BOSNA I HERCEGOVINA FEDERACIJA BOSNE I HERCEGOVINE TUZLANSKI KANTON JAVNA USTANOVA MJEŠOVITA SREDNJA ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA TUZLA ELEKTRONIKA III PRORAČUN POJAČAVAČA U SPOJU SA ZAJEDNIČKIM EMITOROM Laboratorijska vježba - II Profesori: Salih Saračević, dipl.ing.elektro. mr.sc. Sejfudin AGIĆ, dipl.ing.elektro. Muhameda Hevaija Uskufija 2, 75000 Tuzla Tel/Fax : +387 35 281-167 ets . tz @ bih . net . ba www . etstuzla . edu . ba www.etsedu.org/moodle/
21
Embed
Vjezba II - Proracun pojacavaca SZE Emir Halilovic 3T1.doc
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BOSNA I HERCEGOVINAFEDERACIJA BOSNE I HERCEGOVINE
TUZLANSKI KANTONJAVNA USTANOVA MJEŠOVITA SREDNJA
ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA TUZLA
ELEKTRONIKA III
PRORAČUN POJAČAVAČA U SPOJU SA ZAJEDNIČKIM EMITOROM
Budući da tranzistor ima vrlo malu ulaznu i vrlo veliku izlaznu impedancu, on se kao pojačavač približava idealnom strujnom pojačavaču. U ovoj vježbi ćemo analizirati istosmjerni (statički) i izmjenični (dinamički) režim rada pojačavač sa uzemljenim emitorom i RC spregom.
Šema pojačavača je data na slici 1.1. Istu šemu bismo mogli nacrtati i tako da na ulazu pobudni generator bude naponski, pa se onda radi o pojačavaču napona, a mi ćemo govoriti o pojačavaču struje u spoju sa zajedničkim emitorom. Ovo u stvari nije bitna razlika, jer se strujni generator može predstaviti kao naponski, a naponski kao strujni.
Slika 1.1. Šema tranzistorskog pojačavača u spoju sa ZE
Pojačavački elementi, kao što su: tranzistori, fetovi, i mosfetovi napajaju se iz izvora istosmjerne struje. Na njihovim elektrodama postoji istosmjerni napon, a kroz njih protiče istosmjerna struja. Kažemo da se elementi i pojačavač nalaze istosmjernim ili statičkom režimu rada.
Tek kada su elementi priključeni na izvor istosmjernog napona, kada se nalaze u istosmjernom režimu rada, promjenom istosmjernog napona ili istosmjerne struje na ulazu, odnosno dovođenjem pobudnog signala na ulaz (govornog, audio, video ili signala nekog drugog talasnog oblika, npr. izmjeničnog, jer u osnovi svakog signala se nalazi prostoperiodični, sinusoidalni signal) elementi, uređaji, sklopovi će izvršavati funkciju zbog koje su napravljani, tj. raditi kao pojačavač. Kažemo da se elementi i pojačavač nalaze u izmjeničnom ili dinamičkom režimu rada .
Cilj ove vježbe je isključivo analiza statičkog režima rada i mjerenja istosmjernih struja i napona na pojačavaču u spoju zajednički emitor pa preporučujem da materijal sa interneta ne bude previše uopšten već na temu: statički režim rada pojačavača.
2
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera je na izvjestan način kompromis između pojačala u
spoju zajedničke baze i zajedničkog kolektora te se zbog svojih svojstava koristi vrlo često u
niskofrekventnim ulaznim stupnjevima pretpojačala i pojačala snage. Za pojačalo u spoju
zajedničkog emitara vrijedi da ono ima:
prihvatljivu veličinu ulaznog otpora (red veličine 1 kOhm) i izlaznog otpora,
veliko strujno i zadovoljavajuće naponsko pojačanje za mali signal unutar
frekvencijskog područja karakterističnog za spektar frekvencija tonskog signala.
Slika 1.1 Pojačalo u spoju zajedničkog emitera
Pojačanje struje
Slika 1.2 Ulazna otpornost
3
Pojačala s jednim tranzistorom ne udovoljavaju zahtjevima visokokvalitetne reprodukcije
zvuka te se u niskofrekventnoj tehnici izvode pretpojačala s dva i više tranzistora, gdje se
samom konstrukcijom pojačala ispunjavaju svi zahtjevi u pogledu ulazne i izlazne
impedancije, nelinearnih izobličenja i svih drugih parametara pojačala.
Pojačalo je u spoju zajednickog emitera je elektronički sklop sa bazom u ulaznom krugu,
kolektorom u izlaznom krugu a emiter je zajednička elektroda za ulaz i izlaz kruga
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera je pojačalo i najećim strujnim i naponskim pojačanjem,
te pojačanjem snage.
Pojačavač sa zajedničkim emitorom može imati veliko naponsko i strujno
pojačanje, ulazna otpornost mu nije velika, dok je izlazna otpornost određena vrednošću
otpornika u kolu kolektora i obično ima veliku vrednost. Naponsko pojačanje je negativno što
znači da u slučaju naizmeničnog pobudnog napona pojačavač sa zajedničkim emitorom
unosi
faznu razliku od 180 stepeni između ulaznog i izlaznog signala, odnosno obrće fazu.
