Elektronikawzad12

w. CiąrytMki - ELEKTRONIKA W ZADANIACH

Cię<Ć I: Obliczanie punktów pnący przyrządów półprzewodnikowych

Zadanie 1.6

W układzie wtórnika napięciowego pokazanym na rysunku 1.6. i należy:

1.    wyznaczyć punkt pracy tranzystora określony przez wartości prądu emitera 4 i napięcia kolektor-emiter Uce\

2.    przy założeniu, że pojemności kondensatorów sprzęgających C»* i Cwy są na tyle duże, że można dla częstotliwości sygnału uważać je za zwarcie, a rezystancja obciążenia Rl jest bardzo duża obliczyć maksymalną niezniekształconą amplitudę napięcia wyjściowego U_wym;

3.    obliczyć wartość rezystancji rezystora R_n którego włączenie zamiast źródła prądowego / nie spowodowałoby zmiany punktu pracy

tranzystora. Czy taka zmiana będzie miała jakikolwiek wpływ na pracę układu ? Dla tranzystora T można przyjąć, żc:

-    napięcie U be nie zależy od wartości prądu bazy Ig i wynosi 600 mV;

-    prąd zerowy /efojest bardzo mały i może być pominięty;

-    współczynnik wzmocnienia prądowego /? = 99, a prąd /< w obszarze aktywnym nie zależy od wartości napięcia Vce\

-    granicą pomiędzy stanem aktywnym a stanem nasycenia tranzystora jest sytuacja, gdy Ucb = 0.

Rozwiązanie:

Ad 1. Podobnie jak w poprzednich zadaniach przedstawione na rysunku obwody wejściowy i wyjściowy dla napięcia zmiennego mogą być całkowicie pominięte w naszych rozważaniach dotyczących napięć i prądów stałych w układzie. Zauważmy tylko, że zmienne napięcie wejściowe (podłączone do bazy tranzystora) i napięcie wyjściowe (podłączone do emitera tranzystora) są rozpatrywane względem potencjału masy. Kolektor tranzystora jest natomiast podłączony do stałego potencjału źródła zasilania. Innymi słowy można powiedzieć, że składowa zmienna napięcia zasilającego jest równa zeru, dlatego na schemacie dla składowej zmiennej możemy ten punkt uważać za podłączony do potencjału masy (wspólnego dla obwodu wejściowego i wyjściowego). Oznacza to, że dla wzmacnianych sygnałów zmiennych mamy tutaj do czynienia z włączeniem tranzystora w układzie wspólnego kolektora (WK). Analiza schematów dla składowych zmiennych będzie przedmiotem zadali zawartych w drugim tomie zbioru.

Przy podanym kierunku prądu / = t_B = 100 pA złącze baza-emiter (B-E) tranzystora npn jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (Ubf. = 0,6 V). Przy oznaczeniach jak na rysunku dla tranzystora w stanie aktywnym możemy napisać:

I_c= P - 4= 99 • 100 pA = 9,9 mA;

4 = (P+J)h = (99+1) 100 pA= 10 mA;

U_B = If, Re= 10 mA • 0.5 kii = 5 V U_B = U_F. + Ube = 5 V + 0,6 V = 5,6 V

UcE = Ecc-14 = 15 V - 5 V = 10 V Ucb = Ecc-Ub= 15 V - 5,6 V = 9,4 V

Złącze baza-kolektor (B-C) jest spolaryzowane napięciem Ucb - 9,4 V w kierunku zaporowym (wyższy potencjał na kolektorze, który jest obszarem typu n). Tranzystor T w warunkach zadania znajduje się zatem w stanie aktywnym, czyli wykorzystanie powyżej do obliczenia wartości Ir zależności lc = P ■ h było uzasadnione. Należy zwrócić uwagę na to, że dopiero ten ostatni wniosek weryfikuje wykonane obliczenia.

Ad 2. Jeśli kondensator wejściowy lub wyjściowy nie jest podłączony, potencjał jego drugiej okładki nic jest określony. Dlatego przystępując do analizy zachowania się układu dla sygnałów zmiennych powinniśmy zauważyć, że podłączenie SEM sygnału zmiennego do wejścia oznacza także ustalenie potencjału ujemnej okładki kondensatora wejściowego na wartości zerowej. Także J4 = oo jest potrzebny w naszych rozważaniach, żebyśmy mogli powiedzieć, że na ujemnej okładce kondensatora wyjściowego w stanie bez. wysterowania mamy potencjał zerowy.

Dla wejścia podłączonego do masy lub wejściowej SEM równej zeru kondensator wejściowy C** jest naładowany do napięcia 5,6 V. Jeśli teraz uwzględnimy szybkozmienne napięcie wejściowe kondensator ten będzie stanowił dla takiego napięcia zwarcie i potencjał na bazie tranzystora będzie miał wartość chwilową:

(/_fl=5,6V + u_Wf    (1.6.1)

Potencjał emitera różni się od potencjału bazy o wartość U be = 0,6 V, a więc:

Ue= Ub- Ube= 5,0 V + u*,    '    (1.6.2)

Jeśli pomiędzy wyjście wzmacniacza a masę jest podłączone jakieś obciążenie użytkowe Ri. kondensator wyjściowy C_M, jest naładowany do napięcia 5,0 V. Na obciążeniu (za kondensatorem) występuje więc napięcie:

«■>•= 64-5,0 V = u»_v    (1.6.3)

Przy przyjętych założeniach upraszczających układ powtarza zatem napięcie wejściowe na obciążeniu, co uzasadnia jego określenie jako „wtórnika napięciowego”. Taka własność powtarzania napięcia tylko pozornie jest mało interesująca. Tutaj zauważmy tylko, żc źródło sygnału jest obciążane niewielką składową zmienną prądu bazy (przeładowującą nieznacznie pojemność wejściową), a do obciążenia użytkowego może płynąć znacznie większa składowa zmienna prądu emitera.

Aby ocenić maksymalną amplitudę napięcia wyjściowego dla nieobciążonego układu (Ri = oo), przy której nie występują jeszcze zniekształcenia, zauważmy żc dla wartości chwilowej = - 5 V mamy

U_B = 5,6 V + u_w = 0.6 V

a prąd bazy i prąd emitera mają wartości zerowe. Prąd źródła prądowego I = 100 pA zamyka się w tym momencie przez źródło sygnału przeładowując kondensator wejściowy. Potencjał emitera wobec braku prądu 4 spada do zera:

U_E=U_B- U_be = 5,0 V +    = 0 V,

Wtedy napięcie wyjściowe u„_y = - 5 V (szybka zmiana napięcia 64 o 5 V w dół przenosi się przez kondensator wyjściowy na obciążenie /?/.)• Dalsze zmniejszanie napięcia wejściowego nie przenosi się już na emiter, ani na wyjście. Gdyby napięcie wejściowe miało ujemną amplitudę większą od 5 V, zostałaby ona na wyjściu obcięta.

Jeśli sygnał wejściowy ma być sinusoidą o zerowej składowej stałej należy rozpatrzyć jeszcze sytuację dla wartości chwilowej u»_r = 5 V. Mamy wtedy: