Tranzystory realizacje, elektronika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]Pierwsze kroki
Tranzystory
dla początkujących
część
16
Realizacje praktyczne
Po zapoznaniu się z właściwościami wzmacniacza ze wspólnym emiterem masz wszystkie informacje potrzebne do
samodzielnego zaprojektowania takiego wzmacniacza.
Dziś wspólnie wykonamy dwa przykłady. Co trzeba wiedzieć na wstępie i jekie przyjąć założenia.
Projektowanie
wzmacniacza OE
2.. Drugi, przeznaczony do jakiegoś
urządzenia sygnalizacyjnego ma wzmac−
niać przebiegi zmienne (akustyczne) zmi−
krofonu elektretowego jak najwięcej,
apoziom zniekształceń nie ma znaczenia.
Wkażdym przypadku musisz nie tylko
skupić się na wzmacniaczu, ale też
uwzględnić "co siedzi" na wyjściu i wej−
ściu.
zystancja wyjściowa naszego wzmacnia−
cza 5...10 razy mniejsza od rezystancji ob−
ciążenia. Rezystancja wyjściowa wzmac−
niacza OE jest równa rezystancji rezysto−
ra wkolektorze − awięc rezystor Rc powi−
nien mieć wartość 1...2,2k
Wpodręcznikach spotkasz różne sche−
maty i różne sposoby obliczeń. Nie ma
jednego, najlepszego schematu i sposo−
bu. Możesz na przykład wykorzystać
"przejrzysty" układ z rysunku 10 (EdW
4/99). Nie znaczy, że powinien się on stać
podstawą konstruowanych przez Ciebie
wzmacniaczy. Czasem wykorzystasz
któryś układ z rysunku 9. Ale w praktyce
i tak najczęściej będziesz wykorzystywał
wzmacniacze operacyjne (zajmiemy się
tym już niedługo). Tranzystory będziesz
stosował raczej tylko wukładzie wtórnika
(ze wspólnym kolektorem) oraz w ukła−
dach przełączających. Ale nie wypada,
byś nie potrafił wrazie potrzeby zaprojek−
tować wzmacniacza tranzystorowego.
Spróbujmy więc zaprojektować wspólnie
dwa wzmacniacze wukładzie OE.
1.. Pierwszy − wzmacniacz mikrofonu
dynamicznego − powinien mieć wzmoc−
nienie dla przebiegów zmiennych (aku−
stycznych) równe 20, a zniekształcenia
powinny być możliwie małe. Napięcie za−
silające wynosi 12V.
. Przyjmijmy
, by zmniejszyć prąd pobie−
rany przez nasz wzmacniacz. Jeśli
wzmocnienie ma być równe 20, wypad−
kowa "rezystancja emiterowa" musi wy−
nieść 110
Prrzzyykkłłaad 1
Niech w pierwszym przypadku mikro−
fon dynamiczny ma rezystancję wewnę−
trzną 200
. Aby zwiększyć stabilność
stałoprądowego punktu pracy, niech rezy−
stancja emiterowa dla prądu stałego R
E1
wynosi na przykład R
C
/5, czyli około
470
, a wyjście projektowanego
wzmacniacza będzie obciążone rezystan−
cją następnego stopnia równą 10k
. Teraz należy jeszcze dobrać rezy−
story dzielnika wobwodzie bazy.
Przy dobieraniu rezystorów w obwo−
dzie bazy należy wziąć pod uwagę kilka
czynników. Dzielnik należy dobrać tak, by
napięcie stałe na kolektorze było ustawio−
ne "wpołowie zakresu roboczego". Ponie−
waż w tym przypadku wzmacniamy nie−
wielkie sygnały mikrofonowe, bez zasta−
nowienia możemy ustawić napięcie ko−
lektora równe połowie napięcia zasilają−
cego. Dzielnik R
B1
,R
B2
w układzie z rryy−
ssunkku 24 ma dać na bazie takie napięcie
stałe, by na kolektorze napięcie stałe
wynosiło około 6V. Wynika stąd,
. Za−
stosujemy układ zrysunku 10. Aby sygnał
nie był niepo−
trzebnie tłu−
miony, rezy−
stancja wej−
ściowa nasze−
go wzmacnia−
cza powinna
być 5...10 razy
większa od re−
zystancji we−
wnętrznej mi−
krofonu, a re−
Ryyss.. 10
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99
35
wartość 2,2k
Pierwsze kroki
. Rezy−
stancja wejściowa całego
wzmacniacza dla przebiegów
zmiennych będzie równa rów−
noległemu połączeniu tej re−
zystancji wejściowej tranzy−
stora (min. 10k
czyli 10k
nienia i w razie potrzeby skorygować
wartość tego czy innego rezystora.
