" Napięcie
Napięcie UEB  różnica potencjałów między punktami E a B, przy czym potencjał VE jest dodatni względem
potencjału VB
Przykład:
UEB = 0,7 V
UBE = - 0,7 V
gdzie VE > VB
Jednostka: Oznaczenie idealnego z
ródła napięcia stałego
[V] = [J] / [C] (volt = praca/ładunek) na schematach
Siła elektromotoryczna E - napięcie na odcinku obwodu zawierającym z
ródło prądu, a nie zawierającym rezystancji
nazywamy
" Potencjał
Potencjał VX - napięcie względem wspólnego punktu odniesienia 0 (masy)
VX = UX0 (często używa się ozn. UX)
" Prąd
Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunków.
Natężenie prądu I - ilość ładunku dQ przepływająca przez przewodnik w jednostce czasu dt
I
dQ
I =
dt
Jednostka: [A] = [C] / [s]
q� Kierunek przepływu prądu oznacza się strzałką na przewodzie: umownie przyjmuje się, że prąd jest dodatni, gdy
strzałka jest skierowana od punktu bardziej dodatniego do punktu bardziej ujemnego.
!!! Rzeczywisty kierunek przepływu elektronów jest przeciwny !!!
Onaczenie idealnego z
ródła prądu na schemacie
q� Dla podtrzymania stałej różnicy potencjałów konieczne jest istnienie
zewnętrznych sił powodujących rozdział ładunków elektrycznych,
czyli z
ródeł prądu.
q� Prąd elektryczny może płynąć tylko wzdłuż drogi zamkniętej,
która nazywa się obwodem elektrycznym.
U =IR
1 1
R
1
" Rezystancja i prawo Ohma
R2
U =IR
2 2
E I
Współczynnik proporcjonalności R między napięciem i natężeniem nazywany jest
oporem lub rezystancją. R3
Prawo Ohma:
R = U / I
Jednostka: [ W ] = [ V ] / [ A ]
U3=IR3
" Pierwsze prawo Kirchhoffa
Ii = 0
Dla dowolnego węzła sieci elektrycznej "
i
" Drugie prawo Kirchhoffa
Dla obwodu zamkniętego
IRi = E
"
i
" Twierdzenie Thevenina
Dowolny dwuzaciskowy układ, składający się z kombinacji z
ródeł napięcia i rezystorów można zastąpić
połączeniem szeregowym pojedynczego rezystora RT i pojedynczego z
ródła napięciowego UT.
UT = UROZWARCIA
RT = UROZWARCIA / IZWARCIA
" Moc
Moc P - praca wykonana w jednostce czasu
P = U�I
Jednostka: [W] = [J] / [s] = ([J] / [C]) �([C] / [s])
[W] = [V]�[A]
q� Korzystając z prawa Ohma można otrzymać zależności, które przydadzą się np. przy określaniu mocy rezystorów:
P = I2 R
P = U2/R.
q� Dla napięć i prądów zmiennych P = U I wyraża moc chwilową
" Sygnały
Sygnał sinusoidalny
U = Umsinwt,
gdzie:
Um - amplituda, w=2pf  pulsacja [rad/s],
t  czas [s], f  częstotliwość [Hz], T=1/f - okres
Przebieg sinusoidalny opisują dwa parametry: amplituda Um i pulsacja w.
Inne parametry (substytuty amplitudy):
q� wartość międzyszczytowa
Upp = 2 Um
T
q� wartość skuteczna: dla dowolnego sygnału: 1
2
USK =
Usk = 0,707 Um
+"U (t)dt
T
0
Przykład:
Wartość skuteczna napięcia w sieci elektrycznej wynosi 230V (przebieg sinusoidalny o częstotliwości 50Hz). Stąd
amplituda tego napięcia jest równa 325V, a wartość międzyszczytowa 650V.
" Sygnały
Sygnał prostokątny
Podobnie jak sygnał sinusoidalny można opisać dwoma parametrami - amplitudą i pulsacją - z tą różnicą, że wartość
skuteczna dla fali prostokątnej jest równa jej amplitudzie.
Sygnał prostokątny:
 zbocze narastające,
 poziom wysoki,
 zbocze opadające,
 poziom niski.
!!! Rzeczywisty kształt sygnału prostokątnego jest daleki od ideału, gdyż zbocza nie są prostopadłe !!!
Najczęściej czas narastania czy opadania zboczy mieści się w granicach od kilku nanosekund (ns) do kilku
mikrosekund (ms) i mierzy się go jako czas narastania od 0,1 do 0,9 napięcia sygnału (definicja)
" Sygnały
Sygnał piłokształtny to sygnał o przebiegu liniowym (napięcie rośnie lub opada ze stałą prędkością) powtarzany
okresowo.
Impulsy
Najczęściej nie są to sygnały okresowe.
Opisać je można poprzez podanie amplitudy i szerokości impulsu.
W technice cyfrowej występują często impulsy powtarzające się okresowo, wtedy do opisu takiego sygnału należy
dodać częstotliwość oraz współczynnik wypełnienia (stosunek szerokości impulsu do okresu powtarzania).Impulsy
dzielimy na dodatnie i ujemne.
Skoki i szpilki są sygnałami, które zwykle nie mają praktycznego zastosowania w układach elektronicznych,nadają się
za to znakomicie do ich analizowania i opisu.
.
" Logarytmiczny stosunek napięć
Stosunek amplitud dwóch sygnałów można wyrazić w decybelach zgodnie ze wzorem:
ku[dB]=20log10(U2/U1)
gdzie U2 i U1 to amplitudy porównywanych sygnałów.
ku ku [dB]
0,1 -20dB
0,707 -3dB
1 0dB
1,41 3dB
10 20dB
100 40dB
1000 60dB
" Rezystory
Rezystory to elementy dwukońcówkowe o właściwościach dających się opisać prawem Ohma.
a) metalizowany, b) drutowy,
c) węglowy, d) drabinka rezystorowa,
e) grubowarstwowy.
Najważniejsze parametry rezystorów:
- rezystancja znamionowa - podawana zwykle w W, kW lub MW,
- tolerancja rezystancji (dokładność) - podawana w procentach,
- moc znamionowa - moc, którą może rezystor rozproszyć,
- współczynnik temperaturowy rezystancji TWR,
- napięcie znamionowe.
Szeregowe i równoległe łączenie rezystorów.
Z prawa Ohma (R=U/I), wynikają następujące właściwości rezystorów:
q� rezystancja zastępcza dwóch rezystorów połączonych szeregowo wynosi:
R=R1+R2
q� rezystancja zastępcza dwóch rezystorów połączonych równolegle wynosi:
Dla dowolnej liczby rezystorów:
G� Z praktycznego punktu widzenia warto zauważyć, że wypadkowa rezystancja dwóch rezystorów różniących się
znacznie od siebie jest w przybliżeniu równa, dla połączenia szeregowego tych rezystorów, rezystancji o większej
wartości, a dla połączenia równoległego tych rezystorów, rezystancji o mniejszej wartości.
G� Warto również zauważyć, że rezystancja wypadkowa n rezystorów o takiej samej rezystancji R1, połączonych
równolegle wynosi R=R1/n.
Dzielnik napięcia.
Napięcie wyjściowe Uwy można obliczyć następująco:
q� przez oba rezystory płynie taki sam prąd I (o ile wyjście nie jest obciążone jakąś rezystancją),
czyli
q� napięcie na R2, czyli wyjściowe jest równe:
Obciążanie dzielnika napięcia.
Zgodnie z twierdzeniem Thevenina:
q� napięcie na rozwartych zaciskach wyjściowych dzielnika (punkty A i B)
jest równe:
U = UT = Uwe� [R2 / (R1 + R2)]
q� prąd zwarcia dla dzielnika wynosi:
Izw = Uwe / R1
Z powyższych zależności można wyliczyć rezystancję zastępczą dla układu Thevenina:
RT = UT / Izw
RT = (R1 � R2) / (R1+ R2)
Widać stąd, że rezystancja RT jest wypadkową rezystancją połączonych równolegle rezystorów R1 i R2.
Układ zastępczy Thevenina dla dzielnika składa się więc ze z
ródła napięcia:
UT = Uwe� [R2 / (R1 + R2)]
połączonego szeregowo z rezystancją:
RT = (R1 � R2) / (R1+ R2)
Obciążanie dzielnika napięcia.
Jeżeli do dzielnika podłączymy obciążenie w postaci rezystora Robc, to znowu otrzymamy dzielnik napięcia składający
się z rezystorów RT i Robc oraz z
ródła napięcia UT.
