tranzystor12, Elektronika, Tranzystory(1)

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pierwsze kroki
część
12
dla początkujących
Układ ze wspólnym kolektorem
W poprzednich odcinkach przedstawiłem model tranzystora. Od pewnego czasu krążymy wokół tematu, którego nie sposób
ominąć. Musisz dobrze zapoznać się z właściwościami tranzystora pracującego w układach wspólnego kolektora, wspólnego
emitera i wspólnej bazy. Teraz masz wszelkie informacje, które sprawią, że takie zapoznanie wcale nie będzie bolesne,
a może nawet być przyjemne. Dla rozgrzewki pod lupę weźmiemy najpierw “prosty” układ ze wspólnym kolektorem.
Od razu przgotuj sobie EdW 11/98, bo będziesz korzystał z zamieszczonych tam rysunków.
Wspólny kolektor – OC
Literki OC w śródtytule to międzynaro−
dowy skrót oznaczający właśnie wspólny
kolektor; w krajowej literaturze spotkasz
często skrót WK. Przykład realizacji ukła−
du ze wspólnym kolektorem znajdziesz
na rysunku 1. W przykładach, które oma−
wiałem wcześniej sygnał wyjściowy za−
wsze występował na kolektorze. Teraz
kolektor podłączony jest wprost do szyny
zasilania, a wyjściem jest emiter. Nic nie
szkodzi − podstawowa zasada działania u−
kładu OC jest beznadziejnie prosta: jak
pamiętasz, złącze baza−emiter możesz
traktować jak najzwyklejszą diodę. W cza−
sie normalnej pracy na tej “diodzie” wy−
wynosi 100, a napię−
cie U
BE
jest równe 0,6V.
Od czego zacząć? Obowiązkowo od
obwodu bazy, a dokładnie − napięcia bazy.
Napięcie na bazie jest praktycznie równe
napięciu baterii B1. W rzeczywistości jest
mniejsze o niewielki spadek napięcia na
rezystorze R
B
. Na razie pomińmy ten
szczegół − niech napięcie bazy wynosi
+6V. Tranzystor jest otwarty, płynie prąd
w obwodzie kolektor−emiter. Jaki prąd?
Wartość tego prądu wyznaczona jest
przez rezystancję R
E
(270 omów) i napię−
cie na tej rezystancji (5,4V). Napięcie to,
U
E
, jest równe napięciu bazy pomniejszo−
nemu o napięcie baza−emiter U
BE
.
A co się stanie, jeśli napięcie na bazie
się zwiększy? Napięcie na emiterze też
się zwiększy. Nie masz chyba wątpliwoś−
ci, że napięcie wyjściowe (na emiterze)
podąża za zmianami napięcia bazy, będąc
cały czas niższe o około 0,6V.
Rozpatrzmy pewne przypadki szcze−
gólne dla prądów stałych. Gdy napięcie
na bazie będzie równe napięciu kolektora
(dodatniemu napięciu zasilania), wtedy
napięcie na emiterze będzie o te około
0,6V niższe. A co wtedy, gdy napięcie ba−
zy jeszcze trochę wzrośnie, powiedzmy
pół wolta powyżej napięcia zasilania? Nie−
możliwe? Wprost przeciwnie, taka sytua−
cja czasami się zdarza. Co wtedy? Po−
patrz na rysunek 2b. Nie zapominaj, że
napięcie nasycenia tranzystora (U
CEsat
)
przy niewielkich prądach wynosi kilkanaś−
cie czy kilkadziesiąt miliwoltów – tym sa−
mym podwyższając napięcie bazy powy−
żej napięcia kolektora możesz uzyskać na
emiterze napięcie wyjściowe różniące się
od napięcia kolektora tylko o te miliwolty.
Dokładnie przeanalizuj rysunek 2b i zapa−
miętaj wnioski.
A gdyby napięcie baterii B1 było zna−
cznie wyższe niż napięcie kolektora?
Wtedy prąd będzie płynął z baterii B1
przez rezystor R
B
. Jeśli wartość R
B
będzie
niewielka, to bateria B1 będzie nie tylko
zasilać nasz wzmacniacz tranzystorowy,
ale nawet ładować baterię B2. Nie jest to
groźne dla tranzystora, dopóki nie jest
przekroczony maksymalny katalogowy
prąd bazy I
Bmax
.
Rys.. 1
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99
33
Tranzystory
stępuje spadek napięcia wynoszący oko−
ło 0,6V. I to jest kluczowa informacja o u−
kładzie OC.
Przeanalizujmy wspólnie układ z rysun−
ku 2a. Zaznaczyłem ci na nim wszystkie
ważne napięcia i prądy stałe. Przyjmijmy
dla ułatwienia, że wzmocnienie prądowe
tranzystora, czyli
Pierwsze kroki
Rys.. 3
Rys.. 2
prądu stałego to rzeczywiście
działa. Zbadajmy teraz, jaka jest
oporność wejściowa i wyjściowa
wtórnika emiterowego dla prze−
biegów zmiennych.
Oporność wejściowa to stosunek
(zmiennego) napięcia wejściowego do
A co będzie, gdy napięcie bazy będzie
wynosić 0...0,5V? Sytuację ilustruje rysu−
nek 2c. Dla napięć z tego zakresu tranzy−
stor będzie praktycznie zatkany i napięcie
wyjściowe będzie równe zeru. A dlacze−
go tylko od zera do 0,5V, a nie 0,6V? Po−
równaj rysunek 6 w EdW 11/98 str. 66 i
przekonaj się, że znaczący prąd bazy po−
jawi się dla napięć U
BE
większych od
0,5V. Kwestia 0,5 czy 0,6V to mniej waż−
ne szczegóły − nie musisz się w nie
wgłębiać.
Ogólnie wszystko jest jasne i proste.
Wzmacniacz OC wprawdzie nie wzmac−
nia napięcia, ale wzmacnia prąd. Zwróć u−
wagę, że napięcie na obciążeniu podąża
za napięciem wejściowym (będąc od nie−
go o 0,6V mniejsze), a co najważniejsze –
prąd bazy, obciążający źródło sygnału jest
zuje problem. Przykład takiego zastoso−
wania pokazany jest na rysunku 3. Zwróć
uwagę, że nie ma tu potrzeby stosowa−
nia rezystora R
B
.
Idziemy dalej.
Rysunkii 2 ii 3 dotyczą napięć i prądów
stałych. A jakie będą właściwości układu
OC dla przebiegów zmiennych?
W analizie układu z rysunku 1 pomoże
rysunek 4. Nie jest to jakiś inny wtórnik –
nadal tranzystor spolaryzowany jest na−
pięciem stałym i płyną stałe prądy bazy
oraz emitera. I na te stałe prądy i napięcia
nałożone są przebiegi zmienne. Stałe na−
pięcie polaryzujące na bazie tranzystora z
rysunku 4a wynosi 6,6V i na to napięcie
nałożony jest przebieg sinusoidalny
o wartości międzyszczytowej równej 4V.
Przebiegi na bazie, emiterze i na wyjściu
pokazane są na rysunku 4b. Porównanie
przebiegów U
I
, U
O
(które są praktycznie
jednakowe) rodzi pytanie, po co taki
wzmacniacz, który nie wzmacnia?
Wbrew pozorom, taki wzmacniacz
jest bardzo potrzebny i często stosowa−
ny. Zapewne się już domyślasz, że chodzi
o wzmocnienie prądu. Musisz to dobrze
zrozumieć, dlatego pomęczę cię trochę i
przeanalizujemy sprawę oporności wej−
ściowej i wyjściowej. Popatrz na rysunek
5. Niech nasze źródło sygnału – genera−
tor – o jakimś napięciu U
G
ma oporność
wewnętrzną R
G
, powiedzmy 1k