Slika 1.3 Izlazna otpornost
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s potpunom negativnom povratnom vezom Otpornik RE u emiterskom krugu tranzistora služi za temperaturnu stabilizaciju statičke radne točke. Ta vrsta stabilizacije temelji se na istosmjernoj negativnoj povratnoj vezi. Shema pojačala prikazana je na slici
4
Slika 1.4 Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s potpunom povratnom vezom
Nadomjesna shema spoja pojačala za mali signal prikazana je na slici 1.5
Slika 1.5 Nadomjesna shema spoja pojačala u SZE za mali signal s potpunom NPV
Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s djelomičnom negativnom povratnom vezom Kod pojačala s djelomičnom povratnom vezom koriste se dva otpornika u seriji čiji je zbroj jednak otporu RE
RE=RE1+RE2
Drugi otpornik,RE „premošten“ je s CE, pa se zato ostvaruje djelomična povratna veza. Shema pojačala prikazana na slici 1.6
Slika 1.6 Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s djelomičnom povratnom vezom
5
1.2. OPIS I PRORAČUN STATIČKOG REŽIMA RADA POJAČAVAČA
Na slici 1.2. Prikazana je kompletna šema pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom.
BC107
Ucc
RcRb1
ReRb2
Cs1
Cs2
Ce
Slika 1.2. Elektronska šema pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom u Multisim-u
Izvršićemo njegovu statičku analizu pa su zbog toga na slici 1.3 prikazani samo elementi pojačavača odgovorni za njegov istosmjerni režim rada. Upravo vrijednosti tih elemenata (otpornika RC, RE, RB1 i RB2) treba izračunati i to tako da oni radnu tačku tranzistor „drže“ u sredini linearne oblasti statičkih karakteristika.
BC107
Ucc
RcRb1
ReRb2
Slika 1.3. Pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom sa komponentama odgovornim za statički radni režim
Na slici 1.3 nacrtane su i komponente istosmjernih struja i napona koje se pojave kada se uključi baterija (napajanje) UCC, tj. naponi UCEQ, UBEQ i URe.
6
UCEQ
URe
UBEQ
ICQ
IEQ
IBQ
I
UCEQUReUBEQ IEQI
KI
KII
KIII
Za izabrani NF tranzistor za male snage BC107 poznata je izlazna statička karakteristika, slika 1.4. Za pouzdan rad pojačavača izabran je položaj radne tačke Q približno u sredini linearnog područja karakterisitke, ucrtana je radna tačka i zatim pročitane vrijednosti pripadajućih struja i napona.
Sa karakteristike usvajamo vrijednosti struja i napona u radnoj tački Q (dodjeljujemo im dodatni indeks Q): ICQ≈5 mA, IBQ=15 μA i UCEQ≈4 V, a svakako je iz inženjerske prakse poznata vrijednost za UBEQ=0,7V (napon direktno polarisanog pn spoja baza-emiter).
Struju IE računamo kao: IEQ=ICQ+IBQ≈ICQ (logično, jer je IB rada μA tj. zanemariva)
Također, iz prakse poznato je:
- da bi pojačavač ostvarivao zadanu funkciju da treba usvojiti i vrijednost pada napona na otporu RE tako da on bude 10-20% vrijednosti napona napajanja UCC. Npr. neka je onda usvojena vrijednost URE≈0,2UCC,
- isto tako usvajamo i vrijednost struje koja teče iz napajanja kroz otpore RB1 i RB2 (slika 1.3) tako da je ona 10 do 20 puta veća od struje IBQ. Npr. neka je I≈10IB.
Napon napajanja pojačavača je uvijek poznat i neka za ovaj slučaj iznosi UCC=10V.
Slika 1.4. Izlazna statička karakkteristika za tranzistor BC107
Zaključujemo, na osnovu usvojenih vrijednosti iz prakse i pročitanih vrijednosti sa statičke karakteristike da su poznate vrijednosti struja i napona (prema statičkoj karakteristici) za BC107 su:
Usvojene vrijednosti iz prakse potrebne za proračuna i napon napajanja su:
- URE≈0,2UCC, I≈10IB, UCC=10V
7
ICQ=5,2 mAICQ≈5 mA
UCEQ=3,85 VUCEQ≈4 V
IBQ=15 μA
Primjenjujući znanja iz Osnova elektrotehnike i zatvaranjem kontura na slici 1.3, a prema II Kirhofovom zakonu možemo izračunati:
I. Vrijednosti otpora RC računamo tako da pojačavač radi u izabranoj radnoj tački Q, uzimajući da je pad napon na otporniku RE približno jednak 20% od napona napajanja UCC, tj. URE≈0,2UCC.
