3.4-tranzistorul.pdf
TRANSCRIPT
-
68
04 - Tranzistorul
01. Tranzistorul - introducere
Structur i definiie
Un tranzistor bipolar cu jonciune (BJT)
este alctuit din trei straturi de materiale
semiconductoare
Diferena dintre tranzistorul PNP i NPN
, fie de tipul PNP, fie de
tipul NPN . Fiecare strat are un nume
specific i un contact pentru conexiunea
n circuit.
Diferena funcional dintre tranzistorul PNP i NPN, este modul de polarizare corect a jonciunii
Utilizarea tranzistorilor
.
Indiferent de starea n care se afl, direciile curenilor i polaritile tensiunii sunt exact invers la cele dou tipuri
de tranzistoare.
Tranzistorii sunt regulatori de curent controlai n curent
Observaii
.
Cu alte cuvinte, tranzistorii limiteaz valoarea curentului
prin ei cu ajutorul unui curent de control mai mic.
Curentul principal, cel controlat, pleac dinspre emitor
spre colector (tipul NPN), iar curentul mai mic, de
control, pleac dinspre emitor spre baz (tipul NPN).
Pentru tranzistorul de tip PNP, direcia curenilor este exact invers. Atenie, folosim sensul real de deplasare al
electronilor, prin urmare, sgeile indicate pe simbolurile elementelor semiconductoare vor indicat tot timpul
mpotriva direciei de deplasare al electronilor.
-
69
Denumirea tranzistoarelor bipolare vine de la faptul c deplasarea electronilor prin ele are loc prin dou
tipuri de material semiconductor: P i N. Cu alte cuvinte, exist dou tipuri de purttori de sarcin, electroni i
goluri.
Dup cum se poate observa, curentul de control i curentul controlat se nsumeaz tot timpul pe emitor, iar
deplasarea electronilor are loc tot timpul mpotriva direciei sgeii. Aceasta este prima i cea mai important regul
a tranzistoarelor: toi curenii trebuie s mearg n direciile corecte pentru ca dispozitivul s funcioneze ca i
regulator de curent. De obicei, curentul de control este denumit curent de baz, iar curentul controlat este denumit
curent de colector
02. Tranzistorului ca i ntreruptor
, deoarece sunt singurii curenii ce trec pe la aceste terminale. Curentul pe emitor este suma
curenilor de baz i colector, n conformitatea cu legea lui Kirchhoff pentru curent.
Atunci cnd nu exist niciun curent prin baz, tranzistorul se comport precum un ntreruptor deschis, iar
trecerea curentului prin colector nu este posibil. Un curent de baz pornete tranzistorul, acesta comportndu-se
precum un ntreruptor nchis i permind trecerea unui curent proporional prin colector. Curentul de colector este
limitat de curentul bazei, indiferent de valoarea cderii de tensiune pe colector.
Tranzistoarele pot fi folosite ca i ntreruptoare pentru controlul puterii de curent continuu asupra sarcinii.
Curentul controlat trece prin emitor-colector; curentul de control trece prin emitor-baz
Cnd curentul printr-un tranzistor este zero, spunem c acesta este blocat
Cnd curentul printr-un tranzistor este maxim, spunem c acesta este saturat
Scop
Deoarece curentul colectorului tranzistorului este limitat proporional de curentul bazei, acesta poate fi
folosit pe post de ntreruptor controlat n curent. O cantitate relativ mic de electroni, prin baz, poate exercita un
control asupra unei cantiti mult mai mari de electroni prin colector
Exemplu - controlul pornirii/opririi unei lmpi
.
ntreruptor simplu
-
70
S presupunem c avem o lamp pe care vrei s o pornim/oprim cu ajutorul unui ntreruptor.
Tranzistor NPN
Pentru exemplificare, s inserm acum un tranzistor n locul ntreruptorului. inei
minte, curentul controlat trebuie s treac prin tranzistor de la colector spre emitor. Din
moment ce curentul controlat este cel prin lamp, trebuie s poziionm colectorul i
emitorul tranzistorului n locul contactelor ntreruptorului. Trebuie de asemenea s ne
asigurm c direcia curentului prin tranzistor este mpotriva sgeii emitorului, pentru a ne asigura c jonciunea
tranzistorului este polarizat corect.
Tranzistor PNP
Putem de asemenea s folosim i un tranzistor PNP pentru realizarea acestui circuit. Alegerea
fcut ntre PNP i NPN este complet arbitrar, dei, pentru exemplificarea funcionrii
tranzistoarelor, vom folosi n continuare cele de tipul NPN.
Adugarea unui ntreruptor ntre baz i colector
ntorcndu-ne la exemplu cu tranzistorul NPN , ne gsim n situaia n care mai trebuie s adugm ceva n
circuit pentru a avea un curent de baz prin tranzistor. Fr o conexiune la terminalul bazei, curentul prin aceasta va
fi zero, iar tranzistorul va fi nchis, ceea ce nseamn c lampa va fi tot timpul oprit. inei minte, c pentru un
tranzistor NPN, direcia curentului de baz trebuie s fie dinspre emitor spre baz (mpotriva direciei sgeii).
Probabil c cel mai simplu lucru ar fi s
conectm un ntreruptor ntre baza i
colector, precum n figura alturat (a).
Tranzistor blocat i tranzistor saturat
Dac ntreruptorul este deschis (a), baza tranzistorului nu va fi conectat la baterie i nu va exista niciun
curent prin ea. n aceast situaie, spune c tranzistorul este blocat. Dac ntreruptorul este nchis (b), va exista un
-
71
curent dinspre emitor spre baz, prin ntreruptor i prin lamp (partea stng) napoi la terminalul pozitiv al
bateriei. Acest curent de baz va permite trecerea unui curent mult mai mare dinspre emitor spre colector, iar lampa
se va aprinde. n aceast situaie, n care curentul prin circuit este maxim, spunem c tranzistorul este saturat.
Surse de polarizare a tranzistorului
Putem ns folosi ceva total diferit pentru a controla lampa
(pornit/oprit). De exemplu, putem folosi o pereche de
celule solare pentru generarea unei tensiuni de 1 V, pentru
depirea tensiunii directe de 0,7 V (VBE
Sau putem folosi mai multe termocuple conectate n
serie pentru generarea curentului bazei necesar
pornirii tranzistorului.
) ntre baz i
emitor, tensiune necesar pentru apariia curentului de baz
i pornirea tranzistorului.
Putem folosi chiar i un microfon, care cu
o tensiune i un curent (printr-un
amplificator) suficient de mari, ar putea
pune tranzistorul n funciune. Desigur,
ieirea microfonului va trebui redresat
din curent alternativ n curent continuu,
pentru ca jonciunea emitor-baz s fie tot
timpul polarizat direct.
Observaii
Ceea ce vrem s demonstrm, este c orice surs de tensiune n curent continuu, capabil s porneasc
tranzistorul, poate fi folosit pentru controlul lmpii, iar puterea acestei surse de tensiune trebuie s fie doar o
fraciune din puterea circuitului controlat. Tranzistorul n acest caz nu se comport doar ca un ntreruptor, ci i ca
un amplificator: folosind un semnal de putere relativ mic pentru controlul unui semnal de putere relativ mare.
-
72
Atenie, puterea necesar aprinderii lmpii este furnizat de bateria din circuitul principal
03. Verificarea tranzistorului cu ohmmetrul
, i nu de celula solar,
termocupl sau microfon. Acestea din urm doar controleaz puterea bateriei pentru aprinderea lmpii.
Tranzistorul se comport precum o pereche de diode conectate spate-n-spate atunci cnd este verificat cu
ajutorul unui multimetru pe post de ohmmetru sau cu funcia verificare diod
Jonciunea emitor-baz de tip P-N, are o tensiune direct puin mai mare dect jonciunea colector-baz de
tip P-N, datorit dopajului mai puternic al emitorului. Acest lucru poate fi exploatat pentru identificarea
tranzistorilor
Comportamentul tranzistorului
Tranzistorii se comport precum dou diode puse spate-n-spate atunci cnd sunt verificai cu ajutorul
multimetrului pe post de ohmmetru sau cu funcia verificare diod, datorit celor trei straturi PNP sau NPN.
Tranzistorul alturat este de tip PNP;
sonda neagr este terminalul negativ
(-) iar cea roie corespunde
terminalului pozitiv (+)
Dac multimetrul este echipat cu
funcia verificare diod, putem
folosi acea funcie pentru aflarea
tensiunii de polarizare direct a jonciunii PN. n cazul unui tranzistor NPN, indicaia aparatului de msur va fi
exact invers.
Determinarea tipului i contactelor unui tranzistor bipolar nemarcat
Dac folosim funcia verificare diod, vom vedea c jonciunea emitor-baz are o tensiune direct mai
mare dect jonciunea colector-baz. Aceast diferena a tensiunii directe se datoreaz diferenei concentraiilor de
dopaj dintre regiunile emitorului i colectorului: emitorul este un material semiconductor dopat mult mai puternic
dect colectorul, ceea ce duce la producerea unei tensiuni directe mult mai mari a jonciunii cu baza.
Cunoscnd acest lucru, putem determina contactele unui tranzistor nemarcat. Acest lucru este important
deoarece nu exist un standard cu privire la modul de mpachetare al tranzistorilor. Desigur, toi tranzistorii bipolari
au trei contacte, dar poziie lor fizic n cadrul tranzistorului poate fi diferit de la un productor la altul.
-
73
S presupunem c lum un tranzistor la ntmplare, nemarcat, i ncepem s msurm cu ajutorul
multimetrului setat pe funcia verificare diod. Dup msurarea tuturor combinaiilor de contacte,
ajungem la urmtoarele rezultate:
Singurele combinaii de contacte pe care putem msura tensiunea sunt 1 i 3
(sonda roie pe 1 i sonda neagr pe 3), i 2 i 3 (sonda roie pe 2 i sonda
neagr pe 3). Aceste dou citiri trebuie s indice tensiunea de polarizare
direct a jonciunii emitor-baz (0,655 V) i a jonciunii colector-baz (0,621).
Putem acum cuta contactul comun ambelor seturi de msurtori conductive. Acest
contact trebuie s fie baza tranzistorului, deoarece acesta este singurul strat, al
dispozitivului format din trei straturi, ce este comun ambelor seturi de jonciuni PN
(emitor-baz i colector-baz). n acest exemplu, contactul cutat este numrul 3,
fiind comun combinaiilor 1-3 i 2-3. n ambele msurtori, sonda neagr (-) a
aparatului de msur a venit n contact cu contactul 3, ceea ce ne spune c baza
acestui tranzistor este realizat dintr-un material semiconductor de tip N. Prin urmare,
tranzistorul n cauz este un tranzistor bipolar de tip PNP, cu baza - contactul 3, emitor - contactul 1 i colector -
contactul 2.
Dup cum putem observa, baza tranzistorului n acest caz nu> este contactul din mijloc al tranzistorului,
aa cum ne-am atepta. Acest lucru se ntmpl foarte des n practic. Singura modalitate prin care ne putem
asigura de corectitudinea contactelor este prin verificarea cu ajutorului unui multimetru, sau cu ajutorul catalogului
productorului.
Determinarea integritii unui tranzistor
tiind faptul c un tranzistor se comport precum dou diode aezate spate-n-spate la testarea
conductivitii cu un aparat de msur, dac n urma msurtorilor descoperim c exist continuitate n mai mult
sau mai puin de dou dintre cele ase combinaii de contate, putem spune cu siguran c tranzistorul este defect,
sau ca dispozitivul aflat sub inspecie nu este un tranzistor i un cu totul alt dispozitiv!.
Modul de funcionare al tranzistorului
ntre punctele 1(+) i 2(-): OL ntre punctele 1(-) i 2(+): OL
ntre punctele 1(+) i 3(-): 0.655 V ntre punctele 1(-) i 3(+): OL
ntre punctele 2(+) i 3(-): 0.621 V ntre punctele 2(-) i 3(+): OL
-
74
Totui, modelul celor dou diode nu poate explica funcionarea tranzistorului ca i dispozitiv de
amplificare a semnalului.
Pentru ilustrarea acestui paradox, putem examina
circuitul alturat, folosind diagrama fizic a tranzistorului
pentru uurarea explicaiilor.
Sgeata diagonal gri are direcia deplasrii electronilor prin jonciunea emitor-baz. Acest lucru este clar,
din moment ce electroni se deplaseaz dinspre emitorul de tip N spre baza de tip N: jonciunea este polarizat
direct. Totui, jonciunea baz-colector se comport mai ciudat. Sgeata ngroat vertical indic direcia de
deplasare a electronilor dinspre baz spre colector. Din moment ce baza este realizat dintr-un material de tip P iar
colectorul dintr-un semiconductor de tip N, direcia de deplasare a electronilor este invers fa de direcia normal
de deplasare printr-o jonciune P-N! n mod normal, o jonciune P-N nu ar permite deplasarea invers a electronilor,
cel puin nu fr a oferi o opoziie extrem de mare.
Totui, un tranzistor saturat prezint o opoziie foarte mic fa de deplasarea electronilor de la emitor la
colector, lucru demonstrat i prin faptul c lampa este aprins!
Prin urmare, modelul celor dou diode puse spate-n-
spate poate fi folosit doar pentru nelegerea modului de
verificare al tranzistorilor cu ajutorul aparatului de
msur, nu i pentru nelegerea funcionrii acestora n
circuitele practice.
04. Zona activ de funcionare a tranzistorului
Tranzistorul se afl n zona activ de funcionare
Curentul bazei reguleaz curentul colectorului. Acest lucru nseamn c prin colector nu poate trece un
curent mai mare dect valoarea permis de ctre curentul bazei
, atunci cnd funcioneaz ntre starea de blocare i cea de
saturaie
Raportul dintre curentul colectorului i curentul bazei poart numele de factor beta sau factor de
amplificare n curent al tranzistorului, i se noteaz cu sau h
variaz pentru fiecare tranzistor n parte fe
-
75
variaz pentru diferite condiii de operare
Definiii
Tranzistor blocat
Cnd baza nu este polarizat, i prin urmare nu exist curent ntre emitor i colector
Tranzistor saturat
, spunem c tranzistorul
este blocat.
Invers, cnd ntre emitor i colector trece cantitatea maxim de curent permis de colector i de sursa de
putere
Tranzistor n zona activ de funcionare
, spunem c tranzistorul este saturat.
Dar, n cazul n care curentul controlat este mai mare dect zero dar este sub valoarea maxim admis de
surs i de circuit
Exemplu
, tranzistorul va funciona ntre zonele de blocare i saturare; n acest caz, spune c tranzistorul
funcioneaz n zona activ.
S considerm circuit teoretic alturat.
Circuitul este format dintr-un tranzistor (Q1) de tip NPN,
alimentat de o baterie (V1) i controlat printr-o surs de curent
(I1
Variaia curent-tensiune
). Sursa de curent va genera un curent fix, genernd o
tensiune mai mic sau mai mare pentru asigurarea acestui
curent prin ea.
-
76
n aceast simulare, vom seta valoarea sursei de curent la 20
A i vom varia tensiunea sursei (V1
Un curent de baz constant de 20 A controleaz un curent
maxim de 2 mA prin colector, de exact 100 de ori mai mare.
Pentru aceast valoare a curentului de baz, curentul prin
colector nu poate crete mai mult. Putem observa de pe grafic
c forma curbei este plat n afar de prima poriune, poriune
unde tensiunea bateriei (V
) ntre 0 V i 2 V; vom
observa apoi curentul ce trece prin surs.
1
) crete de la 0 V la 0,25 V. n
acest interval, curentul prin colector crete rapid de la 0 A la 2
mA.
Creterea tensiunii bateriei
S observm ce se ntmpl dac lrgim plaja valorilor de
tensiune a bateriei, de la intervalul 0 - 2 V, la intervalul 0 - 50
V, meninnd un curent de baz constant de 20 A.
Dup cum era de ateptat, rezultatul este acelai. Curentul prin
colector nu poate trece de 2 mA (de exact 100 de ori valoarea
curentului bazei!), cu toate c tensiunea bateriei (V1) variaz
de la 0 V pn la 50 V. Putem trage concluzia c tensiunea
dintre colector i emitor nu are niciun efect asupra curentului
din colector
, dect la valori foarte mici (puin peste 0 voli).
Peste aceast tensiune critic, valoarea tensiunii nu mai are nicio importan pentru valoarea curentului
colectorului. Tranzistorul se comport n acest caz precum un regulator de curent, permind un curent de exact 2
mA prin colector, i nu mai mult.
Creterea curentului bazei
-
77
Urmtorul pas const n creterea curentului bazei, de la 20
A la 75 A, meninnd tensiunea bateriei n intervalul 0 - 50
V.
Pentru curentul maxim de baz, 75 A, curentul prin colector
este (din nou) de 100 de ori mai mare, 7,5 mA i din nou
curba curent-tensiune este plat, cu excepia primei pri.
Putem trage concluzia c factorul decisiv ce contribuie la
valoarea curentului prin colector este curentul bazei, tensiunea
bateriei (V1
) fiind irelevant atta timp ct se situeaz peste o
anumit valoare minim.
Curbe caracteristice
Aceast relaie dintre curent i tensiune este fundamental diferit fa de relaia curent-tensiune a
rezistorului. n cazul rezistorului, curentul crete liniar pe msur ce cderea de tensiune la bornele sale crete. n
cazul tranzistorului, curentul dinspre emitor spre colector are o valoare limit fix, valoare peste care nu poate
crete, indiferent de cderea de tensiune dintre emitor i colector.
O reprezentare a tuturor acestor curbe (variaii) curent-tensiune pe un singur grafic, pentru un anumit
tranzistor, poart numele de curbe caracteristice.
-
78
Pentru funcionarea corect a tranzistorului, acesta trebuie s se afle tot timpul n zona activ de funcionare
Observaie
(pentru amplificatoare clasa A), nu n cea de blocare i nici n cea de saturaie. inei minte c tranzistorul este un
dispozitiv controlat n curent, prin urmare, dac ar funciona n zona de saturaie, acesta nu ar mai putea fi controlat
prin intermediul curentului bazei; o cretere a curentului bazei, atunci cnd tranzistorul se afl n zona de saturaie,
nu duce la o cretere a curentului colector-emitor, aa cum era de ateptat. n schimb, dac tranzistorul se afl n
zona activ de funcionare, o cretere/scdere a curentului bazei duce la o cretere/scdere a curentului prin colector
Trebuie neles faptul foarte important, c n graficul de mai sus, avem trei variabile: tensiunea colector
emitor (Ecolector-emitor), curentul de la emitor la colector (Icolector) i curentul bazei (Ibaz
Factorul beta (factorul de amplificare n curent)
). Pentru fiecare variaie a
curentului de baz, de la 5 A la 20 A la 40 pn la 75 A, vom avea o alt curb caracteristic, i practic, pot
exista o infinitate de curbe ntre aceste valori.
Din moment ce tranzistorul se comport precum un regulator de curent, limitnd curentul colectorului
printr-o proporie fix fa de curentul bazei, putem exprima aceast caracteristic standard a tranzistoarelor printr-
un raport, cunoscut sub numele de factor beta sau factor de amplificare n curent, i simbolizat prin litera greceasc
, sau prin hfe
:
Factorul al oricrui tranzistor este determinat de modul su de fabricare, i este o mrime ce nu poate fi
modificat dup confecionarea acestuia. Este foarte greu s gsim doi tranzistori, de acelai tip, care s posede un
factor identic, datorit variabilelor fizice ce afecteaz valoarea acestuia. Dac vrem s construim un circuit n care
avem nevoie de tranzistori cu egali, acetia se pot cumpra n seturi, la un pre mai mare. Dar, construirea unor
circuite electronice cu astfel de dependine nu este indicat.
nu rmne constant pentru toate condiiile de operare. Pentru un tranzistor fizic, raportul poate varia cu
un factor mai mare dect trei ntre limitele curentului de operare. De exemplu, un tranzistor marcat cu = 50, poate
n realitate s prezinte un raport Ic / Ib
Modelul diod-poteniometru al tranzistorului
de 30 sau chiar de 100, n funcie de valoarea curentului prin colector,
temperatura tranzistorului, frecvena semnalului amplificat, plus alte variabile. Dei teoretic vom considera ca
fiind constant pentru oricare tranzistor, n realitate acest lucru nu este valabil!
-
79
Pentru a nelege mai uor modul de funcionare al tranzistorului,
putem considera modelul teoretic alturat.
Conform acestui model, tranzistorul este o combinaie dintre o diod i
un poteniometru. Curentul prin dioda baz-emitor controleaz
rezistena poteniometrului colector-emitor, lucru evideniat prin linia
ntrerupt dintre cele dou componente, ceea ce duce la controlul
curentului prin colector. Tranzistorul de sus este de tipul NPN.
Tranzistorul de tipul PNP, va avea dioda baz-emitor inversat.
Modelul diod-surs-de-curent al tranzistorului
Un model mult mai precis ns, este cel din figura alturat. Conform
acestui model, tranzistorul este o combinaie dintre o diod i o surs
de curent, ieirea sursei de curent fiind un multiplu (raportul beta) al
curentului de baz. Acest model descrie mult mai precis caracteristica
intrare/ieire a tranzistorului: curentul de baz stabilete o un anumit
curent n colector, i nu o anumit rezisten colector-emitor, precum
n cazul precedent.
Din pcate, folosirea unei surse de curent i poate induce pe cei mai ne-experimentai n eroare; un
tranzistor nu este n niciun caz o surs de energie electric, dar pe model, faptul c sursa de energie este extern
tranzistorului, nu este aparent.