W każdym razie zawsze musisz
uwzględnić zarówno rezystancję źródła
sygnału − wzmacniacz musi mieć rezy−
stancję wejściową (kilkakrotnie) większą
niż rezystancja wewnętrzna źródła oraz
rezystancję obciążenia − rezystancja wyj−
ściowa (praktycznie wartość R
C
) powinna
być mniejsza niż zewnętrzna rezystancja
obciążenia. W przypadku, gdy zewnętrz−
na rezystancja obciążenia jest mała, nale−
ży dodać na wyjściu wtórnik emiterowy.
) irezystancji
RB1, RB2 (6,8k
).
Nietrudno obliczyć, że wy−
niesie ona co najmniej
(10k
, 36k
Ryyss.. 24
.
To bardzo dobrze, bo rezystancja wejścio−
wa jest ponad 10 razy większa od rezy−
stancji wewnętrznej mikrofonu (mikrofon
200−omowy nie powinien być obciążony
rezystancją mniejszą niż 1k
||6,8k
||36k
) 3,6k
=2,7mA, a napięcie na rezysto−
rze R
E1
1,27V. Stąd napięcie stałe na ba−
zie (i rezystorze R
B2
powinno wynosić
mniej więcej 1,27V+0,6V=1,87V, ana R
B1
około (12−1,87) 10,13V. Przy założeniu, że
nie zastosujemy jakiegoś archaicznego
tranzystora z odzysku, śmiało możemy
założyć, że współczynnik wzmocnienia
prądowego
Prrzzyykkłłaad 2
Drugi wzmacniacz ma wzmacniać
przebiegi z dwukońcówkowego mikrofo−
nu elektretowego (który możemy śmiało
traktować jako źródło prądowe), a obcią−
żeniem jest wejście bramki CMOS
(Schmitta). Tym samym rezystancja ob−
ciążenia tym razem jest bardzo duża iwy−
nosi setki megaomów. Zastosujemy
zmodyfikowany schemat z rysunku 9b −
ostatecznie układ będzie wyglądał jak na
rryyssunkku 25.
).
Ostatecznie układ będzie wyglądał jak
na rysunku 24.
Do pełni szczęścia brakuje jeszcze
wartości pojemności. Dla najniższych
częstotliwości roboczych (przyjmujemy
20Hz) reaktancja pojemnościowa powin−
na być mniejsza niż współpracująca z nią
rezystancja. Dla C1 będzie to re−
zystancja wejściowa (3,6k
nie będzie mniejszy niż
100. Tym samym prąd bazy nie będzie
większy niż 2,7mA/100=27
A. Prąd dziel−
nika wobwodzie bazy powinien być kilka−
krotnie większy od maksymalnego
spodziewanego prądu bazy. Niech będzie
10−krotnie większy: 10*27
),
dla C2 − rezystancja RE2 (120
),
A=0,27mA.
Suma rezystancji dzielnika (dla ułatwienia
pomijamy prąd bazy) wyniesie więc oko−
ło (12V/0,27mA) 44k
).
Skorzystamy ze wzoru
C= 0,16 / (fR)
pamiętając, że gdy podajemy
częstotliwość w hercach, a re−
zystancję w omach to, wynik
wychodzi wfaradach.
Stąd minimalne pojemności
C1 − 2,2
. W pierwszym
przybliżeniu (znów pomijając prąd bazy)
możemy przyjąć, że stosunek rezystancji
R
B1
/R
B2
musi być równy stosunkowi na−
pięć na nich występujących czyli, około
(10,13V/1,87V) 5,42 do 1. Nietrudno obli−
czyć, że rezystancja R
B2
wyniesie mniej
więcej 44k
F
C2 − 67
F
/(5,42+1) czyli 6,8k
, a R
B1
F
Zastosujemy wartości więk−
sze, na przykład:
C1 − 4,7
Ryyss.. 25
. W tych uproszczo−
nych obliczeniach pominąłem prąd bazy
(nie większy niż 27
) 36k
A). Nie zmieni to
w istotnym stopniu warunków pracy, ale
w praktycznym układzie można zmierzyć
rzeczywiste napięcie stałe na kolektorze
iewentualnie skorygować wartość które−
gokolwiek zrezystorów R
B1
lub R
B2
.
