cursuri efa 4 tranzistorul

Upload: nik-circhelan

Post on 14-Jul-2015

146 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Tranzistorul Structur i definiie

Un tranzistor bipolar cu jonciune (BJT) este alctuit din trei straturi de materiale semiconductoare, fie de tipul PNP, fie de tipul NPN . Fiecare strat are un nume specific i un contact pentru conexiunea n circuit.

Diferena dintre tranzistorul PNP i NPNDiferena funcional dintre tranzistorul PNP i NPN, este modul de polarizare corect a jonciunii. Indiferent de starea n care se afl, direciile curenilor i polaritile tensiunii sunt exact invers la cele dou tipuri de tranzistoare.

Utilizarea tranzistorilor

Tranzistorii sunt regulatori de curent controlai n curent. 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.

ObservaiiDenumirea 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, 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.

02. Tranzistorului ca i ntreruptor

ScopDeoarece 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 lmpintreruptor simplu

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 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) ntre baz i emitor, tensiune necesar pentru apariia curentului de baz i pornirea tranzistorului.

Sau putem folosi mai multe termocuple conectate n serie pentru generarea curentului bazei necesar pornirii 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.

ObservaiiCeea 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. Atenie, puterea necesar aprinderii lmpii este furnizat de bateria din circuitul principal, i nu de celula solar, termocupl sau microfon. Acestea din urm doar controleaz puterea bateriei pentru aprinderea lmpii.

Tranzistor pe post de ntreruptor

Scopul experimentuluiAmplificarea n curent a unui tranzistor bipolar; rolul de ntreruptor al unui tranzistor

Materiale necesareDou baterii de 6 V; un tranzistor NPN, model 2N2222 sau 2N3403; un rezistor de 100 k; un rezistor de 560 k; un LED. Valorile rezistorilor ct i LED-ul ales nu sunt critice pentru acest experiment. Circuitul final arat astfel:

Realizarea circuitului cu tranzistorConductorul rou din figura de mai sus, cel care se termin printr-o sgeat, conectat la rezistorul de 100 k la un capt, va rmne liber. Acesta va fi conectat temporar n alte puncte din circuit. Dac aducei captul liber al conductorului rou n contact cu un punct din circuit (oricare punct) mai pozitiv dect el, precum borna pozitiv a sursei de c.c., LED-ul se va aprinde. Este nevoie de un curent de 20 mA pentru a alimenta un LED standard la capacitate maxim. Comportamentul de mai sus prin urmare, este ct se poate de interesant, ntruct rezistorul de 100 k la care este conectat conductorul rou limiteaz curentul la o valoare mult sub 20 mA. n cel mai bun caz, un curent de 12 V pe o rezistena de 100 k, d natere unui curent de doar 0,12 mA, sau 120 A! Conexiunea pe care ai realizat-o prin atingerea unui punct pozitiv din circuit cu conductorul rou, conduce un curent mult mai mic de 1 mA. i totui, amplificarea realizat de tranzistor face posibil controlul unui curent mult mai mare prin LED. Folosii un ampermetru pentru conectarea conductorului liber (rou) la borna pozitiv a baterie, astfel:

Va trebui s alegei cea mai sensibil scal de curent pentru a putea msura aceast valoare. Dup ce ai msurat curentul de control, msurai curentul prin LED (curentul controlat). Comparai cele dou valori. Ce observai? Curentul controlat este de aproximativ 200 de ori mai mare dect curentul de control! Dup cum putei observa, tranzistorul se comport precum un ntreruptor controlat de curent, ntrerupnd sau permind trecerea curentului prin LED n funcie de curentul de control (mult mai mic) prin baz. Opional, pentru a demonstra ct de mic poate fi curentul de control, ndeprtai conductorul liber (rou) din circuit. ncercai apoi s conectai terminalul liber al rezistorului de 100 k la borna pozitiv a bateriei, cu mna. Folosii dou degete. Cu unul din ele realizai contactul cu rezistorul i cu cellalt realizai contactul cu bateria. Umezii-v degetele pentru a maximiza conductivitatea:

Variai presiunea exercitat prin intermediul degetelor pe aceste dou puncte din circuit. Vei varia astfel rezistena din circuitul de control. Putei varia intensitatea luminoas a LED-ului prin aceast metod? Ce ne spune acest lucru despre abilitatea tranzistorului de a juca rolului unui ntreruptor? Pe lng faptul c tranzistorului poate fi folosit pe post de ntreruptor, acesta este un ntreruptor variabil.