. Gdy−
byśmy bezpośrednio dołączyli do niego
oporność obciążenia R
L
równą 600
−krotnie mniejszy od prądu obciążenia
(ściślej
β
+1−krotnie, ale to nie ma w prak−
tyce absolutnie żadnego znaczenia). Po−
nieważ w układzie wspólnego kolektora
napięcie na wyjściu powtarza zmiany na−
pięcia wejściowego (wtóruje mu), jest on
bardzo często nazywany wtórniikiiem. Że−
by było śmieszniej – wtórniikiiem emiitero−
wym.
Zapamiętaj: wtórnik emiterowy to
wzmacniacz tranzystorowy w układzie
OC.
Stałoprądowy wzmacniacz OC jest
bardzo często wykorzystywany w roli bu−
fora – w wielu wypadkach obciążenia nie
można podłączyć wprost do jakiegoś
punktu w układzie, a zastosowanie bufo−
ra w postaci jednego tranzystora rozwią−
, na−
pięcie w punkcie X spadłoby o ponad
60% (do 37,5%U
G
). Gdy jednak podłączy−
my obciążenie równe na przy−
kład 10k
, napięcie to spadnie
tylko o niecałe 10% (do ok.
91%U
G
). Popatrz uważnie na ry−
sunek 4. Chcielibyśmy, żeby o−
porność wejściowa naszego
wtórnika (dla prądów zmien−
nych) była jak największa. Zape−
wne już gdzieś czytałeś, że to
właśnie układ ze wspólnym ko−
lektorem stosowany jest w przy−
padkach, gdy do źródła sygnału
mającego znaczny opór we−
wnętrzny trzeba podłączyć ob−
ciążenie o małej oporności. Prze−
konałeś się, że w obwodach
Rys.. 4a
Rys.. 4b
34
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99
 Pierwsze kroki
) równe 100. W wa−
runkach pokazanych na
rysunku 4 przy średnim napięciu stałym
emitera równym +6V przez rezystor R
E
(300

