Wyjaśnienie

Zanim przeczytacie tą serię artykułów, chcę wyjaśnić, że nie czuję się ekspertem w tym temacie. Pomimo, że naprawiam różne układy tranzystorowe od lat, to jednak pisząc artykuł zauważyłem, że wciąż odkrywam ciekawe informacje o samym tranzystorze i o układach z nim związanych. Dlatego potraktujmy to jako wspólną naukę. Będę upraszczał temat w wielu miejscach, żeby się skupić na rzeczach najważniejszych. Wszystkie kruczki i niuanse, które zauważą bardziej doświadczeni czytelnicy zostały świadomie pominięte. W te szczegóły będę wchodził w kolejnych artykułach na zasadzie dopieszczania projektu i dostosowywania do konkretnych potrzeb. Zawsze możecie zadawać pytania w komentarzach. Będę odpisywał w miarę możliwości.

Nie wiem czy te artykuły będą lepsze czy gorsze od innych w internecie. Dostosuję je do moich potrzeb usystematyzowania sobie wiedzy i przy okazji podzielę się tym z Wami. Zawsze to jakiś kolejny, inny sposób podejścia do nauki. Mam nadzieję, że przynajmniej niektórzy skorzystają.

Tranzystor

Tranzystor to element półprzewodnikowy, którego zadaniem jest wzmacnianie sygnału. Jest to element aktywny, który do działania wymaga zasilania i konfiguracji pracy. Jest to szczególnie ważne, ponieważ wiele materiałów edukacyjnych opisuje sam tranzystor. Brak istotnych elementów schematu i ważnych informacji jak napięcie zasilania, powoduje utrudnienie w zrozumieniu tego ciekawego elementu. Jest kilka rodzajów typów tranzystorów, ale na razie skupimy się na tranzystorach bipolarnych (BJT). Posiadają one trzy złącza:

• Kolektor – złącze sterowane, które jest wyjściem (1)
• Bazę – złącze sterujące, które jest wejściem (2)
• Emiter – złącze odniesienia napięcia (3)

W zależności od kierunku przepływu prądu rozróżniamy dwa rodzaje tranzystorów: NPN i PNP.

Dla dalszych rozważań warto zapoznać się z podstawowymi oznaczeniami parametrów tranzystora. Samo ich poznanie nie wystarczy do zrozumienia działania, ale jest niezbędne do dalszej rozmowy. Te, które są według mnie najważniejsze to:

UBE – napięcie pomiędzy bazą a emiterem

IB – prąd wpływający do bazy

UCE – napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem

IC – prąd wpływający do kolektora

hFE – wzmocnienie stałoprądowe tranzystora (IB * hFE = IC)

Działanie tranzystora polega na manipulowaniu prądami i napięciami w układzie. Żeby to było możliwe trzeba zastosować rezystory, które „skonfigurują” pracę układu. Trzeba też być dobrze zorientowanym w zastosowaniu prawa Ohma. Jeśli wiadomo, w jakiej kolejności wykonać obliczenia, to jest to dość proste. Prześledzimy sobie przykładowy układ wzmacniacza jednotranzystorowego w układzie wspólnego emitera. Nazwa ta oznacza, że emiter jest punktem odniesienia zarówno dla napięcia wejściowego jak i wyjściowego. Wzmocniony sygnał jest natomiast odbierany z kolektora.

Zanim przejdziemy do schematu, wyjaśnijmy ważną kwestię. Układ musimy rozważyć zarówno dla napięć stałych jak i dla sygnału zmiennego. Napięcie stałe ustala punkt pracy układu. Sygnał zmienny jest nałożony na takie napięcie stałe. Wszystko się za chwilę wyjaśni jak przeanalizujemy schemat.

Drugą ważną kwestią jest złącze baza-emiter. Zachowuje się ono jak dioda. To oznacza, że występuje na nim spadek napięcia rzędu 0,6V – 0,7V. Poniżej tej wartości prąd bazy nie popłynie. Stąd też potrzeba spolaryzowania bazy napięciem wyższym.