Napięcie na obciążeniu Robc będzie równe:
Uobc = UT� [Robc / (RT+ Robc)]
Jak widać z powyższego wzoru, aby obciążenie nie zmieniło w znaczący sposób napięcia wyjściowego dzielnika,musi
być spełniona zależność
Robc >> RT
wówczas można przyjąć, że
Uobc = ~ UT = Uwe� [R2 / (R1 + R2)]
Przyjęto, że aby powyższe równanie było spełnione, musi być spełniony warunek minimalny:
Robc = 10�RT = 10�(R1 � R2) / (R1+ R2)
czyli rezystancja obciążenia musi być przynajmniej 10 razy większa od wypadkowej rezystancji połączonych
równolegle rezystorów dzielnika napięciowego.
Warunek ten zapewnia, że zmiana napięcia wyjściowego dzielnika pod wpływem obciążenia będzie mniejsza od
10% (warunek często stosowany w praktyce).
Potencjometr - rezystor o zmiennej rezystancji, element o trzech końcówkach.
Potencjometr pełni funkcję regulowanego dzielnika napięcia.
Położenie suwaka dzieli rezystancję potencjometru na dwie części R1 i R2
" Kondensatory
" Kondensatory
Kondensator - element dwukońcówkowy o
właściwościach dających się opisać równaniem:
Q=C*U,
gdzie: Q -ładunek [C], U -napięcie na okładkach
(końcówkach)kondensatora [V],
C -pojemność kondensatora [F]
q� Kondensatory są zbudowane z dwóch przewodzących
elektrod (okładek) przedzielonych dielektrykiem
(izolatorem).
q� Kondensator jest elementem, który posiada zdolność
gromadzenia ładunku.
q� Kondensator o pojemności C i napięciu U zawiera
ładunek Q na jednej okładce i przeciwnie
spolaryzowany ładunek -Q na drugiej okładce.
Przykłady konstrukcji kondensatorów stałych:
a) zwijkowego, b) wielowarstwowego,
c) płytkowego, d) rurkowego,
e) SMD do montażu powierzchniowego
" Kondensatory
Superkondensator - rodzaj kondensatora elektrolitycznego, który z uwagi na sposób konstrukcji wykazuje niezwykle
dużą pojemność elektryczną w porównaniu do klasycznych kondesatorów elektrolitycznych.
q� Największą zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładownia w porównaniu z innymi urządzeniami do
przechowywania energii (np. akumulatorami).
Zastosowania superkondensatorów:
q� równolegle z
ródło zasilania z innymi z
ródłami energii, (np. ogniwami paliwowymi), w celu krótkotrwałego
dostarczania mocy szczytowej, co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiarów całego układu (rozwiązania testowane
m. in. w prototypach samochodów hybrydowych
i wspomaganiu zasilania robotów).
q� awaryjne z
ródło zasilania
(stosowane m.in. do wyjść
i zjeżdżalni ewakuacyjnych
w samolotach Airbus)
q� z
ródło zasilania ciągłego
w urządzeniach o niewielkiej
mocy (pamięć komputerowa,
elektryczne szczoteczki do zębów).
" Kondensatory
q� Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do szybkości zmian napięcia:
O� Jeśli na kondensatorze o pojemności 1F napięcie zmienia z prędkością 1V/s,
to przepływa przez niego prąd o natężeniu 1A.
q� Najważniejsze parametry kondensatorów:
- pojemność  [źF], [nF] lub [pF],
- tolerancja pojemności (dokładność)  [%],
- napięcie znamionowe  [V],
- stratność (upływność),
- temperaturowy współczynnik zmian
pojemności.
ELEMENTY BIERNE CRL:
a) elektrolityczny, b) tantalowy,
c) poliestrowy, d) ceramiczny,
e) styrofleksowy
Szeregowe i równoległe łączenie kondensatorów
q� Dla dwóch kondensatorów połączonych szeregowo wzór na
pojemność zastępczą ma taką samą postać jak wzór na rezystancję
zastępczą rezystorów połączonych równolegle:
q� Dla dwóch kondensatorów połączonych równolegle wzór
na pojemność zastępczą ma taką samą postać jakwzór na
rezystancję zastępczą rezystorów połączonych szeregowo:C=C1+C2
q� Ogólnie:
Rozładowanie kondensatora w układzie RC
q� Jeżeli do kondensatora C naładowanego do napięcia U0, zostanie w chwili t = 0 dołączony rezystor R to:
q� kondensator będzie się rozładowywał zgodnie z równaniem:
Gdzie: RC stałą czasową t, [W][F] = [s]
A
adowanie kondensatora w układzie RC.
q� Kondensator C będzie ładowany prądem I ze z
ródła o napięciu UWE według równań:
q� które prowadzą do rozwiązania:
q� Po czasie t = 5RC napięcie na kondensatorze osiąga swoją końcową wartość UWE z dokładnością 1%.
q� Kondensator charakteryzuje się tym, że (dla sygnałów sinusoidalnych) napięcie jest opóz
nione w fazie względem
prądu o kąt 90 stopni (inaczej: prąd wyprzedza napięcie o kąt 90 stopni).
" Cewka indukcyjna
Cewka jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym.
a) na rdzeniu toroidalnym, b) na rdzeniu walcowym
q� Szybkość zmian prądu płynącego przez cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia :
gdzie L - indukcyjność cewki w [H] (w praktyce najczęściej mH i mH)
q� Zastosowanie rdzenia ma za zadanie zwielokrotnić indukcyjność cewki.
" Transformator
Transformator - urządzenie składające się z dwóch silnie sprzężonych ze sobą uzwojeń (pierwotnego i wtórnego),
nawiniętych na wspólnym rdzeniu.
q� Jeśli do uzwojenia pierwotnego zostanie doprowadzone napięcie zmienne U1, to zmieniać się będzie tak samo
strumień magnetyczny w rdzeniu, co spowoduje wyindukowanie napięcia zmiennego U2 w uzwojeniu wtórnym.
q� Napięcie U2 będzie miało taki sam kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym, a amplitudę wprost proporcjonalną
do przekładni transformatora:
gdzie: n - przekładnia transformatora, n1 - liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym,
n2 - liczba zwojów w uzwojeniu wtórnym,
q� Prąd I2 płynący w uzwojeniu wtórnym transformatora jest odwrotnie proporcjonalny do przekładni transformatora:
q� Transformacja impedancji:
gdzie: Z1, Z2  impedancje odpowiednio, po stronie pierwotnej i wtórnej transformatora,
q� Jeśli z2 będzie mniejsze od z1 to transformator będzie obniżał napięcie.
q� Transformatory stosowane w układach elektronicznych to najczęściej transformatory sieciowe.
q� Transformatory sieciowe spełniają dwie podstawowe funkcje:
- zmieniają napięcie sieciowe (230V, 50Hz) na niższe,
- izolują układ elektroniczny od części sieciowej.
" Diody
q� Jeżeli do anody diody doprowadzi się napięcie dodatnie względem katody czyli UAK > 0, to będzie ona
spolaryzowana w kierunku przewodzenia i prąd popłynie od anody do katody.
q� W przypadku gdy napięcie UAK < 0 dioda jest spolaryzowana zaporowo i prąd przez nią nie płynie (w
rzeczywistości płynie tzw. prąd wsteczny, który jest o kilka rzędów mniejszy od prądu przewodzenia).
q� Jeżeli napięcie zaporowe przekroczy tzw. napięcie przebicia, wtedy popłynie prąd porównywalny z prądem w
kierunku przewodzenia, co zwykle powoduje uszkodzenie diody (za wyjątkiem diody Zenera).
Charakterystyka diody
Charakterystyka diody
ID = ID(UAK)
Gdzie: ID - prąd przewodzenia diody
IFmax  maksymalny prąd przewodzenia diody
IF  prąd przewodzenia
UF  napięcie przewodzenia (określane przy IF = 0,1 IFmax)
URmax  napięcie maksymalne w kierunku zaporowym
q� Dla diody germanowej Ge napięcie UF zawiera się w zakresie od 0,2V do 0,4V
q� Dla diody krzemowej Si - od 0,5V do 0,8V.
q� Teoretyczna charakterystyka diody:
Gdzie: IS - teoretyczny prąd wsteczny,
m - współczynnik korekcyjny (1 do 2),
U- potencjał elektrokinetyczny.
q� Potencjał kinetyczny temperaturze normalnej (pokojowej) wynosi:
q� Typowe dane katalogowe diody germanowej i krzemowej:
- dioda krzemowa IS=10 pA, mUT=30 mV, IFmax=100 mA
- dioda germanowa IS=100 nA, mUT=30 mV, IFmax=100 mA.