) płynie średni prąd 20mA, więc
średni prąd bazy wynosi 0,2mA. Chwilo−
we napięcie i prąd emitera zmieniają się
w takt sygnału: w “dolinach” spadają do
wartości 4V, 13,3(3)mA, a w szczytach
wzrastają do 8V, 22,6(6)mA.
Odpowiednio zmienia się też prąd ba−
zy – oscyluje on między wartościami
0,13(3)...0,26(6)mA mając średnią war−
tość równą 0,2mA. Czyli przy zmianach
napięcia wejściowego o 4V, prąd bazy
zmienia się tylko o

I = 0,26(6) – 0,13(3) = 0,13(3)mA.
A więc rezystancja wejściowa nasze−
go tranzystora z rysunku 4 wynosi:
Rwe = 4V / 0,13(3)mA = 30k

Aż 30k
Rys.. 6
. Już z tego powodu oporność
wejściowa dla prądów zmiennych, wi−
dziana od strony bazy wyniesie nie 30k

tylko 200
cie U
G
, bo nie chciałem zamącić obrazu.
Teraz możesz to łatwo obliczyć na pod−
stawie rysunku 6a albo 6b. Wychodzi, że
U
G
=4,4Vpp.
Mam nadzieję, iż wszystko jest jasne.
Wyciągnijmy wnioski. W układzie stało−
prądowym z rysunku 2 bufor transformu−
je oporności
.
Ale to nie koniec. Dotychczasowe roz−
ważania nadal nie uwzględniają rezystan−
cji R
B
. Tymczasem rezystancja ta też jest
obciążeniem dla generatora G. Bateria B1
ma oporność wewnętrzną równą lub
bliską zeru, a więc dla prądów zmiennych
stanowi zwarcie, podobnie jak kondensa−
tor o dużej pojemności (zapamiętaj to raz
na zawsze). Jeśli tak, to ostatecznie ge−
nerator G jest obciążony równoległym
połączeniem rezystancji R
B
(20k