Wzmacniacz tranzystorowy wspólny emiter - schemat

Poniżej przykładowy układ wzmacniacza, który sobie przeanalizujemy. Są na nim zawarte wszystkie elementy niezbędne do działania. Jest też zdefiniowane napięcie zasilania. W trakcie analizy układu zobaczymy jakie to jest ważne. Właściwie to już widać, że napięcia nie biorą się w sposób magiczny, tylko są doprowadzone do tranzystora odpowiednimi rezystorami.

Wzmacniacz tranzystorowy wspólny emiter - obliczenia

Wzmacniacz zaczynamy analizować od strony wyjścia. Wartość R2 będzie nam wyznaczała rezystancję wyjściową. Im niższa tym lepiej. Jednak rezystancja R2 + R4 ogranicza maksymalny prąd kolektora IC. Jeśli będzie zbyt niska to tranzystor może się uszkodzić. Dodatkowo stosunek R2/R4 określa nam wzmocnienie tego wzmacniacza. Obliczmy jak to wygląda w tym przykładzie.

IC = 12/(R2 + R4) = 12/(1000 + 470) = 0,00816 A = 8,16 mA

Wzmocnienie = R2/R4 = 1000/470 = 2,13 razy

Sygnał przemienny, który chcemy wzmocnić musimy nałożyć na napięcie stałe. Zasilanie mamy pojedyncze, to znaczy, że możemy pracować z wartościami napięcia pomiędzy 0V a 12V. Nie możemy w tym przypadku pracować z napięciami ujemnymi. Możemy za to założyć, że punktem odniesienia będzie dla nas połowa napięcia czyli 6V. To oznacza, że w momencie kiedy na wejściu nie ma żadnego sygnału, to na kolektorze tranzystora występuje stałe napięcie 6V. Teraz krok po kroku musimy tak wysterować tranzystor, żeby to osiągnąć.

Krok 1. Obliczenie prądu spoczynkowego kolektora.

Jeżeli na kolektorze ma być 6V, to znaczy, że na rezystorze R2 musi wystąpić spadek napięcia 6V. Obliczamy więc ze wzoru IC = UR2/R2 = 6V/1000Ω = 6 mA.

Krok 2. Obliczenie spadku napięcia na rezystorze R4.

Przez rezystor R4 popłynie suma prądu kolektora oraz bazy. Jednak prąd bazy jest dużo mniejszy od prądu kolektora. Zazwyczaj jest to co najmniej 100 razy mniej, więc możemy go pominąć. Obliczamy więc UR4 = IC * R4 = 0,006A * 470 = 2,82V.

Krok 3. Obliczenie napięcia spoczynkowego bazy.

Na złączu baza emiter będzie spadek napięcia rzędu 0,6V. Musimy dodać to napięcie do napięcia na rezystorze R4. UBE = UR4 + 0,6V = 2,82V + 0,6V = 3,42V.

Krok 4. Obliczenie dzielnika napięcia.

Teraz wystarczy obliczyć dzielnik napięcia, który podzieli nam napięcie zasilania i spolaryzuje bazę napięciem stałym około 3,42V. Uprościmy sobie zadanie i założymy, że R3 = 10k. Teraz możemy policzyć prąd płynący przez dzielnik. I = 3,42V/10000Ω = 342uA. Na rezystorze R1 musi powstać spadek napięcia równy 12V – 3,42V = 8,58V. Jego rezystancja wyniesie 8,58V/0,000342A = 25,09k. Możemy zastosować najbliższą wartość z typoszeregu czyli 22k.

Zaznaczmy na schemacie najważniejsze wyniki naszych obliczeń. Pomimo, że na pierwszy rzut oka wydaje się to trudne, to wiedza ta jest nam potrzebna do projektowania układów. Jeżeli chcemy tylko naprawiać zepsute urządzenia, to wystarczy nam zapamiętać kilka spostrzeżeń:

Wzmocnienie wzmacniacza to stosunek rezystancji R2/R4, napięcie na kolektorze powinno być w pobliżu połowy napięcia zasilania, napięcie na bazie powinno być większe od 0,6V.

