Elektronická učebnice

Základní zapojení pro nastavení a stabilizaci pracovního bodu tranzistoru

Tranzistory můžeme využívat ve dvou základních režimech činnosti:

tranzistor pracuje v lineárním režimu;
tranzistor pracuje ve spínacím režimu, ve kterém zaujímá dva stavy:
- buď jím prochází proud, tranzistor je otevřený (režim saturace)
- nebo jím neprotéká proud, tranzistor je uzavřený (nevodivý režim).

Každý tranzistorový obvod musí obsahovat stejnosměrný napájecí zdroj:

pomocí kterého nastavíme pracovní bod tranzistoru;
který má dále za úkol dodávat energii potřebnou k zesílení signálu (třebaže tranzistor považujeme za aktivní součástku, neobsahuje vnitřní zdroj, potřebné velikosti napětí a proudů musí proto dodávat zdroj vnější).

Lineární režim se využívá při zesilování signálu.

Zesilování velkých signálů - při zesilování velkých signálů se projevují nelineární charakteristiky tranzistoru.

Zesilování malých signálů – při zesilování malých signálů je možné charakteristiky v okolí pracovního bodu linearizovat, proto je možné používat např. čtyřpólové parametry zaměřené pro daný pracovní bod (např. h parametry).

Podmínky pro nastavení pracovního bodu v lineárním režimu

přechod kolektor-báze (kolektorový přechod) je polarizován v závěrném směru, potenciál kolektoru má být u tranzistorů NPN alespoň o jeden, raději o několik voltů kladnější, než je potenciál báze (u PNP tranzistorů má být potenciál kolektoru zápornější oproti potenciálu báze);
přechod báze-emitor (emitorový přechod) je polarizován v propustném směru, úbytek napětí na tomto přechodu se u křemíkových tranzistorů pohybuje v rozsahu přibližně (0,4 až 0,8) V;
kolektorový proud v pracovním bodu I_CP – musí být vzhledem k velké teplotní závislosti zbytkového proudu báze I_CB0 co největší, I_CP»I_CB0, tento požadavek je u křemíkových tranzistorů většinou splněn;
nesmí být překročeny mezní parametry tranzistoru.

Nejjednodušší model bipolárního tranzistoru je založen na vztahu i_C = β . i_B. Podrobnější model je popsán v rovnici i_C = f(i_B; u_CE).

Lineární režim – proudová paralelní zpětná vazba kolektor - báze

Proudovou paralelní zpětnou vazbu kolektor – báze realizuje zapojení na obr. 1.

Obr. 1: Zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou paralelní zápornou zpětnou vazbou

Proud kolektorem je snímán odporem R_C2. Napětí zdroje pro obvod báze je o úbytek na odporu R_C2 sníženo. Zvýšení proudu kolektorem způsobuje pokles napětí v obvodu báze a tím zmenšení proudu bází. Jedná se tedy o zápornou zpětnou vazbu.

Zapojení si můžeme nahradit náhradním zapojením na obr. 2.

Obr. 2: Zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou paralelní zápornou zpětnou vazbou

Za předpokladu, že I_R2 + I_B « I_C, bude náhradní napěťový zdroj mít napětí naprázdno

$U_{B0}=\left ( U_{0}-R_{C2}I_{C} \right )\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}$

a vnitřní odpor

$R_{B}=\frac{R_{1}R_{2}}{R_{1}+R_{2}}$

Aplikací 2. Kirchhoffova zákona pro IB platí

$I_{B}=\frac{U_{B0}-U_{BE}}{R_{B}}$

Po dosazení a úpravě dostaneme pro IB vztah

$I_{B}=\frac{U_{0}}{R_{1}+\beta R_{C2}}-\frac{U_{BE}(R_{1}+R_{2})}{(R_{1}+\beta R_{C2})R_{2}}$

Splníme – li podmínku, že

$\beta \gg \frac{R_{1}}{R_{C2}}$

můžeme člen R1 ve jmenovatelích zlomků zanedbat a pro IC dostaneme.

$I_{C}=\frac{U_{0}}{R_{C2}}-\frac{U_{BE}(R_{1}+R_{2})}{R_{2}R_{C2}}$

Pro napětí U_CE, které by mělo být přibližně ½ U₀ platí: U_CE =U₀ – (R_C1 + R_C2)I_C

Pracovní bod tranzistoru za těchto podmínek lze nastavit pasivními prvky prakticky nezávisle na jeho zesilovacím činiteli β.

Proudová sériová zpětná vazba emitor - báze

Proudovou sériovou zpětnou vazbu emitor – báze realizuje zapojení na obr. 3.

Obr. 3: Zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou sériovou zápornou zpětnou vazbou

Proud emitorem je snímán odporem R_E.

Přitom platí, že

$I_{E}=\frac{\beta +1}{\beta }I_{C}$

Napětí na odporu R_E je přímo úměrné proudu I_E a tedy také I_C.

Zapojení si můžeme nahradit náhradním zapojením na obr. 4.

Obr. 4: Náhradní zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou sériovou zápornou zpětnou vazbou pro určení pracovního bodu

Kde

$U_{B}=U_{0}\frac{R_{2}}{(R_{1}+R_{2})}$

$R_{B}=\frac{R_{1}R_{2}}{R_{1}+R_{2}}$

Pro smyčku v obvodu báze platí U_B = R_BI_B + U_BE + R_EI_E.

Zvýšení proudu kolektorem je ve smyčce kompenzováno poklesem proudu bází. Jedná se tedy o zápornou zpětnou vazbu. Potom pro I_B platí

$I_{B}=\frac{U_{0}R_{2}-U_{BE}(R_{1}+R_{2})}{R_{1}R_{2}+R_{E}(R_{1}+R_{2})(\beta +1)}$

Platí-li podmínka

$\beta +1\gg \frac{R_{1}R_{2}}{R_{E}(R_{1}+R_{2})}$

lze ve ztahu pro I_Bzanedbat člen R₁ . R₂. Je-li β » než 1, pak bude

$\beta \gg \frac{R_{B}}{R_{E}}$

Potom pro I_B a I_Cplatí

$I_{B}=\frac{U_{B}-U_{BE}}{\beta R_{E}}$ $I_{C}=\frac{U_{B}-U_{BE}}{R_{E}}$

Pro napětí U_CE, které by mělo být přibližně 1/2U₀, platí přibližně U_CE = U₀ – (R_C+R_E)I_C.

Pracovní bod tranzistoru za těchto podmínek lze nastavit pasivními prvky prakticky nezávisle na jeho zesilovacím činiteli β.

Darlingtonovo a Sziklaiovo zapojení

Dva tranzistory v Darlingotnově nebo v Sziklaiově zapojení mohou být použity jako jeden tranzistor s velkým zesílením.

Darlingtonovo zapojení

Zapojíme-li dva tranzistory podle obr. 5, projevují se jako jeden tranzistor s velkým zesilovacím činitelem β.

Proudový zesilovací činitel β je roven součinu zesilovacích činitelů jednotlivých tranzistorů.

β = β´. β´´

Kde β´ je proudový zesilovací činitel vstupního tranzistoru, β´´ je zesilovací činitel výstupního tranzistoru. Obdobně můžeme psát

h_21E = h´_21E . h´´_21E

Velikost výsledného kolektorového proudu i_C určíme pomocí obdobného vztahu jako při použití jednoho tranzistoru

I_C = β . i´_B + I_CE0

Nevýhodou Darlingtonova zapojení je skutečnost, že výsledné napětí mezi bází a emitorem U_BEje dáno součtem napětí mezi bází a emitorem obou tranzsistorů

U_BE = U_BE1 + U_BE2

Obr. 5: Darlingtonovo zapojení

Sziklailovo zapojení (komplementární Darlingtonovo zapojení)

Podobný výsledek jako pro Darlingtonovo zapojení je možné získat pro zapojení Sziklaiovo znázorněné na obr. 6. Protože v něm jsou použity opačně polarizované tranzistory (NPN a PNP jsou tranzistory navzájem komplementární), je toto zapojení známé pod názvem komplementární Darlington.

Název komplementární znamená použití tranzistorů opačných polarit (NPN a PNP).

Výsledkem je opět třívývodové zapojení, se kterým je možné manipulovat jako s jedním tranzistorem s velmi vysokým proudovým zesílením.

Zapojení se chová jako tranzistor, který má shodnou polaritu elektrod se vstupním tranzistorem. Výsledný zesilovací činitel β

H_21E≅ h´_21E . h´´_21E a zároveň β ≅β´.β´´.

Obr. 6: Sziklaiovo zapojení

Zdroje

KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice. VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou paralelní zápornou zpětnou vazbou, Elektronika I učebnice. VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Obr. 2: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou paralelní zápornou zpětnou vazbou, Elektronika I učebnice. VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Obr. 3: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou sériovou zápornou zpětnou vazbou, Elektronika I učebnice. VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Obr. 4: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Náhradní zapojení tranzistorového stupně se společným emitorem s proudovou sériovou zápornou zpětnou vazbou pro určení pracovního bodu, Elektronika I učebnice. VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Obr. 5: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Darlingtonovo zapojení, Elektronika I učebnice. VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
Obr. 6: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Sziklaiovo zapojení, Elektronika I učebnice. VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Metodika práce se systémem ELUC
Nastavení Cookies