05. Punctul static de funcionare al tranzistorului
Punctul static de funcionare reprezint valoarea curentului bazei pentru care tranzistorul funcioneaz
corect
Pentru amplificatorul de clas A, punctul static de funcionare se afl la jumtatea distanei dintre punctul
de blocare i zona de saturaie a dreptei de sarcin
Definiie
Punctul static de funcionare al unui tranzistor reprezint coordonatele de funcionare ale tranzistorului n
zona activ de funcionare.
-
80
Starea i curentul de repaus
O stare de repaus se caracterizeaz prin faptul c semnalul de intrare al circuitului este zero. Curentul de
repaus, de exemplu, este valoarea curentului dintr-un circuit, atunci cnd tensiunea aplicat la intrare este zero
Trasarea dreptei de sarcin
.
Tensiunea de polarizare direct (curent continuu) foreaz un nivel diferit al curentului colector-emitor prin
tranzistor pentru un semnal de intrare zero, fa de cazul n care tensiunea de polarizare direct nu ar exista. Prin
urmare, valoarea tensiunii de polarizare ntr-un circuit de amplificare, determin valorile de repaus ale acestuia.
Pentru un amplificator de clasa A, curentul de repaus trebuie s fie exact ntre valoarea sa de saturaie i
valoarea sa de blocare. Amplificatoarele de clasa B i C au un curent de repaos zero, din moment ce acestea sunt
proiectate pentru funcionarea n zona de blocare, atunci cnd nu este aplicat niciun semnal la intrare.
Amplificatoarele de clasa AB, au un curent de repaus foarte mic, puin peste zona de blocare.
Pentru a ilustra grafic acest lucru, se traseaz o dreapt de sarcin peste curbele caracteristice ale
tranzistorului, pentru ilustrarea modului de funcionare atunci cnd tranzistorul este conectat la o sarcin de o
anumit valoare.
O dreapt de sarcin reprezint graficul tensiunii colector-emitor pentru un anumit domeniu al curenilor de
colector. n partea din dreapta jos, tensiunea este maxim i curentul este zero, reprezentnd o condiie de blocare.
n stnga sus, tensiunea este zero, iar curentul este maxim, reprezentnd o condiie de saturaie. Punctele de
intersecie ale dreptei cu, curbele caracteristice, reprezint condiii de operare reale al tranzistorului pentru acei
cureni de baz.
Reprezentarea punctului static de funcionare
-
81
Punctul static de funcionare poate fi reprezentat pe acest grafic printr-un simplu punct la intersecia unei
curbe caracteristice cu dreapta de sarcin. Pentru un amplificator de clasa A, punctul static de funcionare se va
situa pe mijlocul dreptei de sarcin.
n acest caz particular, punctul static de funcionare se afl pe curba de 40 A a curentului de baz.
Modificarea rezistenei sarcinii
Dac schimbm ns rezistena sarcinii acestui circuit cu o rezisten mai mare, acest lucru va afecta panta
dreptei de sarcin, ntruct o rezisten de sarcin mai mare va limita curentul maxim prin colector la saturaie, dar
nu va modifica tensiunea de blocare colector-emitor. Grafic, rezultatul este o dreapt de sarcin cu un punct de
saturaie (stnga sus) diferit, dar cu un punct de blocare (dreapta jos) identic.
Putem observa c n aceast situaie, dreapta de sarcin nu mai intersecteaz curba caracteristic de 75 A
pe poriunea sa orizontal. Acest lucru este foarte important de realizat, deoarece poriunea ne-orizontal a curbei
-
82
caracteristice reprezint, dup cum am mai menionat, o condiie de saturaie a tranzistorului (curentul colector-
emitor nu mai poate fi controlat prin intermediul curentului bazei). Prin urmare, pentru un curent al bazei de 75 A,
tranzistorul (amplificatorul) va fi saturat.
Adugarea de noi curbe caracteristice
Pentru meninerea funcionrii liniare (fr distorsiuni), amplificatoarele cu tranzistori nu ar trebui s
funcioneze n zona de saturaie, adic, acolo unde dreapta de sarcin nu intersecteaz curbele de sarcin pe
poriunea lor orizontal. Vom mai aduga cteva curbe caracteristice pe grafic, pentru a putea observa pn unde
putem mpinge tranzistorul prin creterea curentului bazei fr ca acesta s intre n zona de saturaie.
Se poate vedea de pe grafic c cel mai nalt punct de pe dreapta de sarcin ce intersecteaz curbele de
sarcin ale tranzistorului pe poriunea orizontal, este pentru curba de 50 A (curentul de baz). Acest punct ar
trebui considerat nivelul maxim al semnalului de intrare pentru funcionarea amplificatorului de clas A.
Alegerea unui nou punct static de funcionare
-
83
De asemenea, tot pentru funcionarea corect a amplificatorului de clas A, tensiunea de polarizare ar trebui
s fie astfel nct punctul static de funcionare s se regseasc la mijlocul drumului ntre punctul maxim de
funcionare i punctul de blocare:
Astfel, noul punct static de funcionare, ales pe cale grafic, ne spune c, pentru funcionarea corect a
amplificatorului de clas A, pentru sarcina n cauz, curentul bazei trebuie s aib o valoare de aproximativ 25 A.
Cunoscnd aceast valoare, putem determina mai apoi i tensiune de polarizare direct n curent continuu.
06. Conexiunea emitor comun
Denumirea de emitor-comun vine de la faptul c tensiunile de intrare i de ieire ale tranzistorului au ca i
punct comun contactul emitorului, ne-lund n considerare alte surse de putere
Tranzistorii sunt n principiu dispozitive de curent continuu: nu pot conduce cureni n direcie invers la
polarizarea invers. Pentru a funciona cu semnale de curent alternativ, semnalul de intrare (alternativ)
trebuie s conin i o component de curent continuu pentru meninerea tranzistorului n zona activ de
funcionare pe toat durata perioadei semnalului de intrare
Tensiunea de ieire, ntre emitor i colector, a unui amplificator n conexiune emitor comun, este defazat
cu 180o
Amplificarea n curent a tranzistorului emitor-comun, cu sarcina conectat n serie cu colectorul, este egal
cu
fa de tensiunea de intrare. Amplificatorul emitor comun mai este cunoscut din aceast cauz i ca
amplificator inversor
Amplificarea n tensiune a tranzistorului emitor-comun este dat de relaia AV = (Rieire / Rintrare), unde
Rieire reprezint rezistorul conectat n serie cu colectorul, iar Rintrare reprezint rezistorul conectat n serie cu
baza tranzistorului
-
84
Definiie
S relum exemplu studiat n seciunile precedente, unde
tranzistorul a fost folosit pe post de ntreruptor.
Aceast configuraie poart numele de conexiune emitor
comun datorit faptului c, ignornd bateria de
alimentare, att pentru sursa de semnal (celula solar) ct
i pentru sarcin, contactul emitorului reprezint un punct
comun celor dou.
n exemplele precedente, am considerat c tranzistorul funcioneaz saturat (la capacitate maxim).
Cunoscnd faptul c, curentul prin colector poate varia n funcie de curentul bazei, putem controla luminozitatea
lmpii din acest circuit n funcie de expunerea celulei solare la lumin. Cnd intensitatea luminoas ce cade pe
celula solar este minim, lampa va lumina foarte slab. Pe msur ce intensitatea luminoas ce cade pe celula solar
crete, va crete i intensitatea luminoas a lmpii.
Exemplu - msurarea intensitii luminoase
S presupunem acum c am dori s msurm intensitatea luminoas cu ajutorul celulei solare. Vrem s
msurm de fapt intensitatea razei incidente pe celula solar folosind curentul su de ieire conectat la un
instrument de msur (ampermetru).
Conectarea direct la borne a unui ampermetru
Una dintre soluii ar consta n conectarea ampermetrului direct la celula solar.
Cu toate c aceast metod funcioneaz pentru msurtori moderate ale
intensitilor, ea nu poate fi folosit atunci cnd intensitatea luminoas scade
sub o anumit valoare, datorit faptului c celula solar trebuie s alimenteze
i ampermetrul iar precizia sistemului scade foarte mult n acest caz. S
presupunem n continuare c n exemplul de mai sus, suntem interesai de msurtori extrem de sczute ale
intensitilor luminoase. n acest caz, trebuie s cutm o alt soluie.
Utilizarea unui tranzistor
-
85
Soluia cea mai la ndemn este utilizarea unui tranzistor
pentru amplificarea curentului generat de celula solar.
Acest lucru nseamn c va exista o cantitate mult mai
mare de curent disponibil pentru deviaia acului indicator
al aparatului de msur, pentru o valoare mult mai mic a
curentului generat de celula solar.
De aceast dat, curentul prin circuit (i prin aparatul de msur) va fi de ori mai mare dect curentul prin
celula solar. Pentru un tranzistor cu = 100, acest lucru reprezint o cretere substanial a preciziei msurtorii.
Atenie ns, puterea adiional necesar funcionrii aparatului de msur este colectat de la bateria din dreapta,
nu de ctre celula solar. Tot ceea ce realizeaz celula solar este controlul curentului bateriei pentru furnizarea
unei puteri mai mari necesar funcionrii aparatului de msur, puterea ce nu ar fi putut fi generat de ctre celula
solar nsi.
Deoarece tranzistorul este un dispozitiv de regulare a curentului, iar indicaia aparatului de msur depinde
doar de curentul ce trece prin bobina acestuia, indicaia aparatului de msur va depinde doar de celula solar i nu
de valoarea tensiunii generat de baterie. Acest lucru nseamn c acurateea msurtorii realizat de acest circuit
va fi independent de condiiile bateriei, un lucru extrem de important! Tot ceea ce trebuie bateria s fac, este s
genereze o anumit tensiune minim i un curent suficient pentru funcionarea ampermetrului.
nlocuirea ampermetrului cu un rezistor
Configuraia emitor comun mai poate fi folosit i
pentru producerea unei tensiuni dependente de
semnalul de intrare, n loc de curent. S nlocuim
aadar aparatul de msur cu un rezistor i s msurm
tensiunea dintre colector i emitor.
Cnd intensitatea luminoas pe celula solar este zero, tranzistorul va fi blocat i se va comporta precum un
ntreruptor deschis ntre colector i emitor. Acest lucru va duce la apariia unei cderi de tensiune maxime ntre
colector i emitor, Vieire
Amplificator inversor
, tensiune egal cu tensiunea de la bornele bateriei.
Cnd intensitatea luminoas pe celula solar este maxim, celula solar va duce tranzistorul n zona de
saturaie; acesta se va comporta precum un ntreruptor nchis ntre colector i emitor. Rezultatul va fi o cdere de
tensiune minim ntre colector i emitor. Totui, aceast tensiune de saturaie dintre colector i emitor este destul de
mic, cteva zecimi de voli, n funcie de tranzistorul folosit.
-
86
Pentru intensiti luminoase ce se regsesc ntre aceste valori (minim/maxim), tranzistorul va funciona n
zona activ, iar tensiunea de ieire va fi undeva ntre zero voli i tensiunea bateriei. De menionat c tensiunea de
ieire a tranzistorului n configuraie emitor comun este invers proporional cu intensitatea semnalului de intrare
Exemplu
.
Cu alte cuvinte, tensiunea de ieire scade cu creterea semnalului de intrare. Din acest motiv, amplificatorul (cu
tranzistor) n configuraie emitor comun poart numele de amplificator inversor.
S considerm circuitul alturat.
Variaia curent-tensiune
Graficul variaiei tensiune-curent este cel din figura alturat
(cderea de tensiune dintre colector i emitor i curentul
bazei).
La nceputul simulrii, curentul generat de surs (celula
solar) este zero, tranzistorul este blocat iar cderea de
tensiune ntre colector i emitor este maxim, i anume 15 V,
tensiunea bateriei. Pe msur ce curentul generat de celula
solar ncepe s creasc, tensiunea de ieire ncepe s scad
proporional, pn cnd tranzistorul intr n starea de saturaie
la curentul de baz de 30 A. Putem observa foarte clar de pe
grafic c variaia tensiunii este perfect liniar, pn n
momentul saturrii, unde nu atinge de fapt niciodat valoarea
zero. Un tranzistor saturat nu poate atinge niciodat o cdere de tensiune de exact 0 voli ntre colector i emitor
datorit efectelor jonciunii sale interne.
Amplificarea semnalelor alternative
Circuitul original
-
87
Adesea avem nevoie ns de un amplificator n
curent alternativ. O aplicaia practic este
utilizarea acestui tip de amplificare n
sistemele audio. S relum circuitul cu
microfon, dar s ncercm de data aceasta s-l
modificm astfel nct s alimenteze un
difuzor n loc de lamp.
n circuitul original, am folosit o punte redresoare pentru transformarea semnalului de curent alternativ al
microfonului n tensiune de curent continuu pentru polarizarea bazei tranzistorului. n acel caz ne-a interesat doar s
pornim lampa cu un semnal venit din partea microfonului, iar aceast configuraie i-a ndeplinit scopul. De data
aceasta ns, vrem s reproducem un semnal de curent alternativ pe difuzor. Acest lucru nseamn ca nu mai putem
redresa semnalul de ieire al microfonul, deoarece avem nevoie de semnalul de curent alternativ nedistorsionat la
intrarea tranzistorului.
ndeprtarea punii redresoare
S ndeprtm aadar puntea
redresoare din circuit i s
nlocuim lampa cu un difuzor.
Circuitul final
Fiindc microfonul poate produce tensiuni
mai mari dect tensiunea de polarizare
direct a jonciunii baz-emitor, vom
conecta i un rezistor n serie cu
microfonul. Circuitul practic pe care l
vom analiza este cel din figura alturat.
Formele de und ale curentului i ale tensiunii
-
88
Graficul variaiei tensiune-curent, tensiunea de alimentare, V1
(1,5 V, f = 2.000 Hz) cu rou, curentul prin difuzor (mai mare
de 10 ori pe grafic dect curentul real, pentru observarea mai
clar a acestuia), cu albastru, este prezentat alturat.
Curentul prin difuzor este acelai cu cel prin baterie. Putem
vedea c semnalul de tensiune de intrare este un semnal
sinusoidal cu semi-perioda pozitiv i negativ, iar semnalul
de curent de ieire pulseaz doar ntr-o singur direcie (semi-
perioada negativ). Sunetul reprodus de difuzor n acest caz
va fi extrem de distorsionat.
Explicaia comportamentului
Ce s-a ntmplat cu circuitul n acest caz? De ce nu reproduce n totalitate
semnalul de tensiune n curent alternativ de la intrare? S revenim la
modelul diod-surs-de-curent al tranzistorului pentru a ncerca elucidarea
problemei.
Curentul prin colector este regulat, sau controlat, printr-un mecanism de curent constant ce depinde de
curentul prin dioda baz-emitor. Observai c ambele direcii ale curentului sunt uni-direcionale! n ciuda faptului
c se ncearc o amplificare de semnal n curent alternativ, acesta este de fapt un dispozitiv de curent continuu, fiind
capabil s conduc cureni doar ntr-o singur direcie. Chiar dac aplicm o tensiune alternativ ntre baz i
emitor, electronii nu se pot deplasa prin circuit n semi-perioada negativ a semnalului ce polarizeaz invers
jonciunea baz-emitor (dioda). Prin urmare, tranzistorul va fi blocat n acea poriune a perioadei, i va intra n
conducie doar cnd polaritatea tensiunii de intrare este corect, astfel nct s polarizeze direct dioda baz-emitor,
i doar dac acea tensiune este suficient de mare pentru a depi tensiune de polarizare direct a diodei. Reinei,
tranzistorii sunt dispozitive controlate n curent
Conectarea unei surse de curent continuu la intrare
: acetia controleaz curentul prin colector n funcie de existena
curentului ntre baz i emitor (curentul de baz), i nu n funcie de tensiunea baz-emitor.
-
89
Singura modalitate prin care tranzistorul
poate reproduce ntreaga form de und pe
difuzor, este meninerea acestuia n zona
activ pe ntreaga perioad a undei, adic,
trebuie s meninem un curent prin baz n
toat aceast perioad. Prin urmare,
jonciunea baz-emitor trebuie polarizat
direct tot timpul. Din fericire, acest lucru se
poate realiza prin conectarea unei surse de curent continuu n serie cu semnalul de intrare.
Formele de und ale curentului i ale tensiunii
Graficul formelor de und arat de data aceast precum n
figura alturat.
Cu sursa de tensiune de polarizare (Vpolarizare) conectat n serie
cu sursa de semnal, tranzistorul rmne n zona activ de
funcionare pe toat perioada undei, reproducnd cu exactitate
forma de und de la intrare pe difuzor. Observai c tensiunea
de la intrare variaz ntre valorile de 0,8 V i 3,8 V, o
amplitudine vrf-la-vrf de exact 3 voli (2 * amplitudinea de
vrf a sursei = 2 * 1,5 = 3 V). Curentul de ieire, pe difuzor,
variaz ntre zero i aproximativ 300 mA, fiind defazat cu
180o
cu semnalul de intrare (al microfonului).
Formele de und n ntreg circuitul
Dac am conecta simultan mai multe
osciloscoape n circuitul de mai sus,
formele de und ale tensiunilor ar
arta astfel.
-
90
Amplificarea n tensiune a tranzistorului n conexiune emitor comun
Amplificarea n curent al circuitului de mai sus este dat de factorul beta () al tranzistorului, n acest caz
particular, 100, sau 40 dB. Determinarea amplificrii n tensiune este ns puin mai complicat de determinat.
S urmrim graficul tensiunii pe difuzor (albastru) i al
tensiunii de intrare pe tranzistor (rou, baz-emitor):
Dac am lua aceeai scal, de la 0 la 4 V, putem vedea c
forma de und a tensiunii de ieire are o amplitudine vrf-la-
vrf mai mic dect tensiunea de intrare. Dim moment ce
amplificarea n tensiune a unui amplificator este definit ca i
raportul dintre amplitudinile semnalelor de curent alternativ,
putem ignora componenta de curent continuu ce separ cele
dou forme de und. Chiar i aa, tensiunea de intrare este mai
mare dect cea de ieire, ceea ce nseamn ca amplificarea n
tensiune este sub-unitar
Aceast amplificare mic n tensiune nu este caracteristic tuturor amplificatoarelor emitor-comun, ci este
consecina diferenei mari dintre rezistenele de intrare i ieire. Rezistena de intrare (R1) n acest caz este de 1.000
, iar rezistena sarcinii (difuzor) este de doar 8 . Deoarece amplificarea n curent a amplificatorului este
determinat doar de factorul beta () al tranzistorului, i deoarece acest factor este fix, amplifi carea n curent nu se
va modifica odat cu variaia niciuneia dintre cele dou rezistene. Totui, amplificarea n tensiune depinde> de
aceste rezistene.
.
Mrirea rezistenei sarcinii
Dac mrim rezistena sarcinii, cderea de tensiune pe aceasta
va fi mai mare pentru aceleai valori ale curenilor, rezultnd
o form de und de ieire mai mare. S urmrim i graficul
formelor de und pentru sarcina de 30 .
De data aceasta, amplitudinea formei de und a tensiunii de
ieire (albastru) este mult mai mare dect tensiunea de intrare.
Dac ne uitm mai atent, putem vedea c amplitudinea vrf la
vrf este de 9 V, de 3 ori mai mare dect amplitudinea
tensiunii de intrare. Mai exact, tensiunea de intrare este de 1,5
V, iar cea de ieire de 4,418 V.
-
91
Calculul amplificrii n tensiune
S calculm aadar raportul (factorul) de amplificare n tensiune (AV).
Formula general de calcul a amplificrii n tensiune
Deoarece amplificarea n curent a amplificatorului emitor comun este fixat de factorul , iar tensiunile de
intrare i ieire vor fi egale cu produsul dintre curenii de intrare i ieire i rezistenele rezistorilor respectivi, putem
scrie urmtoarea ecuaie pentru aproximarea amplificrii n tensiune:
Diferena dintre amplificarea real (2,94) i cea ideal (3), se datoreaz imperfeciunilor tranzistorilor n
general.
Amplificator emitor comun cu tranzistor PNP
Pn acum am folosit doar
tranzistori de tipul NPN, dar
putem la fel de bine utiliza
tranzistori NPN n orice tip de
configuraie, atta timp ct
polaritatea i direciile curenilor sunt cele corecte. Factorii de amplificare n curent i tensiune sunt aceeai i
pentru amplificatorul cu tranzistor PNP, doar polaritile bateriilor sunt diferite.
07. Conexiunea colector comun
Denumirea de colector comun vine de la faptul c tensiunea de intrare i cea de ieire au ca i punct comun
terminalul colectorului tranzistorului, ne-lund n considerare sursele de putere din circuit
Amplificator colector comun mai este cunoscut i sub numele de repetor pe emitor
Tensiunea de ieire a unui amplificator n configuraie colector comun este n faz cu tensiunea de intrare,
ceea ce nseamn c acest tip de amplificator este ne-inversor
-
92
Factorul de amplificare n curent (AI) al amplificatorului colector comun este egal cu plus 1, iar factorul
de amplificare n tensiune (AV este foarte aproape de 1
Conectarea n serie a mai multor tranzistori n configuraie colector comun, poart numele de configuraie
Darlington
Definiie
. Factorul de amplificare n curent rezultat este produsul dintre factorii de amplificare al fiecrui
tranzistor din configuraie
Configuraia amplificatorului colector comun arat astfel.
Denumirea de colector comun vine de la faptul c, ignornd sursa de
alimentare (bateria), sursa de semnal i sarcina au ca punct comun
contactul colectorului.
Se poate observa c prin rezistorul de sarcin trece att curentul
colectorului ct i curentul bazei, fiind conectat n serie cu emitorul.
Amplificarea n curent a amplificatorului colector comun este cea mai
mare dintre toate configuraiile
Exemplu
, deoarece ntr-un tranzistor, cel mai
mare curent se regsete pe emitor, fiind suma dintre curentul bazei i al colectorului.
Configuraia circuitului
S analizm ns circuitul alturat pentru a descoperi
particularitile acestei configuraii.
-
93
Variaia curent-tensiune
Graficul variaiei cderii de tensiune de ieire - cdere de
tensiune de intrare, este cel alturat.
Faa de conexiunea emitor comun, amplificatorul colector
comun produce la ieire o cdere de tensiune de aceeai
polaritate cu tensiunea de intrare
. Pe msur ce tensiunea de
intrare crete, crete i cea de ieire. Mai mult, tensiunea de
ieire, este aproape identic cu tensiunea de intrare, minus
cderea de 0,7 V a jonciunii P-N.
Indiferent de factorul beta al tranzistorului, sau de valoarea sarcinii, amplificatorul colector comun are un factor de amplificare n tensiune (AV) extrem de apropiat de valoarea 1. Din aceast cauz, conexiunea colector comun mai este denumit i repetor pe emitor
Explicaie
.
Este relativ uor de neles motivul pentru care cderea de tensiune pe sarcina amplificatorului n colector comun este aproximativ egal cu tensiunea de intrare.
Dac ne referim la modelul diod-surs-de-curent al
tranzistorului, putem vedea c, curentul bazei trebuie s treac
prin jonciunea P-N baz-emitor, jonciune echivalent unei
diode redresoare. Dac aceast jonciune este polarizat
direct, va exista o cdere de tensiune de aproximativ 0,7 V
(siliciu) ntre terminalele acesteia. Aceast cdere de tensiune
de 0,7 V nu depinde de amplitudinea curentului de baz,
astfel c putem considera aceast cdere de tensiune ca fiind
constant.
Cunoscnd polaritile tensiunilor jonciunii P-N baz-emitor i a rezistorului de sarcin, putem vedea c
tensiunea de intrare trebuie s fie egal cu suma celor dou, n conformitatea cu legea lui Kirchhoff pentru tensiune.
Cu alte cuvinte, tensiunea sarcinii va fi tot timpul cu aproximativ 0,7 V mai mic dect tensiunea de intrare, atunci
cnd tranzistorul se afl n stare de conducie.
-
94
Tensiunea de polarizare n curent continuu
Pentru amplificarea semnalelor de curent alternativ cu ajutorul
configuraiei colector comun, este nevoie de utilizarea unei
surse de tensiune n curent continuu (tensiune de polarizare), la
fel cum a fost cazul configuraiei emitor comun. Rezultatul
este ns de aceast dat un amplificator ne-inversor.
Tensiunea de intrare i de ieire
Formele de und ale tensiunii de ieire (albastru) i de intrare
(rou) sunt prezentate n graficul alturat.
Formele de und n ntreg circuitul
Dac ar fi s conectm mai multe osciloscoape n circuit, vom vedea c formele de und ale tensiunilor arat astfel:
-
95
Factorul de amplificare n curent
Din moment ce aceast configuraie nu ofer nicio amplificare n tensiune, singura amplificare realizat
este n curent. Configuraia anterioar, emitor comun, oferea un factorul de amplificare n curent egal cu factorul
al tranzistorului, datorit faptului c, curentul de intrare trecea prin baz, iar curentul de ieire (sarcin) trecea prin
colector, iar este prin definiie raportul dintre curentul de colector i curentul de baz. n configuraia colector
comun ns, sarcina este conectat n serie cu emitorul, prin urmare, curentul de ieire este egal cu acest curent al
emitorului. Dar curentul prin emitor este curentul colectorului plus curentul bazei. Acest lucru nseamn o
amplificare n curent (AI) egal cu plus 1.
Amplificator colector comun cu tranzistor PNP
i n acest caz, se pot utiliza tranzistori
de tip PNP pentru realizarea
amplificatorului colector comun. Toate
calculele sunt identice. Singura diferen
este inversarea polaritii tensiunilor i a
direciei curenilor.
Aplicaie - stabilizarea tensiunii
Diode Zener
O aplicaie popular a tranzistorului colector comun const n stabilizarea surselor de putere n curent
continuu. Una dintre soluii utilizeaz diode Zener pentru tierea tensiunilor mai mari dect tensiunea Zener.
-
96
Totui, curentul ce poate fi transmis sursei este destul de limitat n aceast situaie. n principiu, acest
circuit reguleaz tensiunea la bornele sarcinii prin meninerea curentului prin rezistorul serie la valori suficient de
mari pentru ca ntreaga putere n exces a sursei de tensiune s cad pe rezistor; dioda Zener va utiliza un curent
necesar meninerii unei cderi de tensiune constante la bornele sale. Pentru sarcini mari, ce necesit un curent mare
pentru acionarea lor, un stabilizator de tensiune cu diod Zener ar trebui s unteze un curent mare prin diod
pentru a putea stabiliza tensiunea pe sarcin.
Tranzistor n conexiune colector comun
O metod de rezolvare a acestei probleme const n
utilizarea unui tranzistor n conexiune colector comun pentru
amplificarea curentului prin sarcin, astfel ca dioda Zener s
nu fie nevoit s conduc dect curentul necesar bazei
tranzistorului.
Singura problem este c tensiunea pe sarcin va fi cu
aproximativ 0,7 V mai mic dect cderea de tensiune pe
dioda Zener. Acest lucru poate fi ns corectat prin utilizarea unei diode Zener cu o tensiune Zener mai mare cu 0,7
V dect tensiunea necesar pentru aplicaia n cauz.
Tranzistori n configuraie Darlington
Modul de conectare
n unele aplicaii, factorul de amplificare n curent al unui singur tranzistor n configuraie
colector comun nu este suficient. n acest caz, se pot conecta (etaja) mai muli tranzistori ntr-o
configuraie Darlington.
Factorul de amplificare n curent
Configuraia Darlington const n conectarea pe sarcina unui tranzistor colector comun a unui alt tranzistor,
multiplicnd astfel factorii de amplificare n curent al celor doi:
-
97
unde: 1 - factorul beta al primului tranzistor 2 - factorul beta al celui de al doilea tranzistor
Factorul de amplificare n tensiune
Amplificarea n tensiune va fi i de aceast dat apropiat de 1, cu
toate c tensiunea de ieire va fi mai mic cu 1,4 V dect tensiunea
de intrare:
Observaii
Tranzistorii n configuraie Darlington pot fi cumprai ca i dispozitive discrete, sau pot fi construii din
tranzistori individuali. Desigur, dac se dorete obinerea unor cureni i mai mari, se pot conecta chiar i trei sau
patru tranzistori n configuraie Darlington.
08. Conexiunea baz comun
Denumirea de baz comun vine de la faptul c tensiunile de intrare i de ieire ale amplificatorului au ca i
punct comun baza tranzistorului, ne-lund n considerare sursele de putere
Factorul de amplificare n curent al amplificatorului baz comun este tot timpul mai mic dect 1
Factorul de amplificare n tensiune depinde de rezistenele de intrare i de ieire, ct i de rezistena intern
a jonciunii emitor-baz a tranzistorului, rezistena ce variaz cu variaia tensiunii de polarizare n curent
continuu. Aceast amplificare este ns foarte mare
Raportul dintre curentul colectorului i curentul emitorului unui tranzistor, poart numele de factor alfa
Definiie
().
Pentru orice tranzistor, factorul alfa este subunitar (mai mic dect 1)
-
98
Aceast configuraie este mai complex dect celelalte dou, emitor
comun i colector comun, i este mai puin folosit datorit
caracteristicilor ciudate de funcionare.
Denumirea de baz comun vine de la faptul c semnalul sursei
de alimentare i sarcina au ca i punct comun baza tranzistorului.
Probabil c cea mai ciudat caracteristic a acestui tip de configuraie const n faptul c sursa de semnal de
intrare trebuie s conduc ntreg curentul de pe emitor al tranzistorului, dup cum este indicat n prima figur prin
sgeile ngroate. Dup cte tim, curentul emitorului este mai mare dect oricare ali cureni ai tranzistorului, fiind
suma curenilor de baz i de colector. n celelalte dou configuraii, sursa de semnal era conectat la baza
tranzistorului, curentul prin surs fiind astfel cel mai mic posibil.
Factorul de amplificare n curent (factorul alfa)
Deoarece curentul de intrare este mai mare dect toi ceilali cureni din circuit, inclusiv curentul de ieire,
amplificarea n curent a acestui tip de amplificator este n realitatea mai mic dect 1
Exemplu
. Cu alte cuvinte, acest
amplificator atenueaz curentul, nu-l amplific. n configuraiile emitor i colector comun, parametrul folosit pentru
amplificarea n curent este , dar n configuraie baz comun, avem nevoie de un alt parametru de baz al
tranzistorului: raportul dintre curentul colectorului i curentul emitorului, raport ce este tot timpul mai mic dect 1,
i poart numele de factorul alfa ().
Circuitul
Circuitul practic pe care l vom studia, este cel alturat.
-
99
Variaia tensiunea ieire - tensiune intrare
Graficul variaiei tensiunii de ieire cu tensiune de intrare este
cel alturat.
Putem observa de pe grafic, c tensiune de ieire crete de la 0
(tranzistor blocat) la 15,75 V (tranzistor saturat) pe cnd
tensiunea de intrare crete de la 0,6 V pn la doar 1,2 V. Mai
precis, tensiunea de ieire nu ncepe s creasc dect dup ce
tensiunea de intrare a depit valoarea de 0,7 V, iar nivelul de
saturaie este atins pentru o tensiune de intrare de 1,12 V.
Acest lucru reprezint o amplificare n tensiune destul de
mare, de 37,5. Putem observa de asemenea, c tensiunea de
ieire (msurat la bornele rezistorului de sarcin, Rsarcin)
crete peste valoarea sursei de tensiune (15 V) la saturaie,
datorit conectrii n serie a celor dou surse de putere.
Adugarea unei surse de curent continuu
O nou analiz a circuitului, de data aceasta cu o surs de
semnal n curent alternativ legat n serie cu o surs de
polarizare de curent continuu, dezvluie nc odat factorul
mare de amplificare n tensiune.
Graficul tensiunilor de intrare i de ieire
-
100
Dup cum se poate observa n figura alturat, semnalul de
intrare (rou, mrit de 10 ori pentru uurina vizualizrii) este
n faz cu cel de ieire (albastru), ceea ce nseamn c
amplificatorul baz comun este non-inversor.
Vizualizarea formelor de und n ntreg circuitul
Putem vizualiza formele de und
ale amplificatorului conectnd
mai multe osciloscoape,
simultan, n punctele de interes.
Tranzistor PNP
Acelai lucru este valabil i
pentru un tranzistor PNP.
Factorului de amplificare n tensiune
Calcularea factorului de amplificare n tensiune pentru configuraie baz comun este destul de dificil i
presupune aproximri ale comportamentului tranzistorului ce sunt greu de msurat direct. Fa de celelalte
-
101
configuraii, unde amplificarea era determinat fie de raportul dintre doi rezistori (emitor comun), fie avea o valoare
fix (colector comun), n cazul de fa aceast valoare depinde n mare msur de valoarea tensiunii de polarizare n
curent continuu a semnalului de intrare
Observaie
. Rezistena intern a tranzistorului ntre emitor i baz joac un rol major n
determinarea factorului de amplificare n tensiune, iar aceast rezisten variaz odat cu variaia curentului prin
emitor.
Prin urmare, un factor de amplificare n curent subunitar i un factor de amplificare n tensiune
imprevizibil, fac ca aceast configuraie s ofere puine aplicaii practice
09. Amplificatoare clasa A, B, AB, C i D
.
Amplificatorul clasa A se afl n zona activ de funcionare pe ntreaga perioad a formei de und de la
intrare, prin urmare, aceasta este reprodus n totalitate la ieire
Amplificatorul clasa B reproduce la ieire doar o jumtate din forma de und de la intrare: fie jumtatea
pozitiv, fie pe cea negativ. Tranzistorul se afl doar o jumtate din timp n zona activ de funcionarea,
iar n rest este blocat
Amplificatorul clasa AB este o configuraie ce se afl ntre amplificatorul de clasa A i cel de clas B n
ceea ce privete timpul petrecut de acesta n zona activ de funcionare
Clasa D presupune (re)-proiectarea amplificatorului, i nu se bazeaz doar pe tensiunea de polarizare n
curent continuu, aa cum este cazul claselor precedente. Forma semnalului de ieire este dreptunghiular,
iar factorul de umplere al acestuia depinde de amplitudinea instantanee a semnalului de intrare. Tranzistorii
unui astfel de amplificator nu se afl niciodat n zona activ de funcionare, ei sunt fie blocai fie saturai.
Eficiena acestui tip de amplificator este mare datorit puterii disipate sub form de cldur foarte sczut
Definiie
Dup modul de reproducere la ieire a formei de und de la intrare, amplificatoarele pot fi mprite pe
clase. Aceste clase sunt desemnate cu literele A, B, AB, C i D.
Amplificator clasa A
-
102
n cazul amplificatoarelor de clas A, ntreg
semnalul de intrare este reprodus la ieire
Amplificator clasa B
.
Acest mod de operare al tranzistorului poate
fi atins doar atunci cnd acest funcioneaz
tot timpul n zona activ, ne-atingnd
niciodat punctul de saturaie sau de blocare.
Pentru realizarea acestui lucru, este nevoie de o tensiune de polarizare de curent continuu suficient de mare pentru
funcionarea tranzistorului ntre zona de blocare i cea de saturaie. n acest fel, semnalul de intrare n curent
alternativ va fi perfect centrat ntre limita superioar i cea inferioar a nivelului de semnal al amplificatorului.
Amplificatorul de clas B este ceea ce am
obinut n cazul amplificatorului emitor
comun, cu semnal de intrare n curent
alternativ dar fr nicio tensiune de
polarizare n curent continuu conectat la
intrare. n acest caz, tranzistorul petrece doar
o jumtate de timp n zona activ de funcionare, iar n cealalt jumtate de timp este blocat, datorit faptului c
tensiunea de intrare este prea mic, sau chiar de polaritate invers, pentru a putea polariza direct jonciunea baz-
emitor.
Configuraia contratimp
Folosit individual, amplificatorul de clas B nu este foarte folositor.
De cele mai multe ori, distorsiunile foarte mari introduse n forme
de und, prin eliminarea unei semi-alternane, nu sunt acceptabile.
Totui, aceast modalitate de polarizare a amplificatoarelor este
folositoare dac se folosesc dou amplificatoare de clas B n
configuraie contratimp (push-pull), fiecare amplificator
reproducnd doar o jumtate a formei de und
.
-
103
Avantaje
Un avantaj al amplificatorului de clas B (contratimp) fa de cel de clas A, const ntr-o capacitate mai
mare a puterii de ieire. n clasa A, tranzistorul disip o putere considerabil sub form de cldur datorit faptului
c acesta se afl tot timpul n zona activ de funcionare. n clasa B, fiecare tranzistor conduce doar jumtate din
timp, iar n cealalt jumtate este blocat, nu conduce curent electric, i prin urmare, puterea disipat sub form de
cldur este zero. Astfel, fiecare tranzistor are timp de odihn i de rcire, atunci cnd cellalt tranzistor se afl n
conducie. Amplificatoarele de clas A sunt mai simplu de construit, dar sunt limitate doar la aplicaiile de putere
joas datorit cldurii generate.
Amplificator clasa AB
Amplificatoarele de clas AB sunt undeva ntre clasa A i clasa B; tranzistorul conduce mai mult de 50%
din timp, dar mai puin de 100%.
Amplificator clasa C
Dac semnalul de intrare al amplificatorului
este uor negativ (sursa de tensiune n curent
alternativ inversat), semnalul de ieire va fi
tiat i mai mult fa de semnalul de ieire al
amplificatorului de clasa B. Tranzistorul va
petrece majoritatea timpului n stare blocat
Introducerea unui circuit rezonant la ieire
.
Dei aceast configuraie nu pare practic,
dac se conecteaz un circuit rezonant
condensator-bobin la ieire, semnalul
ocazional produs de amplificator la ieire
este suficient pentru punerea n funcionare
a oscilatorului.
Observaii
-
104
Datorit faptului c tranzistorul este n mare parte a timpului blocat, puterea la bornele sale poate fi mult
mai mare dect n cazul celorlalte dou configuraii vzute mai sus. Datorit dependenei de circuitul rezonante de
la ieire, acest amplificator poate fi folosit doar pentru semnale de o anumit frecven fix
Factorul de umplere
.
Factorul de umplere reprezint raportul dintre durata n care semnalul este maxim i durata n care semnalul
este zero
Amplificator clasa D
. Cu alte cuvinte, reprezint durata de funcionare al unui dispozitiv, n general. Factorul de umplere
variaz odat cu amplitudinea instantanee a semnalului de intrare.
Acest tip de amplificator este total diferit fa de amplificatoarele de clas A, B, AB sau C. Acesta nu este
obinut prin aplicarea unei anumite tensiuni de polarizare, precum este cazul celorlalte clase, ci necesit o
modificare a circuitului de amplificare. Nu vom intra pentru moment n detaliile construirii unui astfel de
amplificator, dar vom discuta n schimb principiul su de funcionare.
Un amplificator clasa D reproduce profilul formei
de und a tensiunii de la intrare prin generarea
unui semnal de ieire dreptunghiular cu o rat de
pulsaie mare
Cu ct amplitudinea instantanee a semnalului de
intrare este mai mare, cu att factorul de umplere
al formei de und dreptunghiulare este mai mare.
Singurul motiv pentru folosirea amplificatorului
de clas D, este evitarea funcionrii tranzistorului n zona activ de funcionare; tranzistorul va fi tot timpul fie
blocat fie saturat. Puterea disipat de tranzistor va fi foarte mic n acest caz.
.
Dezavantaje
Dezavantajul metodei const n prezena armonicilor la ieire
Aplicaii
. Din fericire, din moment ce frecvena acestor
armonici este mult mai mare dect frecvena semnalului de intrare, acestea pot fi filtrate relativ uor cu ajutorul
unui filtru trece-jos, rezultnd un semnal de ieire mult mai asemntor cu semnalul de intrare original.
-
105
Amplificatoarele de clas D sunt folosite de obicei n locurile unde este nevoie de puteri mari la frecvene
relativ joase, precum invertoarele industriale (dispozitive ce transform curentul continuu n curent alternativ) i
amplificatoarele audio de nalt performan.
10. Metode de polarizare ale tranzistorului
Tensiunea de polarizare n curent continuu, necesar pentru funcionarea amplificatoarelor de clas A i C,
poate fi obinut prin utilizarea unui divizor de tensiune i un condensator de cuplaj. Aceast configuraie
este folosit practic n locul bateriei conectate n serie cu sursa de semnal de curent alternativ de la intrare
Cuplajul capacitiv se comport precum un filtru trece-sus fa de semnalul de intrare al amplificatorului
Scop
Pn n acest moment, am folosit o surs de tensiune de curent continuu (baterie) conectat n serie cu
semnalul de intrare n curent alternativ pentru polarizarea tranzistorului, indiferent de clasa de funcionare din care
fcea parte. n realitate, conectarea unei baterii cu o tensiune precis la intrarea amplificatorului nu este o soluie
deloc practic
Exemplu
. Chiar dac am putea gsi o baterie care s produc exact cantitatea de tensiune necesar pentru o
anumit polarizare, acea tensiune nu poate fi meninut pe toat durata de funcionare a bateriei. Cnd aceasta
ncepe s se descarce, tensiunea sa de ieire scade, iar amplificatorul se va ndrepta spre clasa de funcionare B.
Circuitul iniial
S considerm circuitul alturat.
Includerea unei baterii cu o tensiune de polarizare
(Vpolarizare) ntr-un circuit de amplificare, nu este
practic n realitate.
Utilizarea unui divizor de tensiune
-
106
O metod mult mai practic pentru obinerea
tensiunii de polarizare este folosirea unei reele
divizoare de tensiune conectat la bateria de 15 V,
baterie care oricum este necesar pentru
funcionarea amplificatorului. Circuitele divizoare
de tensiune sunt i ele uor de proiectat i
construit, prin urmare, o astfel de configuraie se
prezint conform figurii alturate.
Dac alegem o pereche de rezistori R2 i R3 a cror rezistene s produc o tensiune de 2,3 V pe rezistorul
R3 dintr-o tensiune total disponibil de 15 V (R2 = 8,644 , R3 = 1,533 , de exemplu), vom obine o tensiune de
polarizare n curent continuu de 2,3 V ntre baza i emitorul tranzistorului, atunci cnd nu exist semnal de intrare.
Singura problem este c, aceast configuraie conecteaz sursa de semnal de curent alternativ direct n paralel cu
rezistorul R3 al divizorului de tensiune.
Acest lucru nu este acceptabil, deoarece sursa de curent alternativ va nvinge tensiunea de curent
continuu de la bornele rezistorului R3. Componentele conectate n paralel trebuie s posede acelai tip de tensiune la
bornele lor
Utilizarea unui condensator de cuplaj
; prin urmare, dac o surs de curent alternativ este conectat direct la bornele unui rezistor dintr-un
divizor de tensiune de curent continuu, sursa de curent alternativ va nvinge tot timpul, neexistnd nicio
component de curent continuu n forma de und a semnalului.
O modalitate prin care aceast
configuraie poate funciona, dei este
posibil s nu fie evident de ce, este prin
conectarea unui condensator de cuplaj
ntre sursa de curent alternativ i
divizorul de tensiune, astfel.
Condensatorul formeaz un filtru trece-sus ntre sursa de tensiune n curent alternativ i divizorul de
tensiune n curent continuu; ntregul semnal (aproximativ) de curent alternativ va trece nspre tranzistor, iar
tensiunea de curent continuu nu va putea ajunge la sursa de semnal. Acest lucru este mult mai clar dac ne folosim
de teorema superpoziiei, conform creia, orice circuit liniar poate fi analizat considernd c doar o singur surs de
alimentare funcioneaz n acelai timp n circuit. Rezultatul/efectul final poate fi aflat prin nsumarea algebric a
efectelor tuturor surselor de putere luate individual. Dac am separa condensatorul i divizorul de tensiune R2--R3
-
107
de restul amplificatorului, am nelege mai bine cum funcioneaz aceast superpoziie ntre curentul continuu i cel
alternativ.