Teoretyczne charakterystyki diody
germanowej i krzemowej
q� Z charakterystyki można odczytać wartości napięcia przewodzenia UF dla prądu przewodzenia IF=0,1�IFmax. Dla
diody germanowej napięcie przewodzenia jest równe 0,35V, a dla diody krzemowej 0,62V.
Przełączanie diody
q� Ważnym parametrem diody jest czas magazynowania ładunku tm.
q� Typowe wartości czasu tm są równe od ok. 10ns do 100ns (diody małej mocy) do rzędu źs (diody dużej mocy).
q� Przy pracy diody w obwodach z sygnałami szybkozmiennymi powinien być spełniony warunek tm << T (T  okres
sygnału szybkozmiennego).
Dioda Schottky'ego
q� Stosowana w układach z sygnałami o dużej częstotliwości.
q� W diodzie Schottky'ego miejsce złącza p-n zajmuje złącze metal-półprzewodnik, które też ma właściwości
prostownicze (przepuszczanie prądu w jednym kierunku).
q� A
adunek magazynowany w takim złączu jest bardzo mały i dlatego typowy czas przełączania jest rzędu 100ps.
q� Diody Schottky'ego mają mniejsze napięcie przewodzenia (UF=0,3V) niż diody krzemowe.
Dioda Zenera
q� Dioda Zenera wykorzystuje tę właściwość złącz p-n, która w przypadku zwykłych diod jest zgubna - przekroczenie
maksymalnego napięcia wstecznego, przy którym prąd bardzo szybko wzrasta.
q� Maksymalne napięcie wsteczne dla diod Zenera jest dokładnie określone i nazywane napięciem Zenera UZ.
q� Stabilizacja na diodzie Zenera polega na tym, że dużym zmianom prądu diody DID towarzyszą bardzo małe
zmiany spadku napięcia DUAK - przyjmuje się, że napięcie na diodzie nie zmienia się i jest równe napięciu Zenera
UZ.
q� Diody Zenara stosuje się do stabilizacji napięć stałych (dostępne są diody na napięcia Zenera od 1,5V do 200V, przy
czym im mniejsze UZ tym gorsza stabilizacja).
Najprostszy układ stabilizacji napięcia stałego
Dioda jako prostownik
q� Prostownik jest układem, który zamienia prąd przemienny (płynący w dwóch
kierunkach) na prąd stały (płynący w jednym kierunku).
Prostownik jednopołówkowy
Prostownik dwupołówkowy
pROSTOWNIK dwupołówkowy
w układzie mostkowym
q� Dla dodatniej połówki sinusoidy sygnału wejściowego prąd (strzałki czerwone) popłynie przez diodę D1 do
obciążenia RL, dalej poprzez diodę D3 do z
ródła Ug.
q� Dla połówki ujemnej prąd (strzałki niebieskie) popłynie poprzez diodę D4 do obciążenia RL, a następnie poprzez
diodę D2 z powrotem do z
ródła Ug.
q� Poziome odcinki pomiędzy połówkami sinusoidy są spowodowane spadkami napięć na przewodzących diodach.
q� Warto zauważyć, że w układzie mostkowym dla obu kierunków sygnału wejściowego, z wejściem są połączone
szeregowo dwie diody - dlatego aby prąd zaczął płynąć do obciążenia, napięcie Ug musi być większe od podwojonego
napięcia przewodzenia diody (Ug>2�0.6V).
Prostownik w zasilaczu sieciowym
q� Prostownik jednopołówkowy i dwupołówkowy w przedstawionych postaciach charakteryzują duże tętnienia
napięcia DU.
q� Aby otrzymać napięcie stałe również co do wartości, należy je wygładzić - w tym celu na wyjściu prostownika
stosuje się filtr dolnoprzepustowy (najczęściej kondensator elektrolityczny).
Zastosowanie prostownika mostkowego w zasilaczu sieciowym
q� Filtrowanie polega na tym, że kondensator ładuje się w czasie, gdy napięcie prostownika przewyższa napięcie na
kondensatorze, a rozładowuje się w czasie, gdy napięcie prostownika spada poniżej napięcia na kondensatorze.
q� Aby zapewnić małą amplitudę tętnień, wartość kondensatora C dobiera się tak, aby był spełniony warunek:
RL�C>>1/f
gdzie: f - częstotliwością tętnień (100Hz)
q� Aby obliczyć przybliżoną wartość międzyszczytową napięcia tętnień można wykorzystać zależność:
UD = (I / C) � Dt
- dla prostownika jednopołówkowego: Dt = T = 1/f
- dla prostownika dwupołówkowego: Dt = 0,5T = 0,5 (1/f)
gdzie: T - okres napięcia sieciowego (20ms), f  częstotliwość napięcia sieciowego (50Hz),
Stąd zależności na napięcia tętnień:
- dla prostownika jednopołówkowego:
- dla prostownika dwupołówkowego:
q� Powyższe wzory pozwalają obliczyć właściwą wartość pojemności dla kondensatora filtrującego w zasilaczu
sieciowym, przy założeniu dopuszczalnej wartości napięcia tętnień i maksymalnego prądu obciążenia.
PRZYKA
AD:
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem jednopołówkowym,tak aby
wartość tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V, przy prądzie obciążenia równym 20mA.
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru:
C = IL / (f � DU) = 0,020 / (50 � 1) [A/(Hz�V)] = 0,0004 [(F�V/s)/(V/s)] = 400źF
PRZYKA
AD:
Obliczyć jaki należy zastosować kondensator filtrujący w zasilaczu z prostownikiem dwupołówkowym, tak aby wartość
tętnień napięcia wyjściowego nie przekraczała 1V przy prądzie obciążenia równym 20mA.
Rozwiązanie
Aby obliczyć wartość tego kondensatora należy skorzystać ze wzoru:
C = IL / (2f � DU) = 0,020 / 2�(50 � 1) [A/(Hz�V)] = 0,0002 [(F�V/s)/(V/s)] = 200źF
Prostownik dwupołówkowy z kondensatorem filtrującym
q� Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie RL (praca w biegu jałowym), to kondensator C zostaje
naładowany w czasie dodatniej połówki sinusoidy napięcia u0(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego równej
Uwy0 = 1,41 � U0sk- 2 � UD
gdzie: UD - napięcie przewodzenia diody, U0sk - wartość skuteczna napięcia uzwojenia wtórnego transformatora bez
obciążenia.
q� Zakładając napięcie tętnień 0,5V przy prądzie 1,5A obliczona wartość pojemności kondensatora filtrującego wyniesie
C = 30000źF !,
C = Iwy/(2�f�Utpp)
Ogranicznik diodowy
PRZYKA
AD:
Układ ma za zadanie ograniczanie wzrostu napięcia wyjściowego powyżej napięcia +4,6V
�� Na katodzie diody występuje napięcie 4V (z dzielnika napięcia).
�� Jeżeli napięcie wejściowe wzrośnie powyżej 4,6V to dioda zacznie przewodzić i na wyjściu układu napięcie będzie
ograniczone do wartości:
Uwy= 4V + 0,6V = 4,6V
�� Tak długo jak długo napięcie wejściowe będzie większe od 4,6V napięcie wyjściowe będzie ograniczone do tej
właśnie wartości.
�� Dla napięć wejściowych mniejszych od 4,6V napięcie na wyjściu będzie równe wejściowemu.
�� Rezystory R2 i R3 muszą mieć taką wartość aby ich rezystancja zastępcza (czyli rezystancja połączonych równolegle
R2 i R3) była mała w porównaniu z rezystorem R1, gdyż to pozwoli na zmniejszenie niestałości z
ródła napięcia
odniesienia opartego na dzielniku napięcia (R2 i R3).
Tranzystory bipolarne
q� Tranzystory są elementami aktywnymi - w odróżnieniu od elementów pasywnych mają możliwość wzmacniania
mocy (na wyjściu takiego elementu jest wytwarzany sygnał o mocy większej niż sygnał na jego wejściu)
q� Tranzystor jest elementem o trzech końcówkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączania sygnałów.
Uproszczona struktura i symbol tranzystora npn Uproszczona struktura i symbol tranzystora pnp
Tranzystory bipolarne
1947 rok - odkrycie TRANZYSTORA przez John a Bardeen a i Walter a Brattain a w Bell Telephone Laboratories w
USA.
1956 rok - zespołowa Nagroda Nobla dla J. Bardeen a, W. Brattain a i W. Shockley a za odkrycie i opracowanie
teorii tranzystora bipolarnego.