03. Verificarea tranzistorului cu ohmmetrul

Comportamentul tranzistoruluiTranzistorii 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 nemarcatDac 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.

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: 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 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 tranzistortiind 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 tranzistoruluiTotui, 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

DefiniiiTranzistor blocat

Cnd baza nu este polarizat, i prin urmare nu exist curent ntre emitor i colector, spunem c tranzistorul este blocat.Tranzistor saturat

Invers, cnd ntre emitor i colector trece cantitatea maxim de curent permis de colector i de sursa de putere, spunem c tranzistorul este saturat.Tranzistor n zona activ de funcionare

Dar, n cazul n care curentul controlat este mai mare dect zero dar este sub valoarea maxim admis de surs i de circuit, tranzistorul va funciona ntre zonele de blocare i saturare; n acest caz, spune c tranzistorul funcioneaz n zona activ.

Exemplu

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). Sursa de curent va genera un curent fix, genernd o tensiune mai mic sau mai mare pentru asigurarea acestui curent prin ea.Variaia curent-tensiune

n aceast simulare, vom seta valoarea sursei de curent la 20 A i vom varia tensiunea sursei (V1) ntre 0 V i 2 V; vom observa apoi curentul ce trece prin surs. 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 (V1) 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

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 caracteristiceAceast 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. Pentru funcionarea corect a tranzistorului, acesta trebuie s se afle tot timpul n zona activ de funcionare (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 colectoremitor, 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

Observaie

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). 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.

Factorul beta (factorul de amplificare n curent)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 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!

Modelul diod-poteniometru al tranzistorului

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

DefiniiePunctul static de funcionare al unui tranzistor reprezint coordonatele de funcionare ale tranzistorului n zona activ de funcionare.

Starea i curentul de repausO 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. 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.

Trasarea dreptei de sarcin

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

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 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

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

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

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, 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.

Amplificator inversorPentru 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. 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.Exemplu

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 alternativeCircuitul original

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

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: 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.Conectarea unei surse de curent continuu la intrare

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.

Amplificarea n tensiune a tranzistorului n conexiune emitor comunAmplificarea 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, bazemitor): 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, amplificarea 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.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.

Senzor pulsuri de lumin

Scopul experimentuluiUtilizarea tranzistorului pe post de amplificator emitor-comun; utilizarea LED-ului pe post de senzor de lumin.

Materiale necesareDou baterii de 6 V; un tranzistor NPN, model 2N2222 sau 2N3403; un LED; un detector audio cu cti. Circuitul realizat arat astfel:

Utilizarea circuitului detector de pulsuri de luminCircuitul de mai sus detecteaz pulsurile de lumin ce lovesc LED-ul i realizeaz conversia acestora n semnale audio puternice, detectabile cu ajutorul ctilor. LED-urile produc curent atunci cnd sunt expuse la lumin, asemntor unei celule solare. Totui, de unul singur, LED-ul nu produce o putere suficient de mare pentru acionarea circuitului de detectare audio. Acesta este scopul tranzistorului folosit: amplificarea semnalelor generate de LED. Dac LED-ul este expus unei surse de lumin sub form de pulsuri, vei auzi un ton n cti. Pentru succesul experimentului, putei folosi lmpi fluorescente sau de neon (50 Hz). Putei ncerca de asemena s folosii lumina solar n locul unei surse electrice. Micai-v mn n acest caz prin faa LED-ului. Ce auzii?

LED-ul ca i fotosenzorLED-urile pot fi folosite pe post de fotodetectori. Banda de frecven detectat este apropiat de cea emis, dar nu identic. Telecomenzile cu infrarou sunt o surs bun de iluminare pentru LED-urile folosite pe post de fotosenzori n banda infraroie. Cu puin imaginaie, putem nelege modul de transmitere a informaiei audio, precum muzic sau convorbire, prin intermediul undelor de lumin pulsatorii. Avnd la dispoziie un circuit emitor adecvat, pentru aprinderea i stingerea unui LED conform formei de und audio primite de la un microfon, circuitul receptor prezentat mai sus ar putea transforma aceste pulsuri de lumin napoi n semnale audio.

07. Conexiunea colector-comun

Definiie

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, deoarece ntr-un tranzistor, cel mai mare curent se regsete pe emitor, fiind suma dintre curentul bazei i al colectorului.

Exemplu

Configuraia circuitului

S analizm ns circuitul alturat pentru a descoperi particularitile acestei configuraii.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.

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 neinversor.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.

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 tensiuniiDiode 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. 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 DarlingtonModul 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:

unde, 1 - factorul beta al primului tranzistor 2 - factorul beta al celui de al doilea tranzistorFactorul 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.

Repetor de tensiune - amplificator colector-comun

Scopul experimentuluiScopul desemnrii unui punct de mas ntr-un circuit, chiar dac nu exist o conexiune direct la mpmntare; utilizarea unui rezistor de unt pentru msurarea curentului cu ajutorul unui voltmetru; msurarea amplificrii n tensiune i curent a unui amplificator; transformarea impedanei cu ajutorul amplificatorului.

Materiale necesareUn tranzistor NPN, model 2N2222 sau 2N3403; dou baterii de 6 V; doi rezistori de 1 k; un poteniometru liniar de 10 k, cu o singur nfurare. Din nou, fii ateni la poziia terminalilor tranzistorului ales pentru acest experiment. Tranzistorul vostru s-ar putea s nu fie identic din acest punct de vedere cu circuitul practic prezentat aici. n circuitul prezentat pe placa de test, terminalii tranzistorului sunt, de la stnga la dreapta: colector, baz i emitor. Verificai fia tehnic a productorului, i, pentru a fi sigur, verificai poziia terminalilor cu ajutorul multimetrului. Circuitul repetor de tensiune este cel mai simplu i sigur amplificator cu tranzistori ce poate fi construit. Scopul acestuia este s ofere la ieire (pe sarcin) o tensiune egal cu tensiunea de intrare a amplificatorului. Valoarea curentului este ns mult mai mare. Cu alte cuvinte, acest timp de amplificator nu are o amplificare n tensiune ci doar o amplificare n curent. Circuitul realizat arat astfel:

Conectarea unui circuit la masObservai c partea din stnga-jos a circuitului prezentat este conectat la mas, lucru desemnat prin simbolul specific. Acest lucru nu reprezint neaprat o conexiune real la pmnt (mpmntare). Aceast mas nseamn c punctul din circuit conectat la ea, i toate punctele electric comune cu acesta, reprezint punctul de referin pentru toate msurtorile de tensiune din circuit. Din moment ce tensiunea este o cantitate relativ ntre dou puncte, alegerea unui punct de mas ntr-un circuit ne

d posibilitatea s vorbim (cu sens) despre tensiunea existent pe un anumit punct din circuit, i nu neaprat ntre dou puncte distincte.

De exemplu, dac ar fi s vorbim despre valoarea tensiunii la baza tranzistorului (VB), acest lucru ar nsemna de fapt tensiunea msurat ntre terminalul baz al tranzistorului i borna negativ a sursei de tensiune (masa). Practic, vom atinge cu sonda roie baza tranzistorului iar cu sonda neagr masa. n mod normal, nu putem vorbi despre tensiunea pe un singur punct, ci avem nevoie de un punct de referin pentru a conferi acestei afirmaii un sens:

Utilizarea circuitului repetor de tensiuneConstruii acest circuit. Msurai tensiunea de intrare i cea de ieire i comparai cele dou valori obinute, pentru diferite poziii ale poteniometrului. Tensiunea de intrare este tensiunea periei poteniometrului (tensiunea dintre perie i mas). Tensiunea de ieire este tensiunea rezistorului de sarcin (tensiunea la bornele rezistorului sau tensiunea emitorului: ntre emitor i mas). Vei vedea o legtur strns ntre aceste dou tensiuni: una dintre ele este puin mai mare dect cealalt (cu ct i de ce?). O variaie a tensiunii de intrare duce o variaie aproape identic a tensiunii de ieire. ntruct relaia dintre variaia intrrii i variaia ieirii este foarte aproape de 1:1, spunem c amplificarea n curent alternativ al acestui tip de amplificator este 1.

Amplificarea n curent - msurarea curentului cu ajutorul voltmetrului

Msurai apoi curentul prin baza tranzistorului (curentul de intrare) i comparai aceast valoare cu valoarea curentului prin rezistor (curentul de ieire). nainte de a ntrerupe circuitul i a introduce ampermetrul n serie pentru efectuarea msurtorilor, luai n calcul o metod alternativ. Msurai tensiunea la bornele rezistorilor de baz i de sarcin, ale cror rezistene v sunt cunoscute. Aplicnd legea lui Ohm, putei calcula direct curentul prin fiecare rezistor: mprind valoarea tensiunii msurate la rezistena cunoscut (I = E / R). Aceste calcule sunt mai uor de realizat cu rezistori de 1 k: pentru fiecare cdere de tensiune adiional de 1 V pe rezistori, va exista un curent adiional de 1 mA prin acetia. Pentru o precizie ridicat, putei msura rezistena exact prin fiecare rezistor. Cnd rezistorii sunt folosii pentru msurarea curentului i traducerea acestor valori n tensiuni, acetia poart numele de rezistori de unt. Diferena dintre curentul de intrare i cel de ieire este foarte mare n cazul acestui circuit de amplificare. S-ar putea chiar ca n unele cazuri s obinei o amplificare mai mare de 200. Acesta este rolul principal al unui repetor de tensiune: mrirea curentului unui semnal slab fr a-i modifica ns tensiunea.

Transformarea impedanei cu ajutorul amplificatorului repetor de tensiunePutem privi circuitul de mai sus dintr-un alt unghi, i anume, din punctul de vedere al impedanei. Intrarea amplificatorului accept o cdere de tensiune, dar acest semnal de intrare este foarte slab din punct de vedere al valorii curentului permis. Tensiunea de ieire a amplificatorului este identic cu cea de intrare, dar valoarea curentului este limitat doar de valoarea rezistenei de sarcin i de curentul maxim suportat de tranzistorul folosit. Privind din punctul de vedere al impedanei, spunem c impedana de intrare a amplificatorului de fa este mare (cdere de tensiune i curent foarte mic) iar impedana de ieire este mic (aceiai cdere de tensiune i o valoare a curentului aproape nelimitat).

08. Conexiunea baz-comun

Definiie

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. 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 ().

ExempluCircuitul

Circuitul practic pe care l vom studia, este cel alturat.

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

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 tensiuneCalcularea 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 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. 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.

ObservaiePrin 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

DefiniieDup 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

n cazul amplificatoarelor de clas A, ntreg semnalul de intrare este reprodus la ieire. 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.

Amplificator clasa B

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.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 ABAmplificatoarele 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 condensatorbobin la ieire, semnalul ocazional produs de amplificator la ieire este suficient pentru punerea n funcionare a oscilatorului.Observaii

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 umplereFactorul de umplere reprezint raportul dintre durata n care semnalul este maxim i durata n care semnalul este zero. Cu alte cuvinte, reprezint durata de funcionare al unui dispozitiv, n general. Factorul de umplere variaz odat cu amplitudinea instantanee a semnalului de intrare.

Amplificator clasa DAcest 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. 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.Aplicaii

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

ScopPn 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. 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.

ExempluCircuitul 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

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; 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.Utilizarea unui condensator de cuplaj

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 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.

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 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 intrareCuplaj 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.

Cea mai evident problem este c, amplificatorul poate acum s amplifice doar semnale de curent alternativ. 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.Cuplaj direct

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 ieiren 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. 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.Cuplaj capacitiv

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 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.Cuplaj prin intermediul transformatoarelor

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

DefiniiiDac 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 negativUn 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.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.

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. 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 i ea ca urmare a introducerii rezistorului de reacie.

Deriva termicn 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. Efectul este cunoscut sub numele de deriv termic.

Conexiunea colector comun

Amplificatoarele colector comun nu sunt afectate de deriva termic. De ce? Rspunsul este strns legat de reacia negativ. 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: 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.

Avantajele utilizrii reaciei negativePrin 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. 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.

Condensatorul de decuplareFaptul 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 amplificare n tensiune ridicat al acestui tip de amplificator? Putem gsi o soluie dac analizm ndeaproape aceast problem: tensiunea amplificat care trebuie minimizat pentru evitarea derivei termice, este cea de c.c., nu cea de c.a. Nu semnalul de intrare n c.a. este cel care duce la apariia derivei termice, ci tensiunea de polarizare n c.c., tensiune necesar pentru o anumit clas de funcionare; este acea tensiune de c.c. folosit pentru a pcli tranzistorul (un dispozitiv de c.c.) s amplifice i semnale de c.a. Putem suprima amplificarea n c.c. fr ca acest lucru s afecteze amplificare n c.a., dac putem gsi o cale prin care reacia negativ s funcioneze doar n c.c. Cu alte cuvinte, dac semnalul reintrodus de la ieire la intrare este un semnal de c.c., nu de c.a. Dac vrem ca reacia negativ s conin doar semnale de c.c., dar nu i semnale de c.a., avem nevoie de o impedana mare pentru c.c. dar mic pentru c.a. Ce tip de circuit prezint o impedana mare la c.c. dar o impedan mic la c.a.? Desigur, un filtru trece-sus.