Aby wzmocnienie napięciowe wynio−
sło 20, wypadkowa rezystancja emitero−
wa dla przebiegów zmiennych powinna
być równa 110
F
Analizę zaczniemy tym razem od wej−
ścia. Mikrofon elektretowy, będący
wistocie źródłem prądowym (dzięki obe−
cności wbudowanego weń tranzystora
polowego) daje sygnał proporcjonalny do
wartości rezystora obciążenia. W roli ob−
ciążenia mikrofonu zastosujemy poten−
cjometr owartości 10k
C2 − 100
F
F
Wobliczeniach tych nie zajmowaliśmy
się poziomem zniekształceń i szumów.
Wiedza, którą już posiadłeś zapewne
podpowiada, że należałoby zastosować
stabilizację lub filtrację napięcia zasilają−
cego. Nie będę tego omawiał, ponieważ
to jest już wyższy stopień wtajemnicze−
nia i wymaga wielu dodatkowych infor−
macji. Nie będziemy się w to wgłębiać,
ponieważ dziś wzmacniacze o wysokich
parametrach budujemy z wykorzysta−
niem układów scalonych. Podany przy−
kład ma tylko pokazać, jak można w pro−
sty (wystarczający w praktyce) sposób
obliczyć elementy wzmacniacza. Pamię−
taj, że takie obliczenia nie uwzględniają
wszystkich szczegółów iże po zbudowa−
niu wzmacniacza warto sprawdzić napię−
cie stałe na kolektorze i wartość wzmoc−
, by móc regulo−
wać czułość układu. Rezystancja wejścio−
wa naszego wzmacniacza powinna być
większa od rezystancji potencjometru
i powinna wynosić co najmniej kilkadzie−
siąt kiloomów. Na razie pomińmy rezy−
stancję R
B2
. Rezystancja wejściowa sa−
mego tranzystora wtakim układzie pracy
będzie równa wewnętrznej rezystancji re
pomnożonej przez wzmocnienie prądo−
we tranzystora. Ponieważ rezystancja
wejściowa tranzystora ma być duża, co
najmniej 50k
. Na tę rezystancję złożą
się wewnętrzna rezystancja emiterowa
r
e
, wynosząca około 10
(26mV/2,7mA)
i równoległe połączenie R
E1
iR
E2
(100
).
Ponieważ R
E1
ma wartość 470
, R
E2
mu−
si mieć wartość
R
E2
= R
E
*R
E1
/ (R
E1
−R
E
)
R
E2
= 100
*470
/ (470
−100
) =
Ω.
W praktyce zastosujemy najbliższą
wartość zszeregu, czyli 120
, zastosujemy tranzystor
BC548 z grupy B lub C o wzmocnieniu
prądowym nie mniejszym niż 200. Przy
danych wartościach wewnętrzna rezy−
stancja tranzystora r
e
nie może być mniej−
.
Wypadałoby jeszcze sprawdzić, jaką
rezystancję wejściową będzie mieć nasz
wzmacniacz. Sam tranzystor (o wzmoc−
lub 130
36
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99
nieniu co najmniej 100) bę−
dzie miał rezystancję wejścio−
wą nie mniejszą niż
100*100
że prąd kolektora wyniesie około
6V/2,2k
dla C3 − RL (10k
C3 − 800
(5,42*6,8k
C3 − 4,7
47000/370 = 127
Pierwsze kroki
/200). Rezystancja re
zależy od prądu kolektora (r
e
=26mV/I
C
).
Stąd prąd kolektora nie może być więk−
szy niż 0,1mA (26mV/250
(50k
na kolektorze tranzystora nie będzie
większe niż 1...1,1V(napięcie U
BE
tranzy−
stora plus spadek napięcia na rezystorach
R
B1
, R
B2
). Tym samym napięcie na rezy−
storze R
C
(rysunek 25) wyniesie około 8V.
