Prawdziwa elektronika, czyli tranzystory     Nasz kurs elektroniki nieuchronnie podąża w kierunku rzeczy coraz bardziej skomplikowanych. Nie ma współczesnej techniki bez tranzystorów. Lampy i tranzystory to, jak już kiedyś pisałem, aktywne elementy. Przyznam się szczerze, że wszelkiego rodzaju podziały (skoro są elementy aktywne, można się spodziewać istnienia nieaktywnych, czyli biernych) są zawsze dla mnie kłopotliwe. Wiedza tego typu przydać się może na salonach, dla przekonania towarzystwa, że masz powody spoglądać na nie z góry, z pozycji specjalisty. Oto i ona. Elementy bierne zwane są także liniowymi. Oznacza to, że włączenie ich do obwodu zmienia przebieg prądu od napięcia wg zależności liniowej typu y=a*x+b. Zwróćmy uwagę, że wykres tej funkcji jest oczywiście linią prostą, z czego bierze się nazwa „elementy liniowe”. Elementy aktywne powodują, że zależność prądu od napięcia ma charakter jakiejś bardziej skomplikowanej funkcji, której wykres jest linią krzywą, z czego nazwa „elementy nieliniowe”. Jedyny zysk z tych rozważań jest taki, że teraz możemy powiedzieć o elementach sterowanych. W nich mamy dwa obwody, sterujący i sterowany. Prąd i napięcie w obwodzie sterowanym zależy od tego, co się dzieje w obwodzie sterującym. Najczęściej chodzi nam o wzmocnienie sygnału. Tymże będziemy się dalej zajmować. Dość często błędnie mówi się, że układy wzmacniaczy wzmacniają napięcie sygnału. Otóż: podniesienie napięcia można uzyskać za pomocą transformatora. Nam chodzi o wzmocnienie MOCY sygnału. Jednocześnie trzeba mieć większe napięcie i zazwyczaj większy prąd. Takie zadanie wykonać mogą tylko te elementy „aktywne”. Transformator może podnieść napięcie, ale część mocy zamieni w ciepło. Podręczniki elektroniki bardzo chętnie poświęcają sążniste rozdziały działaniu tranzystora, możemy tam znaleźć dokładne rysunki drogi nośników, opisy, co się dzieje z dziurami i elektronami. Otóż, niestety, sprawa nie jest prosta, a opisy dość często pomijają istotny element który w półprzewodnikach jakby trochę nie istnieje, jest mocno nieintuicyjny, rozkładu pola. I o co chodzi, trudno zrozumieć. Zostawmy w czorta sprawę działania tranzystora, to też się nadaje tylko do opowiadania na salonach. Zajmijmy się tym, co możemy z tranzystorem zrobić i jak to zrobić dobrze. Najłatwiej wytłumaczyć działanie elementu wzmacniającego na lampie elektronowej. Nim jednak do tego przejdziemy, o urządzeniu pneumonicznym, które ponoć działało. Otóż, jak już kiedyś pisałem, było zapotrzebowanie na głośne gramofony, potrzeba urządzenia dyskoteki dotykała także naszych pradziadków. W czasach, gdy lampy elektronowe były czymś w rodzaju lampy Alladyna (z powodu kiepskiego opanowania techniki próżniowej produkcja ich była po prostu droga), radzono sobie w ten sposób, że igłę odczytującą płyty sprzężono z zaworkiem sterującym przepływem powietrza przez rurę, której wylot znajdował się w tubie. Jak to było skonstruowane detalicznie, nie wiem, ale ponoć drobne ruchy igły powodowały poważne zmiany w przepływie powietrza. To wpadając do tuby, grało z poważną głośnością, ponoć tylko cena wyparła owe dziwne konstrukcje z rynku, bo jakość audycji była doskonała. Lampa elektronowa działa tak jak ów zaworek, tyle, że steruje przepływem elektronów. A teraz kilka szczegółów. Sterujemy napięciem. W normalnym układzie pracy poprzez elektrodę sterującą zwaną siatką nie płynie prąd „konstrukcyjny”, czyli związany z działaniem lampy. Płyną bardzo niewielkie prądy upływu. Prądy „konstrukcyjne” wynikające z pojemności siatki do pozostałych elektrod pojawiają się w zakresie wysokich częstotliwości. Dajmy sobie na razie z tym spokój i załóżmy, że jest tak, że przez siatkę prąd nie płynie. Napięcie to różnica potencjałów, wobec tego musi być druga elektroda: napięcie sterujące jest przyłożone pomiędzy siatkę i jakąś drugą elektrodę. To