44 10 tranzystor18 cegirlki, Podstawy
[ Pobierz całość w formacie PDF ] Pierwsze kroki Tranzystory dla początkujących część 18 Cegiełki Zgodnie z obietnicą z ubiegłego miesiąca, zapoznam Cię z kolejnymi “cegiełkami” stosowanymi w praktycznie budowanych wzmacniaczach. Nie przegap tego materiału, bo na koniec przygotowałem niespodziankę, która niewątpliwie sprawi Ci dużo radości. Źródła prądowe i układy powtarzania prądu wości układu z rysunku 12a, ale prościej można je polepszyć dodając niewielkie rezystory emiterowe wg rysunku 12c. Układy powtarzania prądu, pełniące także często rolę źródeł prądowych, zbu− dowane według rysunku 12, wykorzysty− wane są bardzo często, ponieważ umożli− wiają uniezależnienie parametrów układu od zmian napięcia zasilającego. Wtedy na przykład wzmacniacz pobiera niemal taki sam prąd spoczynkowy w bardzo szero− kim zakresie napięć zasilających. Połączenie równoległe W celu zwiększenia prądu oraz mocy strat, kilka tranzystorów niekiedy łączy się równolegle. Wtedy nie zyskuje się żad− nych specjalnych właściwości − po prostu powstaje tranzystor większej mocy. Bu− dując potężny zasilacz albo wzmacniacz audio większej mocy, będziesz łączył tranzystory równolegle. Ale nigdy nie we− dług rysunku 13. Zastanów się, dlaczego? Czym to grozi? A może zaproponujesz dobranie jedna− kowych tranzystorów, z jednej serii produk− cyjnej i dodatkowo selekcjonowanych? Słusznie! Ale i wtedy nie wolno stosować połączenia według rysunku 13. Dlaczego? A z jaką dokładnością dobierzesz te tranzystory? Czy naprawdę będą idealnie jednakowe? Źródło prądowe i układ powtarzania prądu poznałeś już wcześniej, gdy oma− wialiśmy podstawowe właściwości tran− zystora w obwodach prądu stałego i roz− ważaliśmy wpływ temperatury. Na rysun− ku 12 zobaczysz schemat prostego i bar− dziej rozbudowanego układu powtarzania prądu. Dodanie trzeciego tranzystora wg rysunku 12b znacznie poprawia właści− Rys. 12 Rys. 13 E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99 31 Pierwsze kroki Właśnie − nigdy nie będą idealnie jed− nakowe. A dodatkowo pojawią się różni− ce wynikające choćby z różnej długości ścieżek czy przewodów w obwodach baz i emiterów. I już bardzo drobne różnice wystarczą do zepsucia całej kosztownej baterii tranzystorów. Zacznie się to wszy− stko przy dużym sumarycznym prądzie, przekraczającym dopuszczalny prąd jed− nego tranzystora. Rozpocznie się od jed− nego z tranzystorów, przez który będzie płynął prąd odrobinę większy niż przez in− ne tranzystory. Ten jeden tranzystor na− grzeje się minimalnie bardziej niż inne... To zapoczątkuje katastrofę. Jak pamię− tasz, wzrost temperatury powoduje zmniejszenie napięcia U BE (a przy stałym napięciu U BE powoduje szybki wzrost prą− du bazy i kolektora). W tym wypadku na− pięcie U BE będzie takie samo jak w pozo− stałych tranzystorach, a więc prąd tego najcieplejszego tranzystora będzie wzra− stał. Wzrost prądu (przy niezmiennym na− pięciu U CE ) oznacza wzrost mocy strat i dalszy wzrost temperatury tego jednego tranzystora. To jeszcze bardziej zwiększy prąd, temperaturę i... w końcu ten jeden tranzystor przejmie na siebie cały prąd z innych, coraz chłodniejszych tranzysto− rów. Oczywiście po krótkim czasie tem− peratura nadmiernie wzrośnie i ten tran− zystor zostanie uszkodzony. Jeśli się ze− wrze, oznacza to koniec zabawy − urzą− dzenie przestanie działać, niemniej uszkodzeniu ulegnie tylko ten tranzystor. Co jednak bardziej prawdopodobne, ten przeciążony tranzystor nie zewrze się, tyl− ko rozewrze. Wtedy cały prąd przejmą pozostałe ocalałe tranzystory. Po pew− nym czasie jeden z nich będzie miał tem− peraturę minimalnie wyższą niż inne... Sytuacja powtórzy się i to właśnie on “strzeli” w następnej kolejności. Potem następny, i tak kolejno uszkodzą się wszystkie. Miła perspektywa! Aby zapobiec nieszczęściu, wystarczy w obwodach wszystkich emiterów do− dać niewielkie rezystory według rysunku 14, by przy największym spodziewanym Rys. 14 się napięcia wyjścio− wego, a ponadto w spoczynku pobie− ra znaczny prąd. W EdW3/99 na ry− sunku 11b na stro− nie 65 podałem Ci schemat symetrycz− nego wtórnika, jaki bywa stosowany czasem w praktyce. Nieporównanie czę− ściej stosuje się jed− nak prostszy i lepszy układ, mający podobne właściwo− ści. Dotyczy to zwła− szcza stopni wyj− ściowych większej mocy, w tym stopni końcowych wzmacniaczy audio. Etapy rozwoju takiego układu i kolejne odmiany stosowane w praktyce zobaczysz na ry− sunku 16. Dla ułatwienia analizy załóżmy, że układy są zasilane napięciem syme− trycznym. Z dwóch okładów z rysunku a robimy najpierw prościutki układ z rysunku b. W spoczynku nie pobiera on prądu. Nie− stety, w zakresie napięć wejściowych ±0,6V żaden z tranzystorów nie przewo− dzi. Jest to poważna wada. Można ją wy− eliminować na wiele sposobów. Rysunek c pokazuje sposób z wykorzystaniem diod. Spadek napięcia na diodach jest mniej więcej taki, jak napięcie U BE tranzy− storów, więc oba tranzystory są na grani− cy przewodzenia (płynie przez nie jakiś maleńki prąd spoczynkowy. Liniowość ta− kiego symetrycznego wtórnika jest znacznie lepsza, niż poprzedniego układu, jednak też nie jest rewelacyjna. Ponadto trudno kontrolować drobne różnice i (temperaturowe) zmiany napięć diod i napięć U BE tranzystorów, które będą po− wodować znaczne zmiany prądu płynące− go przez tranzystory (zwłaszcza przy róż− nych temperaturach diod i tranzystorów). Dlatego w praktyce bywa czasem stoso− prądzie tranzystora, spadek napięcia na tym dodatkowym rezystorze wynosił 0,1...0,4V. W zasadzie czym więcej, tym lepiej, jednak nie warto przesadzać, bo w rezystorach tych przy dużych prądach będzie się wydzielać znaczna moc strat. Połączenie szeregowe tranzystorów W literaturze znajdziesz być może wskazówki, jak połączyć kilka tranzysto− rów niskonapięciowych w wysokonapię− ciowy. Towarzyszyć temu będzie sche− mat podobny jak na rysunku 15. Obejrzyj taki schemat, uśmiechnij się i... zapomnij. Nigdy nie będziesz stosował takich “wy− nalazków”. Dziś dostępne są przyzwoite tranzystory wysokonapięciowe i napraw− dę nie ma potrzeby zawracać sobie gło− wy schematem z rysunku 15. Tylko jedno wyjaśnienie − może cza− sem zbudujesz wzmacniacz wysokona− pięciowy w układzie kaskodowym (rysu− nek 6). Pamiętaj, że tylko górny tranzy− stor ma być wysokonapięciowy. Dolny zawsze pracuje przy niskim napięciu i może to być jakikolwiek tranzystor o od− powiednim prądzie kolektora. Rys. 15 Wyjście przeciwsobne Prawdopodobnie zauważyłeś, że omówione wcześniej wzmacniacze OC, OE i OB mają niezbyt dobre właściwości wyjściowe. Nawet najlepszy pod tym względem układ OC nie zachowuje się jednakowo przy wzroście i zmniejszaniu Rys. 16 32 E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99 Pierwsze kroki wany sposób z rysunku d, gdzie dodatko− we rezystory stabilizują punkt pracy tran− zystorów i wyznaczają prąd spoczynko− wy. Oczywiście suma spadków napięcia na tych niewielkich rezystorach jest rów− na napięciu przewodzenia dwóch dodat− kowych diod. Zmieniając wartości R E1 iR E2 można ustalić potrzebny w danym zastosowaniu prąd spoczynkowy. W praktycznych układach taki stopień wyjściowy jest sterowany “od dołu” przez tranzystor NPN. Wtedy zamiast czterech diod, wystarczą trzy wg rysunku e. A jeszcze częściej do ustalenia punktu pracy tranzystorów wyjściowych, za− miast diod, wykorzystuje się układ z ry− sunku f. Zastanów się nad działaniem tranzystora i potencjometru. Już rysunki d, e sugerują, iż zastępuje on kilka diod. W samej rzeczy − potencjometr umożli− wia płynną regulację “liczby diod”, a tym samym płynną regulację prądu spoczyn− kowego. A najważniejsze, że taka “zwie− lokrotniona dioda” ma charakterystyki termiczne podobne jak zestaw diod. Ten dodatkowy tranzystor montuje się blisko tranzystorów wyjściowych (na radiatorze) i wtedy przy zmianach temperatury tran− zystorów prąd spoczynkowy prawie się nie zmienia. W stopniach większej mocy spotyka się darlingtony, zwykłe i komplementarne − zobacz rysunek g, a także rysunek h, gdzie oba wyjściowe tranzystory (mocy) są typu NPN. Tranzystor sterujący może być umieszczony “u góry”, jak na rysun− ku g, albo “na dole”, jak na rysunkach e, f, h. Zamiast rezystora dość często stoso− wane bywają źródła prądowe, jak na ry− sunku h. W praktyce zwykle dodaje się jeszcze obwody ograniczania prądu, jak na rysun− ku i. Wtedy nawet przy zwarciu wyjścia, prąd maksymalny zostanie ograniczony do wartości około 0,6V/R E . Przy okazji drobna dygresja. Jeśli w spoczynku przez tranzystory płynie du− ży prąd, a w czasie pracy prąd żadnego z tranzystorów nie spada do zera, mówi− my o pracy w klasie A (np. rysunek 16a). Gdy w spoczynku tranzystory są na pro− gu przewodzenia, a prąd pojawia się do− piero po pojawieniu się sygnału, mamy do czynienia z klasą B (np. rys. 16c). Gdy w spoczynku prąd nie płynie i nawet przy małych sygnałach tranzystory są zatkane, mamy do czynienia z klasą C (np. rys. 16b). Klasa A oznacza małe zniekształce− nia, ale duże straty mocy. Oszczędne kla− sy B i C wiążą się niestety z dużymi znie− kształceniami. Dlatego w praktyce wy− znacza się pracę stopnia w głębszej lub płytszej pośredniej klasie AB, stosując układy z rysunków 16d...i ustalając kom− promisowo prąd spoczynkowy. Czym większy ten prąd, tym mniejsze znie− kształcenia. Oczywiście, są to tylko ogól− ne zasady i w rzeczywistości ustalając wartość prądu spoczynkowego należy uwzględnić szereg innych czynników. Ta− kie rozważania wykraczają jednak poza ramy niniejszego cyklu. z dwoma jednakowymi rezystorami w obwodach kolektorowych tranzysto− rów. Bardzo często wykorzystuje się sy− gnał z obu kolektorów, czyli różnicę na− pięć na kolektorach. Mówimy wtedy o wyjściu różnicowym . Może zresztą widziałeś ten układ w nieco odmiennej postaci, pokazanej na rysunku 18 i nazywanej wzmacniaczem różnicowym. Różnicowym, ponieważ za− równo wejście i wyjście są różnicowe. Wzmacniacz różnicowy Teraz kolejny ważny układ. Połączmy dwa wzmacniacze (OC i OB) w jeden – ilustruje to rysunek 17a i 17b. Rys. 17 Jakie właściwości będzie miał ten układ? Gdy napięcie w punkcie A rośnie, ro− śnie też napięcie na emiterze T1. Ponie− waż napięcie U BE tranzystora T2 maleje, zmniejsza się prąd płynący przez T2 i R C2 . Napięcie na kolektorze T2 (w stosunku) do masy rośnie. Do całkowitego zatkania tranzystora T2 wystarczy podnieść napię− cie wejściowe o kilkadziesiąt miliwoltów. Podobnie, aby go nasycić wystarczy obni− żyć je o kilkadziesiąt miliwoltów. Już to pokazuje, że układ ma duże wzmocnienie prądowe i napięciowe, podobnie jak wzmacniacz OE. Czy widzisz tu jakieś podobieństwa z układem OE? Czy nie masz wrażenia, że układ z rysunku 17b ma właściwości podobne jak wzmac− niacz OE, tylko nie odwraca fazy? Tu rzeczywiście rezystancja wejścio− wa będzie podobna jak w układzie OE − nie przeocz faktu, że obciążeniem tranzy− stora T1 wbrew pozorom nie jest rezy− stancja R E , tylko równoległe połączenie R E ir e tranzystora T2 − porównaj rysunek 4 w EdW 7/99. Wobec tego rezystancja wejściowa będzie niewielka, równa Rwe = 2r e Czyli tylko dwukrotnie większa niż w układzie OE. Natomiast wzmocnienie jest dwukrot− nie mniejsze i wynosi Ku = R C2 / 2r e Niemniej nie jest to tylko “nieodwra− cający odpowiednik wzmacniacza OE” − ten układ ma szereg cennych właściwo− ści, nie spotykanych we wcześniejszych wzmacniaczach. W praktyce występuje raczej w postaci jak na rysunku 17c − Sygnał wejściowy nie jest już podawany miedzy masę a jedno wejście, tylko mie− dzy dwa wejścia. Nie masz chyba wątpli− wości, że sygnał wyjściowy jest tu pro− porcjonalny do różnicy napięć na bazach obu tranzystorów . Czy tylko? Analiza matematyczna wzmacniacza różnicowego (z wykładniczą zależnością prądu kolektora od napięcia U BE ) przestra− szyła już niejednego początkującego adepta elektroniki. My nie będziemy się w to wgłębiać. Nie bój się – wzmacniacz różnicowy możesz na dobry początek po− traktować jako połączenie wzmacniaczy OC i OB jak na rysunku 17 – łatwiej bę− dzie Ci zrozumieć jego podstawowe wła− ściwości. Możesz założyć, że jedno wej− ście ma stały potencjał, a napięcie zmie− nia się tylko na drugim, albo odwrotnie. Tak jest, można powiedzieć, że układ ma “jednakowe właściwości z obu stron”. Potem powinieneś podejść do niego ina− czej. Już schemat z rysunku 18 wskazu− je, że jest to układ symetryczny. Jak to ro− zumieć? Od czego zacząć? Uważaj − przez wspólny rezystor emi− terowy R E płynie jakiś prąd I E . Pomińmy prądy baz − wtedy powiemy, że prąd I E jest sumą prądów kolektora obu tranzy− storów. Zaznaczyłem to na rysunku 18. Czy prądy I C1 , I C2 będą równe? To zależy od różnicy napięć na bazach obu tranzystorów − zauważ, że to różnica napięć na bazach zmienia rozpływ prądu “emiterowego” pomiędzy dwa tranzy− story, a tym samym zmienia różnicowe napięcie wyjściowe. Jasne? E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99 33 Pierwsze kroki A co wte− dy, gdy na oba wejścia poda− my takie sa− me napięcie względem masy (lub ze− wrzemy je i podamy na oba jakieś na− pięcie zmien− ne)? Podaje− my więc na zwarte wej− ścia napięcie współbieżne. Przeanalizuj układ samo− dzielnie, pomiń prąd bazy. Pomoże Ci ry− sunek 19 (przyjąłem takie wartości