Image16 (9)

■ Elektronika dla nieelektroników EdE

(P-PnO)

(P~Pn o)

nierozumiejący pojęcia rezystancji dynamicznej, mają kłopoty zc zrozumieniem zasad działania układów elektronicznych. Do rezystancji dynamicznej jeszcze wrócimy pod koniec artykułu, a w następnym śródtytule chcę Ci z grubsza zasygnalizować jeszcze trudniejsze zagadnienia.

Modele, schematy

zastępcze

Większości uczniów, a i niemałej części studentów, wiele kłopotów sprawiają obliczenia układów tranzystorowych W podręcznikach straszą niezrozumiałe schematy zastępcze tranzystorów typu n i typu T oraz parametry H, y, h. s i jeszcze inne. Osoba początkująca, która natknie się na tego rodzaju podręczniki elektroniki, zazwyczaj dochodzi do wniosku, ze elektronika jest niezwykle trudna i jej zrozumienie nie jest dostępne dla zwykłych śmiertelników. Na przykład rysunek $ pokazuje sześć podstawowych wzorów, opisujących działanie tranzystora (są to tzw. nieliniowe równania długiego rzędu z pochodnymi cząstkowymi, niemające ogólnego rozwiązania), a rysunek 6 przedstawia jeden z modeli tranzystora.

dn	1	BJn	1
dł “	q	dx
dp	1	8JP	1
di	9	dx

Jn = <łP»nE + qD„ —

Jp = WpP^E~<1^DpJ£

q = q[p-n+N_D-N_A]

d²<p _ q

Od razu trzeba stwierdzić, że obliczenia takich modeli nie są w ogóle potrzebne ani dzisiejszym elektronikom hobbystom ani technikom elektronikom. Dla studentów -przyszłych inżynierów są ćwiczeniami rozszerzającym wiedzę, ale ich praktyczna przydatność również jest ograniczona. Niemniej każdy elektronik powinien z grubsza rozumieć, skąd w ogóle wziął się pomysł tych dziwnych schematów zastępczych i nie mniej dziwnych parametrów.

A powód jest taki, że tranzystor to bardzo dziwne „zwierzę”. Już wcześniejsze rozważania pokazały, że w tranzystorze można mówić co najmniej o dwóch różnych rezystancjach: statycznej i dynamicznej, %    a więc wbrew prymitywnym

„.jMjj    „wyjaśnieniom” tranzystor na

. pewno nie jest jedynie zmien-|    '■ nym rezystorem sterowanym

prądem bazy, jak wskazuje ^{Wys> 7}    przekreślony rysunek 7.

To czym jest? Jak się zachowuje? Jak to opisać? Jak sobie wyobrazić jego działanie?

Ano właśnie - „zwyczajny” tranzystor jest trzykońcówkowym elementem o bardzo dziwnych właściwościach, które niełatwo opisać i precyzyjnie ująć matematycznie. Problem też w tym, że tranzystor inaczej zachowuje się przy prądzie stałym, inaczej przy prądzie zmiennym małej częstotliwości, a zupełnie inaczej przy dużych częstotliwości radiowych Niektóre tranzystory w ogóle nie nadają się do pracy przy wysokich częstotliwościach. Ponadto na parametry tranzystora znaczny wpływ ma temperatura, a właściwości wzmacniające zależą od zastosowanego układu pracy, czyli od elementów zewnętrznych oraz od wartości prądów i napięć.

Nie można więc precyzyjnie opisać tranzystora prostymi słowami czy prostym wzorem. Jeśli ma to być prosty opis, to na pewno będzie to opis uproszczony i niepełny Z kolei w miarę pełny opis byłby bardzo skomplikowany. Precyzyjne opisanie wszystkich właściwości tranzystora w sposób matematyczny,

Rys. B Rys. 9

flbc

czyli za pomocą wzorów, jest wprawdzie możliwe (rysunek 5), ale wynikające z tego obliczenia byłyby bardzo trudne, wręcz zbyt trudne. Jeszcze bardziej skomplikowane byłyby takie precyzyjne obliczenia dotyczące realnych układów pracy tranzystora. Dlatego od dawna stosuje się bardziej i mniej uproszczone schematy zastępcze i modele, które znacznie ułatwiają obliczen:a.

Najbardziej uproszczonym, ale niepełnym układem zastępczym tranzystora jest sterowane źródło prądowe według rysunku 8a, a znacznie lepszym pokazany na rysunku 8b model z diodą. Na rysunku 8c pokazany jest ten sam model z innych symbolem graficznym źródła prądowego.

Ale już tu pojawia się problem - co to jest to źródło prądowe? Łatwo jest zrozumieć pojęcie idealnego źródła napięciowego - takie idealne źródło napięciowe to element, w którym napięcie wyjściowe nie zależy od obciążenie, czyli od rezystancji dołączonego obciążenia i od wartości pobieranego prądu. Tego rodzaju właściwości ma potężny akumulator - napięcie na jego zaciskach praktycznie nic zależy od wartości pobieranego prądu.

Sęk w tym, że potrzebne nam teraz analogiczne pojęcie źródła prądowego to... wytwór wyobraźni, nicmający „namacalnego’ odpowiednika w naszym realnym świecie. Źródło prądowe to hipotetyczny element, który dostarcza prądu o niezmiennym natężeniu, niezależnie od oporności obciążenia (a więc niezależnie od rezystancji obciążenia i od napięcia panującego na zaciskach tego źródła prądowego). W naszym świecie idealnych źródeł prądowych... nie ma. Jednak pojęcie źródła prądowego jest bardzo pożyteczne, bo właśnie tranzystor ma pewne właściwości (ale nie wszystkie) źródła prądowego.

Idealne, hipoteiyczne źródło prądowe nie reprezentuje dokładnie właściwości tranzystora, ale dla prądu stałego i przebiegów małej częstotliwości jest to najprostszy model tranzystora, odzwierciedlający kluczowe właściwości tego elementu, w szczególności wspomniane wcześniej rezystancję statyczną i dynamiczną.

Do dokładniejszych obliczeń opracowano lepsze modele. Przykładowo, wcześniejszy rysunek 6 pokazuje popularny model tranzystora Ebersa-Molla, a rysunek 9 pokazuje model tranzystora typu „hybryd 11”.

Dość często traktuje się zastosowany w danym układzie pracy tranzystor jako „czarną skrzynkę” i opisuje właściwości za pomocą dziwnych na pierwszy rzut oka parametrów (impedancyjnych, hybrydowych lub admitancyjnych). na przykład Zn, Z12, Z21, Z12 czy hu, h|₂, h₂t, hj₂ lub yu, yi₂, y₂i, yi:, a dla bardzo wysokich częstotliwości także parametrów oznaczonych s. Rysunek 10 przedstawia przykład trzech równoważnych postaci

Listopad 2005

Elektronika dla Wszystkich