Wzmacniacz tranzystorowy wspólny emiter - pomiary zmontowanego układu

Dodatkowo na schemacie znajdziemy kondensator na wejściu i na wyjściu. Ich zadaniem jest odizolowanie napięć stałych, które polaryzują tranzystor, od sygnału zmiennego. Na wejście układu podawany jest sygnał zmienny w odniesieniu do masy. Po drugiej stronie kondensatora C2 występuje już napięcie stałe 3,42V. Sygnał zostaje nałożony na to napięcie i teraz zmienne względem tego napięcia. Inaczej mówiąc, do sygnału dodaje się wartość 3,42V. Po wzmocnieniu przez tranzystor, wytworzone zostaje napięcie zmienne względem napięcia spoczynkowego na kolektorze czyli 6V. Kondensator C1 znowu izoluje napięcie stałe i na wyjściu mamy wzmocniony sygnał w odniesieniu do masy.

Dość na razie obliczeń teoretycznych. Trzeba zbudować układ i zobaczyć czy działa zgodnie z oczekiwaniami. Jako sygnał wejściowy użyję przebiegu sinusoidalnego 1kHz z komputera. Podejrzymy też sygnał za pomocą oscyloskopu. Poniżej zdjęcie zmontowanego układu.

Popatrzmy jak wygląda nasz sygnał wejściowy na kondensatorze C1. Oscyloskop jest ustawiony na 200 mV na działkę, podstawa czasu to 500 us. Poziom sygnału to około 1V. Na zdjęciu tego nie widać, ale generowany sygnał nie jest stabilny. Zmienia się o 0,2V i nie trzyma perfekcyjnie częstotliwości. W niczym to nie przeszkadza. To jest sygnał, który chcemy wzmocnić. Nie ma w nim składowej stałej i jest symetryczny względem zera.

Teraz zobaczmy co się dzieje na bazie tranzystora. Oscyloskop trzeba było ustawić na 2 V na działkę, bo przebieg „uciekł” do góry. Dzieje się tak ponieważ został na napięcie stałe polaryzujące bazę. Jak widać wartość międzyszczytowa nadal wynosi 1 V. Sygnał jednak nie jest symetryczny względem zera, ale względem napięcia polaryzującego.

Na kolektorze można zauważyć dwie zmiany w stosunku do bazy. Jedna to taka, że przebieg znów „uciekł” do góry. Teraz jest symetryczny względem napięcia spoczynkowego kolektora czyli 6 V. Jednocześnie napięcie międzyszczytowe wynosi teraz 2 V. Czyli sygnał jest już wzmocniony 2 razy.

Teraz zobaczmy jak to wygląda za kondensatorem C2, na wyjściu. Przebieg nie ma składowej stałej i jest symetryczny względem zera. Dzięki temu można ustawić oscyloskop na 500 mV na działkę, żeby się bliżej przyjrzeć. Muszę też dodać, że żeby zobaczyć ten przebieg musiałem nieco oszukiwać. Wybrałem na oscyloskopie, żeby pokazywał tylko składową zmienną. Wyprowadzenie kondensatora wyjściowego C2 nie może „wisieć w powietrzu”. Powinno być podłączone do masy rezystorem.

I co dalej?

Wzmacniacz, który przeanalizowaliśmy nie jest idealny. Jest on natomiast cegiełką, z której buduje się bardziej rozbudowane wzmacniacze. Zależności napięciowe będą działały tak samo w innych układach. Ale to jeszcze nie koniec. W następnych artykułach będziemy sprawdzać limity tego układu. W praktyce nic nie jest doskonałe i ma swoje wady i limity. Warto je znać, żeby się nie zapędzić za daleko. Zadamy sobie na przykład takie pytania:

Jakie maksymalne wzmocnienie można uzyskać?

Jaki maksymalny sygnał uzyskamy na wyjściu?

Jak bardzo możemy obniżyć napięcie?

O co chodzi z oporem wejściowym i wyjściowym?

Mam nadzieję, że na ten moment wszystko zrozumieliście. Jeżeli nie, to się nie martwcie. Będziemy to wszystko obliczać jeszcze nie raz. Będziemy też analizować układ od różnych stron. Nie ma wzmacniacza idealnego, więc trzeba poświęcić jeden parametr, po to żeby inny poprawić. Piszcie w komentarzach, który parametr czy aspekt układowy głębiej sprawdzić.