Struktura

Základní zapojení pro nastavení a stabilizaci pracovního bodu tranzistoru

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 ICP – musí být vzhledem k velké teplotní závislosti zbytkového proudu báze ICB0 co největší, ICP»ICB0, tento požadavek je u křemíkových tranzistorů většinou splněn;

  • nesmí být překročeny mezní parametry tranzistoru.

Nejjednodušší model bipolárního tranzistoru je založen na vztahu iC = β . iB. Podrobnější model je popsán v rovnici iC = f(iB; uCE).

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 RC2. Napětí zdroje pro obvod báze je o úbytek na odporu RC2 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 IR2 + IB « IC, 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 UCE, které by mělo být přibližně ½ U0 platí: UCE =U0 – (RC1 + RC2)IC

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 RE.

Přitom platí, že

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

Napětí na odporu RE je přímo úměrné proudu IE a tedy také IC.

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})}

a

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

Pro smyčku v obvodu báze platí UB = RBIB + UBE + REIE.

Zvýšení proudu kolektorem je ve smyčce kompenzováno poklesem proudu bází. Jedná se tedy o zápornou zpětnou vazbu. Potom pro IB 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 IB zanedbat člen R1 . R2. Je-li β » než 1, pak bude

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

Potom pro IB a IC platí

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

Pro napětí UCE, které by mělo být přibližně 1/2U0, platí přibližně UCE = U0 – (RC+RE)IC.

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

h21E = h´21E . h´´21E

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

IC = β . i´B + ICE0

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

UBE = UBE1 + UBE2

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

H21E ≅ 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
Logolink