jest standardowo katoda, ta sama elektroda, przez którą płynie prąd STEROWANY. To zapewne powoduje, że wszystko się miesza i zrozumienie działania układów z lampami jest trudne. Niestety, to samo spotka nas w tranzystorach. Jeszcze trudniej jest ze względu na to, że rodzajów tranzystorów jest znacznie więcej niż lamp. Tranzystor „zasadniczo” ma trzy elektrody. Trzymajmy się na razie tego, bo wystarczy na długo. W przypadku lamp szybko musielibyśmy dojść do typu zwanego pentodą, zaczynając od triody lub diody, lecz dla tranzystorów wiedza, że mają trzy elektrody, jest wystarczająca. Ma on postać czarnej pastylki, z której wystają trzy druty, blaszki, czasami mamy dwie blaszki lub druty, bo trzecia elektroda podłączona jest do obudowy a całość wygląda na dziwny kapelusz. Tranzystory „naprawdę” zawsze wyglądają bardzo podobnie, to dziś kawałek krzemu, większy lubo mniejszy z podłączonymi drutami, jednak zamknięty w obudowach różniastego kształtu. Aby móc prawidłowo tranzystor podłączyć, musimy znać rozkład jego wyprowadzeń w danej obudowie. Teraz istotny podział tranzystorów. W tej chwili znajdziesz w sklepach polowe i bipolarne. Bipolarne są „normalne”. Polowe tranzystory są sterowane napięciem, bipolarne prądem. To ostatnie stwierdzenie jest trochę uproszczeniem, ale załóżmy, że na razie ta informacja wystarczy. Koncepcja tranzystora polowego jest jeszcze przedwojenna. Został on jednak zbudowany znacznie później, na rynek wszedł w latach siedemdziesiątych XX wieku. Tranzystor bipolarny został zbudowany pod koniec lat czterdziestych. Niestety, w jego przypadku możemy się spotkać z kilkoma technologiami i związanymi z tym mocno odmiennymi własnościami, które trzeba w swojej konstrukcji uwzględnić. Co robimy z tranzystorem? Sterujemy nim prąd w jednym obwodzie „wyjściowym” za pomocą prądu w obwodzie „wejściowym”. Prąd wejściowy otrzymujemy na przykład z anteny albo z mikrofonu. Prąd wyjściowy płynie z zasilacza i może na przykład sterować słuchawkami. Mielibyśmy już gotową receptę, jak zrobić dopalacz do naszego radia, lecz jest jeden szkopuł: te źródła dają zazwyczaj napięcia i prądy PRZEMIENNE. Tranzystor, także lampa radiowa nie potrafi wzmacniać prądów przemiennych. Tranzystor, sprawdzany za pomocą omomierza, działa jak dwie złączone do elektrody zwanej bazą diody. Normalnie nie przewodzi w obwodzie sterowanym, który podłączamy do elektrod zwanych emiter i kolektor. Mówimy tu o tranzystorze bipolarnym, bo w polowym nazywają źródło i dren. W zależności od typu przewodzenia, o którym zapewne słyszałeś w szkole, n-p-n lub p-n-p, kierunek diod przyłączenia jest inny. W typie n-p-n, aby popłynął prąd trzeba przyłączyć plus (+) na bazę i minus na kolektor lub emiter. W p-n-p na odwrót. Na tym etapie wiedzy ważne jest, jak rozpoznać tranzystor na schemacie i stwierdzić, która z elektrod jest do czego podłączona. Rysunek pokazuje symbol tranzystora n-p-n i p-n-p. Jak widać, różnią się tylko kierunkiem strzałki elektrody symbolizującej emiter i oznaczonej na rysunku literką E. Kolektor to elektroda nad emiterem oznaczona K i baza z przeciwnej strony oznaczona literką B. Elektrody zwane emiter i kolektor do pewnego stopnia są „zamienne”. Różnią się jednak konstrukcją „w krzemie”. W pewnych warunkach tak zwana inwersyjna praca tranzystora (dla minimalizacji tak zwanych zerowych prądów) jest korzystna. Jednak „normalnie” nie możemy pomylić elektrod. Średnio wyszkolony „radiota” zna na pamięć najmniej kilkanaście typów obudów i rozmieszczenie wyprowadzeń. Co jednak zrobić, jak zorientować się w tym, czym są druciki wychodzące z czarnej plastykowej pastylki, gdy nie wiemy nic o topografii elektrod? Która jest która, najlepiej zorientować się z kart katalogowych. Możemy je „wygooglać” wpisując typ tranzystora w wyszukiwarkę. Elektrody tranzystora możemy także rozpoznać w układzie próbnym albo