¶Tranzistor v zapojení SK.Na obrázku 0 je príklad zapojenia zosilňovacieho obvodu s tranzistorom , ktoré má pracovný odpor pripojený v emitorovom obvode a signál sa odoberá z emitora. Kolektor tranzistora je pripojený priamo na zdroj jednosmerného napätia. Z hľadiska náhradného obvodu (F) pre malý (striedavý) signál (ktorý sa vytvorí nahradením nezávislých jednosmerných zdrojov napätia ich vnútornými odpormi, teda v prípade ideálnych zdroja napätia skratom F) predstavuje kolektor spoločný vývod pre vstupnú a výstupnú časť náhradného obvodu a preto sa takéto zapojenie nazýva zapojenie so spoločným kolektorom (SK). Z hľadiska prenosových vlastností (F napäťové zosilnenie blízke jednotke, takže výstupný signál je prakticky zhodný so vstupným signálom alebo inými slovami povedané sleduje vstupný signál) sa takéto zapojenie tranzistora nazýva aj emitorový sledovač.
Na prvý pohľad je emitorový sledovač (F) so svojim napäťovým zosilnením Au~1
a prúdovým zosilnením Ai~ bF
zbytočné zapojenie. Sledovač má však podstatne väčšiu vstupnú impedanciu
(Zvs~Rvs~rp+(b+1)RE) ako výstupnú (Zvys~Rvys~(rp+Rg)/(b+1))
a preto zdroj vstupného signálu (s vnútorným odporom Rg)
potrebuje odovzdať menší výkon ak záťaž zapojíme cez sledovač. Nastavenie potrebného predpätia pre pracovný bod v stave pokoja emitorového sledovača.
Príklad 1 - návrh parametrov v zapojení sledovača. Napríklad pri návrhu zapojenia podľa obrázku pre frekvenčnú oblasť zvukových signálov (od 20Hz po 20kHz), pre pracovný bod tranzistora s emitorovým prúdom IE=1mA a napájacim napätím Ucc=15V možno postupovať nasledovne. (Pri návrhu predpokladáme, že súčiniteľ prúdového zosilnenia stanoveného pre zapojenie so spoločným emitorom (SE) bF~100. Obecne sa však nedoporučuje orientovať pri návrhu pracovného bodu tranzistora priamo na koeficient bF, nakoľko jeho hodnota môže mať podstatný rozptyl u jednotlivých tranzistorov (obr. 0b). V návrhu je použité napájanie bázy sledovača (obr. 0a) z „tvrdého“ deliča R1, R2 , ktorá udržuje pomerne stále napätie na báze a tak podstatne redukuje vplyv rozptylu hodnôt koeficienta bF na prúd bázy.)
Príklad 2 - návrh náhradného obvodu sledovača. Jednosmerné pracovné podmienky tranzistora možno určiť pomocou veľkosignálneho náhradného obvodu na obr.0d_a. Napríklad prenos jednosmerných napätí zo vstupu Ug na výstup U2 možno charakterizovať (samozrejme za predpokladu, že impedancia predstavovaná kondenzátorom |1/jwC1|-->0):
Pre malé zmeny signálu je v hodný model zobrazený na ďalšich obrázkoch 0d_b - 0d_d.
S pomocou uvedených náhradných obvodov možno určiť niektoré
základné vzťahy, charakterizujúce činnosť emitorového sledovača.
Na stanovenie výstupného odporu sledovača bol použitý pomocný
zdroj napätia un, ktorý umožňuje udržať v rovnakých
podmienkach činnosť neautonómneho zdroja gm*up aj po odstránení (nahradení skratom)
nezávislých zdrojov napätia Ucc a Ug z obvodu. µ Cieľom tejto úlohy praktika je teda demonštrácia funkcie bipolárneho tranzistora v zapojení so spoločným kolektorom (SK), predovšetkým overenie: Pravdepodobne sa texte uvedené zapojenia simulovaných obvodov budú odlišovať hodnotami súčiastok od zapojení, ktoré si vlastnoručne zhotovíte. Ovšem na základe v ďalšom uvedeného postupu predpokladám, že sa Vám podarí dosiahnuť podobné výsledky meraní. Správna funkcia tranzistora (F) vyžaduje aby dióda báza - emitor (BE) bola polarizovaná v priepustnom smere a dióda báza kolektor (CE) zase polarizovaná v nepriepustnom smere (pre tranzistor typu NPN na obrázku je polarita napájacieho napätia Ucc=+10V (pripojeného ku kolektoru) kladná voči emitoru (ktorý je pripojený na zem). Pre majoritné nosiče náboje v oblasti bázy - diery je teda prechod CE polarizovaný v závernom smere.) Podmienka vodivosti prechodu BE v obvode na obrázku 1a je len čiastočne splnená, pretože chýba jednosmerné predpätie pre diódu báza emitor. Vstupné napätie má harmonický tvar, takže z nameraných
priebehov napätí na obrázku 1b, resp. z ich porovnania možno získať
informáciu o type materialu tranzistora. (Pre vodivú diódu báza -
emitor v germániovom tranzistore je UBE=UDF~0,2V,
pre kremíkový tranzistor je UBE=UDF~0,65V). Na
základe oscilogramu obmedzenej amplitúdy výstupného napätia na obrázku
1b zrejme je použitý kremíkový tranzistor. (F)
uJednosmerné pracovné podmienky tranzistora.
Na základe odmerania jednosmerných napätí na báze UB a
na emitore UE (napríklad pri simulovanom meraní obvodu na
obrázku 1c odmerané UB=-3,2V a UE=-3,8V) a
použitých odporov možno určiť prúdy cez tranzistor ako aj ďalšie
parametre náhradného obvodu tranzistora (F statický zosilňovací činiteľ bF v zapojení SE, strmosť gm,
vstupný odpor rp a pod., podobne
ako zobrazuje výpis na obrázku 1d). Pomocou takto určených parametrov
náhradného obvodu tranzistora možno potom vypočítať (skontrolovať)
ďalšie parametre emitorového sledovača (napätový a prúdový zisk, vstupný
a výstupný odpor tranzistora a pod., ktoré budete v ďalšom merať a
stanovovať.) Na záver potom nezabudnite porovnať vypočítané
charakteristické parametre zosilňovacieho obvodu s nameranými. u Meranie s generátorom harmonického signálu.Za prepokladu, že ste po zaletovaní zapojenia už spokojný(á) s nastavenými pracovnými podmienkami tranzistora, (napätiami odmeranými jednosmerným voltmetrom a prúdmi, ktoré z dôvodov uvedených v úvodnej úlohe (F) nemeriame priamo ale stanovujeme prepočtom pomocou Ohmovho zákona) môžte pristúpiť ku kontrole zapojenia pomocou generátora harmonického signálu. Na meranie amplitúd striedavých signálov použite osciloskop. Meranie síce nebude príliš presné (max. presnosť ~5%) ale bude názorné. (Vhodná frekvencia na meranie, pri ktorej sa neprejavujú obmedzenia prenosu vyššich frekvencii cez tranzistor je frekvencia f~500Hz-1kHz. Pri nižších frekvenciach nie je už zobrazovanie na osciloskope také bezproblémové a môže byť sprevádzané tiež rušením siete tzv. brumom s frekvenciou f~50Hz).Vstupný odpor sledovača Rvst.Obrázok 2 ilustruje spôsob, ktorý sa použije v úlohe praktika na odmeranie vstupného a výstupného odporu sledovača pri určitej frekvencii harmonického signálu.
Na základe odmerania amplitúd vstupného signálu U1 a
amplitúdy signálu na báze tranzistora U1b (obrázok 2c) možno
pomocou úbytku amplitúdy napätia DURB=U1-U1b
na odpore RB=10kW určiť amplitúdu
bázového prúdu Ib=DURB/RB
, tečúceho cez tento odpor. (Pri meraní amplitúd pomocou osciloskopu
treba použiť striedavý vstup osciloskopu, aby bolo možno jednoduchšie
porovnať priebehy. Cez odpor totiž tečie ešte aj jednosmerný prúd bázy IB,
ktorý definuje pracovný bod tranzistora v dôsleku čoho sa môže meniť
poloha zobrazenia na osciloskope.) Nakoľko do bázy tranzistora vstupuje
všetok striedavý prúd Ib z generátora (nie je tam žiadne
rozvetvenie prúdu, napríklad do deliča) možno jednoducho s pomocou
odmeranej amplitúdy napätia na báze tranzistra U1b určiť
vstupný odpor sledovača Rvst pre harmonický signál o použitej
frekvencii (a samozrejme aj pri určitej záťaži RL.)
Napäťové a prúdové zosilnenie sledovača.Pre názornosť je na obrázku 2d znázornené porovnanie amplitúd na vstupe Uin=U1, na báze U1b a na výstupe out2 Uout. Na základe takéhoto merania možno stanoviť priamo napäťový zisk (napäťové zosilnenie pri určitej frekvencii) emitorového sledovača Au = Uout/Uin, resp. napäťový zisk samotného tranzistoru AuT = Uout/ U1b. (Vlastne neide o zisk ale o zoslabenie, pretože principialne Au < 1.)
Obdobne pomocou vypočítaných amplitúd emitorového signálu Ie=Uout1/RE
a amplitúdy bázového signálu Ib možno stanoviť prúdový zisk
(prúdové zosilnenie pri určitej frekvencii) emitorového sledovača Ai=Ie/Ib
- 1.
Výstupný odpor sledovača Rvyst.Podľa náhradného obvodu na obrázku 2b je meranie výstupného odporu Rvyst založené na odmeraní amplitúdy napätia na výstupe pri rôznych odporoch záťaže RL. (Záťaž RL musí byť jednosmerne oddelená pomocou oddeľovacieho kondenzátora Cv2 = C1 od emitora. Inač by došlo k narušeniu nastavenia jednosmerných pracovných podmienok sledovača.)Obrázky3a a 3b ilustrujú zmenu amplitúdy na výstupe out2 pri
rôznej veľkej záťaži RL. Pomocou odmeraných amplitúd
naprázdno U20 (na výstupe out1 bez prítomnosti zaťažovaceho
odporu RL) a amplitúdy U2 so zaťažovacím odporom RL
(na výstupe out2) možno stanoviť výstupný odpor sledovača pri danej
frekvencii merania.
Pri meraní amplitúdy výstupného signálu na výstupe out2 sme
mlčky predpokladali, že kapacita oddeľovacieho kondenzátora Cv2
= C1 je vhodne volená s ohľadom na frekvenciu použitého
signálu. Obrázok 3c znázorňuje priebeh amplitúdovej frekvenčnej
charakteristiky (F)
výstupného obvodu sledovača. Dolná hraničná frekvencia fd=1/(2pt) tejto charakteristiky závisí od časovej
konštanty výstupu t=(Rvyst+RL)C1~RLC1
. Ak je teda kondenzátor C1 vhodne zvolený je jeho impedancia
|1/wC1| pri frekvencii merania
zanedbateľne malá a na kondenzátore nedochádza k úbytku amplitúdy
napätia o čom sa možno jednoducho presvedčiť pomocou osciloskopu
(napríklad na obrázku 3c pre frekvencie vyššie ako 10 kHz).
Troška zložitejší je spôsob na rýchle jednorázové stanovenie dolnej hraničnej frekvencie fd, ktorý používame v praktiku. Pre hornopriepustný filter CR postup spočíva na osciloskopickom porovnaní nejakého referenčného prenosu (napríklad o hodnote A pri frekvencii ~ 100 kHz) a prenosu Ad pri vhodne najdenej nižšej frekevencii fd (ktorú treba experimentálne určiť tak, že prenos Ad pri tejto frekvencii bude Ad = 0,7 A (F). Napríklad na obrázku 3c pre frekvencie vyššie ako 10 kHz je už amplitúda výstupného signálu U2 blízka vstupnej amplitúde U1 (prenos A=U2/U1@1), takže sa neuplatnil vplyv výstupného derivačného článku C1RL a signál sa vplyvom impedancie kondenzátora |1/wC1| nezmenšuje (čo pokladáme za vhodné kritérium pre voľbu kapacity C1pre tento prípad). Okrem vplyvu výstupného odporu sledovača Rvys na
amplitúdu výstupného signálu môže sa prejaviť jeho vplyv aj na tvar
impulzov na výstupe sledovača (F).
µ Emitorový sledovač s oddeľovacím kondenzátorom na vstupe.
Na základe odmerania jednosmerných napätí na báze UB a na emitore UE (napríklad pri simulovanom meraní obvodu na obrázku 4a odmerané napätia UB = 4 V a na emitore UE = 3,4 V) a použitých odporov možno určiť prúdy cez tranzistor ako aj ďalšie parametre náhradného obvodu tranzistora (F statický zosilňovací činiteľ bF v zapojení SE, strmosť gm, vstupný odpor rp a pod., podobne ako pri predošlom meraní na obrázku 1d). Pomocou takto určených parametrov náhradného obvodu tranzistora možno potom vypočítať (skontrolovať) ďalšie parametre emitorového sledovača (napätový a prúdový zisk, vstupný a výstupný odpor tranzistora a pod., ktoré budete v ďalšom merať.) Na záver potom možno vypočítané charakteristické parametre zosilňovacieho obvodu porovnať s nameranými. Teda postup a aj spôsob merania vstupného a výstupného odporu sledovača, prúdového a napäťového zisku je obdobný ako v predošlom meraní až na dve odlišnosti pri:
u Vstupný odpor zosilňovača Rvst.Vstupné napájanie bázy tranzistora je na obrázku 4a odlišné od zapojenia na obrázku 1c v dôsledku zvoleného spôsobu nastavenia pracovného bodu pomocou odporového deliča R1-R2 a prítomnosti oddeľovacieho kondenzátora Cv1 = C1. Aby nedošlo k skresleniu výsledkov merania treba merať vstupný odpor pri takej frekvencii harmonického signálu, pri ktorej nedochádza k ohraničenému prenosu nízkych frekvencii signálu.Pretože na vstupe sledovača teraz existuje odporový delič R1-R2 treba rozlišovať celkový vstupný odpor sledovača Rvst a vstupný odpor samotného tranzistora RvsT. Na základe osciloskopického odmerania amplitúdy vstupného
signálu U1 a amplitúdy signálu na báze tranzistora Ub
= U1b možno pomocou úbytku amplitúdy napätia DURB=U1-U1b na
odpore RB=10kW určiť amplitúdu
prúdu Ibd = DURB/RB
, tečúceho cez tento odpor, podobne ako v predošlom zapojení. Pomocou
amplitúdy prúdu Ibd a odmeranej amplitúdy napätia na báze
tranzistra U1b možno určiť celkový vstupný odpor sledovača
pre harmonický signál o použitej frekvencii:
Pre určenie vstupného odporu tranzistora RvsT
potrebujeme určiť prúd Ib signálu vstupúci do bázy, respektíve
aj druhú súčasť prúdu Ibd = Ib-Id ,
t.j. prúd Id odvetvujúci sa do deliča R1 - R2.
(Pre zopakovanie prúd Ibd sa rozdelí v pomere vodivostí 1/R12a
1/RvsT, takže do bázy potečie časť Ib=R12Ibd/(R12+RvsT)
a do deliča časť prúdu Id= U1b/R12 ,
kde použité označenie predstavuje výsledný odpor R12 =
R1&R2 = (R1R2 )/(R1+ R2)
paralelného spojenia odporov R1&R2 a RvsT
je vstupný odpor samotného tranzistora). Potom vstupný odpor samotného
tranzistora:
u Kontrola funkcie oddeľovacích kondenátorov C1 a C2. Dôsledkom zvoleného spôsobu nastavenia pracovného bodu pomocou odporového deliča R1 - R2 je prítomnosť oddeľovacieho kondenzátora C1 a následné ohraničenie prenosu nízkych frekvencii signálu. Prenosové vlastnosti v oblasti nízkych frekvencii teraz budú ohraničovať CR obvody na vstupe (s kapacitou Cv1=C1) a tiež obvod s kondenzátorom Cv2=C2 umožňujúci pripojenie záťaže. Je teda treba sa presvedčiť o správnej voľbe oddeľovacích
kondenzátorov C1 a C2. V prípade ak ste použili
rovnaký výstupný derivačný obvod C2RL ako v
predošlom zapojení na obrázku 1c (ktorý mal dolnú hraničnú frekvenciu fd2)
stačí sa už len presvedčiť o spravnosti voľby vstupného oddeľovacieho
kondenzátora C1, teda nájsť dolnú hraničnú frekvenciu
vstupného obvodu fd1). Použite rovnaký spôsob rýchleho
jednorázového stanovenia dolnej hraničnej frekvencie fd, aký
ste použili v predošlej časti merania. (Pre hornopriepustný filter CR
postup spočíva na osciloskopickom porovnaní nejakeho referenčného
prenosu (napríklad o hodnote A pri frekvencii ~1 kHz) a prenosu Ad
pri vhodne najdenej nižšej frekevencii fd (ktorú treba
experimentálne určiť tak, že prenos Ad pri tejto frekvencii
bude Ad=0,7A (F).
Napríklad na na obrázku 4b pre frekvencie vyššie ako 1 kHz je už
amplitúda výstupného signálu U2 blízka vstupnej amplitúde U1
(prenos A=U2/U1@1),
takže sa neuplatní vplyv vstupného derivačného článku s
kondenzátorom C1 a signál sa vplyvom impedancie
kondenzátora |1/wC1| nezmenšuje (čo
pokladáme za vhodné kritérium pre voľbu kapacity C1 pre
tento prípad). Pri celkovom vyhodnotení potom môžu nastať možnosti vzájomného vzťahu frekvencii:
Záverečné zhodnotenie merania.Na záver treba ešte pre kontrolu porovnať odmerané údaje s vypočítanými, najmä:
A nezabudnite sa pochváliť, resp. uviesť príčiny, ktoré
ovplyvnili Vaše merania. Literatúra ( základná, v ktorej sú podrobnejšie uvedené potrebné vzťahy a pojmy.):
|