WYŻSZA SZKOŁA MENEDŻERSKA w WARSZAWIE

WYDZIAŁ INFORMATYKI STOSOWANEJ

I TECHNIK BEZPIECZEŃSTWA

WYBRANE ZAGADNIENIA Z ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

PROJEKT

Wzmacniacz z tranzystorem bipolarnym BC107A
z napięciem potencjometrycznym

SKŁAD ZESPOŁU 1.	Prowadzący zajęcia: dr M. Witczak		SEMESTR 2
		GRUPA 31 DR-A-2 4		STUDIA niestacjonarne
Data wykonania ................................................		Data oddania projektu ................................................

Semestr letni, rok akademicki 2010/2011

Wzmacniacz

Wzmacniacz to układ elektroniczny, na którego zaciskach wyjściowych uzyskuje się sygnał o zwiększonej amplitudzie napięcia, prądu lub zwiększonej mocy, bez zmiany kształtu w stosunku do sygnału wejściowego. Sygnał wejściowy jest więc swego rodzaju wzorcem, według którego wzmacniacz kształtuje duży prąd pobierany z innego źródła - z zasilacza. Wzmacniacz nie powinien obciążać źródła sygnału wzmacnianego, czyli jego obwód wejściowy nie powinien pobierać prądu. Oznacza to, że impedancja wejściowa wzmacniacza powinna być jak największa.

Każdy wzmacniacz musi mieć element czynny sterowany, zwykle tranzystor, realizujący zadanie kształtowania prądu pobieranego z zasilacza, czyli sterowania dużą mocą pobieraną z zasilacza kosztem nieznacznej mocy pobieranej ze źródła sygnału wzmacnianego.

W każdym wzmacniaczu wyróżnia się dwa zasadnicze obwody: obwód sygnału i obwód zasilania. Obwód zasilania stwarza właściwe warunki dla wzmocnienia sygnału, natomiast obwód sygnału jest związany z przenoszeniem sygnału przez wzmacniacz. Dla wzmacnianego sygnału wzmacniacz stanowi czwórnik . Do jego zacisków wejściowych jest dołączone źródło sygnału E_g o impedancji Z_g, a do zacisków wyjściowych - impedancja obciążenia Zo. Napięcie wyjściowe U_wy i prąd wyjściowy I_wy są powiązane z napięciem wejściowym U_we i prądem wejściowym I_we zależnościami: I_we = k_uU_we

I =k_tI_we gdzie: współczynniki k_u i Ja są nazywane odpowiednio współczynnikiem wzmocnienia napięciowego i współczynnikiem wzmocnienia prądowego.

Ze względu na przeznaczenie wymaga się od wzmacniacza dużego wzmocnienia napięciowego, prądowego lub mocy. Wzmacniacz idealny powinien wzmacniać sygnały, nie powodując zmiany ich kształtu.

We wzmacniaczach rzeczywistych powstają dwojakiego rodzaju zniekształcenia sygnałów:

• zniekształcenia nieliniowe, wywołane np. przez nieliniowość charakterystyk statycznych niektórych elementów wzmacniacza (tranzystora, transformatora z rdzeniem żelaznym itd.), szumy i zakłócenia

• zniekształcenia liniowe, wywołane niejednakowym przenoszeniem przez wzmacniacz sygnałów o różnych częstotliwościach.

Pod pojęciem „wzmacniacz małej częstotliwości" należy rozumieć wzmacniacz o sprzężeniu zmiennoprądowym, pracujący zasadniczo w zakresie częstotliwości akustycznych. Wzmacniacze tego rodzaju można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

• wzmacniacze małosygnałowe, napięciowe lub prądowe

• wzmacniacze wielkosygnałowe (mocy).

Wzmacniacze małosygnałowe projektuje się przy założeniu, że w obrębie zmiany sygnału parametry tranzystora pozostają stałe.

Zasady pracy tranzystora

Tranzystor - trójelektrodowy (rzadko czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Według oficjalnej dokumentacji z Laboratoriów Bella nazwa urządzenia wywodzi się od słów transkonduktancja (transconductance) i warystor (varistor), jako że "element logiczny należy do rodziny warystorów i ma transkonduktancję typową dla elementu z współczynnikiem wzmocnienia co czyni taką nazwę opisową".

Tranzystor BC107 jest przeznaczony do stosowania w układach stopni wyjściowych i sterujących małej częstotliwości. Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym i aby wyjaśnić w pełni jego działanie musiałbyś podobnie jak dla diody poznać budowę złącza p-n, a tutaj kłania się fizyka ciała stałego. Żeby można było skorzystać z właściwości tranzystora nie jest to niezbędne.
Tranzystor jest elementem o trzech końcówkach (elektrodach) i służy do wzmacniania lub przełączania sygnałów. Tranzystory bipolarne dzieli się na krzemowe i germanowe, a każdy z nich może być typu npn lub pnp. tranzystor składa się z dwóch połączonych ze sobą diod o wspólnej warstwie n lub p. Dołączona do wspólnej warstwy elektroda nazywana jest bazą - B. Pozostałe elektrody tranzystora bipolarnego mają następujące nazwy: C - kolektor, E - emiter.

Przyjęło się również w sposób określony oznaczać napięcia na tranzystorze. Napięcie na elektrodach tranzystora mierzone względem masy oznaczane jest indeksem w postaci pojedynczej dużej litery C, B lub E i tak na przykład U_C oznacza napięcie na kolektorze. Napięcie między dwoma elektrodami oznacza się podwójnym indeksem, np. dla napięcia między bazą, a emiterem będzie to U_BE. Aby tranzystor znajdował się w stanie normalnej pracy to muszą być spełnione następujące warunki:

• dla tranzystora npn potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera,

• dla tranzystora pnp potencjał kolektora musi być niższy od potencjału emitera,

• „dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor-baza w kierunku zaporowym,

• nie mogą zostać przekroczone maksymalne wartości I_C, I_B, U_CE, moc wydzielana na kolektorze I_C· U_CE, temperatura pracy czy też napięcie U_BE.

Aby te warunki były spełnione to źródła napięć zasilających muszą być podłączone

Typ	BC107
Typ przewodnictwa	npn
Parametry graniczne Napięcie kolektor-emiter               UCE0max Prąd kolektora                                ICmax Napięcie baza-emiter                     UEB0max Prąd bazy                                       IBmax Moc strat                                        Pstrmax	45V 100mA 6V 50mA 300mW
Parametry Prąd zerowy kolektora                   ICE0 Pojemność kolektor-baza               Cjc Wsp. wzmocnienia prądowego       β	0,015μA 4,5pF 110÷480

Wartości katalogowe tranzystora npn (BC107).

Znaczenie

Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w elektronice, zastąpił on bowiem duże, zawodne i energochłonne lampy elektronowe, dając początek coraz większej miniaturyzacji przyrządów i urządzeń elektronicznych, zwłaszcza że dzięki mniejszemu poborowi mocy można było zmniejszyć też współpracujące z tranzystorami elementy bierne.

Podział

Wyróżnia się dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadniczo zasadą działania - tranzystory bipolarne i tranzystory unipolarne.

Tranzystory bipolarne

Tranzystory bipolarne , w których prąd przepływa przez złącza półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa (n i p). Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa: npn lub pnp (o nazwach emiter - E, baza - B i kolektor - C). Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między innymi elektrodami (kolektorem i emiterem).

Symbole tranzystorów
Bipolarne
typu pnp	typu npn

Rys. 1 Symbole tranzystorów.

Zastosowanie

Tranzystory ze względu na swoje właściwości wzmacniające znajdują bardzo szerokie zastosowanie. Są wykorzystywane do budowy wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy, selektywnych, szerokopasmowych. Jest kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki, generatory i wiele innych.