" Budowa i zasada działania
q� Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu
kolektora za pomocą prądu bazy.
q� Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, wspołczynnik proporcjonalności nazywamy
wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem hFE lub grecką literą �
Stany pracy tranzystora
Rozróżnia się cztery stany pracy tranzystora bipolarnego:
q� stan zatkania (odcięcia): złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku zaporowym,
q� stan nasycenia: złącza BE i CB spolaryzowane są w kierunku przewodzenia,
Stany nasycenia i zatkania stosowane są w technice impulsowej, jak również w układach cyfrowych.
q� stan aktywny: złącze BE spolaryzowane w kierunku przewodzenia, zaś złącze CB zaporowo,
Stan aktywny tranzystora jest podstawowym stanem pracy wykorzystywanym we wzmacniaczach; w tym zakresie pracy
tranzystor charakteryzuje się dużym wzmocnieniem prądowym (kilkadziesiąt-kilkaset).
q� stan aktywny inwersyjny: BE zaporowo, CB w kierunku przewodzenia (odwrotnie niż stanie aktywnym). Stan
aktywny inwersyjny nie jest powszechnie stosowany, ponieważ ze względów konstrukcyjnych tranzystor charakteryzuje
się wówczas gorszymi parametrami niż w stanie aktywnym (normalnym), m.in. mniejszym wzmocnieniem prądowym.
Układy pracy tranzystora:
ż� wspólnego emitera OE,
ż� wspólnej bazy OB,
ż� wspólnego kolektora OC,
Parametr OC OE OB
Rezystancja wejściowa duża średnia mała
Wzmocnienie napięciowe równe jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności
Oporność wyjściowa mała duża duża
Nr Wzmacniacz o : WSPÓLNYM WSPÓLNYM WSPÓLNEJ
EMITERZE KOLEKTORZE BAZIE
1 Wzmocnienie napięciowe duże < 1 duże
2 Wzmocnienie prądowe duże duże < 1
3 Przesunięcie fazowe między
sygnałem wejściowym i
1800 00 00
wyjściowym
4 Pasmo przenoszenia małe średnie duże
q� Aby tranzystor znajdował się w stanie aktywnym (normalnej pracy) to muszą być spełnione następujące warunki:
ż� dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera,
ż� dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera,
ż� złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza w kierunku
zaporowym,
ż� nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości: IC, IB, UCE, UBE, moc wydzielana na kolektorze IC� UCE,
temperatura pracy.
UWAGA!
q� Analizując diodowy model zastępczy tranzystora nie należy mylić prądu kolektora z prądem przewodzenia złącza
kolektor-baza, gdyż jest ono spolaryzowane zaporowo, a płynący prąd kolektora jest wynikiem  działania tranzystora .
q� Prąd kolektora IC i prąd bazy IB wpływające do tranzystora łączą się w jego wnętrzu i wypływają w postaci prądu
emitera IE.
q� Jeżeli tranzystor jest w stanie normalnej pracy, to prawdziwa jest zależność:
IC = hFE� IB = b � IB
gdzie hFE - współczynnikiem wzmocnienia prądowego (nazywany również betą ~ 50 do 300A/A).
q� Z zależności przedstawionej wyżej wynika ważna cecha tranzystorów jaką jest sterowanie przez mały prąd
wpływający do bazy dużym prądem wpływającym do kolektora.
Charakterystyki tranzystora
q� do wywołania dużych zmian prądu kolektora DIC wystarczą małe zmiany napięcia baza-emiter DUBE.
q� punkt, w którym następuje zagięcie charakterystyki wyjściowej nazywany jest napięciem nasycenia kolektor-
emiter UCEsat.
q� powyżej napięcia nasycenia UCEsat, prąd kolektora IC prawie nie zależy od napięcia UCE,
q� dla tranzystora współczynnik korekcyjny m H" 1, stąd wzór opisujący charakterystykę przejściową ma postać:
Charakterystyka przejściowa Charakterystyka wyjściowa
dla IC >> IC0
q� Zmianę prądu IC, wynikającą ze zmiany napięcia UBE charakteryzuje parametr nazywany konduktancją
przenoszenia w przód lub transkonduktancją:
aby obliczyć gm należy zróżniczkować równanie opisujące charakterystykę przejściową [Tietze, Schenk]:
G� transkonduktancja jest proporcjonalna do prądu kolektora i nie zależy od indywidualnych właściwości
tranzystora.
q� Zależność prądu IC od napięcia UCE jest charakteryzowana przez parametr nazywany różniczkową
rezystancjąwyjściową:
G� nachylenie charakterystyki przy większych IC rośnie, a więc rezystancja wyjściowa rce maleje i w przybliżeniu
jest odwrotnie proporcjonalna do prądu kolektora IC, czyli
gdzie: UY - współczynnik Early'ego - jego wartość można wyznaczyć w drodze pomiarów rce (typowe wartości UY
wynoszą od 80 do 200V dla tranzystorów npn i od 40 do 150V dla tranzystorów pnp)
Charakterystyka wejściowa Zależność IC od IB Zależność b od IC
q� Charakterystykę wejściową można opisać równaniem: (w którym m `" 1)
q� Parametrem ściśle związanym z charakterystyką wejściową jest różniczkowa rezystancja wejściowa rbe:
Aby wyliczyć jej wartość należy zróżniczkować równanie opisujące charakterystykę wejściową:
q� prąd IC jest w przybliżeniu proporcjonalny do prądu bazy IC = b IB.
q� Ponieważ IB(UBE) charakteryzuje m `" 1, stąd b nie jest stałe i zależy od IC
q� małosygnałowy współczynnik wzmocnienia prądowego:
b  statyczny wspołczynnik wzmocnienia prądowego
q� Korzystając ze wzorów na współczynnik wzmocnienia prądowego b i transkonduktancję gm można wyprowadzić
wzór na rezystancję wejściową rbe w postaci wygodnej do jej obliczeń:
Parametry graniczne tranzystora
q� Parametry graniczne  te wartości, które nie mogą być przekraczane podczas pracy tranzystora:
" UEB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter
" UCB0max - dopuszczalne napięcie wsteczne
kolektor-baza
" UCE0max - maksymalne dopuszczalne napięcie
kolektor-emiter
" ICmax - maksymalny prąd kolektora
" IBmax - maksymalny prąd bazy
" Pstrmax - maksymalna dopuszczalna moc strat
q� Parametry ICmax, UCE0max, Pstrmax wyznaczają dopuszczalny obszar pracy aktywnej,
w skrócie SOA (safe operating area).
Typowe parametry tranzystorów
Tranzystory oprócz parametrów granicznych posiadają również kilka innych parametrów, które są podawane przez
producentów na kartach katalogowych.
W poniższej tabelce podane są parametry dla tranzystora małej mocy i dla tranzystora mocy.
Tranzystor jako przełącznik
+10V
Po załączeniu włącznika W:
+Ucc
W
UBE = 0,6 V
zarówka
UR = 9,4 V
10V, 0.1A
stąd:
1k&!
IB = 9,4mA
(I B = 0,94mA dla R = 10kW)
Dla b = 100:
IC = 940mA ? NIE! (IC = 94mA ? TAK)
IC = 100mA (IC = 94mA)
Uwaga: rezystancja zimnej żarówki jest 5 do 10
razy mniejsza niż rozgrzanej
" Dla obciążeń indukcyjnych tranzystor musi być
chroniony przez równoległe dołączenie diody do
obciążenia
+Ucc
Wtórnik emiterowy (układ ze wspólnym
kolektorem OC)
q� Wyjściem układu jest emiter tranzystora
q� Napięcie wyjściowe:
UE = UB  0,6V
q� Brak rezystora w obwodzie kolektora
q� Impedancja wejściowa wtórnika
emiterowego jest
R
znacznie większa niż impedancja wyjściowa
(transformacja impedancji)
Zwe = (hFE + 1) ZOBC
q� Jeśli napięcie na bazie zmienimy o DUB to:
 DUE = DUB
DIE = (hFE + 1) DIB
q� Wtórnik emiterowy jest wzmacniaczem
prądowym, nie ma natomiast wzmocnienia
Uwe
napięciowego (kU = 1)
Przykład:
R Rc
Stabilizator napięcia z diodą Zenera
i wtornikiem emiterowym,
zwiększającym prąd wyjściowy
Uwy
Wzmacniacze sygnałowe
q� Przy braku rezystorów R1 i R2:
q� Konieczne jest zatem ustalenie punktu pracy wtórnika
Przykład: projekt wtórnika dla sygnałów w paśmie od 20 Hz do 20 kHz,
zasilanie Ucc = +15V, prąd spoczynkowy emitera IEs = 1 mA, hFE = 100.
1. Wybieramy wartość UE tak, aby uzyskać maksymalną amplitudę napięcia
zmiennego na wyjściu, bez obcinania wierzchołków:
UE = 0,5 UCC = 7,5V
2. Obliczamy RE dla IEs s. wejściowy
RE = 7,5V / 0,001A = 7,5kW
s. wyjściowy
3. Dobieramy R1 i R2,
ktore ustalą potencjał bazy (i emitera!)
UB = UE + 0,6V = 8,1V
Z dzielnika napięcia: R1/R2 = 0,85
+Ucc
Aby dzielnik był nieobciążony:
R1 || R2 << hFERE ��
R1 || R2 0,1�0100 �07,5kW = 75kW
R1
Skąd R1 = 130kW, R2 = 150kW
C1
4. Obliczamy kondensator C1
C1 = 1 / (2pf R) = 1,26 � 10-7 0,15mF
C2
Wtornik emiterowy ze sprzężeniem
pojemnościowym
R2 RE
5. Obliczamy kondensator C2 (zał. ROBC e" RE)
C2 = 1mF dla ROBC = RE
6. Zwiększamy wartości pojemności
C1 = 0,5mF, C2 = 3,3mF
Wzmacniacze sygnałowe  wzmacniacz ze wspólnym emiterem (OE)
1. Spoczynkowy prąd kolektora ICs = 1mA - co wynika z potencjału bazy
UB i wartości RE
2. Potencjał kolektora UC = UCC - URc = 20  10kW�1mA = 10V
3. Do bazy doprowadzamy napięcie zmienne uB
uE = uB
Stąd
iE = uE/RE = uB/RE = iC
4. Zmiana napięcia na bazie powoduje zmianę napięcia na kolektorze
uC = - iCRC = - uB(RC/RE)
5. Układ jest wzmacniaczem napięcia o wzmocnieniu
+Ucc
kU = uWY/uWE = -RC/RE
kU = -10000/1000 [V/V] = -10 [V/V]
RC
R1
C1
Wzmacniacz ze wspolnym
C2
emiterem
UCC = 20V
R1 = 110kW, R2 = 10kW
C1 = 0,1mF, C2 = 1mF
RC = 10kW, RE = 1kW
R2 RE
Prosta obciążenia i punkt pracy tranzystora
q� Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa:
UCC= URc+ UCE
podstawiając URc = ICRc : (RC  rezystancja obciążenia)
UCC= IC� RC+ UCE
skąd zależność między prądem kolektora IC a napięciem
kolektor-emiter UCE:
można opisać funkcją liniową postaci: y = -ax + b nazywa się prostą obciążenia
q� prostą obciążenia przedstawia się na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora, obliczając położenie
dwóch skrajnych jej punktów: dla IC = 0 i UCE = 0:
E� dla IC = 0:
0 = -UCE/RC + UCC/RC
skąd punkt A jest określony:
UCE = UCC, IC = 0;
E� dla UCE = 0:
IC = UCC/RC, UCE = 0;
q� punkt P wyznacza punkt pracy tranzystora czyli prąd kolektora IC oraz napięcie UCE dla określonego prądu bazy
IB.
q� punkt pracy P może poruszać się po prostej obciążenia od punktu A' do B' w zależności od wartości prądu bazy IB
(tranzystor jest elementem sterowanym prądem bazy)
q� Punkty A i B nie są osiągalne
q� stałoprądowy punkt pracy P tranzystora należy tak dobierać, aby zmiany sygnału sterującego IB nie
powodowały zniekształceń sygnału wyjściowego (napięcia na kolektorze).
q� jeżeli punkt pracy będzie zbyt blisko punktu B to przy np. sygnale sinusoidalnym mogą być obcinane górne połówki
sinusoidy, z kolei jeśli punkt P przesunąć w stronę A, to dla tego samego sygnału mogą być obcinane dolne (ujemne)
połówki sinusoidy.
Przykład
Wyznaczyć (1) punkt pracy (określony przez wartości stałego prądu kolektora IC i napięcia kolektor-emiter UCE) oraz
określić (2) maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia wyjściowego Uwy tranzystora pracującego
jako wzmacniacz w układzie wspólnego emitera,
uwzględniając następujące warunki:
- napięcie UBE wynosi 600mV,
- prąd zerowy kolektora ICE0 jest bardzo mały
i może być pominięty,
- współczynnik wzmocnienia prądowego b = 50,
- prąd kolektora IC w obszarze aktywnym nie
zależy od napięcia UCE,
- granicą między stanem aktywnym, a stanem
nasycenia tranzystora jest warunek
UCB = 0.
Rozwiązanie (1)
q� Stały prąd bazy IB płynie od zasilania UCC przez rezystor R2 do bazy, stały prąd kolektora IC płynie od zasilania
UCC przez R1 do kolektora.
Na podstawie II-go prawa Kirchhoffa oraz z Prawa Ohma można obliczyć:
C� prąd bazy
IB = UR2/R2
UR2 = UCC - UBE
IB = (UCC- UBE)/R2 =
(10 - 0,6)/9400 = 0,001A = 1mA
C� prąd kolektora
IC = b � IB
IC = b � IB = 50 � 1 = 50mA
C� napięcia kolektor-emiter
UCE = UCC - UR1 = UCC - (IC � R1) = 10 [V] - (50 � 100) [mA � W] = 10 [V] - 5000 [mV] = 5V
q� Przy obliczaniu prądu kolektora został użyty wzór IC = b � IB, prawdziwy dla stanu aktywnego tranzystora, (złącze
kolektor-baza spolaryzowane zaporowo UCB>0), czy tak jest faktycznie?
UCB = UCE  UBE = 5 [V] - 0,6 [V] = 4,4V skąd widać, że warunek jest spełniony  tranzystor jest w stanie
aktywnym.
q� Punkt pracy tranzystora jest określony przez IC=50mA UCE=5V
Rozwiązanie (2)
q� Podanie sinusoidalnego napięcia wejściowego Uwe powoduje, że
na stałą wartość prądu bazy IB=1mA nakłada się składowa zmienna.
q� Punkt pracy P przesuwa się po prostej obciążenia, co powoduje
zmiany prądu kolektora IC i napięcia UCE zgodnie z sygnałem wejściowym.
q� Dla tranzystora znajdującego się w stanie aktywnym i dla niewielkich
zmian Uwe, kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze nałożonej na stałe napięcie UCE = 5V jest taki sam jak
napięcia wejściowego,
q� Napięcie wyjściowe (na kolektorze) różni się
od wejściowego amplitudą,
która jest większa i jest odwrócone w fazie o 180�
- dodatniej połówce sinusoidy na wejściu
odpowiada ujemna połówka sinusoidy
na wyjściu i odwrotnie.
q� narastającemu napięciu wejściowemu
odpowiada zwiększanie prądu bazy IB ponad 1mA
Ł� co powoduje proporcjonalne (IC = b�IB)
zwiększanie prądu kolektora IC
Ł� a co za tym idzie zwiększanie
spadku napięcia na rezystorze R1 (UR1 = IC�R1)
Ł� w efekciespadek napięcie na kolektorze UCE
poniżej wartości UCE = 5V (UC E = UCC - UR1)
q� dla większych prądów bazy (w stosunku do IB)
chwilowy punkt pracy
przesuwa się w kierunku punktu B', co się wiąże
ze zmniejszaniemnapięcia UCE, a dla mniejszych
prądów bazy chwilowy punkt pracy przesuwa
się w kierunku punktu A', co się wiąże ze zwiększaniem napięcia UCE.
q� aby uzyskać maksymalną amplitudę niezniekształconego napięcia
wyjściowego Uwy, punkt pracy P powinien się mieścić w połowie zakresu
zmian UCE (niebieska sinusoida).
q� na kolektorze może wystąpić maksymalnie napięcie (przy pominięciu prądu zerowego kolektora ICE0 i dla IB
=0) UCE = UCC = 10V więc może się zwiększyć o 5V
q� minimalne napięcie, jakie może wystąpić na kolektorze (jeszcze dla stanu aktywnego) wynosi:
UCE = 0,6V (bo UCE = UBE+ UCB, a UCB = 0) więc może się zmniejszyć o 4,4V.
q� Napięcie wyjściowe może mieć bez zniekształceń: dodatnią amplitudę równą 5,0V oraz
ujemną amplitudę równą 4,4V
q� Optymalnym rozwiązaniem jest wybranie punktu pracy, który będzie spełniał następujący warunek UCE =
1/2(UCC+ UCEs) = 1/2(10 [V] + 0,6 [V]) = 5,3V
q� Aby założony w treści przykładu punkt pracy pozostał bez zmian (IB = 1mA oraz IC = 50mA) można zmodyfikować
wartość rezystora R1: R1 = (UCC- UCE)/IC = (10 - 5,3)/50 [V/mA] = 94W
q� Wówczas można uzyskać niezniekształcone napięcie wyjściowe o amplitudzie równej 4,7V.
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczegolnie dużym wzmocnieniu, w ktorym
emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego, a
kolektory obu tranzystorow są połączone ze sobą. Prąd emitera pierwszego tranzystora rowny jest więc prądowi bazy
drugiego, a prądy kolektorow obu tranzystorow sumują się.Wspołczynnik wzmocnienia �Darlington układu jest
iloczynem wspołczynnikow wzmocnienia obu tranzystorow wchodzących w skład układu:
Wadą takiego układu jest podwyższone napięcie polaryzacji bazy pierwszego
tranzystora względem emitera drugiego, ktore jest sumą napięć polaryzacji obu
tranzystorow składowych: VBE = VBE1 + VBE2
Typowy przykład to tranzystor typ 2N6282, ktory przy wzmocnieniu �Darlington = 2400 pracuje przy prądzie kolektora
(właściwie: sumie prądow obu kolektorow, przy czym prąd kolektora pierwszego tranzystora jest pomijalnie mały)
rzędu 10 A.
Układ został opracowany w 1953 przez Sidneya Darlingtona (1906-1997), pracującego w Bell Laboratories w USA
Tranzystory unipolarne  FET (Field Effect Transistor) [1,2,5,7]
q� Działanie polega na sterowanym transporcie jednego rodzaju nośników (elektronów lub dziur).
q� Sterowanie transportem tych nośników odbywa się w części tranzystora zwanej kanałem, za
pośrednictwem zmian pola elektrycznego przyłożonego do elektrody zwanej bramką (G).
q� Bramka jest odizolowana od kanału, a więc pomiędzy nią a pozostałymi elektrodami tranzystora polowego 
z
ródłem (S) oraz drenem (D) - występuje bardzo duża impedancja.
! Tranzystory polowe zalicza się je do najczęściej stosowanych elementów dyskretnych, w wielu przypadkach zajęły
obecnie miejsce tranzystorów bipolarnych
Tranzystory unipolarne
q� Podział:
- złączowe (JFET - Junction Field Effect Transistor),
oddzielenie bramki od kanału jest wykonane za pośrednictwem zaporowo spolaryzowanego złącza p-n.
- z izolowaną bramką (IGFET - Insulated Gate Field Effect Transistor), które dzielą się na:
- tranzystory MIS (Metal Insulator Semiconduktor - metal izolator półprzewodnik), MISFET, MOS (Metal Oxide
Semicondauctor - metal tlenek półprzewodnik), MOSFET,
- tranzystory TFT (Thin Film Transistor  tranzystor cienkowarstwowy).
bramka jest odizolowana od kanału cienką warstwą izolatora, którym jest najczęściej
dwutlenek krzemu
Tranzystory unipolarne
Tranzystory unipolarne
Zasada działania
q� Jednorodny obszar połprzewodnika występujący między drenem i z
rodłem stanowi kanał, przez ktory płynie prąd i
ktorego rezystancję można zmieniać przez zmianę szerokości kanału.
q� Zmianę szerokości kanału uzyskuje się przez rozszerzenie lub zwężenie warstwy zaporowej złącza p-n, a więc przez
zmianę napięcia UGS polaryzującego to złącze w kierunku zaporowym.
q� Dalsze zwiększanie napięcia UGS może spowodować połączenie się warstw zaporowych i zamknięcie kanału -
rezystancja kanału staje się bardzo duża
Tranzystor JFET stanowi swego rodzaju rezystor sterowany napięciowo.
Tranzystory unipolarne
Zasada działania tranzystora MOSFET z kanałem indukowanym typu n i podłożem typu p.
q� W przypadku braku polaryzacji drenu i bramki (UDS=0 i UGS=0) nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy
drenem i z
rodłem  nie ma kanału.
q� Jeżeli zaczniemy polaryzować bramkę coraz większym napięciem UGS>0, to po przekroczeniu pewnej wartości tego
napięcia, zwanej napięciem progowym UP, dodatni ładunek bramki spowoduje powstanie pod jej powierzchnią warstwy
inwersyjnej, złożonej z elektronow swobodnych o dużej koncentracji - powstaje w ten sposob w warstwie inwersyjnej
połączenie elektryczne pomiędzy drenem a z
rodłem.
Tranzystory unipolarne
q� Przewodność tego połączenia zależy od koncentracji elektronow w indukowanym kanale, czyli od napięcia UGS.
q� Wielkość prądu płynącego powstałym kanałem zależy prawie liniowo od napięcia UDS.
q� Zależność ta nie jest jednak do końca liniowa, ponieważ prąd ten zmienia stan polaryzacji bramki, na skutek czego
im bliżej drenu, tym rożnica potencjałow pomiędzy bramką i podłożem jest mniejsza, a kanał płytszy.
q� Gdy w wyniku dalszego zwiększania napięcia UGS przekroczona zostanie pewna jego wartość zwana napięciem
odcięcia UGSoff, lub wartość napięcia UDS zrowna się z poziomem napięcia UGS, powstały kanał całkowicie zniknie.
Dla małych wartości napięcia dren-z
ródło tranzystor typu MOSFET stanowi liniowy
rezystor, którego rezystancję można regulować za pomocą napięcia bramka-z
ródło.
Tranzystory unipolarne - parametry
Napięcie odcięcia bramka-z
ródło UGS(OFF) , czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy
ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu.
Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić, aby przez tranzystor popłynął prąd
Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS.
Prąd wyłączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| > |UGS(OFF)|
Rezystancja statyczna włączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a z
rodłem tranzystora pracującego w
zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0;
Resystancja statyczna wyłączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a z
rodłem tranzystora znajdującego się w
stanie odcięcia
Dopuszczalny prąd drenu IDmax
Dopuszczalny prąd bramki IGmax
Dopuszczalne napięcie dren-z
ródło UDSmax
Dopuszczalne straty mocy Ptot max
Właściwości wzmacniające tranzystora określa stosunek zmiany prądu ID do zmiany napięcia sterującego UGS
nazywany konduktancją wzajemną (transkonduktancją) gm:
Konduktancja drenu lub konduktancja wyjściowa:
Współczynnikiem wzmocnienia napięciowego:
Tranzystory unipolarne- parametry
Tranzystory unipolarne - polaryzacja
W zależności od sposobu polaryzacji tranzystora unipolarnego, może on pracować w trzech rożnych obszarach:
q� w obszarze odcięcia - gdy |UGS| > |UP| , UDS -dowolne
q� w obszarze aktywnym - gdy |UGS| < |UP| i |UDS| <= |UDS SAT|
q� w obszarze nasycenia - gdy |UGS| < |UP| i |UDS| > |UDS SAT|
gdzie UDS SAT - napięcie dren-z
rodło, dla ktorego następuje wejście charakterystyki prądu drenu do obszaru
nasycenia.
Tranzystory unipolarne - charakterystyki
Przejściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia bramka-z
rodło (UGS) przy stałym napięciu dren-z
rodło (UDS).
Charakterystyka ta dla rożnych typow tranzystorow przedstawiona została poniżej.
Charakterystyka Wyjściowa - zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-z
rodło (UDS), przy stałym napięciu
bramka-z
rodło (UGS). Cały obszar charakterystyki wyjściowej można podzielić na dwie części: obszar nasycenia i
obszar nienasycenia (liniowy). Na poniższym rysunku obszary te są rozdzielone niebieską linią, ktorej kształt
przypomina parabolę.
W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor połprzewodnikowy. Prąd ID ze
wzrostem napięcia UDS wzrasta w przybliżeniu liniowo.
W zakresie nasycenia napięcie UDS bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu, natomiast bramka zachowuje
właściwości sterujące.
Tranzystory unipolarne
- zastosowania
q� Tranzystory polowe znajdują zastosowanie przede wszystkim wowczas, gdy jest wymagana bardzo duża rezystancja
wejściowa elementu aktywnego.
q� Dotyczy to zwłaszcza wzmacniaczy o dużej rezystancji wejściowej, woltomierzy i przełącznikow sterowanych
bezprądowo.
Zasilacze  budowa [1,2,6]
Zasilacze  wybór transformatora i zabezpieczenia
Projektując zasilacz, należe w pierwszym rzędzie określić, z jakiego z
rodła pobierana będzie energia  to umożliwi
zdecydować, czy jest potrzebny transformator, a jeśli tak, to jakiego rodzaju.
Transformator to element bierny służący do zamiany przemiennych napięć i prądow wejściowych na przemienne
napięcia i prądy wyjściowe z reguły o innej wartości. Zamiana ta dokonuje się za pośrednictwem pola magnetycznego i
przy spełnieniu zasady zachowania energii (element idealny nie wykazuje strat). Oznacza to, że dysponując określoną
mocą na wejściu, nie możemy uzyskać większej mocy na wyjściu. Podstawowymi parametrami transformatora są moc
(wyrażana w VA) i przekładnia, ktora definiuje stosunek napięć i prądow po stronie pierwotnej (wejściowej) i wtornej
(wyjściowej):
gdzie Up i Ip
- przebiegi po stronie pierwotnej, Uw i Iw
- przebiegi po stronie wtornej.
Należy pamiętać, że producent podaje napięcia po stronie pierwotnej i wtornej wyrażone w wartościach skutecznych.
Zasilacze  wybór transformatora i zabezpieczenia
Napięcie po stronie wtórnej należy dobierać tak, aby było co najmniej równe pożądanemu poziomowi napięcia
wyjściowego zasilacza (ta zależność jest jeszcze modyfikowana przez układy prostownika i filtra tętnień).
W przypadku wydajności prądowej zasadą jest, aby maksymalna wydajność prądowa była przynajmniej 1,5 raza
większa od zakładanego obciążenia (takie założenie zapobiegnie ew. przegrzaniu i spaleniu transformatora.Oprocz
tego warto zabezpieczyć się przed spaleniem transformatora umieszczając po stronie pierwotnej bezpiecznik (po
stronie wtornej przeważnie istnieje inne zabezpieczenie). Jego wartość można obliczyć ze wzoru (*) znając prąd
obciążenia i mnożąc wynik przez kilkukrotny margines (przynajmniej 2-3x). Miejsce umieszczenia bezpiecznika jest
ważne  zaleca się umieszczanie zabezpieczenia przed głownym wyłącznikiem ze względu na to, iż istnieje ryzyko
wystąpienia przebicia pomiędzy zerem a fazą w obwodzie przełącznika (dotyczy to urządzeń przełączających
jednocześnie dwa bieguny zasilające).
Zasilacze  wybór transformatora i zabezpieczenia
Jeśli chcemy uzyskać pojedyncze napięcie zasilające, tj. masę i pożądany poziom wyjściowy Vout, to stosujemy
klasyczny transformator z jednym uzwojeniem wtornym bez odczepu.
W przypadku, gdy istnieje potrzeba uzyskania napięcia dodatniego i ujemnego względem masy (w szczegolnym
wypadku na napięciu symetrycznym) należy zastosować transformator z jednym uzwojeniem wtornym i odczepem
lub kilkoma uzwojeniami wtornymi, odpowiednio połączonymi (rys. b), aby utworzyć węzeł stanowiący masę.
Istnieje rownież inny sposob uzyskania symetrycznego napięcia bez konieczności użycia transformatora z odczepem
lub kilkoma uzwojeniami wtornymi. Na rysunku pokazano aplikację z prostownikiem jednopołowkowym, jednak ze
względu na niską efektywność takie rozwiązanie nie jest stosowane. Przy takiej konstrukcji prostownika niezbędnym
elementem jest filtr tętnień.
Zasilacze  parametry i rodzaje prostowników
Dla projektanta zasilacza najważniejszymi parametrami prostownikow są maksymalny prąd przewodzenia i
maksymalne napięcie wsteczne. W przypadku tego pierwszego istnieje zasada, że mostek powinien przepuścić prąd
przynajmniej 1,5x większy od zakładanego obciążenia. Problem doboru maksymalnego napięcia wstecznego
prostownika wiąże się z zastosowanym filtrem tętnień.
Najczęściej w roli filtra tętnień występuje kondensator elektrolityczny o dużej pojemności. W czasie połowy okresu
napięcia wtornego, w ktorej amplituda jest dodatnia, napięcie na diodzie D3 jest bliskie zeru. Jednak w trakcie trwania
drugiej połowy, kiedy amplituda jest ujemna, na diodzie odkłada się napięcie rowne dwom wartościom szczytowym
napięcia wtornego. Z tego powodu napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 2,83x większe od wartości
skutecznej napięcia po stronie wtornej (przeważnie stosuje się przelicznik 3,4x). W przypadku braku filtra tętnień
stosuje się zwykłe 20% margines bezpieczeństwa, tj. napięcie rewersyjne powinno być przynajmniej 1,7x większe od
wartości skutecznej napięcia po stronie wtornej. Ostatnią ważną rzeczą, o ktorej należy pamiętać, jest występowanie
pewnego spadku napięcia na prostowniku, co powoduje, iż na wyjściu mamy trochę niższy potencjał niż ten
uzyskiwany przez uzwojenie wtorne transformatora.
Parametry typowych mostkow prostowniczych
VRRM  maksymalne powtarzalne napięcie wsteczne
VRMS  maksymalne skuteczne napięcie wejściowe
VDC  maksymalne stałe napięcie wsteczne
I(AV)  maksymalny średni prąd przewodzenia
VF  napięcie przewodzenia
Zasilacze  filtrowanie tętnień
Kształt napięcia na wyjściu prostownika jedno lub dwupołowkowego jest daleki od idealnej, poziomej linii.
Zasilacze  filtrowanie tętnień  filtr z kondensatorem
Zastosowanie kondensatora elektrolitycznego o odpowiednio dużej wartości zaraz za prostownikiem może znacznie
zredukować tętnienia.
Odpowiednią wartość pojemności można obliczyć z gotowego wzoru zakładając pożądany wspołczynnik tętnień
(zawsze poniżej 10%):
gdzie:
" f to częstotliwość tętnień (50Hz dla prostownika dwupołowkowego i 100Hz dla jed-nopołowkowego),
" � to zakładany wspołczynnik tętnień,
" RL to wartość rezystancji obciążenia: RL=UO/IO.
Istnieje rownież bardziej praktyczna reguła, ktora mowi, iż na każdy 1A prądu obciążenia należy stosować
kondensator o pojemności co najmniej 1000źF.
Ważnym krokiem jest dobor maksymalnego napięcia roboczego kondensatora.
Minimalny margines to 20% odchyłu od amplitudy napięcia (1,7x wartości skutecznej).
Zasilacze  filtrowanie tętnień  filtr RC
Istnieją urządzenia o szczegolnej wrażliwości na wszelkiego rodzaju zakłocenia w napięciu zasilającym. W takich
wypadkach stosowanie pojedynczego kondensatora jest często niewystarczające (ze względu na konieczność użycia
ogromnej pojemności).
Rozwiązaniem może być obwod filtrujący RC.
Zapewnia on dalszą redukcję wspołczynnika tętnień, jednak odbywa się to kosztem zwiększenia rezystancji szeregowej
o wartość R1, co ogranicza stosowanie tego układu do urządzeń o niskim i stałym poborze prądu
(np.przedwzmacniacze akustyczne).
Wartości elementow dobiera się korzystając ze wzorow:
dla prostownika jednopołowkowego,
dla prostownika dwupołowkowego
Zasilacze  filtrowanie tętnień
Zasilacze  stabilizatory scalone
W nowoczesnych zasilaczach stosowane są prawie wyłącznie scalone stabilizatory napięcia.
Seria 78xx/79xx
Są to najprostsze trojkońcowkowe stabilizatory o ustalonym napięciu wyjściowym określonym przez ostatnie dwie
cyfry w oznaczeniu (05, 08, 10, 12, 15, 24). Układy o numerach 78xx służą do stabilizacji napięć dodatnich względem
masy, a 79xx do ujemnych.
Zasilacze  stabilizatory scalone
Kondensatory C2 i C3 służą do zwierania wysokoczęstotliwościowych zakłoceń i są standardem w aplikacjach
stabilizatorow  należy je umieszczać jak najbliżej wyprowadzeń układu (w sensie fizycznym, a nie topologicznym na
schemacie). Dioda D1 stanowi zabezpieczenie przeciwko zbyt wysokiemu napięciu wyjściowemu  taka sytuacja może
mieć miejsce zaraz po wyłączeniu zasilania. Wtedy dioda zaczyna przewodzić i odprowadza  wsteczny prąd z
końcowki stabilizatora. Dioda D2 stosowana jest do protekcji przed zmianą polaryzacji napięcia na wyjściu
stabilizatora.Rola poszczegolnych elementow obwodu stabilizatora 79xx jest analogiczna do obwodu 78xx. Oprocz
zewnętrznych zabezpieczeń stabilizatory posiadają wbudowane układy zabezpieczające przed zwarciem na wyjściu
oraz przegrzaniem. Podstawową wadą takich stabilizatorow jest konieczność zapewnienia różnicy potencjałów
pomiędzy wejściem a wyjściem wynoszącą co najmniej 3V. Przy braku spełnienia tego warunku element nie będzie
działał. Maksymalna wydajność prądowa w zależności od obudowy może wynieść do 1,5A.