) i obli−
czonej rezystancji wejściowej tranzystora
(20k

), czyli rezystancją równą 10k

.
Ilustruje to rysunek 6a. Obciążenie R
L
podłączyliśmy do źródła (generatora)
przez wtórnik. Skoncentruj się! Źródło
“widzi” nasze obciążenie nie jako rezy−
stancję 600

, tylko jak wyliczyliśmy –
10k

. Czy to zrozumiałeś? Wtórnik zwię−
kszył oporność obciążenia widzianą od
strony źródła (teoretycznie
β
−krotnie, w
praktyce mniej). Zapamiętaj takie sformu−
łowanie – spotkasz je w literaturze. Spot−
kasz też inne stwierdzenie: “wtórnik
zmniejsza oporność (impedancję)
wyjściową układu”. To nie jest uzupełnie−
nie poprzedniego wniosku, tylko wyraże−
nie go w inny sposób, z innego punktu
widzenia. Gdy mianowicie rozpatrujemy
sytuację widzianą od strony obciążenia,
to stosowne jest to drugie stwierdzenie.
Ilustruje to
rysunek 6b
. Zastosowanie
wtórnika spowodowało, że obciążenie
“widzi” iż generator ma oporność
wyjściową znacznie mniejszą od R
G
(teo−
retycznie
β
−krotnie, praktycznie mniej). W
naszym przykładzie oporność wyjściowa
(generatora z wtórnikiem) widziana od
strony obciążenia wynosi 60

. Nic dzi−
wnego, że wtórnik emiterowy jest też na−
zywany (aktywnym) transformatorem im−
pedancji.
Dokładnie przemyśl tę sprawę i je−
szcze raz przeanalizuj rysunki 4...6. Na ry−
sunku 4 nie podałem ci, ile wynosi napię−
x100=20k
−krotnie. W układzie zmien−
noprądowym z rysunku 4 nie uzyskasz
β

krotnej transformacji impedancji ze
względu na obecność rezystora(−ów) po−
laryzacji bazy oraz wpływu R
E
. Mimo to
wzmocnienie prądowe (
) tranzystora po−
winno być jak największe, jak największe
powinny być też rezystancje polaryzujące
w obwodzie bazy.
Uzbrojony w podaną wiedzę możesz
sam obliczyć, jaka będzie oporność wej−
ściowa budowanych przez ciebie wtórni−
ków. Ale wcześniej kilka ważnych dro−
biazgów.
Oto pierwszy. Na rysunku 7 znajdziesz
schemat wtórnika emiterowego, spoty−
kany w licznych książkach. Na pierwszy
rzut oka wszystko jest dobrze – nawet
bardzo dobrze, bo rezystancja polaryzu−
jąca w obwodzie bazy ma dużą wartość.
Uważaj teraz!
Gdy w jakiejś publikacji ktoś ci propo−
nuje budowę urządzenia zawierającego
taki wynalazek, możesz śmiało podejrze−
wać, że układ nie był rzetelnie sprawdzo−
ny i przetestowany, a jego twórca nie−
wiele zna się na elektronice i prawdopo−
dobnie nie zasługuje na miano konstruk−
tora. Z ubolewaniem trzeba stwierdzić,
że w amatorskiej literaturze do dziś po−
kutuje sporo układów z takimi “kwiatka−
mi”. Dlaczego jest to bardzo ryzykowne
, czyli 100−krotnie więcej niż
wynosi rezystancja R
E
. Czy te 100−krotnie
to przypadek? Nie!
Sprawdź dla jakiejkolwiek wartości
wzmocnienia (
β
), że także dla przebiegów
zmiennych oporność wejściowa wtórnika
będzie
β
−krotnie większa niż oporność e−
miterowa.
Ale to nie koniec. Czy rzeczywiście
tranzystorowy wzmacniacz z rysunku 4
ma dla przebiegów zmiennych rezy−
stancję wejściową równą 30k

?
Nie i to z dwóch powodów.
Po pierwsze pominęliśmy oporność
obciążenia R
L
. Dołączenie obciążenia
spowoduje, że dla prądów zmiennych
wypadkowa oporność rezystancji między
emiterem a masą będzie równa równo−
ległemu połączeniu R
E
i R
L
(zakładamy, że
C
E
ma bardzo dużą pojemność). Przy war−
Rys.. 5
Rys.. 7
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99
35
(zmiennego) prądu wej−
ściowego. W układzie z
rysunków 4 i 5 mamy
napięcie wejściowe (w
punkcie X) o wartości
4Vpp, musimy obliczyć
jakie są zmiany prądu
wejściowego. Na razie
przeanalizujmy jak za−
chowuje się sam tran−
zystor, bez wejścio−
wych obwodów polary−
zacji i bez obciążenia re−
zystancją R
L
. Załóżmy,
że tranzystor ma
wzmocnienie prądowe
(
tościach podanych na rysunku 4 obciąże−
nie dla przebiegów zmiennych będzie ró−
wne 200
Pierwsze kroki
rozwiązanie? Przekonaj się sam! Określ
napięcie stałe na emiterze tranzystora z
rysunku 7 przy podanych wartościach
R
B
= 1M
i R
E
= 5k
Co prawda, jeśli konstruujesz jeden układ
dla własnych potrzeb, to od biedy
mógłbyś sobie pozwolić na układ z rysun−
ku 7. Dobrałbyś eksperymentalnie war−
tość R
B
, by uzyskać napięcie na R
E
równe
mniej więcej połowie napięcia zasilania.
Ale co wtedy, gdy po pewnym czasie
tranzystor ulegnie uszkodzeniu? Czy ktoś
reperujący twe urządzenie będzie pamię−
tał o konieczności dobrania rezystora R
B
,
czy wlutuje pierwszy lepszy tranzystor te−
go samego lub podobnego typu?
Dobry konstruktor nie może sobie poz−
wolić na takie niedoróbki. Musi przewi−
dzieć, że w układzie mogą być zastoso−
wane tranzystory o różnym wzmocnie−
niu, i albo podać warunek, że wzmocnie−
nie tranzystora ma być większe, np. od
300 (np. stosując tranzystory z grup B lub
C), albo zaproponuje rozwiązanie uniwer−
salne tolerujące tak duży rozrzut parame−
trów.
A jakie to miałoby być rozwiązanie uni−
wersalne? W praktyce wystarczy zasto−
= 50 (np. jakiś stary tranzystor
BC527 czy BF519)
β
= 200 (przeciętny współczesny tran−
zystor małej mocy)
β
= 1000 (selekcjonowany tranzystor z
grupy C)
Jak to liczyć? Nawet nie trzeba prze−
prowadzać szczegółowych obliczeń, tyl−
ko zrozumieć sedno sprawy. Biorąc rzecz
w największym uproszczeniu powiemy,
iż w układzie z tranzystorem o małym
wzmocnieniu prąd bazy będzie stosunko−
wo duży, a przy dużym wzmocnieniu
prąd bazy będzie malutki. Ten prąd pola−
ryzacji bazy płynie przez rezystor R
B
i wy−
wołuje na nim spadek napięcia: czym
większy prąd, tym większy spadek napię−
cia. Już tu widać, że zastosowanie tranzy−
stora o małym wzmocnieniu spowoduje,
że napięcie stałe na rezystorze R
E
będzie
małe, nawet bardzo małe. Przy dużej war−
tości wzmocnienia napięcie na rezystorze
R
E
będzie duże, niewiele mniejsze od na−
pięcia zasilającego. Najczęściej chcieli−
byśmy, by napięcie stałe na R
E
było ró−
wne połowie napięcia zasilania – wtedy
nasz wtórnik będzie mógł przenosić bez
zniekształceń nawet duże sygnały. Ilu−
struje to rysunek 8..
Ponieważ jest to ważne, proponuję,
byś samodzielnie wykonał dokładniejsze
obliczenia napięć w układzie z rysunku 7.
Rys.. 10
i wypadkowej o−
