Zespół Szkół Elektroniczno - Elektrycznych

w Koszalinie

Temat: Badanie układów stabilizacji punktu pracy tranzystora.

Koszalin 2002/2003

Przy projektowaniu punktu pracy układów tranzystorowych bardzo istotne jest zapewnienie odpowiedniej jego stałości. Pod wpływem zmian czynników zewnętrznych oraz z powodu zmian parametrów tranzystora w czasie, zaprojektowany punkt pracy może ulegać zmianom. Istotne są również rozrzuty parametrów tranzystora: przy projektowaniu zakłada się określone ich wartości, jednak przy realizacji układu mogą one odbiegać od założonych, inny niż obliczony będzie również punkt pracy. Poprawny projekt punktu pracy musi więc zapewnić zachowanie jego stałości w określonych granicach. Jest to szczególnie istotne przy projektowaniu układów scalonych, w których nie można po ich wykonaniu dokonywać żadnych poprawek. Zmiany punktu pracy mogą też powstawać pod wpływem zmian napięcia zasilania, co jest bardzo ważnie w układach zasilanych z baterii.

• z powodu rozrzutów.

Na punkt pracy w zakresie aktywnym wpływają trzy parametry tranzystora: prąd zerowy I_co, napięcie między bazą a emiterem U_BE oraz współczynnik wzmocnienia prądowego β. Przybliżone zależności tych parametrów od temperatury przyjmuje się następująco:

• prąd zerowy I_C­0 zależy wykładniczo od temperatury i podwaja się co 7⁰ C;

• napięcie U_BE zależy liniowo od temperatury i zmniejsza się z prędkością 2,3 mV /⁰ C;

• wartość h_21E w zakresie temperatur od 0⁰ C do 50⁰ C zmienia się w przybliżeniu liniowo ze współczynnikiem 1/ 80 (1/⁰ C).

Zdefiniujmy następujące trzy współczynniki stałości punktu pracy tranzystora bipolarnego:

S =

S′ =

S″ =

Gdzie : S - stosunek zmian prądu kolektora do zmian prądu zerowego tranzystora I_C0.

S′ - stosunek zmian prądu kolektora do zmian napięcia baza - emiter U_BE.

S″ - stosunek zmian prądu kolektora do zmian wzmocnienia prądowego tranzystora h_21E.

W stosowanych obecnie powszechnie tranzystorach krzemowych prąd zerowy I_C0, Będący rzędu nA, nie ma praktycznego wpływu na wartość i stałość punktu pracy, jeśli zmiany temperatury nie przekraczają 50⁰ C. Decydujące znaczenie mają więc zmiany i rozrzuty U_BE oraz h_21E .

Oto kilka przykładowych układów stabilizacji punktu pracy tranzystora.

Rys. 1. Układ z jednym opornikiem polaryzującym bazę.

Układ z rys.1. jest najprostszym układem polaryzacji bazy tranzystora. Nie ma w nim rezystora emiterowego R_E wprowadzającego prądowo-szeregowe ujemne sprzężenie zwrotne, a prąd polaryzujący bazę ustalany jest przez rezystor R_B. Rezystor ten ma dużą wartość i stanowi źródło prądowe ustalające wartość prądu bazy. Prąd bazy wynosi wówczas w przybliżeniu

I_B

W tym układzie prąd kolektora mocno zależy od współczynnika wzmocnienia prądowego β. Niewielki natomiast jest wpływ temperatury i napięcia zasilania na zmiany prądu kolektora tranzystora.

Zaletą tego układu jest duża rezystancja wejściowa wzmacniacza, ponieważ duża wartość rezystora R_B w małym stopniu bocznikuje wejście układu.

Rys. 2. Układ z dodatkowym źródłem napięcia polaryzującym bazę.

W układzie z rys.2. baza tranzystora polaryzowana jest przez dodatkowe źródło napięcia E_B. Rezystor R _B służy do odseparowania tego źródła od źródła sygnału wyjściowego. Rezystor R_E wprowadza ujemne prądowo szeregowa sprzężenie zwrotne w celu stabilizacji punktu pracy tranzystora. W praktyce zamiast dodatkowego źródła napięciowego stosuje się diody Zennera jako stabilizatory napięcia.

Układ taki charakteryzuje się małą wrażliwością prądu kolektora na zmiany temperatury i zmiany współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora. Gorzej zachowuje się ten układ przy zmianie napięcia zasilania.

Rys. 3. Układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Na rys. 3. przestawiony jest układ polaryzacji basy podobny do układu z rys. 1. z tą różnicą, że W układzie z rys.2. baza tranzystora polaryzowana jest przez dodatkowe źródło napięcia E_B. Rezystor R _B służy do odseparowania tego źródła od źródła sygnału wyjściowego. Rezystor R_E wprowadza ujemne sprzężenie zwrotne w celu stabilizacji punktu pracy tranzystora. W praktyce zamiast dodatkowego źródła napięciowego stosuje się diody jako stabilizatory napięcia.

Rezystor R_B włączony jest do kolektora a nie do napięcia zasilającego U_zas. Dzięki takiemu rozwiązaniu wprowadzone jest ujemne sprzężenie zwrotne napięciowo -równoległe. Poprawia to stabilizację punktu pracy eliminując wady układu z rys. 1.

Rys. 4. Potencjometryczny układ polaryzacji bazy.

Na rys. 4. przedstawiony jest potencjometryczny układ polaryzacji bazy. Baza tranzystora zasilana jest potencjometrycznie przy pomocy rezystorów R_B1 i R_B2. Punkt pracy jest stabilizowany automatycznie dzięki rezystorowi R_E włączonemu w obwód emitera i wprowadzającemu ujemne sprzężenie zwrotne prądowo - szeregowe.

Układ ten jest mało czuły na zmiany temperatury tranzystora i zmiany współczynnika wzmocnienia prądowego β a także nieźle zachowuje się przy zmianach napięcia zasilania.

2

1

2

1

4

Badanie układów stabilizacji punktu pracy tranzystora.

3

Teoria.

---