Sursa de curent alternativ
Dac lum n considerare doar sursa de semnal de
curent alternativ i un condensator cu o impedan
arbitrar mic la frecvena semnalului, majoritatea
semnalului de curent alternativ se va regsi pe
rezistorul R3. Datorit impedanei foarte mici a
condensatorului de cuplaj la frecvena de semnal,
acesta se comport precum un scurt-circuit (fir
simplu), prin urmare, poate fi omis din figura
alturat.
Sursa de curent continuu
Dac ar fi s conectm doar sursa de tensiune de
curent continuu (bateria de 15 V), condensatorul
se va comporta precum un circuit deschis, prin
urmare nici acesta i nici sursa de semnal de
curent alternativ nu vor avea niciun efect asupra
modului de funcionare al divizorului de tensiune
R2--R3.
Aplicarea teoremei superpoziiei
Folosind teorema superpoziiei, i combinnd cele
dou analize separate ale circuitului, obinem o
tensiune (de superpoziie) de aproximativ 1,5 V
curent alternativ i 2,3 V curent continuu, tensiuni
ce vor fi aplicate la intrarea tranzistorului.
Observai n circuitul alturat, c tranzistorul nu a
fost conectat.
-
108
Folosind un condensator de 100 F, putem obine o impedan
de 0,8 la frecvena de 2.000 Hz.
Putem observa c acest circuit distorsioneaz puternic forma
undei curentului de ieire (albastru). Unda sinusoidal este
tiat pe majoritatea semi-alternanei negativ a semnalului de
tensiune de intrare (rou). Acest lucru ne spune c tranzistorul
intr n starea de blocare
, dei nu ar trebui. De ce se ntmpl
acest lucru? Aceast nou metod de polarizare ar trebui s
genereze o tensiune de polarizare n curent continuu de 2,3 V.
Conectarea tranzistorului n circuit
Dac n circuit avem doar condensatorul i divizorul de tensiune format din R2--R3, acesta va furniza o
tensiune de polarizare de exact 2,3 V. Totui, dup ce conectm tranzistorul la acest circuit, lucrurile se schimb.
Curentul existent prin baza tranzistorului se va aduna la curentul deja existent prin divizor i va reduce tensiunea de
polarizare disponibil pentru tranzistor. Folosind modelul diod-surs-de-curent al tranzistorului, problema
polarizrii devine mai clar.
Modificarea rezistenelor de intrare
Ieirea unui divizor de tensiune depinde nu doar de mrimea rezistorilor si componeni, ci i de cantitatea
de curent divizat de aceasta spre o sarcin. Jonciunea P-N a tranzistorului reprezint o sarcin datorit creia
tensiunea de curent continuu la bornele rezistorului R3 scade; curentul de polarizare se nsumeaz cu cel de pe
rezistorul R3, modificnd raportul rezistenelor calculat nainte, cnd am luat n considerare doar cei doi rezistori,
R2 i R3. Pentru obinerea unei tensiuni de polarizare de 2,3 V, valorile rezistorilor R2 i/sau R3 trebuiesc ajustate
-
109
pentru compensarea efectului curentului de baz. Pentru creterea tensiunii de polarizare de pe R3, putem scdea
valoarea lui R2, crete valoarea lui R3, sau ambele.
Graficul formelor de und
Folosind noi valori pentru cei doi rezistori (R2 = 6 k, R3 = 4
k), graficul formelor de und corespunde unui amplificator
de clas A, exact ceea ce urmream.
11. Cuplajul de intrare i de ieire
Cuplaj de intrare
Cuplaj capacitiv
Pentru a rezolva problemele de polarizare n curent continuu ale amplificatorului, fr utilizarea unei baterii
conectat n serie cu sursa de semnal de curent alternativ, am folosit un divizor de tensiune conectat la sursa de
tensiune de curent continuu deja existent n circuit. Pentru a putea folosi aceast configuraie cu semnale de curent
alternativ, am cuplat semnalul de intrare la divizor printr-un condensator (cuplaj capacitiv), condensator ce s-a
comportat precum un filtru trece-sus. Folosind acest filtru, impedana foarte sczut a sursei de semnal de curent
alternativ nu a putut scurt-circuita cderea de tensiunea de curent continuu de pe rezistorul de jos al divizorului de
tensiune. O soluie simpl la prima vedere, dar care prezint i dezavantaje.
-
110
Cea mai evident problem este c, amplificatorul
poate acum s amplifice doar semnale de curent
alternativ
Cuplaj direct
. O tensiune constant de curent continuu,
aplicat la intrare, va fi blocat de ctre
condensatorul de cuplaj. Mai mult, din moment ce
reactana condensatorului este dependent de
frecven, semnalele de curent alternativ de
frecvene joase nu vor fi amplificate la fel de mult
precum semnalele de frecvene nalte. Semnalele ne-sinusoidale vor fi distorsionate, din moment ce condensatorul
va rspunde diferit la fiecare dintre armonicele sale constituente. Un exemplu extrem ar fi un semnal dreptunghiular
de frecvena joas.
n situaiile n care problemele ridicate de
cuplajul capacitiv nu pot fi tolerate, se poate
folosi un cuplaj direct. Cuplajul direct
folosete rezistori n locul condensatoarelor
Aceast configuraie nu este dependent de
frecvena, fiindc nu avem niciun condensator
pentru filtrarea semnalului de intrare.
Dac un cuplaj direct amplific att semnale de curent continuu ct i semnale de curent alternativ, de ce s
folosim cuplaje capacitive n primul rnd? Unul dintre motive ar fi evitarea tensiunii naturale de polarizare n curent
continuu prezent n semnalul de amplificat. Unele semnale de curent alternativ conin i o component de curent
continuu direct de la surs, ce nu poate fi controlat, iar aceast tensiune necontrolat nseamn c polarizarea
tranzistorului este imposibil.
Un alt motiv pentru utilizarea unui cuplaj capacitiv este lipsa atenurii semnalului de la intrare. n cazul
cuplajului direct printr-un rezistor, atenuarea semnalului de intrare, astfel c doar o parte din acesta mai ajunge la
baza tranzistorului, este un dezavantaj demn de luat n considerare. Unele aplicaii necesit atenuarea semnalului de
intrare ntr-o oarecare msur, pentru prevenirea intrrii tranzistorului n zona de saturaie sau de blocare, astfel c o
atenuare existent pe cuplajul de intrare este oricum folositoare. n alte situaii ns, nu este permis atenuarea
semnalului de intrare sub nicio form, pentru obinerea unei amplificrii n tensiunea ct mai bune; n acest caz, un
cuplaj direct nu este o soluie foarte bun.
.
Cuplaj de ieire
-
111
n circuitul din exemplu, sarcina este reprezentat de un difuzor. Majoritatea difuzoarelor sunt
electromagnetice: acestea folosesc fora generat de un electromagnet uor, suspendat ntr-un cmp magnetic
permanent, pentru deplasarea unui con de plastic sau hrtie, deplasare ce produce vibraii n aer, care mai apoi sunt
interpretate de sistemul auditiv ca fiind sunete.
Aplicnd o tensiune de o singur polaritate, conul se deplaseaz spre exterior; dac inversm polaritatea
tensiunii, conul se deplaseaz spre interior. Pentru a putea utiliza ntreaga libertate de micare a conului, difuzorul
trebuie s primeasc o tensiune de curent alternativ pur (s nu conin curent continuu). O component de curent
continuu va tinde s deplaseze permanent conul de la poziia sa natural din centru, iar deplasarea sa nainte-napoi
va fi limitat la aplicarea unei tensiuni de curent alternativ ca urmare a acestui fapt.
Dar n circuitul nostru de mai sus, tensiunea aplicat la bornele difuzorului este de o singur polaritate
(tensiune alternativ + component de curent continuu), deoarece difuzorul este conectat n serie cu tranzistorul, iar
tranzistorul nu poate conduce curent dect ntr-o singur direcie. Acest lucru nu este acceptabil pentru niciun
amplificator audio.
Transformator de cuplaj
Prin urmare, trebuie s izolm difuzorul
fa de componenta de curent continuu a
curentului de colector, astfel nct acesta
s primeasc doar tensiune de curent
alternativ. O modalitate de realizare a
acestui lucru, este cuplarea circuitului de
colector al tranzistorului la difuzor prin
intermediul unui transformator.
Tensiunea indus n secundarul transformatorului (legat la difuzor) se va datora strict variaiilor curentului
de colector, datorita faptului c inductana mutual a unui transformator funcioneaz doar la variaiile curentului
prin nfurare
Cuplaj capacitiv
. Cu alte cuvinte, doar componenta de curent alternativ al curentul de colector va fi cuplat la
secundar pentru alimentarea difuzorului.
Aceast metod funcioneaz foarte bine, dar, transformatoarele sunt de obicei mari i grele, mai ales n
aplicaiile de putere mare. De asemenea, este dificil de proiectat nu transformator care s fie folosit ntr-o plaj
larg de frecvene, ceea ce este i cazul amplificatoarelor audio. Mai ru dect att, curentul continuu prin
nfurarea primar duce la magnetizarea miezului doar ntr-o singur polaritate, ceea ce nseamn ca
transformatorul se va satura mult mai uor ntr-una dintre polaritile semnalului de curent alternativ dect n
cealalt.
-
112
O alt metod de izolare a
componentei de curent continuu din
semnalul de ieire, este utilizarea
unui condensator de cuplaj pe ieire,
ntr-o manier similar cuplajului
capacitiv de intrare.
Circuitul de mai sus seamn foarte bine cu un amplificator n conexiune emitor comun, avnd colectorul
tranzistorului conectat la baterie printr-un rezistor. Condensatorul se comport precum un filtru trece-sus;
majoritatea semnalului de curent alternativ se va regsi pe difuzor, dar tensiunea de curent continuu va fi blocat de
ctre filtru. Din nou, valoarea acestui condensator de cuplaj este aleas astfel nct impedana la frecvena
semnalului s fie ct mai mic.
Cuplarea amplificatoarelor ntre ele
Cuplaj capacitiv
Blocarea tensiunii de c.c. de la ieirea unui
amplificator, fie prin utilizarea unui
transformator sau a unui condensator, este
folositoare nu doar n cazul conectrii unui
amplificator la o sarcin, ci i la cuplarea
unui amplificator la un alt amplificator.
Amplificatoarele cu mai multe etaje sunt
folosite adesea pentru obinerea unor factori de amplificare mult mai mari
Cuplaj prin intermediul transformatoarelor
dect este posibil utiliznd un singur
tranzistor.
