Úloha SK

Tranzistor v zapojení SK

je teda demonštrácia funkcie bipolárneho tranzistora (F) v zapojení so spoločným kolektorom (SK), predovšetkým overenie:

správneho nastavenia jednosmerných pracovných podmienok tranzistora (F);
charakteristických parametrov náhradného obvodu sledovača (F), predovšetkým kontrola vysokého vstupného odporu R_vst  a nízkeho výstupného odporu sledovača R_vys a kontrola prakticky jednotkového napäťového zisku tranzistora A_uT ;
funkcie vstupného filtra s kondenzátorom C₁ (F);
funkcie výstupného filtra s kondenzátorom C₂ (F).

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 U_cc=+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 na obrázku 1a má harmonický tvar, takže z nameraných priebehov napätí na obrázku 1b, resp. z ich porovnania možno získať informáciu o type materiálu tranzistora. (Pre vodivú diódu báza - emitor v germániovom tranzistore je U_BE=U_DF~0,2V, pre kremíkový tranzistor je U_BE=U_DF~0,65V). Na základe oscilogramu obmedzenej amplitúdy výstupného napätia na obrázku 1b zrejme je použitý kremíkový tranzistor. (F)

Obr. 1 a Ilustračné zapojenie emitorového sledovača s jednoduchým obvodom napájania bázy, ktorý nemôže zabezpečiť (obrázok 1.b.) rovnaké pracovné podmienky pre obe polarity vstupného signálu.

Obr. 1 b Ilustrácia prenosu signálu zo vstupu na výstup v zapojení z obrázku 1.a.. Signál sa na výstupe objaví až vtedy keď je jeho amplitúda U1b > UBE (pre kremíkový tranzistor je UBE ~ 0,6 V, pre germániový tranzistor je UBE ~ 0,2 V), pretože až vtedy začína tiecť bázový prúd a tranzistor sa stáva funkčný ako zosilňovač (F)

uJednosmerné pracovné podmienky tranzistora

Obr. 1c. Zapojenie emitorového sledovača s jednoduchým obvodom napájania bázy. Vďaka použitiu zdroja Uee=-10V v emitorovom obvode sú zabezpečené rovnaké pracovné podmienky pre obe polarity vstupného signálu;

Na základe odmerania jednosmerných napätí na báze U_B a na emitore U_E (napríklad pri simulovanom meraní obvodu na obrázku 1c odmerané U_B=-3,2V a U_E=-3,8V) a použitých odporov možno určiť prúdy cez tranzistor ako aj ďalšie parametre náhradného obvodu tranzistora (F  statický zosilňovací činiteľ b_F  v zapojení SE, strmosť g_m, vstupný odpor r_p a pod., podobne ako zobrazuje výpis na obrázku 1d). Pomocou takto určených parametrov náhradného obvodu tranzistora možno potom vypočítať (skontrolovať) ďalšie parametre emitorového sledovača (napäťový 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.

F  Vstupná a výstupná impedancia

• v zapojení so spoločným emitorom a v zapojení so spoločným kolektorom
• Darlingtonove zapojenie sledovača

u Meranie s generátorom harmonického signálu

Za predpokladu, 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) môžete 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 frekvenciách nie je už zobrazovanie na osciloskope také bezproblémové a môže byť sprevádzané tiež rušením siete tzv. bručaním s frekvenciou f~50Hz).

Obr. 2a. Náhradný obvod pre určenie vstupného odporu Rvst;	Obr 2b. Náhradný obvod pre určenie výstupného odporu Rvyst

Obr. 2c. Ilustrácia nameraných amplitúd vstupného signálu Uin=U1 a amplitúdy signálu na báze tranzistora U1b, pomocou ktorých bol v meraní stanovený úbytok amplitúdy napätia DURB= U1-U1b na odpore RB=10kW , určená amplitúda bázového prúdu Ib=DURB/RB a následne určený vstupný odpor sledovača Rvst= U1b/ Ib pri frekvencii f = 1250 Hz a pri odpojenej záťaži RL.

Na základe odmerania amplitúd vstupného signálu U₁ a amplitúdy signálu na báze tranzistora U_1b (obrázok 2c) možno pomocou úbytku amplitúdy napätia

 určiť amplitúdu bázového prúdu

(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 I_B, ktorý definuje pracovný bod tranzistora v dôsledku čoho sa môže posúvať poloha zobrazenia na osciloskope.) Nakoľko do bázy tranzistora vstupuje všetok striedavý prúd I_b z generátora (nie je tam žiadne rozvetvenie prúdu, napríklad do deliča) možno jednoducho s pomocou odmeranej amplitúdy napätia na báze tranzistora U_1b určiť vstupný odpor sledovača R_vst pre harmonický signál o použitej frekvencii (a samozrejme aj pri určitej záťaži R_L.)

Rvst= U1b/Ib

Pre názornosť je na obrázku 2d znázornené porovnanie amplitúd na vstupe U_in=U₁, na báze U_1b a na výstupe out2 U_out. Na základe takéhoto merania možno stanoviť priamo napäťový zisk (napäťové zosilnenie pri určitej frekvencii) emitorového sledovača

(Vlastne nejde o zisk ale o zoslabenie, pretože principiálne A_u < 1.)

Obr. 2d. Ilustrácia nameraných amplitúd vstupného signálu Uin=U1 a amplitúdy signálu na báze tranzistora U1b a amplitúdy výstupného signálu Uout, pomocou ktorých bol v meraní stanovený napäťový zisk sledovača Au=Uout/Uin (resp. napäťový zisk samotného tranzistora AuT=Uout/Ub) a prúdový zisk sledovača Ai =Ie/Ib .pri frekvencii f = 1250 Hz a pri odpojenej záťaži RL.

Obdobne pomocou vypočítaných amplitúd emitorového signálu I_e=U_out1/R_E a amplitúdy bázového signálu I_b možno stanoviť prúdový zisk (prúdové zosilnenie pri určitej frekvencii) emitorového sledovača

 

Obr 3a. Ilustrácia nameraných amplitúd vstupného signálu Uin=U1 a amplitúdy výstupného signálu Uout, odmeraných pri frekvencii f =1250Hz pri pripojenej záťaži RL=1kW;

 
 

Obr 3b.  Ilustrácia nameraných amplitúd vstupného signálu Uin=U1 a amplitúdy výstupného signálu Uout, odmeraných pri frekvencii f =1250Hz pri pripojenej záťaži RL=100W.

Podľa náhradného obvodu na obrázku 2b je meranie výstupného odporu R_vyst založené na odmeraní amplitúdy napätia na výstupe pri rôznych odporoch záťaže R_L. (Záťaž R_L musí byť jednosmerne oddelená pomocou oddeľovacieho kondenzátora C_v2 = 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 R_L. Pomocou odmeraných amplitúd naprázdno U₂₀ (na výstupe out1 bez prítomnosti zaťažovacieho odporu R_L) a amplitúdy U₂ so zaťažovacím odporom R_L (na výstupe out2) možno stanoviť výstupný odpor sledovača pri danej frekvencii merania.

Rvys = RL(U 20 - U2 )/U2

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).

Obr. 3c. Amplitúdová frekvenčná charakteristika sledovača, na priebeh ktorej má vplyv väzobný obvod s kondenzátorom Cv2 = C1.

Troška zložitejší je spôsob na rýchle jednorázové stanovenie dolnej hraničnej frekvencie f_d, 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 A_d pri vhodne nájdenej nižšej frekvencii f_d (ktorú treba experimentálne určiť tak, že prenos A_d pri tejto frekvencii bude A_d = 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 C₁R_La signál sa vplyvom impedancie kondenzátora |1//wC₁| nezmenšuje (čo pokladáme za vhodné kritérium pre voľbu kapacity C₁ pre tento prípad). 

Okrem vplyvu výstupného odporu sledovača R_vys na amplitúdu výstupného signálu môže sa prejaviť jeho vplyv aj na tvar impulzov na výstupe sledovača (F).

Poznámka k voľbe vhodnej frekvencie merania pre úlohu v praktiku

Pre podmienky praktikovej úlohy je vhodné sa presvedčiť o vhodnosti voľby frekvencie, pri ktorej vykonávate meranie. Pri odoberaní signálu s výstupu out1 na obrázku 1c sa nevyskytuje v prenosovej ceste žiadny kondenzátor a  pri odoberaní signálu s výstupu out2 určuje dolnú hraničnú frekvenciu f_d práve len kondenzátor C₁. Problém na ktorý Vás chcem upozorniť spočíva v našej voľbe odporu R_B (na obrázku 1c 100kW), ktorý sme tam zapojili kvôli osciloskopickému určeniu  striedavého prúdu signálu do báze. Tento odpor R_B tvorí spolu s montážnou parazitnou kapacitou (aj bez tranzistora) integračný článok, ktorý ohraničuje prenos horných frekvencii. Prekontrolujte si preto ako sa skúmaný obvod chová aj v hornej časti frekvenčného pásma a podľa toho si skorigujte voľbu vhodnej frekvencie "stredu  frekvenčného pásma", pri ktorej budete vykonávať väčšinu meraní a ktorá bude pre Vás referenčnou pri zisťovaní dolnej a hornej hraničnej frekvencie. Samozrejme väčšinou sa snažíme v zapojeniach emitorových sledovačov nepoužívať vysoké hodnoty sériových odporov (ako bol R_B  v našom zapojení), takže horná hraničná frekvencia býva závislá len od typu tranzistora (od 10 - 500MHz ).

[Návrat]

Na rozdiel od zjednodušeného zapojenia na obrázku 1 v zdokonalenej modifikácii obvodu sledovača na obrázku 4a je použitý na vytvorenie predpätia pre bázový prúd delič R₁ - R₂, na základe čoho stačí použiť len jeden napájací zdroj napätia U_cc=10V. Dôsledkom uvedeného spôsobu nastavenia pracovného bodu je prítomnosť ďalšieho oddeľovacieho kondenzátora C_v1 = C₁. (Na rozdiel od obrázku 1 bude záťaž na výstupe pripojená pomocou ďalšieho kondenzátora C_v2 = C₂.)

Na základe odmerania jednosmerných napätí na báze U_B a na emitore U_E (napríklad pri simulovanom meraní obvodu na obrázku 4a odmerané napätia U_B = 4 V a na emitore U_E = 3,4 V) a použitých odporov možno určiť prúdy cez tranzistor ako aj ďalšie parametre náhradného obvodu tranzistora (F   statický zosilňovací činiteľ b_F v zapojení SE, strmosť g_m, vstupný odpor r_p 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 (napäťový 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:
 

	Meraní vstupného odporu;
	Kontrole vplyvu oddeľovacích kondenzátorov C1 a C2 na frekvenčnú charakteristiku prenosu.

 

Obr. 4a. Zapojenie emitorového sledovača s napájaním bázy pomocou deliča R1 - R2. Vďaka použitiu deliča nemusí byť potrebné predpätie pre tranzistor zabezpečené z pomocného zdroja Uee v emitorovom obvode (ako v zapojení na obrázku 1c) a odpor RE môže byť uzemnený. Dôsledkom použitia deliča R1- R2 je nenulové jednosmerné napätie na báze tranzistora a potreba jednosmerného oddelenie zdroja signálu od tranzistora pomocou oddeľovacieho kondenzátora C1. (Na prenosové vlastnosti sledovača budú mať okrem tranzistora vplyv oba oddeľovacie kondenzátory C1 a C2). V simulovanom meraní bol použitý rovnaký nf náhradný obvod tranzistora Q1 s ideálnymi frekvenčnými vlastnosťami ako na obrázku 1 (s kapacitami jeho PN prechodov Cp=0 a Cm=0 a veľmi vysokou tranzitnou frekvenciou fT ).

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-R₂a prítomnosti oddeľovacieho kondenzátora C_v1 = 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 R_vst a vstupný odpor samotného tranzistora R_vsT.