Prąd kolektora powinien być mniejszy niż
0,1mA, stąd wartość R
C
nie powinna być
mniejsza niż 80k
łych prądach tranzystor może mieć zde−
cydowanie mniejsze wzmocnienia. Po
drugie wzmocnienie napięciowe może
zostać ograniczone przez nieuwzględnio−
ne wobliczeniach właściwości tranzysto−
ra reprezentowane przez parametr h
22
.
Po trzecie należy pamiętać nie tylko ore−
zystancji, ale też o pojemności obciąże−
nia. Pojemność wejściowa bramki CMOS
wynosi 5...10pF. Przy częstotliwości
10kHz będzie to oporność (reaktancja) rzędu
Xc = 0,16 / (10kHz*10pF) = 1,6M
). Może być
mniejszy − wtedy rezystancja wejściowa
będzie jeszcze większa.
Przy wzmocnieniu prądowym powyżej
200 prąd bazy (płynący z kolektora przez
R
B1
, R
B2
) będzie mniejszy niż 0,5
(8V/0,1mA). Przyjmie−
my "okrągłą" wartość 100k
A.
Oczywiście wartości R
B1
, R
B2
powinny
być możliwie duże. Jeśli założymy ma−
ksymalny spadek napięcia na tych oporni−
kach równy 0,5V, to ich sumaryczna rezy−
stancja powinna wynosić około 1M
. Tak duża
wartość R
C
tym razem jest dopuszczalna,
ponieważ zewnętrznym obciążeniem jest
wejście bramki CMOS, mające ogromną
(pomijalnie wielką) rezystancję. W rezul−
tacie wzmocnienie wzmacniacza nie po−
winno być mniejsze niż 400
(100k
Ω
czyli mniejsza niż rezystancja R
C
. Jak
z tego widać, nadmierne zwiększanie R
C
spowoduje obcięcie pasma od strony wy−
sokich częstotliwości. Lepszym, choć
bardziej kłopotliwym sposobem byłoby
zastosowanie obciążenia w postaci
źródła prądowego, ale to wymaga użycia
dodatkowych elementów.
Ito wszystko, co powinieneś wiedzieć
oukładzie OE. Upewnij się, czy wszystko
zrozumiałeś, jeśli nie − albo popytaj znajo−
mych, albo napisz do mnie.
W następnym odcinku zajmiemy się
króciutko wzmacniaczem ze wspólną ba−
zą i kilkoma innymi ciekawymi zagadnie−
niami.
A). Mogą to więc być dwa re−
zystory o wartości 470...510k
. Przy tak
dużych rezystancjach pojemność C3 nie
musi być duża − dla najmniejszych często−
tliwości użytecznych (powiedzmy 50Hz)
reaktancja tego kondensatora powinna
być kilkakrotnie mniejsza od wartości
tych rezystorów (powiedzmy Xc=100k
), co z powodzeniem po−
winno wystarczyć. Wpraktyce może być
zauważalnie mniejsze ze względu na
wpływ h
22
, ale itak zapewne wystarczy.
Ito wzasadzie koniec obliczeń.
Tym razem konieczne jest zastosowa−
nie obwodu R1C1 filtrującego napięcie
zasilające mikrofonu. Bez tego obwodu,
ze względu na duże wzmocnienie, układ
wpewnych warunkach mógłby się wzbudzać.
Ktoś mógłby jeszcze zaproponować
zwiększenie rezystancji R
C
do na przykład
4,7M
/250
).
*f*Xc) = 0,16 / (f*Xc)
C2min = 0,16 / (50Hz*0,1M
) =
F=33nF
My zwiększymy tę pojemność do
100nF. Taką też pojemność może mieć
kondensator C1.
Spadek napięcia na rezystorach R
B1
,
R
B2
jest mniejszy niż 0,5V, stąd napięcie
) by jeszcze
zwiększyć rezystancję wejściową. Taka
operacja jest jednak ryzykowna z kilku
powodów. Po pierwsze przy bardzo ma−
(R
B1
, R
B2
do 22M
Piiottrr Górrecckkii
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99
37
sza niż 250
(0,5V/0,5
Stąd minimalna pojemność
C2min = 1 / (2*
0,033
[ Pobierz całość w formacie PDF ]