Elektronikawzad06

W. Oąłyliski - ELEKTRONIKA W ZADANIACH

C}a;ić I. Obliczanie punktów pracy pizynoidaw półprtcwoduikowych

tranzystor T znajduje się rzeczywiście w punkcie pracy określonym przez w'artości prądu kolektora Jc = 50 mA i napięcia kolektor-emiter Uce = 5 V.

Ad 2. W rzeczywistym układzie przyłożenie zmiennego (np. sinusoidalnego) napięcia wejściowego u_w powoduje, że na stałą wartość prądu bazy w punkcie pracy równą I mA nakłada się składowa zmienna o odpowiadającym napięciu wejściowemu kształcie i amplitudzie. Punkt pracy P tranzystora (patrz np. rysunek W 1.5) przesuwa się po prostej obciążenia, czemu odpowiadają zmiany prądu kolektora lc i napięcia Ucr- Jeśli itwr jest małe i tranzystor pozostaje w stanie aktywnym, kształt składowej zmiennej napięcia na kolektorze tranzystora, nałożonej na stałe napięcie Uce = 5 V. a zatem i zmiennego napięcia wyjściowego u*, jest taki sam jak kształt napięcia wejściowego. Napięcie Uwy ma amplitudę zwiększoną w stosunku do u_uy, przy czym dla przyjętej uproszczonej charakterystyki złącza baza-emiter nie jesteśmy w stanie obliczyć wartości wzmocnienia napięciowego układu. Takie obliczenia prowadzone przy nieco zmodyfikowanych założeniach są przedmiotem zadań umieszczonych w drugim tomie zbioru, ilustrujących metody analizy małosygnałowej układów półprzewodnikowych.

W tym miejscu zwróćmy tylko uwagę na to, że napięcie wyjściowe jest odwrócone (jak mówimy przesunięte w fazie o pół okresu, czyli o 180° lub n radianów). Dla dodatniej połówki sygnału (dodatnich wartości chwilowych </„*) prąd bazy osiąga wartości większe od spoczynkowej wartości 1 mA, czyli prąd kolektora ma wartości większe od 50 mA, a napięcie na kolektorze ma wartości mniejsze od 5 V. Narastającemu zboczu (np. sinusoidalnego) napięcia u_w odpowiada zatem opadające zbocze napięcia m_w).

Jeśli amplituda napięcia jest zbyt duża, punkt pracy tranzystora może w swej drodze po prostej obciążenia osiągnąć (dla ujemnych wartości chwilowych u_w) położenie A’ odpowiadające lp = 0 czyli zatkaniu tranzystora, i/lub (dla dodatnich wartości chwilowych u_wr) położenie R’ odpowiadające nasyceniu tranzystora. W takich przypadkach napięcie wyjściowe nic może już nadal odtwarzać kształtu u„_y. czyli odcięte tych punktów' granicznych określają maksymalną niezniekształconą amplitudę napięcia wyjściowego. W naszym przypadku (przy pominięciu prądu zerowego) napięcie Ucr nie może osiągnąć wartości większej niż Ecc= 10 V, czyli może wzrosnąć o 5 V, oraz na granicy stanu nasycenia może osiągnąć 0,6 V. czyli zmniejszyć się o 4,4 V. Napięcie wyjściowe może mieć zatem bez zniekształceń dodatnią amplitudę równą 5 V, a ujemną amplitudę 4,4 V. Przy zwiększaniu amplitudy napięcia wejściowego zniekształcenia pojawią się zatem przy amplitudzie u„_y równej 4.4 V (co przy napięciu zasilania 10 V nie jest wynikiem złym) i zniekształcana będzie najpierw ujemna połówka sygnału wyjściowego.

Rozwiązanie optymalne w tym układzie polegałoby na wybraniu punktu pracy położonego w środku zakresu zmian napięcia dła obszaru aktywnej (liniowej) pracy tranzystora, tzn. napięcia Uce- (10 + 0,6) V = 5.3 V. Bez zmiany pozostałych parametrów (tzn. przy poprzednich wartościach Ib i lc) oznaczałoby to konieczność zastosowania rezystora Rc = (Ecc - Uce) / /c = 4,7 V Ź 50 mA = 94 H. Wtedy bez zniekształceń można byłoby uzyskać amplitudę u_wv równą 4,7 V.