porności R
E
i R
L
). Ilustruje to rysunek 10.
Zmiany wzmocnienia tranzystora niewie−
le tu zmienią.
Jaki stąd wniosek? Bardzo prosty – w
swoich układach powinieneś stosować
tranzystory o jak największym wzmocnie−
niu – wtedy stały prąd bazy będzie mały i
wtedy będziesz mógł zastosować duże
wartości rezystorów dzielnika w obwo−
dzie bazy.
W praktyce często udaje się ominąć
ten problem i dołączyć bazę wprost do
poprzedniego stopnia, o ile napięcie stałe
jest tam właściwe. Przykład pokazany
jest na
rysunku 11
.
Przy okazji drobne przypomnienie: w
dotychczasowych rozważaniach pokazy−
wałem ci układy z tranzystorem NPN. Nic
nie stoi na przeszkodzie, być budował
wtórniki z tranzystorami PNP. Schemat
będzie ten sam, trzeba tylko odwrotnie
podłączyć bieguny zasilania i ewentualnie
odwrotnie włączyć kondensatory elektro−
lityczne. Przykład masz na rysunku 11b.
Za miesiąc podam kolejne ważne
informacje o wzmacniaczu ze wspólnym
kolektorem
Rys.. 9
Rys.. 8
sować dzielnik napięcia R1, R2 według
rysunku 9. I tu powinieneś raz na zawsze
przyswoić sobie ważną zasadę: jeśli
chcesz się uniezależnić od wzmocnienia
tranzystora, prąd stały płynący przez rezy−
story dzielnika powinien być przynajmniej
kilkakrotnie większy, niż spodziewany
prąd obciążenia tego dzielnika, czyli stały
prąd bazy.
Oblicz teraz, jak zmieni się napięcie na
emiterze tranzystora w układzie z rysun−
ku 9, gdzie prąd dzielnika jest kilkakrotnie
większy od spodziewanego największe−
go prądu bazy. Obliczenia przeprowadź
jak poprzednio dla wartoś−
ci
Napięcie zasilające rozłoży się na trzy
części:
Uzas = U
RB
+ U
BE
+ U
RE
Przyjmijmy napięcie U
BE
=0,6V.
Uzas = I
B
*R
B
+ 0,6V +
Piiotr Góreckii
: 50, 200 i 1000.
I co? Teraz lepiej?
Ale nie należy też prze−
sadzać ze zwiększaniem
prądu dzielnika w obwo−
dzie bazy. Nic za darmo!
Większy prąd to mniejsze
rezystancje dzielnika i
mniejsza wypadkowa rezy−
stancja wejściowa całego
wtórnika. Przykładowo dla
układu z rysunku 9 opor−
ność wejściowa dla prze−
biegów zmiennych wynosi
około 20 kilolomów i nie−
*I
B
*R
E
przekształcamy kolejno, by obliczyć
prąd bazy
Uzas = I
B
(R
B
+
*R
E
) +0,6V
I
B
(R
B
+
β
*R
E
) = Uzas – 0,6V
I
B
= (Uzas – 0,6V) / (R
B
+
*R
E
)
Potem znając I
B
obliczamy
U
E
=
*I
B
*R
E
Wykonaj obliczenia dla trzech poda−
nych wartości
β
.
I co? Przekonałeś się ostatecznie, że
w układzie z rysunku 7 napięcie stałe na
emiterze zależy ogromnie od wzmocnie−
nia tranzystora. To jest poważna wada.
Rys.. 11
36
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99
dla trzech egzem−
plarzy tranzystorów o różnym wzmocnie−
niu:
β
wiele zależy od wzmocnienia tranzystora,
bo jest określona głównie przez rezystan−
cje dzielnika R1 i R2. Ponieważ dla prze−
biegów zmiennych bateria zasilająca sta−
nowi zwarcie (w praktyce zwarcie takie
zapewniają kondensatory filtrujące napię−
cie zasilania), więc dla przebiegów zmien−
nych rezystory dzielnika z rysunku 9 są
połączone równolegle, a do tego docho−
dzi rezystancja wejściowa tranzystora (i−
loczyn wzmocnienia
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]