Prin conectarea unui condensator n paralel cu rezistorul de reacie, putem crea exact situaia de care avem nevoie: o cale dinspre emitor spre mpmntare ce este mai uor de parcurs pentru semnalele de c.a. dect cele de c.c. Noul condensator decupleaz semnalele de c.a. dinspre emitor spre mpmntare, astfel nct s nu existe o cdere de tensiune apreciabil (impedan mic, cdere de tensiune mic) ntre emitor i mpmntare, tensiunea care ar putea duce la suprimarea amplificrii n tensiune a circuitului. Curentul continuu, pe de alt parte, nu poate trece prin condensatorul de decuplare (impedan mare n c.c.) i trebuie s treac prin rezistorul de reacie; acest lucru duce la apariia unei cderi de tensiune ntre emitor i mpmntare ce afecteaz amplificarea n tensiune a circuitului i stabilizeaz rspunsul amplificatorului n c.c. prevenind astfel deriva termic. Deoarece vrem ca reactana (XC) acestui condensator s fie ct mai mic posibil, acesta ar trebui s fie ct mai mare.

Deoarece polaritatea acestui condensator nu se va modifica niciodat, putem folosi un condensator polarizat (electrolitic) n aceast situaie.

Folosirea amplificatoarelor etajate

O alt abordare a problemei reducerii amplificrii n tensiune datorit utilizrii reaciei negative, este folosirea mai multor etaje de amplificare n loc de unul singur. n cazul n care amplificarea atenuat n tensiune a unui singur tranzistor nu este suficient pentru aplicaia respectiv, putem folosi mai muli tranzistori pentru compensarea reducerii cauzate de reacia negativ. Circuitul alturat const din trei etaje de amplificare n conexiune emitor comun cu reacie negativ: Reacia negativ de la etajul final nspre intrare se realizeaz prin intermediul unui singur rezistor, Rreacie. Din moment ce fiecare etaj este un amplificator emitor comun (inversor), numrul impar de etaje dinspre intrare spre ieire va inversa semnalul de ieire, iar reacia va fi negativ. Se pot folosi valori relativ mari de reacie fr a sacrifica amplificarea n tensiune, deoarece aceast amplificare este foarte mare de la bun nceput.Avantaje

La o privire de ansamblu, poate prea c aceast filozofie nu este elegant i este chiar contraproductiv. Nu este adugarea de etaje unul dup altul o metod cam grosolan de evitare a pierderilor de amplificare n tensiune, datorit utilizrii reaciei negative? Ce rost are s crem o amplificare n tensiune foarte mare, folosind trei etaje de amplificare, dac vom atenua oricum aceast amplificare prin intermediul reaciei negative? Rostul acestei configuraii este creterea stabilitii i a predictabilitii circuitului, luat ca ntreg. Dac cele trei etaje de amplificare sunt proiectate pentru furnizarea unei amplificri n tensiune foarte mari (zeci de mii, sau chiar mai mult), fr reacie, vom descoperi c adugarea reaciei negative n circuit se traduce printr-o dependen mult mai mic a amplificrii n tensiune fa de amplificrile fiecrui etaj n parte; amplificarea n tensiune va fi aproximativ egal cu raportul Rreacie/Rintrare. Cu ct circuitul prezint o amplificare n tensiune mai mare (fr reacie), cu att amplificarea n tensiune va fi mai apropiat de Rreacie/Rintrare odat ce este introdus i reacia n circuit. Cu alte cuvinte, amplificarea n tensiune a acestui circuit depinde doar de valorile celor doi rezistori, i de nimic altceva.

Acest lucru este un avantaj imens pentru producia de serie a circuitelor electronice: dac se pot construi amplificatoare cu o amplificare previzibil folosind tranzistori cu factori beta diferii ntre ei, selecia i nlocuirea componentelor este foarte uoar. nseamn de asemenea c amplificarea variaz foarte puin cu temperatura. Acest principiu de stabilizare a amplificrii este dus la extrem n cazul amplific