Ad 3. Zauważmy, żc w wyrażeniu (1.1.2) określającym wartość prądu /r. tzn.:

lc = P ■ h + lcEr> = P( Ecc- U be) / Rn

nie występuje R_c, a więc dopóki tranzystor pozostaje w stanic aktywnym, prąd kolektora nie zależy od wartości rezystancji Rc-

Rozważmy sytuację dla Rc = 0. Nic ma teraz spadku napięcia na rezystorze Rc. a zatem na tranzystorze panuje pełne napięcie zasilające Uce = Ecc = 10 V. Tranzystor znajduje się także w stanic aktywnym, gdyż złącze baza kolektor jest spolaryzowane napięciem Ucr - 9,4 V w kierunku zaporowym. Mamy zatem także lę = 50 mA, czyli dolną wartością graniczną poszukiwanego zakresu wartości rezystancji R_c jest Rc™ = 0.

Należy w tym miejscu wspomnieć, że dla R_c = 0 przyłożenie napięcia zmiennego powoduje wystąpienie składowych zmiennych prądu bazy (wokół wartości stałej I mA) i prądu kolektora (wokół wartości stałej 50 mA), ale napięcie na kolektorze tranzystora pozostaje stałe i równe Uce-Ecc = 10 V. Zmienne napięcie wyjściowe Uwy jest zatem wtedy równe zeru. Widać wyraźnie, że rolą rezystora Rc w układzie w^fzmacniacza jest przetwarzanie zmian prądu kolektora na zmienne napięcie wyjściowe. Będzie ono miało przy danym wysterowaniu tym większą amplitudę im większa będzie w-artość Rc- W układzie w^rzmacniacza napięciowego należy zatem dążyć do przyjęcia możliwie dużej wartości Rc

Zwiększanie wartości Rc powoduje, że przy nie zmieniającej się wartości prądu l_c (tranzystor przy przyjętych założeniach upraszczających stanowi źródło prądowe dla rezystora Rc jako obciążenia) napięcie (/<*, a więc i napięcie Ucr staje się coraz mniejsze. Za granicę stanu nasycenia mamy przyjąć sytuację, gdy Uca staje się równe zeru. Oznacza to Uce = Ube = 0,6 V, a więc spadek napięcia na rezystancji Rc wynosi maksymalnie lc •Rcmax= Ecc - Ube - 10 V- 0,6 V = 9,4 V. Dla prądu równego 50 mA odpowiada to maksymalnej w^fartości rezystancji w obwodzie kolektora Rcmox= 9,4 V / 50 mA s 188 fl.

Jeśli w układzie z rzeczywistym tranzystorem zwiększylibyśmy Rc ponad tę wartość, spadek napięcia na Rc mógłby jeszcze nieco wzrosnąć, napięcie Ucb zmieniłoby wtedy znak na ujemny, czemu odpowiadałaby polaryzacja złącza C-B w kierunku przewodzenia. Taki stan, w którym obydwa złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku przewodzenia nazywamy stanem nasycenia. Napięcie t/cE jest teraz różnicą napięć na dwu złączach pn spolaryzowanych w kierunku przewodzenia i w rzeczywistym tranzystorze może osiągać bardzo małe wartości (rzędu pojedynczych mV). W tym stanie nie obowiązuje zależność 7c= P Ib + k:m gdyż tranzystor nie może być już traktowany jak źródło prądowe sterowane prądem bazy: lę musi się zmniejszyć zgodnie z nieliniową charakterystyką lę - Ic(Uct) opadającą dla małych wartości Uce do zera (patrz rysunek W 1.4, gdzie można także prześledzić przesuwanie się punktu pracy tranzystora P2 w stronę mniejszych prądów kolektora przy zwiększaniu wartości Rc).

Zmniejszenie prądu lc przy zbyt dużych wartościach Rc można sobie także wytłumaczyć jako wynik tego, że w stanic nasycenia jak gdyby „brakuje” napięcia zasilającego. Na przykład dla Rc= 1 kśi przy nie zmienionym prądzie /c = 50mA spadek napięcia I_c ■ Rc musiałby wynosić 50 V, tzn. musiałby przekraczać wartość napięcia zasilania Ecc> co oczywiście nie jest możliwe.