Zasilacze  stabilizatory scalone
Stabilizatory ciągłe LM317/337
Stabilizatory ciągłe LM317 i LM337 to podstawowe układy o regulowanym napięciu wyjściowym
odpowiednio,dodatnim i ujemnym względem masy.Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje się za pomocą z
ródła
referencyjnego 1,25V (pomiędzy końcowką Adjust i Output) i
dzielnika napięcia złożonego z rezystorowR1 i R2.Wzor na VOUT dla układu LM317:
gdzie za R1 zazwyczaj przyjmuje się 240�, a IADJ jest pomijalnie małe.
Analogicznie, dla układu LM337:
Zasilacze  stabilizatory scalone
Stabilizatory ciągłe LDO
W układach 78/79xx oraz LM317/337 napięcie pomiędzy wejściem, a wyjściem (tzw. Dropo-ut Voltage) musi wynosić
co najmniej 3V. Poniżej tej wartości stabilizator w ogole nie za-działa, co jest podstawową wadą tych elementow  ze
względu na straty mocy nie nadają się do zastosowania we wspołczesnych urządzeniach zasilanych bateryjnie.
Tymczasem układy LDO (Low Dropout Voltage) umożliwiają spadek tego potencjału nawet do kilku-dziesięciu
miliwoltow (np. MAX8563  56mV).
Zasilacze  stabilizatory scalone
Stabilizatory ciągłe LDO
Jest to możliwe dzięki zastosowaniu tranzystora PMOS jako elementu przepuszczającego prąd, ktory po przekroczeniu
minimalnej wartości Dropout Voltage staje się rezystorem o wartości RDSON i przepuszcza napięcie wejściowe na
wyjście z uwzględnieniem spadku na RDSON (URDSON=IO*RDSON). Dzięki temu nie musimy dbać o odpowiednią
wyso-kość potencjału wejściowego i jednocześnie obawiać się strat mocy. Ta zaleta bezpośrednio wskazuje potencjalne
zastosowanie  zasilacze bazujące na bateriach, akumulatorach itp.
Jednym z bardziej rozbudowanych (i zarazem droższych) programowalnych stabilizatorow LDO jest układ MAX667.
Dostępny w obudowie DIP-8 posiada szereg interesujących wejść i wyjść sterujących, takich jak opcja wyłączenia,
sygnalizacji zużycia baterii i wyboru napięcia wyjściowego z zakresu 3,5-16,5V. Rysunek przedstawia przykładową
aplikację tego sta-bilizatora.
Zasilacze  stabilizatory scalone
Stabilizatory ciągłe LDO  przykładowa aplikacja
Regulację napięcia wyjściowego uzyskuje się podłączając dzielnik rezystorowy (R1, R2) SET, ktorego potencjał
ustalony jest na poziomie 1,22 V. Napięcie wyjściowe wyraża się wzorem:
Ze względu na niski pobor prądu wejścia SET (ok. 10nA) wartości rezystorow mogą być znaczne - typowo R1 wynosi
1M�. Gdy SET zostanie podłączone bezpośrednio do masy, to napięcie wyjściowe ustali się na poziomie 5V.
Stabilizator MAX667 może zostać wprowadzony w tryb
czuwania poprzez podanie na wej-ście SHDN napięcia większego niż 1,5V. W tym trybie wyjście OUT jest odłączone i
pobor prądu układu spada poniżej 1źA.
Bardzo użyteczną funkcją jest detekcja niskiego
poziomu naładowania baterii. Jeśli napięcie na wejściu LBI spadnie poniżej wartości referencyjnej 1,22V, to
tranzystor FET na rys. zostanie włączony i zewrze
wyjście LBO do masy. Zastosowanie dzielnika rezystorowego (R3 i R4) umożliwia regulację poziomu
napięcia odniesienia zgodnie ze wzorem: Podobnie jak dla wejścia SET, niski prąd wejściowy LBI (ok. 10nA)
umożliwia zastosowanie sporych rezystancji R3 i R4.
Ostatnim ważnym wyprowadzeniem jest wyjście DD (pin nr 1). Końcowka ta połączona jest z otwartym
kolektorem wewnętrznego tranzystora PNP i związana z funkcją detektora spadku napięcia Dropout
Voltage . Gdy rożnica potencjałow pomiędzy wejściem, a wyjściem spada poniżej 300mV (co jest
rownoznaczne z końcem czasu życia baterii), to tranzystor PNP zaczyna przewodzić. Podłączenie
wyprowadzenia DD poprzez rezystor o wartości ok. 100k� do masy umożliwia monitorowanie napięcia
Dropout Voltage przez zewnętrzne obwody. Rysunek przedstawia inne zastosowanie wyjścia DD.
Zasada działania powyższego obwodu jest następująca: spadek Dropout Voltage (np. na sku-tek
rozładowania baterii) spowoduje odpowiednio obniżenie potencjału VSET i napięcia wyj-ściowego VOUT.
Jest to konieczne, ponieważ w przypadku, gdy ustalone VOUT zaczyna być większe od VIN, to stabilizator
pobiera prąd dochodzący do 10mA  jest to konsekwencja wewnętrznej konstrukcji układu. Rozwiązanie z
rysunku zapobiega nadmierne-mu wzrostowi pobieranego prądu i umożliwia wykorzystanie baterii do granic
możliwości.
Zasilacze  zabezpieczenia
Napięcie wejściowe stabilizatora jest zawsze wyższe od napięcia wyjściowego. Gdyby doszło do przepięcia,
tj. przyłożenia potencjału z wejścia na wyjście, mogłoby dojść do uszkodzenia zasilanego urządzenia (takie
sytuacje zdarzają się, gdy np. spalimy stabilizator). Aby uniknąć poważnych konsekwencji stosuje się moduły
zabezpieczające podłączone do wyjścia stabili-zatora. Jednym z prostych obwodow przeciwprzepięciowych
jest układ z diodą Zenera i tyrystorem. Gdy napięcie wejściowe przekroczy napięcie Zenera, dojdzie do
załączenia (zwarcia) tyrystora, co spowoduje przepalenie bezpiecznika F1.
Zasilacze  sygnalizacja
W projektowanych urządzeniach warto zastosować sygnalizatory napięć wyjściowych i przepalonych
bezpiecznikow, ponieważ w przypadku wystąpienia awarii potrafią szybko
wskazać lub wyeliminować przyczynę ze strony obwodu zasilającego. Typowy układ wskaz
nika napięcia
wyjściowego przedstawia rysunek. Elementem sygnalizacyjnym jest dioda LED D1 połączona szeregowo z
rezystorem ograniczającym prąd R1. Wartość rezystora należy dobrać tak, aby przy znanym napięciu
zasilającym UO i napięciu przewodzenia diody UD przepływał przez nią prąd ID z zakresu 10-15mA
(dokładne wartości znajdują się w kartach katalogowych producenta diody). Odpowiedni wzor
opisujący te zależności można wyprowadzić za pomocą napięciowego prawa Kirchoffa
W przypadku zasilaczy wysokonapięciowych
sygnalizatorem są lampki neonowe, ktorych napięcie
pracy przekracza 67V (w zależności od typu). Schemat obwodu
i sposob wyznacza-nia wartości rezystora R1 jest taki sam, jak w przypadku wskaz
nika z diodą LED.
Rysunek przedstawia obwody sygnalizatorow przepalonych bezpiecznikow dla napięcia zmiennego i stałego.
Gdy bezpiecznik nie jest przepalony, zwiera obwod lampki neonowej (LMP1) lub diody LED i sygnalizator nie
świeci się. Po przepaleniu bezpiecznika
na jego zaciskach wystąpi rożnica potencjałow, o czym poinformuje zastosowany wskaz
nik. W obwodzie z
rysunku zastosowano rezystor R3, aby zapewnić kontakt z masą w przypadku, gdy stabilizator ulegnie
nietypowemu uszkodzeniu. W takiej konfiguracji:
Zasilacze  chłodzenie
Nadmierna temperatura jest jedną z głownych przyczyn
uszkodzeń elementow elektronicz-nych. Praktyka
wskazuje, że zwiększenie temperatury pracy urządzenia o 10oC powoduje skrocenie średniego czasu
międzyawaryjnego (MTBF) o połowę. W urządzeniach o wysokiej wydajności prądowej i o dużym poborze
mocy muszą być stosowane systemy chłodzenia, aby nie przekroczyć dopuszczalnej temperatury pracy
wykorzystywanych elementow.
Istnieją trzy sposoby utrzymywania optymalnej temperatury pracy urządzeń:
1. zastosowanie/poprawienie naturalnej wentylacji,
2. rozproszenie większej ilości ciepła za pomocą radiatorow,
3. zastosowanie aktywnego systemu chłodzenia powietrzem lub wodą.