włączając w gniazdo do pomiaru współczynnika „beta” w uniwersalnych miernikach. Początkujący elektronicy czasami zadają nieprecyzyjne pytanie o „wzmocnienie” tranzystora i zazwyczaj chodzi o ten współczynnik „beta”. Najbardziej z grubsza możemy go określić jako stosunek prądu w obwodzie sterowanym do prądu w obwodzie sterującym. Wynosi on od kilku do kilkuset. Rysunek: pokazuje schemat układu, w którym można zmierzyć współczynnik beta tranzystora n-p-n. Dla uproszczenia w obwodzie bazy umieściłem szeregowy opornik regulowany, dla zaznaczenia, że możemy zmieniać prąd bazy. W rzeczywistości w takich układach zdecydowanie mądrzej i wygodniej stosować tak zwany układ potencjometryczny. Niestety, źle on robi na wyobraźnię. Sposób pomiaru „bety” niesie wiedzę zasadniczą o działaniu tranzystorów: prąd w obwodzie bazy „odtyka” tranzystor i wywołuje w obwodzie emiter-kolektor przepływ prądu „beta razy” większego. Aby tranzystor zadziałał, łączymy go zależnie od typu dla p-n-p minus do kolektora i plus do emitera, i na odwrót dla typu n-p-n plus do kolektora i minus do emitera. Aby tranzystor przewodził w p-n-p, na bazę podajemy napięcie ujemne w stosunku do emitera, i dla typu n-p-n odwrotnie, czyli napięcie dodatnie. Jeśli będę rysował praktyczne schematy, to zawsze dorysuję gdzie mamy plus, gdzie minus. W typowych tranzystorach małej mocy w obwodzie bazy płyną prądy wielkości mikroamperów i dlatego jako miernika użyjemy mikroamperomierza, w obwodzie kolektora płyną miliampery i dlatego użyjemy miernika prądu ustawionego na zakres miliamperów. Stosunek wskazań tych dwu mierników (ale uwaga: w tych samych jednostkach, a więc trzeba przeliczyć mikroampery na miliampery, albo na odwrót!) daje nam współczynnik beta. Jeśli wstawimy w miejsce miliamperomierza diodę świecącą lub jakiś inny element wykonawczy, to mamy wstęp do wykonania czegoś użytecznego, nie tylko układu pomiarowego. Jak jednak wzmacniać PRZEMIENNE napięcie uzyskane na przykład z mikrofonu? Do wykonania tego zadania przysłużą się elementy bierne. Idea jest taka: dodamy do prądu przemiennego składową stałą, która będzie dość duża, żeby w obwodzie sterowanym płynął prąd w jednym kierunku. Zmienny, ale nie przemienny. Idea ta może się zrealizować „sama” w przypadku układu z mikrofonem węglowym, który wymaga właśnie zasilania prądem stałym. Kolejny schemat: pokazuje taką sztuczkę. Dodatkowe napięcie pobieramy z regulowanego źródła napięcia. Trzeba je ustawić tak, żeby poprzez tranzystor nie popłynął niepotrzebnie wielki prąd, powodujący nie tylko nagrzanie się go, ale także nasycenie transformatora w obwodzie wyjściowym. Zostawmy w spokoju pytanie, co to jest nasycenie transformatora. Przyjrzyjmy się sztuczce w obwodzie sterowanym, wyjściowym. Widoczny na schemacie głośnik jest zasilany prądem przemiennym, dzięki właśnie transformatorowi. Mamy więc sposób, żeby wydzielić z prądu zmiennego tylko składową zmienną. Jest to bardzo kosztowna obecnie metoda, ale chyba dość poglądowa: uzwojenia są sprzęgnięte poprzez pole magnetyczne, które z zasady nie przeniesie stałej części przepływającego przez uzwojenia prądu. Na kolejnym schemacie: mamy realny stosowany w technice wzmacniacz tranzystorowy. Możemy go zastosować jako osobne urządzenie, ale zazwyczaj takich stopni jest najmniej dwa lub trzy. W specjalistycznej literaturze znajdziemy „sprytniejsze” konstrukcje, ale tę da się chyba zrozumieć. A więc od początku. Sygnał jest podawany na końcówki oznaczone „We”. Kondensator oznaczony „Cw” oddziela składową stałą, jaka płynie w obwodzie wejściowym dzięki dzielnikowi napięcia utworzonego z potencjometru montażowego „P” i opornika „Rb” . Dlaczego tak to skomplikowane? Układ ten spełnia rolę stabilizacji termicznej. Jest to coś, co zapobiega zmianom tak zwanego punktu pracy. Co to jest ów punkt i do czego służy stabilizacja termiczne, wyjaśnię