
mu potrzebne były teoretyczne rozważa−
nia?
Nie denerwuj się! Tłumaczę ci tu ło−
patologicznie bardzo ważną, i w sumie
dość prostą sprawę: chcesz przecież zo−
stać konstruktorem i projektować ukła−
dy, a przynajmniej zrozumieć działanie
tranzystora. Okazało się, że ten nasz
tranzystor to paskudny twór, i wcale nie
tak łatwo opisać precyzyjnie jego para−
metry, by potem przeprowadzić dokła−
dne obliczenia projektowe. Żeby dokła−
Piotr Górecki
Rys. 8 Zależność wzmocnienia od prądu i temperatury dla tranzystorów 2N5400/5401
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/99
37
[ Pobierz całość w formacie PDF ]