na− pięć i rezystancji, żeby było łatwiej li− czyć). Jakie będzie napięcie wyjściowe, gdy punkt A zewrzesz do masy? A jakie, gdy podasz nań napięcie stałe +4V, a potem −4V? Policz to! tomiast różnicowe napięcie wyjścio− we... stop, stop, za szybko. Tu pójdzie nam trochę trudniej. Rysunek 19 suge− ruje, że różnicowe napięcie wyjściowe cały czas jest takie samo (równe zeru). W rzeczywistości aż tak dobrze nie jest − gdy napięcia na bazach będą minimal− nie się różniły i będą się różniły prądy I C1 , I C2 , wtedy wpływ zmian napięcia współbieżnego będzie zauważalny. Ilu− struje to rysunek 20a, b, c, gdzie to sa− mo niewielkie różnicowe napięcie wej− ściowe U3 (nie ważne jakiej wartości − rzędu miliwoltów) powoduje podział prądu I E w stosunku 2:1. Analiza rysun− ków 20a, b, c wykazuje, że choć różni− cowe napięcie wejściowe cały czas jest takie samo (U3), jednak napięcie współ− bieżne U4 ma wpływ na różnicowe na− pięcie wyjściowe. Już zapewne zdąży− łeś zauważyć, że zmiany te wynikają ze zmian prądu IE (i tym samym I C1 , I C2 ). Co zrobić, by napięcie współbieżne nie zmieniało prądu I E ? Masz jakiś pomysł? Świetnie! Wystarczy zamiast rezystora R E za− stosować źródło prądowe według ry− sunku 21. Gdy źródło prądowe jest idealne, to... no właśnie, wtedy prąd I E zawsze jest taki sam i w konse− kwencji na− pięcie współ− bieżne zupeł− nie nie wpły− wa na napię− cia wyjścio− we − przeana− lizuj to samo− dzielnie. Fa− chowo po− wiemy, że taki układ ma nieskończenie wielki współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego. Ten współczynnik tłu− mienia sygnału współbieżnego po an− gielsku nazywa się Common Mode Re− jection Ratio − w skrócie CMRR. Zapa− miętaj − często będziesz go spotykał. W praktyce źródło prądowe nie jest ide− alne, niemniej jednak znalazłeś skutecz− ny sposób na uniezależnienie się od na− pięć współbieżnych. Wtedy wzmocnie− nie sygnału wspólnego jest bliskie zeru, natomiast wzmocnienie różnicowych sygnałów wejściowych jest znaczne (wyznaczone przez R C /r e ). A może jeszcze coś się uda ulepszyć? Ulepszajmy dalej − zwięk− szmy wzmoc− nienie przez za− stosowanie w kolektorach źródeł prądo− wych zamiast rezystorów R C (rysunek 22). Taki zabieg ra− dykalnie zwięk− szy wzmocnie− nie (pod wa− runkiem, że do− łączona opor− ność obciąże− nia będzie bardzo duża, ale to już inny problem). W niektórych przypadkach nie zależy nam na dużym wzmocnieniu, a ważniej− sza jest liniowość. Jak się na pewno do− myślasz, wystarczy dodać rezystory w obwodach emiterów, a liniowość po− lepszy się kosztem wzmocnienia − zobacz rysunek 23. Już chyba się przekonałeś, że to fajny układ ten wzmacniacz różnicowy. Ale to jeszcze nie koniec. Zmorą wszystkich omawianych wcześniej wzmacniaczy OC, OE, OB była zależność wielu klu− Rys. 22 Rys. 19 I co? Okazuje się, że owszem, napięcia na kolektorach względem masy zmieniają się, ale zmieniają się jednocześnie. Na− Rys. 21 Rys. 20 34 E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99 Rys. 18 Pierwsze kroki czowych para− metrów od że w stopniu wejściowym zastosowa− łem tranzystory PNP, a nie NPN. Czy ten układ kojarzy Ci się z czymś? Ze wzmacniaczem z Elektora 6/99? Z każdym wzmacniaczem mocy? Słusznie! Prawie każdy tranzystoro− wy wzmacniacz mocy audio zbudowany jest na takiej mniej więcej zasadzie. A może jeszcze Ci się z czymś koja− rzy? Nie? Mój Drogi, dokonaliśmy właśnie wspólnie fantastycznego wynalazku – na rysunku 24 mamy prawdziwy wzmacniacz operacyjny! Zauważ, że ma on tylko pięć końcówek: dwie końcówki zasilania (plus i minus, bez żadnej ma− sy), wyjście i dwa wejścia (wejście róż− nicowe). Jeśli prześledzisz drogę sygna− łu, przekonasz się, że zwiększanie na− pięcia na wejściu A zwiększa napięcie wyjściowe. Wejście to nazywany wej− ściem nieodwracającym. Z kolei wzrost napięcia na wejściu B powoduje zmniej− szanie się napięcia na wyjściu. Wejście B jest wejściem odwracającym. Teraz wyobraź sobie, że ktoś wykonał taki wzmacniacz w postaci układu scalo− nego. Od tej chwili mniej ważne stają się szczegóły wewnętrzne − ogólne za− sady działania każ− dego wzmacnia− cza operacyjnego są takie same. Za− czynamy go trakto− wać jako czarną skrzynkę z dwoma wejściami, wyj− ściem i dwoma za− ciskami zasilania. Rysujemy go w po− staci jak na rysun− ku 25. Taki jest symbol wzmacnia− cza operacyjnego. W rzeczywisto− ści budowa we− wnętrzna współ− czesnych wzmac− niaczy operacyj− nych jest daleko bardziej skompliko− wana, niemniej ogólne podstawy budowy i działania są właśnie takie jak na rysunku 24. A tak na margine− sie − mniej więcej w ten sposób zbu− dowany jest popu− larny wzmacniacz operacyjny z kostki LM358. Jeśli nadążasz za mną, to właśnie poznałeś składowe tem− peratury. Załóżmy te− raz, że we wzmacniaczu różnicowym wykorzystuje− my dwa iden− tyczne tranzy− story, umie− szczone tuż obok siebie na jednej płytce krzemu. Jedna− kowe są nie tylko wymiary geometryczne, ale także wszystkie parametry. Tempe− ratura obu struktur też jest jednakowa. Co z tego? Nie będziemy wchodzić w szczegóły. Generalnie temperatura wpłynie na nie− które parametry, niemniej w sytuacji, gdy tranzystory są jednakowe, wpływ na ostateczne właściwości wzmacnia− cza będzie niewielki. Notujemy kolejną cenną właściwość pary różnicowej − znaczną niezależność parametrów od temperatury. Oczywiście w rzeczywistości podane warunki (identyczne parametry tranzy− storów, identyczna temperatura, ideal− nie źródło prądowe) nie są do końca spełnione i każdy realny wzmacniacz różnicowy nie jest doskonały. Jednak generalnie to właśnie wzmacniacz różni− cowy otwiera drogę do budowy poży− tecznych wzmacniaczy o właściwo− ściach praktycznie niezależnych od tem− peratury i innych szkodliwych czynni− ków. Rysunek 24 pokazuje bardzo prosty przykład realizacji takiego wzmacniacza. Układ jest zasilany napięciem syme− trycznym, ma wejście różnicowe (syme− tryczne) i wyjście niesymetryczne. Nie− wątpliwie ma bardzo duże wzmocnienie różnicowe... Chyba Ci nie przeszkadza, Rys. 25 Rys. 23 cegiełki oraz podstawy działania wzmac− niacza operacyjnego. Teraz nie pozosta− je mi nic innego, tylko w najbliższym czasie zacząć tak długo oczekiwany cykl na ten temat. Ale cyklu o tranzystorach nie kończę. Listy nadsyłane w tej spra− wie świadczą, że na łamach EdW po− winny równolegle pojawiać się oba te− maty. W najbliższym czasie zajmiemy się zarówno wzmacniaczami operacyj− nymi, jak i tranzystorami. Piotr Górecki Rys. 24 E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/99 35
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pldoc.pisz.plpdf.pisz.plstyleman.xlx.pl
|