Tranzisztoros kapcsolásokat hogyan tudnám megérteni?

Itt van a földelt emitteres kapcsolás:

[link]

Általában megválasztják a kollektoráramot (IC), a kollektorfeszültséget (UC), és az emitterfeszültséget (UE). Az emitter ellenállás a munkapont stabilizálás miatt szükséges. Minél nagyobb az emitter ellenállás annál jobb a stabilitás, de annál nagyobb feszültséget veszítünk el a tápfeszültségből. Ezek alapján meghatározható a kollektor és emitter ellenállás.

A kollektor ellenállás: RC=(Ut−UC)/IC=(Ut−UCE−UE)/IC

Az emitter ellenállás: RE=UE/IE≈UE/IC

A munkapontot az R1 és R2 ellenállásokból álló bázisosztóval állítják be. A bázisosztó alsó tagján folyó áram: I0, a felső tagján folyó áram I0+IB. Megválasztják I0 értékét, általánosságban a bázisáramnak kb. 5-20-szorosára. Minél nagyobb az I0 az IB-hez képest, annál jobb a stabilitás, de annál kisebb a bemeneti ellenállás.

A bázisáram: IB=IC/hFE

Az osztó alsó tagján (R2-n) folyó áramot megválasztják például a bázisáram tízszeresére:

I0=10·IB

Így már számíthatók a bázisosztó ellenállásai:

R2=UB/I0=(UE+UBE)/I0

R1=(Ut−UB)/(I0+IB)=(Ut−UBE−UE)/(I0+IB)

Azt, hogy mekkorára választják meg a kollektoráramot, kollektorfeszültséget, emitter feszültséget különböző szempontok alapján döntik el. A fokozat működése: ha a bemeneti jelet növeljük, akkor növekszik a bázisfeszültség, ennek hatására növekszik a bázisáram. A bázisáram növekedése miatt növekszik a kollektoráram is. A nagyobb kollektoráram a kollektor ellenálláson nagyobb feszültséget ejt, a kollektorfeszültség csökken, vagyis a fokozat fázist fordít. A kollektoráram növekedése a bázisáram növekedésének áramerősítés szerese, vagyis a kollektoráram változás sokkal nagyobb, mint a bázisáram változás. Ez azt jelenti, hogy a tranzisztor a bemenetre vezetett jelet felerősíti.

Cbe és Cki kondenzátorok szerepe a bemenet és kimenet felé a fokozat egyenáramú leválasztása. Vagyis, hogy a jelforrásra ne kerüljön rá a bázison levő egyenfeszültség, illetve a kimeneten ne jelenjen meg a kollektor egyenfeszültség. A CE emitterkondenzátor szerepe a negatív áramvisszacsatolás megszüntetése. Ez úgy jön létre, hogy vezérléskor a kollektor váltakozóárama átfolyik az emitter ellenálláson, amelyen feszültséget ejt. Ez a feszültség a bemeneti feszültséggel fázisban van. Emiatt a tranzisztort vezérlő feszültség nem Ube lesz, hanem csak Ube−UE, itt UE az emitteren eső váltakozófeszültség. Mivel ezt a kimeneti áram hozza létre az emitter ellenálláson, ezért nevezik negatív áramvisszacsatolásnak. Ha az emitter ellenállást váltakozóáramúlag rövidrezárjuk egy kondenzátorral, akkor a negatív áramvisszacsatolás megszűnik. Cbe, Cki és CE alacsonyfrekvencián szerepüket csak addig a frekvenciáig képesek betölteni, amíg a reaktanciájuk jóval kisebb, mint a hozzájuk kapcsolódó ellenállások.

1-es vagyok, egy gyakorlati példán talán még jobban érthető lesz.

Válasszuk a következő értékeket: Ut=24 V, UE=4 V, UC=14 V, IC=0,5 mA

A tranzisztor legyen 2N4401, amelyre IC=0,5 mA-nél hFE≈100 és UBE≈0,6 V

RC=(Ut−UC)/IC=(24−14)/0,5=20 kΩ

IB=IC/hFE=500/100=5 µA

RE=UE/IE=UE/(IC+IB)=4/(0,5+0,005)=7,92 kΩ

A legközelebbi szabványérték RE=8,2 kΩ. Ezzel egy kissé megnő az emitter feszültség:

UE=(IC+IB)RE=(0,5+0,005)·8,2=4,14 V

Ennek megfelelően a bázisfeszültség:

UB=UE+UBE=4,14+0,6=4,74 V

A bázisosztó alsó tagján folyó áramot válasszuk a bázisáram 20-szorosára:

I0=20IB=20·5=100 µA

A bázisosztó alsó tagja: R2=UB/I0=4,74/0,1=47,4≈47 kΩ

A bázisosztó felső tagja: R1=(Ut−UB)/(I0+IB)=(24−4,74)/(0,1+0,005)=183,4≈180 kΩ

Most pedig próbáljuk ki az LTspice áramkör szimulátorban:

[link]

Az összeállított kapcsolásban a feszültségek és áramok eléggé jól egyeznek a számított értékekkel. Eltérés abból adódik, hogy az áramkör szimulátorban levő tranzisztor áramerősítése kissé nagyobb 100-nál, hFE≈110, illetve az ellenállások értékei szabványértékre lettek kerekítve. A bemeneti feszültség csúcsértéke 1 mV, ez felül pirossal látható (illetve annak 100-szorosa, különben nem lenne jól látható) és zölddel a kimeneti feszültség, amelynek csúcsértéke 350 mV. Ebből adódik, hogy a fokozat feszültségerősítése rákapcsolt terhelés nélkül 350-szeres, illetve jól látszik, hogy a kimeneti jel és bemeneti jel ellentétes fázisú. Ebben a kapcsolásban a tranzisztor torzítása meglehetősen nagy, például a bemeneti feszültséget 10-szeresére növelve a kimeneti szinuszjel már jól láthatóan torzul. Ezért érdemes ilyen kis feszültségekkel vizsgálni.