trochę dalej. Bez opornika Rb też zadziała, tylko wartość potencjometru trzeba dobrać znacznie większą. Podobnie dodatkowym układem który jest zasadniczym elementem stabilizacji termicznej jest kondensator Ce i opornik Re. Bez nich także nasze ustrojstwo ruszy, ale z tymi elementami jest wygodniej. Tak więc zajmijmy się P i Cw. W poprzednim układzie źródło sygnału było podłączone w szereg do układu, wytwarzającego składową stałą prądu płynącego poprzez bazę, tutaj jest podłączone równolegle. Na skutek tego część sygnału popłynie poprzez potencjometr i zamieni się w ciepło. Niestety, to czysta strata, ale i na szczęście jest to niewielka, „nie wadząca” część, a dzięki takiej sztuczce układ się uprościł. Do zacisków „wy” podłączamy np słuchawki. Tu znowu część wzmocnionego sygnału płynie poprzez opornik Rk i zamienia się w ciepło, ale choć tu straty wynoszą połowę, także nie musimy się tym przejmować. Czy to się da zrobić? Tak. Dla wartości napięcia zasilania ok. 12 V Rk damy 1,2 kiloomy, potencjometr P dla tranzystorów typu BC 547, BC 107 jakie tu można zastosować, dobierzemy w granicach 200 kiloomów. Opornik Rk wybieramy w zależności od tego, jaki prąd kolektora będzie przez niego płynął. Prąd kolektora zaś nie może być mniejszy od prądu wywołanego przez składową zmienną przemnożoną przez dwa. Oznacza to, że napięcie na kolektorze tranzystora powinno wynosić połowę napięcia zasilania. Tak naprawdę to jest podstawa regulacji, jakich dokonamy przy uruchamianiu stopnia za pomocą potencjometru P. Łatwo policzyć, że dla prądu ok. 10 mA, wartość opornika Rk wyniesie wobec tego ok. 6 kiloomów. Wartość Re na tym etapie jest nieco „z kapelusza”. Musi być taka, żeby spadek napięcia na nim wyniósł ok. 1 V a więc przy 10 mA prądu płynącego w obwodzie kolektor – emiter 100 omów. Kondensator Cw powinien mieć pojemność ok. 1 mikrofarada, Cwy ok. 100 mikrofaradów przy założeniu, że wzmacniacz będzie zasilał słuchawki. Ich wartość można oszacować na podstawie wielkości stałych czasowych, jak w poprzednim odcinku, albo zawady, czyli biernego oporu stawianego prądowi przemiennemu. Wartość kondensatora Ce jest zazwyczaj wybierana tak, żeby „nie czuła” go składowa zmienna prądu kolektor – emiter. W naszym wypadku pewnie ok. 50 mikrofaradów wystarczy. Układy elektroniczne znoszą dość znaczne odchyłki elementów od wartości nominalnej. Co jest krytyczne? Ustawienie potencjometru montażowego P. Aby właściwie go wyregulować, potrzebujemy woltomierza. Bez woltomierza nie ma co zaczynać zabawy. Za jego pomocą znajdujemy takie położenie potencjometru, żeby wartość napięcia na kolektorze tranzystora wynosiła połowę napięcia zasilania. Jeśli jest to nominalne 12V, to na kolektorze powinno być 6V. To jest nasz punkt pracy. Możemy się przekonać, że bez układów stabilizacji, których działanie być może wyjaśnimy w dalszych odcinkach (na pewno nie obiecuję, ale mam zamiar), to napięcie będzie się wyraźnie zmieniało ze zmianami temperatury. Dlaczego 6V a właściwie dlaczego połowa napięcia zasilania? Bo wówczas możemy, zatykając tranzystor, zwiększyć napięcie na kolektorze do 12 woltów i zwiększając prąd kolektora zmniejszyć je od 6 do zera. Mniej więcej do zera i do 12 woltów. W rzeczywistości amplituda jest mniejsza. Ale chyba widać co dalej: kondensator wyjściowy odetnie składową stałą i na wyjściu otrzymamy przebieg przemienny o amplitudzie 6 woltów. Będzie on odwzorowywał przebieg przyłożony na wejście (zaciski we) tylko „przewrócony do góry nogami”. Zauważmy, że położenie do kondensatora Cw napięcia dodatniego spowoduje odetkanie tranzystora i w rezultacie na zaciskach wy otrzymamy „minus”. Odwrotnie przyłożenie minusa zablokuje tranzystor i na wy otrzymamy napięcie dodatnie. No i to by był nasz pierwszy wzmacniacz. Nie polecam jego wykonania. Niebawem mam zamiar opisać coś prostszego i praktyczniejszego.