Tranzystory, cz12.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

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 Ω . 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

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 Ω ) 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 Ω

Aż 30k

Rys.. 6

. Już z tego powodu oporność

wejściowa dla prądów zmiennych, wi−

dziana od strony bazy wyniesie nie 30k Ω

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 Ω ) i obli−

czonej rezystancji wejściowej tranzystora

(20k Ω ), czyli rezystancją równą 10k Ω .

Ilustruje to rysunek 6a. Obciążenie R L

podłączyliśmy do źródła (generatora)

przez wtórnik. Skoncentruj się! Źródło

“widzi” nasze obciążenie nie jako rezy−

stancję 600 Ω , tylko jak wyliczyliśmy –

10k Ω . 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 Ω . 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 Ω

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

(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)

= 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−

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

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 2/99

dla trzech egzem−

plarzy tranzystorów o różnym wzmocnie−

niu:

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: