WYBRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI

Transkrypt

1 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Opracował: mgr inż. F.Gawlik

2 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 2 1. DIODY Diody prostownicze Diody stabilizacyjne Diody Zenera TRANZYSTORY IPOLARNE Podział tranzystorów bipolarnych Zasada działania tranzystora Układy pracy tranzystora Charakterystyki statyczne tranzystora Charakterystyki statyczne tranzystora pracującego w układzie O Charakterystyki tranzystora pracującego w układzie OE Stan pracy i parametry tranzystora Schematy zastępcze tranzystora Model tranzystora - podsumowanie Wtórnik emiterowy - podsumowanie Impedancje: wejściowa i wyjściowa wtórnika emiterowego - podsumowanie Ustalanie punktu pracy wtórnika emiterowego - podsumowanie PODSTAWOWE UKŁADY WZMACNIAJĄCE Układ o wspólnym emiterze WE Układ o wspólnym kolektorze WC Układ o wspólnej bazie W WZMACNIACZE OPERACYJNE Parametry wzmacniacza operacyjnego WO idealnego Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych UKŁADY ZASILAJĄCE Właściwości transformatorów sieciowych Prostownik jednopołówkowy Prostownik dwupołówkowy Parametryczny stabilizator napięcia z diodą Zenera - podstawowe zależności energetyczne ZADANIA Zadanie 1: Wzmacniacz rezystancyjny w układzie WE - sztywne źródło napięcia Zadanie 2: Projektowanie wtórnika emiterowego... 34

3 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 3 Zadanie 3: Wzmacniacz rezystancyjny prądu zmiennego w układzie WE Zadanie 4: Wzmacniacz rezystancyjny prądu zmiennego z emiterowym sprzężeniem zwrotnym Zadanie 5: Wzmacniacz rezystancyjny w układzie WE Zadanie 6: Wtórnik emiterowy z tranzystorami npn w połączeniu Darlingtona Zadanie 7: Symetryczny wzmacniacz różnicowy prądu stałego na tranzystorach npn Zadanie 8: Wzmacniacze operacyjne - Sumowanie sygnałów napięciowych Zadanie 9: Wzmacniacze operacyjne - Wzmacniacz odwracający z dzielnikiem w obwodzie sprzężenia zwrotnego Zadanie 10: Wzmacniacze operacyjne - Przetwornik I/U Zadanie 11: Projektowanie układu prostowniczego dwupołówkowego Zadanie 12: Parametryczny stabilizator napięcia z diodą Zenera Zadanie 13: Szeregowy stabilizator napięcia z tranzystorem npn... 58

4 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 4 1. DIODY 1.1. Diody prostownicze Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania napięcia bądź prądu przemiennego o małej częstotliwości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy. Diody zaczynają przewodzić dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia. Dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Diody prostownicze są stosowane w układach prostowniczych urządzeń zasilających, przekształcających prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsujący. W układzie prostowniczym dioda spełnia funkcję zaworu jednokierunkowego. Wykorzystuje się tutaj właściwość polegająca na różnicy zdolności przewodzenia prądu w kierunku wstecznym i w kierunku przewodzenia. Przez diodę prostowniczą na ogół płyną duże prądy w kierunku przewodzenia, dlatego też stosujemy diodę warstwową wykonaną z krzemu. Diody prostownicze mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia rzędu pojedynczych Ω, co pozwala na uzyskanie dużych sprawności prostowania. Mamy diody prostownicze takie jak: diody wysokiego napięcia, diody typowe, diody mocy, diody szybkiej mocy, stos diodowy, Parametry charakteryzujące diody prostownicze napięcie przewodzenia U F, przy określonym prądzie przewodzenia, prąd wsteczny I R, przy określonym napięciu w kierunku zaporowym, czas ustalania się prądu wstecznego t, pojemność C, przy określonym napięciu przewodzenia. Dopuszczalne (graniczne) parametry: maksymalny prąd przewodzenia I 0 ; szczytowe napięcie wsteczne U RWM ; Diody prostownicze wykonuje się głównie z krzemu. Wartość prądu płynącego przez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia jest razy większa od wartości prądu w kierunku zaporowym. Diody prostownicze ze względu na wydzielaną w nich moc dzielimy na: małej mocy (>1 W), średniej mocy (1 10W), dużej mocy (<10 W),

5 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 5 a) b) (+) I F I 0 (-) U U RW 0 I R (U RWM ) U F (I 0 ) U I R Rys.1.1. Dioda prostownicza. a) symbol diody prostowniczej, b) charakterystyka prądowo napięciowa diody prostowniczej rzeczywista, Gdzie: U RWM maksymalne napięcie wsteczne, U F napięcie przewodzenia, I 0 maksymalny prąd przewodzenia. Diody, przez które płynie prąd o wartości większej niż 10 A mają radiator, który odprowadza wydzielane ciepło do otoczenia. Gdy zastosowanie radiatora jest niewystarczające wtedy należy diodę chłodzić wymuszonym opływem powietrza, a nawet specjalną cieczą. Jeżeli chcemy uzyskać większy prąd przewodzenia przy tym samym napięciu, to możemy połączyć diody równolegle. Jeśli chcemy mieć dodatkowo jednakowe prądy płynące przez poszczególne diody, to do każdej z nich dołączamy szeregowo rezystor o niewielkiej wartości. Jeśli chcemy zwiększyć napięcie wsteczne przy tym samym prądzie, to w miejsce jednej diody wstawiamy kilka diod połączonych szeregowo Diody stabilizacyjne Diody Zenera Diody Zenera to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczenia napięcia. Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Diody te stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy, w układach źródeł napięcia odniesienia itp. Parametry charakteryzujące diody stabilizacyjne napięcie stabilizacji - U Z, prąd stabilizacji I Z, napięcie przewodzenia U F, przy określonym prądzie przewodzenia, prąd wsteczny diody I R, przy określonym napięciu wstecznym, rezystancja dynamiczna r Z, której wartość zmienia się w zależności od napięcia stabilizacji: U Z rz = ; I Z Rezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody o napięciu stabilizacji U Z = 6 8 V.

6 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 6 temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji α Uz, U Z α UZ = 1 I Z = const ; U T Z Zależy od napięcia stabilizacji. Ma wartość ujemną dla diod z (U Z < 5 V), a dodatnią dla diod z przebiciem lawinowym (U Z > 7 V). przebiciem Zenera a) (+) b) c) r Z U we U wy U Z (-) d) Rys.1.2. Dioda stabilizacyjna: a) symbol diody stabilizacyjnej, b) Schemat zastępczy.c) Schemat stabilizatora napięcia z diodą stabilizacyjną.d) Charakterystyka prądowo napięciowa diody stabilizacyjnej.

7 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 7 Przy czym U Z napięcie stabilizacji, U F napięcie przewodzenia, I R prąd wsteczny,r Z rezystancja dynamiczna. 2. TRANZYSTORY IPOLARNE Tranzystorem bipolarnym zwany też warstwowym, stanowi kombinacją dwóch półprzewodnikowych złączy p-n, wytworzonych w jednej płytce półprzewodnika. Procesy zachodzące w jednym złączu oddziałują na drugie, a nośnikami ładunku elektrycznego są dziury i elektrony. Tranzystory bipolarne wykonywane są najczęściej z krzemu, rzadziej z germanu. Ze względu na kolejność ułożenia warstw półprzewodnika rozróżniamy: tranzystory p-n-p (rys.2.1a), tranzystory n-p-n (rys.2.1b). Mogą one być z: jednorodną bazą (dyfuzyjny), niejednorodną bazą (dryfytowy). Zasada działania tranzystora n-p-n i p-n-p jest jednakowa, różnice występują tylko w polaryzacji zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku przepływu prądów. Tranzystor bipolarny składa się z trzech obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa, co powoduje powstanie dwóch złączy: p-n i n-p. W tranzystorze bipolarnym poszczególne obszary półprzewodnika mają swoją nazwę: baza, E emiter, C kolektor. A złącza nazywa się złączem emiterowym (złącze emiter-baza); złączem kolektorowym (złącze baza-kolektor). Struktura półprzewodnikowa tranzystora jest umieszczana w hermetycznie zamkniętej obudowie metalowej, ceramicznej lub plastykowej. Obudowa ta chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi, jak również spełnia inne funkcje, np. w tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia skuteczne odprowadzenie ciepła. E C a) b) E C E p n p C E n p n C E C E C Rys.2.1. Model struktury i symbole graficzne tranzystora bipolarnego. a) p-n-p, b) n-p-n.

8 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona Podział tranzystorów bipolarnych. Ze względu na wydzielaną moc, tranzystory dzielimy na: Małej mocy do 0,3 W. Średniej mocy do 5 W. Dużej mocy powyżej 5 W, nawet do 300 W. Ze względu na maksymalną częstotliwość generacji, tranzystory dzielimy na: Małej częstotliwości do kilkudziesięciu MHz. Wielkiej częstotliwości nawet do kilku GHz Zasada działania tranzystora. Działanie tranzystora bipolarnego rozpatrzymy na przykładzie polaryzacji normalnej tranzystora, tzn. gdy złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze bazakolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, gdy spełniona jest zależność między potencjałami na poszczególnych elektrodach: - V E < V < V C dla tranzystora n-p-n; - V E > V > V C dla tranzystora p-n-p. Na rysunku 6.2 pokazano rozpływ prądów i spadki napięć między poszczególnymi elektrodami. n-p-n p-n-p Rys Oznaczenie rozpływu prądu w tranzystorze i spadki napięcia na nim. I prąd bazy, I C prąd kolektora, I E prąd emitera, U CE napięcie kolektor-emiter, U E napięcie baza-emiter, U C napięcie kolektor-baza, V E potencjał emitera, V potencjał emitera, V C potencjał kolektora.

9 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 9 Rys Zasada działania tranzystora n-p-n. I prąd bazy, I C prąd kolektora, I CO zerowy prąd kolektora, I E prąd emitera, E emiter, baza, C kolektor. W wyniku przyłożenia napięć do elektrod tranzystora, elektrony jako nośniki większościowe przechodzą z emitera do bazy, gdzie stają się nośnikami mniejszościowymi i część z nich rekombinuje z dziurami wprowadzanymi przez kontakt bazy. Elektrony przechodzące przez złącze emiter-baza mają określone prędkości i jeżeli obszar bazy jest wąski, to prawie wszystkie przejdą do kolektora, gdzie staną się ponownie nośnikami większościowymi i zostaną usunięte z obszaru kolektora do obwodu zewnętrznego. Stosunek ilości nośników (elektronów) przechodzących do kolektora, do ilości nośników (elektronów) wstrzykiwanych z emitera do bazy, nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądowego i oznaczamy α. Jeżeli złącze kolektor-baza jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, tzn. kolektor ma wyższy potencjał niż baza, to pole elektryczne występujące w tym złączu powoduje unoszenie nośników z obszaru bazy do obszaru kolektora. Wartość prądu płynącego przez kolektor może być regulowana przez zmianę wysokości bariery złącza emiterowego, czyli przez zmianę napięcia polaryzującego złącze emiter-baza. Przez złącze baza-kolektor płynie prąd związany z polaryzacją, tzw. Prąd zerowy kolektora I CO. Płynie on nawet wtedy gdy złącze baza-emiter nie jest spolaryzowane (I E = 0). Przez tranzystor płynie również prąd zerowy I CO, gdy I = 0. I E = I + I C ; I I C = α I + I ; (2.1) = E ( 1 α ) I I ; E CO CEO

10 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 10 ( +1) α = β β ; lub β = α 1 α ; (2.2) I = β I + I. (2.3) C CEO gdzie: α - współczynnik wzmocnienia prądowego (0,952 0,998), β - współczynnik wzmocnienia prądowego, który jest stosunkiem ilości nośników wstrzykiwanych do kolektora do ilości nośników w bazie (β = ). Związki między prądami tranzystora I I C I E I 1 β 1 + β 1 I C β 1 I E 1 + β 1 β 1 + β 1 + β β 1 1) I E = IC + I ; 2) IC = I E I ; 3) I = I E I C ; I = I C α ; E I = I C β ; 2) I E = IC + I ; I C β = ; IC I I = β ; I = β I + I ; E ( +1) I = β ; E I

11 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 11 3) IC = I E I ; I = I C β ; IC I = ; β I C IC = I E ; I C ( β +1 ) = I E β ; β C ( β +1 ) I β ; I = E β I C = I E ; β +1 4) I = I E I C ; I I E I I 1 + β = I ; = β ; ( ) E I E I = ; 1 + β 5) I E = IC + I ; IC I E = IC + ; β ( β + 1) I I = C E. β 2.3. Układy pracy tranzystora. Zależnie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróżniamy trzy sposoby włączenia tranzystora do układu: układ ze wspólnym emiterem OE (WE), układ ze wspólną bazą O (W), układ za wspólnym kolektorem OC (WC). a) WE W WC b) c) C E C C E E Rys.2.3. Układy pracy tranzystora. a) ze wspólnym emiterem (OE), b) ze wspólną bazą (O.), c) ze wspólnym kolektorem (OC).

12 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 12 Wybór układu pracy tranzystora jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora. Tranzystor pracujący w układzie OE charakteryzuje się: dużym wzmocnieniem prądowym ( β = I I ), C dużym wzmocnieniem napięciowym, dużym wzmocnieniem mocy. Napięcie wyjściowe w układzie OE jest odwrócone w fazie o 180 w stosunku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset Ω a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt kω. Tranzystor pracujący w układzie O charakteryzuje się: małą rezystancją wejściową, bardzo dużą rezystancją wyjściową, wzmocnienie prądowe blisko jedności ( α = I C I E ). Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych. Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się: dużą rezystancją wejściową co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości, wzmocnieniem napięciowym równym jedności, dużym wzmocnieniem prądowym ( β +1 = I E I ) Charakterystyki statyczne tranzystora. Właściwości tranzystora opisują rodziny charakterystyk statycznych i parametry dynamiczne. Charakterystyki statyczne przedstawiają zależności między prądami: emiter, kolektora, bazy i napięciami: baza-emiter, kolektor-emiter, kolektor-baza. Rozróżniamy cztery rodziny charakterystyk statycznych: - wejściowa (U 1 = f (I 1 ), przy U 2 = const), - przejściowa (I 2 = f (I 1 ), przy U 2 = const), - wyjściowa (I 2 = f (U 2 ), przy I 1 = const), - zwrotna (U 1 = f (U 2 ), przy I 1 = const). Znając dwie charakterystyki (wejściową i wyjściową) możemy wyznaczyć dwie pozostałe. Postać charakterystyki wejściowej i wyjściowej jest taka sama, jak charakterystyki złącza półprzewodnikowego spolaryzowanego w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym Charakterystyki statyczne tranzystora pracującego w układzie O. Na rysunku 2.4 przedstawiono rodzinę charakterystyk statycznych tranzystora w układzie O, w którym I 1 = I E, U 1 = U E, I 2 = I C, U 2 = U C. Charakterystyki wejściowe w rzeczywistości nie przecinają się w jednym punkcie, spowodowane jest to spadkiem napięcia jakie istnieje na rezystancji rozproszonej bazy r bb. Występujące przesunięcie charakterystyk względem siebie jest związane ze zjawiskiem Early ego modulacja szerokości bazy.

13 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 13 Jest to tzw. oddziaływanie wsteczne w tranzystorze, które silniej występuje w tranzystorach z jednorodną bazą. Natomiast przesunięcie charakterystyk wyjściowych jest związane ze sterowaniem prądu kolektora przez prąd emitera. Rys.2.4. Charakterystyki statyczne tranzystora p-n-p w układzie O. Charakterystyka wyjściowa osiąga nasycenie, nie jest płaska lecz nieznacznie wzrasta, co jest spowodowane modulacją efektywnej szerokości bazy. Charakterystyki przejściowe, to linie nachylone pod kątem α - współczynnik wzmocnienia prądowego. Charakterystyki zwrotne powinny być liniami prostymi, równoległymi do osi napięcia U C, jednak tak nie jest w wyniku oddziaływania wstecznego w tranzystorze. Wpływ modulacji szerokości bazy jest tym silniejszy, im większy jest prąd emitera Charakterystyki tranzystora pracującego w układzie OE. Na rysunku 2.5 przedstawiono rodzinę charakterystyk statycznych tranzystora w układzie OE, w którym I 1 = I, U 1 = U E, I 2 = I C,, U 2 = U CE.

14 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 14 Przesunięcie charakterystyk wejściowych względem siebie jest związane z modulacją szerokości bazy, natomiast przesunięcie charakterystyk wyjściowych jest spowodowane oddziaływaniem prądu bazy na prąd kolektora. Podobnie jak w układzie O. Charakterystyki osiągają nasycenie, a ich nachylenie nie jest stałe, ale rośnie. Jest większe niż w układzie O, gdyż część napięcia U CE polaryzuje złącze emiter-baza. Rys Charakterystyki statyczne tranzystora n-p-n w układzie OE. Charakterystyka przejściowa jest linią prostą o nachyleniu β - współczynnik wzmocnienia prądowego. Charakterystyki zwrotne są podobne do charakterystyk zwrotnych w układzie O Stan pracy i parametry tranzystora. Tranzystor składa się z dwóch złączy p-n, które mogą być spolaryzowane w kierunku przewodzenia jak i w kierunku zaporowym. W związku z tym wyróżniamy cztery stany pracy tranzystora. 1. Aktywny. 2. Nasycenia. 3. Zatkania. 4. Inwersyjny.

15 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 15 Stan pracy tranzystora i odpowiadająca im polaryzacja złącza Stan tranzystora Kierunki polaryzacji złączy tranzystora złącze złącze emiter baza kolektor baza Zatkanie zaporowy zaporowy Przewodzenie aktywne przewodzenia zaporowy Nasycenie przewodzenia przewodzenia Przewodzenie inwersyjne zaporowy przewodzenia Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, natomiast w układach cyfrowych w stanie zatkania lub nasycenia. Parametry tranzystorów. - Parametry statyczne. Parametry określające zależności między prądami i napięciami stałymi doprowadzanymi do tranzystora rezystancja rozproszenia bazy, współczynnik wzmocnienia prądowego, prądy zerowe. Umożliwiają określenie punktu pracy tranzystora. - Parametry graniczne. Określają dopuszczalne wartości: napięć, prądów, temperatury i mocy, które mogą wystąpić w tranzystorze, a ich przekroczenie spowoduje uszkodzenie lub zniszczenie tranzystora. - Parametry charakterystyczne. To typowe wartości określające tranzystor prądy, napięcia. Współczynnik wzmocnienia prądowego, rezystancja bazy, pojemności złączowe, pulsacja graniczna. - Parametry maksymalne. Największe wartości prądów lub napięć. W przypadku przekroczenia określonej wartości gwałtownie pogarszają się pozostałe parametry tranzystora, ale nie następuje jego uszkodzenie. - Parametry dynamiczne. Określają właściwości tranzystora w wybranym punkcie pracy, gdy zostanie on wysterowany przemiennym napięciem lub prądem czasy włączenia i wyłączenia tranzystora. Najważniejsze parametry tranzystorów bipolarnych: - Wzmocnienie prądowe. W układzie OE przy określonym prądzie kolektora i napięciu kolektor-emiter; - Napięcie nasycenia. Przy określonym prądzie bazy i kolektora; - Prąd zerowy. Przy określonym napięciu kolektor-baza lub

16 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 16 kolektor-emiter; - Częstotliwość graniczna; - Pojemność złącza kolektorowego; - Czas wyłączenia; - Stała czasowa związana z rezystancją rozproszoną bazy; - Maksymalna moc wydzielana. Zastosowanie tranzystorów. Przy produkcji tranzystorów dąży się do osiągnięcia jak największej wartości iloczynu wydzielanej mocy i maksymalnej częstotliwości generacji. Dużą wartość wydzielanej mocy mają tranzystory, których powierzchnia złącza baza-kolektor jest duża. Natomiast dużą wartością częstotliwości generacji odznaczają się tranzystory o bardzo małej rezystancji rozproszonej bazy i pojemności złącza kolektorowego oraz o bardzo dużej częstotliwości granicznej. Układy elektroniczne z tranzystorami germanowymi mogą być zasilane ze źródeł o niższym napięciu około 1,5 V, natomiast z tranzystorami krzemowymi mogą być zasilane ze źródeł o napięciu około 6 V. Tranzystory germanowe mogą pracować w układach, gdzie pracują przy większych częstotliwościach niż tranzystory krzemowe. Tranzystory germanowe charakteryzują się mniejszymi napięciami na złączach w stanie przewodzenia i większymi prądami zerowymi niż tranzystory krzemowe 2.6. Schematy zastępcze tranzystora. Schematy zastępcze tranzystora stosujemy, wtedy gdy chcemy przeprowadzić analizę pracy danego układu elektronicznego. Rozróżniamy trzy podstawowe schematy zastępcze tranzystora: - Typu Π. - Hybrydowy. - Ebersa Molla. Schemat zastępczy typu Π tranzystora jest stosowany przy określaniu punktu pracy i parametrów roboczych układów elektronicznych rezystancja wejściowa i wyjściowa, wzmocnienie. Schemat hybrydowy służy również do określania parametrów układów elektronicznych. Wartości parametrów h określa się korzystając z charakterystyk statycznych tranzystora. Model Ebersa Molla jest wykorzystywany do analizy pracy układów impulsowych i cyfrowych. Schemat zastępczy hybrydowy. Tranzystor traktujemy jako czwórnik i napięcie na wejściu i prąd wyjściowy tranzystora pracującego w układzie OE jest opisany następująco: U E h11 I + h12 = U, CE

17 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 17 przy czym: U h = = U, IC h21 I + h22 E 11 - impedancja wejściowa przy zwartym wyjściu, I CE U CE = 0 U h = E 12 - współczynnik przenoszenia wstecznego przy rozwartym wejściu, UCE I = 0 h = I C 21 - współczynnik przenoszenia prądowego przy zwartym wyjściu, I U CE = 0 h = I C 22 - admitancja wyjściowa przy rozwartym wejściu. UCE I = 0 I h 11 I C C U E h 12 U CE h 21 I h 22 U CE E rys.2.6. Schemat zastępczy hybrydowy tranzystora Model tranzystora - podsumowanie Tranzystor jest elementem o trzech końcówkach, występującym w dwóch odmianach (n-p-n i p-n-p), o właściwościach, do których mają zastosowanie następujące reguły (dotyczą one tranzystora n-p-n, dla tranzystora p-n-p wystarczy zmienić polaryzację na przeciwną):

18 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 18 rys Potencjał kolektora musi być większy od potencjału emitera 2. Obwody baza-emiter i baza-kolektor zachowują się jak diody. W warunkach normalnej pracy dioda baza-emiter jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a dioda baza-kolektor w kierunku zaporowym. 3. Każdy tranzystor charakteryzuje się maksymalnymi wartościami I C, I, U CE, których przekroczenie jest równoznaczne z uszkodzeniem tranzystora. Należy być świadomym innych ograniczeń, takich jak: moc rozpraszania na kolektorze I C U CE, temperatura U E itp. 4. Jeśli spełnione są warunki 1-3 to I C jest w przybliżeniu proporcjonalny do I i może być opisany równaniem: I C = h FE I = βi Uwaga: Nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia diody baza-kolektor. h FE nie jest "dobrym" parametrem tranzystora, np.: jego wartość może się zmieniać od 50 do 250 A/A dla różnych egzemplarzy tego samego typu tranzystora. Układ, którego parametry zależą od określonej wartości h FE jest złym układem. przekroczenie napięcia na bazie o więcej niż 0,6 do 0,8V w kierunku przewodzenia (spadek na łączu baza-emiter U E ), powoduje przepływ ogromnego prądu bazy U = U E + U E Wtórnik emiterowy - podsumowanie Wtórnik emiterowy przedstawiono na rysunku poniżej. Jego nazwa wzięła się stąd, że wyjściem układu jest emiter tranzystora, a napięcie wyjściowe jest, co do wartości, napięciem wejściowym pomniejszonym o pojedynczy spadek na przewodzącej diodzie: U E = U - 0,6V rys.2.8 Napięcie wyjściowe jest kopią napięcia wejściowego, przesuniętą o 0,6 do 0,7V w stronę napięć ujemnych. Napięcie wejściowe tego układu musi wynosić co najmniej 0,6V, w przeciwnym razie wyjście układu będzie pozostawiać na potencjale masy. Przez dołączenie rezystora emiterowego do ujemnego napięcia zasilającego można uzyskać również uzyskać ujemne napięcia na wyjściu układu.

19 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 19 Należy zwrócić uwagę, że w układzie wtórnika emiterowego nie ma żadnego rezystora w obwodzie kolektorowym. Na pierwszy rzut oka układ może wydawać się bezużyteczny, dopóki nie zauważymy, że jego impedancja wejściowa jest znacznie większa od impedancji wyjściowej. Oznacza to, że wtórnik z dołączonym do wyjścia danym obciążeniem pobiera ze źródła sygnału mniej mocy niż pobierałoby obciążenie bezpośrednio dołączone do źródła. Uwaga: Wtórnik emiterowy jest wzmacniaczem prądowym, mimo, że nie ma w ogóle wzmocnienia napięciowego Impedancje: wejściowa i wyjściowa wtórnika emiterowego - podsumowanie Użyteczność wtórnika emiterowego polega na transformacji impedancji źródeł sygnału lub obciążeń. Jest to cała istota wtórnika emiterowego. Obliczamy impedancję: wejściową i wyjściową wtórnika emiterowego. Rezystor R 1 występujący na wcześniejszym rysunku potraktujemy jako obciążenie. Zmieńmy o ΔU napięcie na bazie. Napięcie na emiterze zmieni się o ΔU E = ΔU. Stąd zmiana prądu emitera jest równa ΔI E = ΔU /R więc stosując ΔI E = ΔI C + ΔI oraz ΔU = ΔI R możemy zapisać Ponieważ ΔI = 1 h fe + 1 ΔI = ΔU R(h fe + 1) ΔI = To możemy stwierdzić, że ΔU pewna impedancja widziana od strony bazy R(h fe + 1) = r we W obliczeniach tych do oznaczania małosygnałowych (przyrostowych) wielkości użyliśmy symboli pisanych małymi literami. Nie zawsze w sposób jasny rozróżnia się wzmocnienie stałoprądowe (h FE ) i małosygnałowe wzmocnienie prądowe (h fe ) i dla obu stosuje się termin beta. Nie jest to błąd ponieważ (h fe ) (h FE ) (za wyjątkiem zakresu dużych częstotliwości). Dla uogólnienia możemy zapisać w postaci impedancji. Z we = Z obc (h fe + 1) Możemy wykonać podobne obliczenia aby stwierdzić, że impedancja wyjściowa Z we wtórnika emiterowego (jest to impedancja widziana w stronę emitera), sterowalnego ze źródła o wewnętrznej impedancji Z S, wynosi Z wy = Z S (h fe + 1)

20 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona Ustalanie punktu pracy wtórnika emiterowego - podsumowanie Gdy wtórnik emiterowy jest sterowany z poprzedzającego go w układzie stopnia, bazę wtórnika łączy się zazwyczaj bezpośrednio z wyjściem tego stopnia, jak na rysunku poniżej. rys rys Ponieważ wartość napięcia na kolektorze tranzystora T1 nigdy nie przekracza wartości napięcia zasilania, napięcie na bazie T2 można przyjmować wartości od zera (masa układu) do U CC. A więc, tranzystor T2 zawsze znajduje się w obszarze aktywnym (nigdy nie jest nasycony ani odcięty), z przewodzącą diodą baza-emiter i wartością napięcia na kolektorze zawsze o kilka dziesiątych wolta większą od wartości napięcia na emiterze. Jednak czasami napięcie doprowadzane do wejścia wtórnika nie ma tak korzystnego usytuowania względem napięć zasilających. Gdybyśmy połączyli wtórnik z zewnętrznym źródłem sygnału (np. sygnał akustyczny) to w tym przypadku wartość średnia sygnału jest równa zeru i bezpośrednie dołączenie źródła sygnału do wejścia wtórnika wytwarza na wyjściu tylko sygnał o dodatnim napięciu (dodatnie połówki). Konieczne jest ustalenie punktu pracy wtórnika (w rzeczywistości każdego wzmacniacza) tak, aby prąd kolektora płynął dla dowolnych, występujących w danym zastosowaniu, wartości sygnału wejściowego. Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie dzielnika napięcia. Wartości R 1 i R 2 wybiera się tak aby w przypadku braku sygnału wejściowego potencjał bazy był równy połowie napięcia zasilania U CC, tzn. R 1 i R 2 są jednakowe. Procedura wyboru wartości napięć w układzie, przy założeniu braku sygnałów sterujących, nazywana jest ustaleniem spoczynkowego punktu pracy układu. Spoczynkowy punkt pracy jest wybierany tak, aby zyskać możliwie dużą amplitudę napięcia sygnału wyjściowego, bez obcinania jego wierzchołków. Stosując zasadę: R 1 R 2 << h fe R E Ustalamy tak wartość impedancji zastępczej stałoprądowej źródła zasilającego obwód bazy aby była ona mała w porównaniu z wartością obciążenia tego źródła(10 krotnie).

21 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona PODSTAWOWE UKŁADY WZMACNIAJĄCE Podstawowa funkcja wzmacniacza zwiększenie mocy sygnałów może być realizowana przez zastosowanie w układzie wzmacniacza elementów czynnych. Stosowane są tranzystory bipolarne i unipolarne (polowe). Elektrody tranzystora można w różny sposób dołączyć do obciążenia i źródła sygnału (rys.3a). Praktyczne zastosowanie znalazły trzy układy połączeń: 1. Układ o wspólnym emiterze. Oznaczamy go przez WE lub OE (rys.3.1). Sygnał jest doprowadzany między emiter i bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i emiter. Emiter stanowi elektrodę wspólną dla obwodu wejściowego i wyjściowego. 2. Układ o wspólnym kolektorze. Oznaczony przez WC lub OC (rys.3.2). Sygnał jest doprowadzony między bazę i kolektor, a obciążenie jest włączone między emiter i kolektor. Kolektor stanowi elektrodę wspólną dla obwodu wejściowego i wyjściowego. 3. Układ o wspólnej bazie. Oznaczony przez W lub O (rys.3.3). Sygnał jest doprowadzony między emiter i bazę, a obciążenie jest włączone między kolektor i bazę. aza stanowi elektrodę wspólną dla obwodu wejściowego i wyjściowego Układ o wspólnym emiterze WE Jest najpowszechniej stosowaną konfiguracją tranzystora bipolarnego we wzmacniaczu małej częstotliwości (rys.3). Sygnał wejściowy doprowadza się między bazę a emiter tranzystora, sygnał wyjściowy pobiera się z kolektora. Rys.3.1.Wzmacniacz w układzie WE. a) schemat, b) ilustracja działania.

22 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 22 Do wejścia doprowadzamy napięcie U we = U E o wartości dużo mniejszej niż U E wynikające z polaryzacji tranzystora. Wskutek dołączenia tego napięcia nastąpi zmiana prądu bazy. Z prawa Ohma wynika: U gdzie: r be rezystancja małosygnałowa baza-emiter tranzystora U E we I = = ; (3.1) rbe rbe Zmiana prądu bazy spowoduje zmianę prądu kolektora. Charakterystyki wyjściowe tranzystora w zakresie aktywnym mają przebieg zbliżony do poziomu, dlatego też możemy przyjąć w przybliżeniu, że I C zależy tylko od I, a nie zależy od U CE. Korzystając z wzoru i zależności 3.1 otrzymujemy I C β 0 = CE 0 I U ; (3.2) U we IC = β 0 I = β0 ; (3.3) rbe β 0 małosygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora pracującego w układzie WE Korzystając z II prawa Kirchhoffa dla obwodu wyjściowego napięcie ma postać: U CE = E I R ; (3.4) C C C Zmiana prądu kolektora o I C spowoduje zmianę tego napięcia o U CE (przy stałych wartościach E C i R C ). Zmiana ta jest sygnałem wyjściowym i wynosi: Wzmocnienie napięciowe układu ma postać: C U wy = UCE = ICRC = U weβ0 ; (3.5) rbe U R R wy C ku = = β0 ; (3.6) U we rbe Jeżeli uwzględnimy zależność prądu I C od napięcia U CE to powyższy wzór przyjmie postać: R r C ce ku = β0 ; (3.7) rbe

23 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 23 We wzorze 3.7 symbol R C r ce oznacza wartość równolegle połączonych rezystancji R C i r ce. Znak minus świadczy o tym, że układ odwraca fazę sygnału wejściowego. Rezystancja wejściowa r we wzmacniacza w układzie WE składa się z równolegle połączonej rezystancji baza-emiter r be tranzystora (rezystancji wejściowej tranzystora) i rezystancji obwodu polaryzacji bazy R r = r R ; (3.8) we be Rezystancja wyjściowa wzmacniacza pracującego w układzie WE składa się z równolegle połączonej rezystancji kolektor-emiter r ce tranzystora (rezystancji wyjściowej tranzystora) i rezystancji R C r = r R ; (3.9) wy ce C Wzmocnienie prądowe zależy od rezystancji obciążenia R o i ma postać: rwy ki = β 0 ; (3.10) r + R wy o gdy R o = 0 to wówczas k i = - β 0. Sygnał wejściowy również może być zmienny w czasie. W takim przypadku prądy i napięcia tranzystora zawierają składowe stałe związane z polaryzacją i nałożone na nie dużo mniejsze składowe zmienne, związane z przenoszeniem sygnału. Podane zależności obowiązują również dla wartości skutecznych i maksymalnych składowych zmiennych. Sygnały zmienne często doprowadza się do wzmacniacza przez kondensator C, a obciążenie dołącza się przez kondensator C C (rys.3.1, linie kreskowe). Kondensatory sprzęgające C i C C pozwalają odseparować składowe zmienne od składowych stałych. Reaktancje tych kondensatorów w paśmie przenoszenia wzmacniacza są bardzo małe; dla sygnałów zmiennych stanowią one zwarcie. Działanie wzmacniacza przy sygnale wejściowym sinusoidalnym pokazano na rysunku 3.1b. Punkt Q jest punktem pracy układu. Jego położenie zależy od wartości prądów i napięć polaryzujących (stałych). Właściwości układu o wspólnym emiterze WE: W zakresie małych i średnich częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym. Układ odwraca fazę sygnału wejściowego o 180. Układ zapewnia dość duże wzmocnienie napięciowe i prądowe oraz duże wzmocnienie mocy. Rezystancja wejściowa układu jest umiarkowanie mała, zaś wyjściowa umiarkowanie duża Układ o wspólnym kolektorze WC Schemat wzmacniacza pokazano na rysunku 3.2. Układ ten nazywamy również wtórnikiem emiterowym. Napięcie wejściowe jest doprowadzone między bazę a emiter. Wskutek tego zmienia się prąd kolektora I C jak również prąd emitera I E tranzystora. W wyniku czego ulega zmianie spadek napięcia na rezystorze R E, który jest sygnałem wyjściowym.

24 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 24 Rys Schemat wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym w układzie WC. Napięcie U E baza-emiter tranzystora zmienia się nieznacznie przy zmianach prądu kolektora, dlatego też napięcie wyjściowe jest prawie takie samo jak napięcie wejściowe U = U U ; (3.11) RE wy we Wzmocnienie napięciowe układu o wspólnym kolektorze wynosi U wy k u = 1; (3.12) U we Potencjał emitera tranzystora nadąża za potencjałem bazy stąd nazwa układu wtórnik emiterowy. Właściwości układu o wspólnym kolektorze WC: - W zakresie małych częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym. Układ nie odwraca fazy sygnału wejściowego. - Wzmocnienie prądowe jest tego samego rzędu co w układzie WE. - Wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, stąd nazwa wtórnik. - Rezystancja wyjściowa jest mała, a rezystancja wejściowa może być duża. Rezystancję wejściową zmniejsza znacznie bocznikujące działanie rezystorów polaryzujących bazę. - Układ transformuje (przenosi) rezystancję z obwodu emitera do obwodu bazy jako rezystancję (β 0 + 1) razy większą, natomiast każdą rezystancję z obwodu bazy przenosi do obwodu emitera jako rezystancję (β 0 + 1) razy mniejszą. Dlatego też taki układ nazywamy także transformatorem rezystancji.

25 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 25 Ze względu na dużą rezystancję wejściową i małą rezystancję wyjściową, układ o wspólnym kolektorze stosujemy jako układy dopasowujące lub separujące Układ o wspólnej bazie W Schemat wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym w układzie o wspólnej bazie przedstawiony jest na rysunku 3.3. Ze względu na stabilność pracy i korzystne właściwości w zakresie wielkich częstotliwości był stosowany w początkach rozwoju układów tranzystorowych. Obecnie wykorzystywany jest we wzmacniaczach wielkich częstotliwości. Rys Schemat wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym w układzie WE. Właściwości układu o wspólnym kolektorze W: - W zakresie małych częstotliwości, przy obciążeniu rezystancyjnym. Układ nie odwraca fazy sygnału wejściowego. - Wzmocnienie napięciowe jest zbliżone do wzmocnienia układu WE. - Wzmocnienie prądowe jest mniejsze od jedności. - Rezystancja wejściowa jest bardzo mała, (β 0 + 1) razy mniejsza niż w układzie WE. Rezystancja wyjściowa jest bardzo duża, (β 0 + 1) razy większa niż w układzie WE. Wadą tego układu jest mała wartość rezystancji wejściowej.

26 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona WZMACNIACZE OPERACYJNE. Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych. Charakteryzują się następującymi właściwościami: - bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej V/V czyli 80d), - wzmacniają prąd stały, - odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu odwracające (oznaczenie ) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy jest podawany na wejście nieodwracające (oznaczenie + ), - dużą rezystancję wejściową (MΩ), - małą rezystancję wyjściową (Ω). Rys Symbol wzmacniacza operacyjnego. Podział wzmacniaczy ze względu na przeznaczenie: ogólnego przeznaczenia, szerokopasmowe, stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duża rezystancja wejściowa, mały współczynnik cieplny i małe szumy, do zastosowań specjalnych. 4.1.Parametry wzmacniacza operacyjnego WO idealnego. Idealny wzmacniacz operacyjny powinien wykazywać następujące właściwości: - nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (K ); - nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości; - nieskończenie dużą impedancję wejściową (między wejściami oraz między wejściami a masą); - impedancję wyjściową równą zeru; - napięcie wyjściowe równe zeru przy sterowaniu sygnałem nieróżnicowym (wspólnym); - wzmocnienie idealne różnicowe, a więc nieskończenie duże tłumienie sygnału nieróżnicowego; - niezależność parametrów od temperatury. Parametry wzmacniacza operacyjnego rzeczywistego. - Wzmocnienie napięciowe różnicowe K ur. - Wzmocnienie napięciowe sumacyjne K us. - Współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego H s. - Rezystancja (impedancja) wejściowa różnicowa r wer (Z wer ). - Rezystancja (impedancja) wejściowa sumacyjna r wes (Z wes ). - Rezystancja (impedancja) wyjściowa r wy (Z wy ).

27 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 27 - Wejściowy prąd polaryzacji I we. - Wejściowe napięcia niezrównoważenia U wen. - Wejściowy prąd niezrównoważenia I wen. - Dryfty: temperaturowy i czasowy wejściowego napięcia i prądu niezrównoważenia. - Parametry graniczne: maksymalne napięcie wejściowe U we max, maksymalne różnicowe napięcie wejściowe U wer max, maksymalne napięcie wyjściowe U wy max, maksymalny prąd wyjściowy I wy max. - Napięcie U z i moc P z zasilania. - Szerokość pasma częstotliwości określana częstotliwością graniczną f g, marginesem wzmocnienia A i marginesem fazy α. - Parametry odpowiedzi na skok napięcia: czas narastania t n, szybkość narastania S, przeregulowanie (przerzut) δ u Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych. Stosowane są głównie w: a) układach analogowych, gdzie wykonują operacje: dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, całkowania i różniczkowania, b) wzmacniaczach logarytmicznych, c) generatorach sygnałów: prostokątnych, trójkątnych i sinusoidalnych, d) filtrach, e) detektorach liniowych i detektorach wartości szczytowej, f) układach próbkujących z pamięcią. Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych 1. Wzmacniacz odwracający, 2. Wzmacniacz nieodwracający, 3. Wzmacniacz sumujący i odejmujący, 4. Wzmacniacz całkujący, 5. Wzmacniacz różniczkujący, 6. Wtórnik napięciowy, 7. Konwerter prąd napięcie, 8. Przesuwnik fazy, 9. Prostownik idealny.

28 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona UKŁADY ZASILAJĄCE 5.1. Właściwości transformatorów sieciowych Przy projektowaniu układów prostowniczych dużą rolę odgrywa rezystancja wewnętrzna r w transformatora sieciowego. Można ją obliczyć na podstawie danych znamionowych uzwojenia wtórnego U n ef, I n ef oraz współczynnika s u określającego spadek napięcia przy obciążeniu znamionowym. Jest on zdefiniowany jako stosunek wartości skutecznych napięcia biegu jałowego do napięcia znamionowego Wynika stąd wyrażenie na rezystancję wewnętrzną s u = U 0 ef U n ef r w = U 0 ef U n ef I n ef = U 0 ef(1 s u ) I n ef Definiując obciążenie znamionowe jako R N =U n ef /I n ef otrzymujemy r w =R N (s u -1). Zestawienie danych technicznych częściej używanych transformatorów z rdzeniem płaszczowym oraz z rdzeniem pierścieniowym (mają kilka zalet: ich pole magnetyczne rozproszenia jest znacznie mniejsze i mniejsze są straty biegu jałowego.) Typowe dane transformatorów z rdzeniem płaszczowych dla napięć pierwotnych U 1 ef = V, 50Hz Typ rdzenia (długość boku) [mm] Moc znamionowa P N [W] Współczynnik strat napięcia s u Liczba zwojów uzwojenia pierwotnego z 1 Średnica przewodu uzwojenia pierwotnego d 1 [mm] Liczba zwojów uzwojenia wtórnego wolt z 2 /U 2 ef [1/V] na Znormalizowana średnica przewodu uzwojenia wtórnego d 2 /(I 2 ef ) 1/2 [mm/a 1/2 ] M 42 M 55 M 65 M 74 M 85a M 85b M 102a M 102b ,31 1,20 1,14 1,11 1,09 1,06 1,07 1, ,09 0,18 0,26 0,34 0,42 0,48 0,56 0,69 28,00 14,62 8,68 6,24 4,83 3,17 3,72 2,45 0,61 0,62 0,64 0,65 0,66 0,67 0,69 0,71 Typowe dane transformatorów z rdzeniem pierścieniowym dla napięć pierwotnych U 1 ef = V, 50Hz Typ rdzenia (długość boku) Moc znamionowa Współczynnik strat napięcia Liczba zwojów uzwojenia Średnica przewodu uzwojenia Liczba zwojów uzwojenia wtórnego na Znormalizowana średnica przewodu uzwojenia

29 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 29 [mm] P N s u pierwotnego pierwotnego wolt wtórnego [W] z 1 d 1 z 2 /U 2 ef d 2 /(I 2 ef ) 1/2 [mm] [1/V] [mm/a 1/2 ] ,18 1,18 1,16 1,15 1,12 1,11 1,09 1,08 1, ,15 0,18 0,22 0,30 0,36 0,40 0,56 0,60 0,71 19,83 14,83 12,33 11,25 9,08 7,08 5,42 4,00 3,42 0,49 0,54 0,55 0,56 0,58 0,60 0,61 0,62 0, Prostownik jednopołówkowy Napięcie wyjściowe biegu jałowego U WY O = 2U o ef U F Napięcie wyjściowe pod obiciążeniem Maksymalne napięcie wsteczne Średni prąd przewodzenia Szczytowy prąd przewodzenia U WY = U WY O 1 r w R o U RM = 2 2U o ef I F śr = I WY I FM = U WY O / r w R O Napięcie tętnień Minimalne napięcie wyjściowe U t pp = I WY 1 4 r w 2Cf R o U WY min U WY 2/3U t pp

30 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona Prostownik dwupołówkowy Napięcie wyjściowe biegu jałowego U WY O = 2U o ef 2U F Napięcie wyjściowe pod obiciążeniem Maksymalne napięcie wsteczne Średni prąd przewodzenia Szczytowy prąd przewodzenia U WY = U WY O 1 r w 2R o U RM = 2U o ef I F śr = 1/2I WY I FM = U WY O / 2r w R O Napięcie tętnień Minimalne napięcie wyjściowe Moc znamionowa transformatora U t pp = I WY 1 r w /2Cf 4 2R o U WY min U WY 2/3U t pp P N = (1,2 2)I WY U WY

31 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona Parametryczny stabilizator napięcia z diodą Zenera - podstawowe zależności energetyczne Najprostszym stabilizatorem napięcia jest zwykła dioda Zenera. Musi przez nią płynąć pewien prąd, więc parametry układu wybieramy tak, aby rys. U we U wy R > I wy max Ponieważ U we nie jest stabilizowane, do tej nierówności wstawiamy najmniejszą z możliwych wartości U we. Nazywamy to projektowaniem na najgorszy przypadek. W praktyce należy wziąć pod uwagę tolerancje elementów, zmienność napięcia sieciowego itp. i projektować z uwzględnieniem najgorszej kombinacji zdarzeń, jaka może kiedykolwiek wystąpić. Dioda Zenera musi rozproszyć moc: P Z = [ U we U wy R I Z ]U Z Projektując na najgorszy przypadek należy uwzględnić U we max R min I wy min

32 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona ZADANIA Zadanie 1: Wzmacniacz rezystancyjny w układzie WE - sztywne źródło napięcia Używając wtórnika emiterowego, którego baza jest dołączona do dzielnika napięcia, zaprojektuj "sztywne" źródło napięcia o wartości +5V zasilane z dostępnego stabilizowanego zapięcia +15V. Maksymalna wartość prądu obciążenia jest równa 25mA. Dla tranzystora T należy przyjąć: Wartość napięcia baza-emiter U E =0,6V Współczynnik wzmocnienia prądowego β=100 Prąd emitera I E jest równy prądowi obciążenia Należy wyliczyć: 1. Parametry elementów R 2. Wartości napięć na elementach Rozwiązanie: Wiemy, że U Robc =U E =5V, to Wiemy także, że zgodne są zależności: R obc = U E I E = 5 0,025 = 200Ω I E =I (β+1), to W takim razie: I = I E β + 1 = 0, = 0,247mA

33 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 33 I C =βi =100*0,247mA=24,7mA U R2 =U E +U E =5+0,6=5,6V U R1 =U CC -U R2 =15+5,6=9,4V U CE =U CC -U E =15-5=10V Ponieważ stosunek napięć U R1 do U R2 określa wartości rezystancji R 1 do R 2 to możemy zapisać, że To możemy odpowiednio przyjąć, iż: R 1 =9400Ω R 2 =5600Ω U R1 = R 1 = 9,4 U R2 R 2 5,6 Należy jednak pamiętać, że przez rezystor R 1 musi płynąć prąd > od prądu I. Zatem sprawdźmy: U R1 R 2 = 9, = 1mA

34 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 34 Zadanie 2: Projektowanie wtórnika emiterowego Zaprojektujemy wtórnik emiterowy dla sygnałów o częstotliwościach akustycznych (od 20 do 20000Hz). Wartość U CC jest równa +15V a wartość spoczynkowego prądu emitera powinna wynosić 1mA. Dla tranzystora T należy przyjąć: Wartość napięcia baza-emiter U E =0,6V Należy wyliczyć: 3. Parametry elementów RC 4. Punkt pracy tranzystora npn Rozwiązanie: Krok 1: wybieramy wartość U E. Aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia na wyjściu, bez obcinania wierzchołków, powinno być: U E =0,5U CC =7,5V Krok 2: wybieramy R E. Dla spoczynkowej wartości prądu emitera równej 1mA. Wartość R E musi wynieść 7,5 kω Krok3: wybieramy R 1 i R 2. U = U E +0,6V czyli U =7,5V+0,6V=8,1V. Z wartości potencjału bazy określamy stosunek R 1 do R 2 jako równy 1:1,17. Stosując w/w zasadę R 1 R 2 << h fe R E = 100 7,5kΩ = 750kΩ [10-cio krotnie mniejsza, czyli 75 kω], to odpowiednie standardy rezystancji wynoszą: R 1 =130 kω, R 2 =150 kω Krok 4: wybieramy C 1. Kondensator C 1 tworzy filtr górnoprzepustowy z rezystancją, która jest dla niego obciążeniem, a mianowicie z połączonymi równolegle rezystancją dzielnika zasilającego bazę i rezystancję widzianą z zacisku bazy w stronę tranzystora. Gdy założymy, że wartość rezystancji rezystora obciążającego wtórnik jest znacznie większa niż wartość rezystancji rezystora emiterowego R E, wtedy wartość rezystancji widzianej z bazy w stronę tranzystora jest równa h fe R E czyli 750 kω. Wartość rezystancji zastępczej dzielnika wynosi 70kΩ. Korzystając ze wzoru na filtr górnoprzepustowy

35 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 35 f d 3d = 1 2πRC = 1 2πC(R 1 R 2 ) Obliczamy szukaną pojemność C, dla 3-decybelowej częstotliwości granicznej 20Hz dla filtru górnoprzepustowego. C 1 2πf(R 1 R 2 ) = 1 2π ,14μF Krok 5: wybieramy C 2. Kondensator C 2 tworzy filtr górnoprzepustowy z nieznaną rezystancją obciążenia wtórnika. Zachowując ostrożność zakładamy, że rezystancja obciążenia nie powinna być mniejsza niż R E C 1 1 = 2πfR E 2π ,1μF Ponieważ, mamy teraz 2 sekwencje filtru górnoprzepustowego połączone kaskadowo, powinniśmy zwiększyć nieco wartości pojemności C 1 i C 2 aby uchronić się przed nadmiernym tłumieniem (zmniejszeniem) o 6d (w tym przypadku). Wybierzmy zatem: C 1 =0,5μF C 2 =3,3μF

36 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 36 Zadanie 3: Wzmacniacz rezystancyjny prądu zmiennego w układzie WE Na rysunku pokazano wzmacniacz prądu zmiennego z tranzystorem npn w układzie wspólnego emitera WE. Dla tranzystora T w stanie aktywnym można przyjąć, że: Napięcie U E nie zależy od wartości prądu I i wynosi 600mV; Prąd zerowy I CE 0 jest bardzo mały i może być pominięty; Współczynnik wzmocnienia prądowego β=50, a prąd I C w obszarze aktywnym nie zależy od wartości napięcia U CE Granicą pomiędzy stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest sytuacja, gdy U C =0. Przy podanych E CC =10V, R C =100Ω, R =9,4kΩ: 1. Wyznaczyć punkt pracy tranzystora określony przez wartości stałego prądu kolektora I C i stałego napięcia kolektor-emiter U CE 2. Określić maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego U wy m Rozwiązanie: Ad 1. Złącze baza-emiter -E tranzystora npn przy dodatnim potencjale na bazie jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (czyli znamy napięcie U E =0,6V), możemy zatem zapisać: I =(E CC -U E )/R =(10-0,6)/9,4[V/kΩ]=1mA I C = β*i +I CE 0 β(e CC -U E )/R =50(10-0,6)/9,4[V/kΩ]=50mA U CE =E CC -I CE 0 *R C =10V-50mA*100Ω=5V Ad 2. Optymalne rozwiązanie w tym układzie polega na wybraniu punktu pracy położonego w środku zakresu zmian napięcia dla obszaru aktywnej pracy tranzystora tzn. U CE== 1/2*(10+0,6)V=5,3V bez zmiany pozostałych parametrów I i I C. Oznacza to zmianę R C =(E CC -U E )/I C =4,7V/50mA=94Ω. Wtedy bez zniekształceń możemy uzyskać amplitudę u wy =4,7V

37 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 37 Zadanie 4: Wzmacniacz rezystancyjny prądu zmiennego z emiterowym sprzężeniem zwrotnym W układzie jak na rysunku przy założeniach: Napięcie U E nie zależy od wartości prądu I i wynosi 600mV; Prąd zerowy I CE 0 jest bardzo mały i może być pominięty; Współczynnik wzmocnienia prądowego β=50, a prąd I C w obszarze aktywnym nie zależy od wartości napięcia U CE Granicą pomiędzy stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest sytuacja, gdy U C =0. Należy: 1. Wyznaczyć punkt pracy tranzystora określony przez wartość kolektora I C i napięcia kolektroremiter U CE ; 2. Określić w jakim zakresie przy niezmienionych wartościach E CC, R, R E mogłaby zmieniać się wartość R C, aby tranzystor pozostawał w stanie aktywnym; 3. Wyznaczyć prądy i napięcia w układzie, w przypadku gdy wartość rezystancji R C wzrośnie do 500Ω, zakładając dla nasyconego tranzystora U CEs =50mV Rozwiązanie: Ad 1. Złącze baza-emiter tranzystora npn przy dodatnim potencjale na bazie jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (czyli znamy U E =0,6V). Dla oznaczeń na podstawie II-go prawa Kirchoffa możemy zapisać: R * I + U E + R E * I E =E CC uwzględniając I E = I C +I = βi +I =(β+1) I mamy R * I + U E + R E *(β+1) I =E CC Skąd jest już możliwe wyznaczenie wartości I, a następnie I C i I E i wywołanych przez te prądy spadków napięć: I = E CC U E 10 0,6 = R + (β + 1)R E 9, ,1 V 9,4 = kω 14,5 = 0,648[mA] I C =β*i =50*0,648=32,4mA I C *R C =32,4mA*0,1kΩ=3,24V I E =(β+1)*i =51*0,648=33,1mA I E *R E =33,1mA*0,1kΩ=3,31V

38 WYRANE ZAGADNIENIA ELEKTRONIKI Strona 38 Szukana wartość napięcia U CE wynosi więc: U CE =E CC - I E *R E - I C *R C =(10-3,31-3,24)V=3,45V a U R =E CC - I E *R E - U E =(10-3,31-0,6)V=6,09V Ponieważ potencjał na kolektorze jest wyższy od potencjału na bazie oraz napięcie U C =2,85V to możemy stwierdzić, iż tranzystor znajduje się w obszarze aktywny. Ad 2. Przy zmianach wartości R C potencjały emitera U E =3,31V i bazy U = U E + U E =3,31+0,6=3,91V nie zmieniają wartości dopóki tranzystor pozostaje w obszarze aktywnym. Na granicy nasycenia (U C =0) mamy jednakowe potencjały bazy i kolektora U C = U =3,91V, zatem maksymalny możliwy spadek napięcia na rezystancji R C wynosi I C *R C =10V-3,91V=6,09V. Przy stałej wartości prądu I C =32,4mA odpowiada to maksymalnej dopuszczalnej wartości rezystancji R C max=6,09/32,4[v/ma]=178ω. Ad 3. Przy takim założeniu wiemy, że obydwa złącza są spolaryzowane w kierunku przewodzenia wobec czego U CEs przyjmować będzie bardzo małe wartości. Obowiązują tutaj zależności I i II prawa Kirchoffa: (1) I E =I + I C (2) R *I +U E + R E *I E =E CC (3) R C *I C +U CEs + R E *I E =E CC Odejmując stronami dwa ostatnie równania mamy: R *I +U E = R C *I C +U CEs czyli I C =1/R C (R *I +U E -U CEs ) (2) uwzględniając równanie (1) mamy: podstawiając ten wynik do równania Potencjał na bazie wynosi: R I + U E + [ R I + U E U CEs R C + I ]R E = E CC I R 1 + R E R C + R E = E CC U E 1 + R E R C + U CEs R E R C ,6(1 + 0,2) + 0,05 0,2 I = V = 0,816mA 9,4(1 + 0,2) + 0,1 kω U =E CC -I *R =10V-0,816mA*9,4kΩ=2,33V Potencjał emitera wynosi: U E =U -U E =2,33V-0,6V=1,73V, wtedy prąd emitera I E =U E /R E =1,73V/100Ω=17,3mA Potencjał kolektora wynosi: U C =U E -U CEs =1,73V-0,05V=1,78V,