Na základe osciloskopického odmerania amplitúdy vstupného signálu U₁ a amplitúdy signálu na báze tranzistora U_b = U_1b možno pomocou úbytku amplitúdy napätia

tečúceho cez tento odpor, podobne ako v predošlom zapojení. Pomocou amplitúdy prúdu I_bd a odmeranej amplitúdy napätia na báze tranzistora U_1b možno určiť celkový vstupný odpor sledovača pre harmonický signál o použitej frekvencii:

Rvst=RvsT||R1||R2 = U1b /Ibd

(symbol || je použitý na skrátené označenie paralelného spojenia odporov). Pre určenie vstupného odporu tranzistora R_vsT potrebujeme určiť prúd I_b signálu vstupújúci do bázy, respektíve aj druhú súčasť prúdu I_{bd =} I_b-I_d , t.j. prúd I_d odvetvujúci sa do deliča R₁ - R₂. (Pre zopakovanie prúd I_bd sa rozdelí v pomere vodivostí 1/R₁₂a 1/R_vsT, takže do bázy potečie časť I_b=R₁₂I_bd/(R₁₂+R_vsT) a do deliča časť prúdu I_d= U_1b/R₁₂ , kde použité označenie predstavuje výsledný odpor R₁₂ = R1||R2 =  (R₁R₂ )/(R₁+ R₂) paralelného spojenia odporov R₁||R₂ a R_vsT  je vstupný odpor samotného tranzistora). Potom vstupný odpor samotného tranzistora:   

RvsT= U1b /( Ibd -Id )

Obr.4b. Ilustrácia vplyvu oddeľovacích derivačných obvodov a kondenzátormi C1 a C2 v zapojení na obrázku 4a. Rozhodujúci vplyv na tvar signálu v danom prípade má výstupný obvod.

u Kontrola funkcie oddeľovacích kondenzátorov 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 C_v1=C₁) a tiež obvod s kondenzátorom C_v2=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 C₂R_L ako v predošlom zapojení na obrázku 1c (ktorý mal dolnú hraničnú frekvenciu f_d2) stačí sa už len presvedčiť o správností voľby vstupného oddeľovacieho kondenzátora C₁, teda nájsť dolnú hraničnú frekvenciu vstupného obvodu f_d1). Použite rovnaký spôsob rýchleho jednorázového stanovenia dolnej hraničnej frekvencie f_d, aký ste použili v predošlej časti merania. (Pre hornopriepustný filter CR postup spočíva na osciloskopickom porovnaní nejakého referenčného prenosu (napríklad o hodnote A pri frekvencii "stredu prenášaného frekvenčného pásma"~1 kHz F) a prenosu A_d pri vhodne nájdenej nižšej frekvencii f_d (ktorú treba experimentálne určiť tak, že prenos A_d pri tejto frekvencii bude A_d=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 C₁pre tento prípad).

Pri celkovom vyhodnotení voľby väzobného kondenzátora potom môžu nastať možnosti vzájomného vzťahu frekvencii:

• f_d1< f_d2 a rozhodujúci vplyv má výstupný obvod C₂R_L;
• f_d1 > f_d2 a rozhodujúci vplyv má vstupný obvod C₁(R_B+R_vs), kde R_vs=R₁||R₂||R_vsT  (symbol || je použitý na skrátené označenie paralelného spojenia odporov).
• f_d1~f_d2 a oba obvody majú rovnaký vplyv, čo sa prejaví na výslednej dolnej hraničnej frekvencii f_d (obecne pre n obvodov s hraničnou frekvenciou f_di  je výsledná f_d~f_di(n)^0.5)

[Návrat]

Záverečné zhodnotenie merania

• parametre tranzistora na základe odmeraných jednosmerných napätí U_E, U_B:

• vstupný odpor R_vsT a výstupný odpor tranzistora R_vysT v sledovači (pri odpojenom R_La pri R_B=0):

• prúdový A_iT a a napäťový zisk A_uTsamotného tranzistora:_.

• dolné hraničné frekvencie f_d spôsobené derivačnými článkami s kondenzátormi C₁ a C₂;

A nezabudnite sa pochváliť, resp. uviesť príčiny, ktoré ovplyvnili Vaše merania.

Literatúra ( základná, v ktorej sú podrobnejšie uvedené potrebné vzťahy a pojmy.):
 

	Dušan Kollár: Praktikum z elektroniky a automatizácie, skriptá MFFUK, 1991 - úlohy: 1c4, 1c5, 1c8
	Dušan Kollár: Elektronika a automatizácia 1, skriptá MFFUK, 1990, str. 110 - 129.

 

[Návrat]