Ponieważ tranzystor może pełnić rolę klucza elektronicznego, z tranzystorów buduje się także bramki logiczne realizujące podstawowe funkcje boolowskie, co stało się motorem do bardzo dynamicznego rozwoju techniki cyfrowej w ostatnich kilkudziesięciu latach. Tranzystory są także podstawowym budulcem wielu rodzajów pamięci półprzewodnikowych (RAM, ROM itp.).

Dzięki rozwojowi technologii oraz ze względów ekonomicznych większość wymienionych wyżej układów tranzystorowych realizuje się w postaci układów scalonych. Co więcej, niektórych układów, jak np. mikroprocesorów liczących sobie miliony tranzystorów, nie sposób byłoby wykonać bez technologii scalania.

W roku 2001 holenderscy naukowcy z Uniwersytetu w Delft zbudowali tranzystor składający się z jednej nanorurki węglowej, jego rozmiar wynosi zaledwie jeden nanometr, a do zmiany swojego stanu (włączony / wyłączony) potrzebuje on tylko jednego elektronu.

Naukowcy przewidują, że ich wynalazek pozwoli na konstruowanie układów miliony razy szybszych od obecnie stosowanych, przy czym ich wielkość pozwoli na dalszą miniaturyzację elektronicznych urządzeń.

C - Collector

B - Base

E - Emitter

Rys. 2 Tranzystor BC 107A

1. Rozwiązanie graficzne

Rys 1. Schemat wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym BC107A

2. Charakterystyki

Obliczenia

Dane:

Ucc = 13[V]

IB = 80 [
A]

UBE = 0, 65 V

z rozwiązania graficznego wynika, że:

Punkt pracy

UCE = 6.5 V

Ic = 14 mA

Oraz współczynnik wzmocnienia prądowego β wynosi.

β ≈
=

=
=


269

Rys 4.Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym.

Rys 5. Układ z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym - schemat zastępczy Thevenina.

1. Obliczanie R_E i R_C dla oczka

Gdzie

To

Przyjmujemy, że R_E = 100Ω

Wówczas

2. Obliczanie R_B

Dla R_E = 100Ω

Obliczanie U_B dla oczka

V

z twierdzenia Thevenina:

Obliczam

więc

Obliczam R1

Obliczam R2

3. Wnioski

Tranzystory to elementy półprzewodnikowe które w zależności od tego w jaki sposób zostaną włączone w obwód posiadają charakterystyczne własności. Przede wszystkim służą one do wzmacniania mocy wyjściowej (wspólna baza) oraz do wzmacniania prądu (wspólny emiter).

Wzmacniacz:

Przeprowadzone pomiary pozwoliły na praktyczne zapoznanie się działaniem tranzystorowego wzmacniacza mocy klasy A.

Z pomiarów jakie przeprowadziliśmy da się zauważyć iż badany wzmacniacz po przekroczeniu pewnego napięcia zaczyna wzmacniać nam sygnał wejściowy tak, że na wyjściu otrzymujemy jego wielokrotność.

Głównymi parametrami charakteryzującymi wzmacniacz mocy są:

-sprawność energetyczna η, określona stosunkiem mocy wyjściowej do mocy wejściowej

dostarczonej ze źródła zasilania.

- maksymalna moc wyjściowa sygnału.

- zniekształcenia nieliniowe określone zawartością harmonicznych w sygnale wyjściowym

- pasmo przenoszenia oraz kształt charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej.

We wzmacniaczu w układzie wspólnego kolektora:

- punkt pracy należy dobierać w środkowym punkcie charakterystyki. Wtedy uzyskamy maksymalną amplitudę sygnału wyjściowego, bez zniekształceń nieliniowych. W przypadku odsunięcia się od środka charakterystyki, zniekształcenia nieliniowe będą pojawiać się wcześniej na jednej z połówek sygnału, co ogranicza zakres amplitud napięcia wyjściowego, przy których wzmacniacz pracuje bez zniekształceń. 

Zniekształcenia nieliniowe mogą pojawić się także w przypadku wzmacniacza pracującego w środkowym punkcie charakterystyki, jeśli przesterujemy wzmacniacz.

1

---