Dei fiecare etaj se poate cupla direct cu urmtorul, prin intermediul unui rezistor n loc de condensator,
acest lucru face ca ntreg amplificatorul s fie foarte sensibil la variaiile tensiunii de polarizare n c.c., datorit
faptului c aceast tensiune va fi amplificat n fiecare etaj odat cu semnalul de c.a. Dar, dac etajele sunt cuplate
capacitiv ntre ele, tensiunea de c.c. al unui etaj nu influeneaz tensiunea de polarizare al urmtorului etaj, deoarece
trecerea acestuia este blocat.
-
113
De asemenea, etajele pot fi cuplate prin
intermediul transformatoarelor, dar acest
lucru nu se realizeaz prea des n practic,
datorit problemelor menionate mai sus. O
excepie o reprezint amplificatoarele de
radio-frecven, unde se utilizeaz
transformatoare de cuplaj mici, cu miez de
aer (fiind astfel imune la efectele de saturaie), ce fac parte dintr-un circuit rezonant pentru blocarea trecerii
armonicilor de frecvene nedorite dintr-un etaj la cellalt. Circuitele rezonante se folosesc doar atunci cnd
frecvena semnalului rmne constant, ceea ce este valabil n cazul circuitelor de radio frecven.
Cuplaj direct
Trebuie menionat c este posibil cuplarea direct a amplificatoarelor. n cazurile n care circuitul trebuie
s amplifice i semnale de c.c., aceasta este singura alternativ.
12. Amplificatoare cu reacie
Reacia
nseamn cuplarea ieiri unui amplificator la intrarea acestuia
Reacia pozitiv
produce oscilaii ntr-un circuit, astfel c acesta devine instabil
Reacia negativ
Definiii
tinde s stabilizeze amplificatorul, astfel nct variaia semnalului de ieire este mai mic
pentru o anumit variaie a semnalului de intrare
Dac un anumit procent din semnalul de ieire al amplificatorului este conectat la intrarea acestuia, astfel
nct amplificatorul amplific o parte din propriul su semnal de ieire, rezultatul va fi un amplificator cu reacie.
Prin reacie pozitiv se nelege creterea amplitudinii semnalului de intrare Prin reacie negativ se nelege o
scdere a amplitudinii semnalului de intrare
Amplificator cu reacie negativ
Un amplificator echipat cu reacie negativa este mai stabil, distorsioneaz mai puin semnalul de intrare i,
n general, este capabil de amplificarea unor frecvene mai largi. Dezavantajul este un factor de amplificare mai
sczut.
-
114
Amplificator simplu, fr reacie
S examinm un amplificator simplu, iniial fr
reacie.
Configuraia amplificatorului de mai sus este emitor
comun, cu o reea de polarizare format din divizorul
de tensiune R1--R2. Condensatorul cupleaz semnalul
de intrare n c.a., astfel nct sursa de semnal s nu
conin o component de c.c. datorit divizorului de
tensiune R1--R2. Rolul rezistorului R3 este de a
controla amplificarea n tensiune, i l-am putea
ndeprta pentru o amplificare n tensiune maxim.
La fel ca i n cazul tuturor
amplificatoarelor emitor comun, i acesta
inverseaz semnalul de intrare. Putem
vedea alturat formele de und ale
tensiunilor de intrare i ieire.
Reacia negativ ntre colector i baz
Datorit faptului c semnalul de
ieire este inversat (defazat cu
180o
(anti-faz)), orice conexiune
ntre ieirea (colector) i intrarea
(baz) tranzistorului va duce la
apariia unei reacii negative.
Rezistenele R1, R2, R3, i Rreacie funcioneaz mpreun precum o reea de semnale, astfel c tensiunea de la
baza tranzistorului (fa de pmnt) reprezint o medie a tensiunii de intrare i a tensiunii de reacie negativ,
rezultnd un semnal de o amplitudine redus la intrarea amplificatorului. Astfel, amplificatorul de mai sus, va avea
un factor de amplificare mai redus, dar o liniaritate mbuntit (reducerea distorsiunilor) i o band de frecvene
mrit.
-
115
Reacia negativ ntre emitor i mpmntarea circuitului
Aceasta nu este ns singura
modalitate de introducere a
reaciei negative ntr-un
amplificator emitor comun. O
alt metod, dei mai greu de
neles la nceput, const n
introducerea unui rezistor ntre
terminalul emitorului i
mpmntarea circuitului.
n acest caz, cderea de tensiune pe rezistorul de reacie va fi direct proporional cu valoarea curentului
prin emitorul tranzistorului, opunndu-se n acest fel influenei semnalului de intrare asupra jonciunii baz-emitor a
tranzistorului.
S ne uitm mai atent la jonciunea emitor-baz pentru a ne da seama
de efectele introducerii acestui rezistor n circuit:
Atunci cnd nu avem rezistorul de reacie n circuit (Rreacie),
tensiunea de intrare (Vintrare) ce trece de condensatorul de cuplaj i de
reeaua format din rezistorii R1/R2/R3, se va regsi n totalitate pe
jonciunea baz-emitor a tranzistorului sub forma tensiunii de intrare
(VB-E). Cu alte cuvinte, fr Rreacie, VB-E = Vintrare. Prin urmare, dac
Vintrare crete cu 100 mV, atunci i VB-E crete cu 100 mV: variaia
uneia este egal cu variaia celeilalte, din moment ce ambele tensiunii
sunt egale.
S examinm acum efectele introducerii rezistorului
Rreacie ntre emitor i mpmntare.
De data aceasta, Vreacie + VB-E = Vintrare. Odat cu
introducerea rezistenei de reacie n bucla (Vintrare, VB-E
nu va mai fi egal cu Vintrare. tim faptul c rezistorul
Rreacie va avea o cdere de tensiune la bornele sale
proporional cu valoarea curentului prin emitor,
valoare ce este controlat de curentul de baz, curent ce
este la rndul lui controlat de cderea de tensiune pe
jonciunea baz-emitor (VB-E) a tranzistorului.
-
116
Astfel, dac tensiunea de intrare crete, acest lucru va duce la creterea lui VB-E, ce duce la creterea
curentului bazei, ce duce la creterea curentului prin colector (sarcin), ce cauzeaz creterea curentului prin emitor,
care la rndul lui va determina creterea cderii de tensiune pe rezistorul de reacie Rreacie. Dar aceast cretere a
cderii de tensiune pe Rreacie se scade din tensiune de intrare (Vintrare), lucru ce duce la reducerea cderii de tensiune
ntre baz i emitor (VB-E); creterea real a lui VB-E va fi de fapt mai mic dect creterea lui Vintrare. O cretere de
100 mV a tensiunii de intrare nu va mai duce la o cretere de 100 mV a tensiunii de polarizare baz-emitor, ntruct
cele dou tensiuni nu sunt egale ntre ele.
Ca urmare, tensiunea de intrare exercit un control mai redus asupra tranzistorului fa de cazurile
precedente, iar amplificarea n tensiune este redus
Deriva termic
i ea ca urmare a introducerii rezistorului de reacie.
n circuitele emitor comun practice, reacia negativ nu este doar un lux, ci o necesitate pentru funcionarea
stabil a circuitului. ntr-o lume perfect, am putea construi i utiliza un amplificator emitor comun fr reacie
negativ, iar acest lucru ne-ar furniza o amplificare mare n tensiune. Din pcate ns, relaia dintre tensiunea baz-
emitor i curentul baz-emitor variaz cu temperatura, acest lucru fiind descris de ecuaia diodei. Pe msur ce
tranzistorul se nclzete, cderea de tensiune pe jonciunea baz-emitor necesar pentru aceeai valoare a
curentului va fi tot mai mic.
Acest lucru nu este de dorit, ntruct divizorul de tensiune R1--R2 este proiectat s furnizeze curentul corect
pentru funcionarea tranzistorului la punctul static de funcionare. Dac relaia curent/tensiune a tranzistorului
variaz cu temperatura, valoarea tensiunii de polarizare n c.c, necesar pentru operarea tranzistorului n clasa
dorit, se va modifica. Un tranzistor nclzit va conduce un curent i mai mare pentru aceeai valoare a tensiunii de
polarizare, ducnd la o nclzire i mai mare a acestuia i la un curent i mai mare de polarizare
Conexiunea colector comun
. Efectul este
cunoscut sub numele de deriv termic.
Amplificatoarele colector comun nu sunt afectate
de deriva termic. De ce? Rspunsul este strns
legat de reacia negativ.
-
117
Putem observa c sarcina amplificatorului colector comun este conectat n exact acelai loc n care am
introdus Rreacie n circuitul precedent, i anume, ntre emitor i mpmntare. Acest lucru nseamn c singura
cdere de tensiune pe jonciunea baz-emitor este reprezentat de diferena dintre Vintrare i Vieire, rezultatul fiind o
amplificare n tensiune foarte mic (de obicei aproape de 1). Apariia derivei termice este imposibil pentru acest
tip de amplificator
Avantajele utilizrii reaciei negative
: n cazul n care curentul bazei ar crete datorit nclzirii tranzistorului, curentul emitorului va
crete i el, rezultnd o cdere de tensiune mai mare pe sarcin, cdere de tensiune ce se scade din tensiunea de
intrare (Vintrare); acest lucru duce la descreterea cderii de tensiune ntre baz i emitor.
Prin adugarea unui rezistor de reacie ntre emitor i mpmntare n cazul unui amplificator emitor
comun, amplificatorul se va comporta mai puin precum un amplificator emitor comun pur i puin mai mult
precum un amplificator colector comun. Valoarea acestui rezistor de reacie este n general mult mai mic dect
valoarea sarcinii, minimiznd cantitatea de reacie negativ i meninnd amplificarea n tensiune destul de ridicat.
Un alt beneficiu al reaciei negative const n faptul c scade dependena amplificrii n tensiune de
caracteristicile tranzistorului
Condensatorul de decuplare
. Observai c n cazul amplificatorului colector comun, amplificarea n tensiune este
aproximativ egal cu 1, indiferent de factorul beta () al amplificatorului. Acest lucru nseamn, printre altele, c
putem schimba tranzistorul din configuraia colector comun cu un alt tranzistor al crui factor beta este diferit, fr
a vedea modificri semnificative faa de amplificarea tensiunii. ntr-un amplificator emitor comun, amplificarea n
tensiune depinde foarte mult de .
Dac ar fi s nlocuim un tranzistor dintr-o configuraie emitor comun, cu un tranzistor al crui este
diferit, amplificarea n tensiune ar suferi modificri substaniale. ntr-un amplificator emitor comun cu reacie
negativ, amplificarea n tensiune va fi de asemenea dependent de factorul beta ntr-o oarecare msur, dar nu ntr-
o asemenea msur precum fr reacie; circuitul va fi n acest caz mult mai previzibil, n ciuda variaiilor factorului
al tranzistorilor folosii.
Faptul c trebuie s introducem o reacie negativ ntr-un amplificator emitor comun pentru evitarea derivei
termice nu este o soluie satisfctoare. Putem evita deriva termic fr a fi nevoii a suprima factorul de
amp