Zatvaranjem konture KI u izlaznom kolu (slika 1.3):
-UCC+ICQRC+UCEQ+URE=0 iz čega slijedi:
II. Vrijednosti otpora RE računamo iz poznatog pada napona na njemu usvajajući da je IEQ≈ICQ:
URE=IEQRE pa je:
III. Vrijednosti otpora RB1 računamo usvajajući da je struja I (slika 1.3) približno 10 puta veća od struje baze IBQ (I≈10IBQ)
Zatvaranjem konture KII, u ulaznom kolu preko RB1, a onda preko UBEQ i URE:
-UCC+IRB1+UBEQ+URE=0 iz čega slijedi:
IV. Vrijednosti otpora RB2 računamo opet usvajajući I≈10IBQ.
Zatvaranjem konture KIII, u ulaznom kolu preko RB2, pa ponovo UBEQ i URE:
IRB2-UBEQ-URE=0 iz čega slijedi:
Da bismo nacrtali kompletan pojačavač usvajamo, također, i vrijednosti za kapacitete kondenzatore CS1=CS2= 47nF i CE = 470μF, Sad možemo nacrtati kompletnu elektronsku šemu sa proračunatim i usvojenim elementima, kao na slici 1.5.
8
T1
BC107BP
Ucc
10 V
Rc800Ω
Rb148.7kΩ
Re400Ω
Rb218kΩ
Cs1
47nF
Cs2
47nF
C1470µF
Slika 1.5. Kompletan pojačavač sa slike 1.2 sa vrijednostima proračunatih elemenata
9
2. LABORATORIJSKA VJEŽBA
2.1. PRORAČUN STATIČKOG REŽIMA RADA VLASTITOG POJAČAVAČA
Treba proračunati elemente pojačavača u spoju zajednički emitor sa slike 1.2, realiziranog sa NPN bipolarnim tranzistorom prema vlastitom izboru iz biblioteke Multisim-a.
I. Prikazati proračun na način prikazan u teorijskom dijelu (poglavlje 1.2), sa svim proračunima, slikama i rezultatima. Voditi računa da treba usvojiti napon napajanja pojačavača UCC=12V.
1. Za vaš izabrani tranzistor snimiti izlaznu statičku karakteristiku prema uputstvu:
a) Statičku karakteristiku snimiti uz pomoć IU Analizatora (IV-Analyzer) uz simulacione parametre (Simulate param.: za struju 0<I<500mA i napon 0<V<15V).
b) Uz pomoć "linijara" postaviti vrijednosti UCE (neka je UCE≈6V) pa pročitati vrijednosti struja ICQ i IBQ.
c) Kliknuti u licu IV Analizatora na presjek linijara i karakteristike koja se nalazi u sredini linearnih oblasti karakteristike, tj. izabrati položaj radne tačke Q u toj oblasti. Za napon napajanja pojačavača usvojiti UCC=12 V, a napon UCEQ≈6 V. Pročitati vrijednosti struja ICQ i IBQ potrebnih za proračun. Usvojiti UBEQ≈0,7 V i I≈10IB.
d) Prikazati izlaznu statičku karakteristiku u Grapher-u.
2. Izvršiti proračun otpora RC, RE, RB1 i RB2, prema formulama sa strane 5 ovog dokumenta, iz poglavlju 1.2, uzimajući da je napon na otporniku RE približno URE≈0,2UCC.
3. Realizirati i prikazati elektronsku šemu sa slike 1.5, ali sa vrijednostima otpora koje ste proračunali za vaš tranzistor i njegov statički režim rada (vrijednosti iz tačke 2.).
4. Nakon toga pokrenuti simulacija pa izmjeriti pojedinačno napone u izlaznom kolu tranzistora:
prvo pad napona na otporu RC (URc), zatim napon na tranzistoru UCE i na kraju pad napona na otporu RE (URe),
Provjeriti da li vrijedi: URc + URe + UCE ≈ UCC
5. Ostalo je još samo da stavite ampermetar u kolektorsko kolo tranzistora. Izmjerite struju IC i provjerite da li vrijedi:
IC≈ICQ,
tj. da li dobivena struja, koja teče kroz pojačavača, probližno odgovara onoj koju ste izmjerili na izlaznoj statičkoj karakteristici.
II. Ponovo uraditi sve kao pod 3 4 i 5 ali vrijednosti proračunatih otpora uzeti iz niza E24 (slika 2.1), tj. najbližih vrijednosti onima koje se proizvode u praksi. (npr. nema otpornika od 400 Ω, ali ima od 390 Ω i 430 Ω, itd... Dakle uzmemo jedan od ova dva koje možemo naći na tržištu, veću ili manju vrijednost, prema svom izboru...).
Prikazati ponovo sve šeme i mjerenja!
10
Slika 2.1 Vrijednosti otpornika i za odgovarajuće tolerancije u nizovima E6, E12 i E24
Provjeriti ponovo da li vrijedi:
URc + URe + UCE ≈ UCC kao i IC≈ICQ
Kolika je razlika u odnosu na prethodno mjerenje?
2.2. IZRADA VJEŽBE PRORAČUN STATIČKOG REŽIMA RADA POJAČAVAČA
1.
Tranzistor 2N2222A u IV analyzer-uIBQ≈110mAICQ≈2AUCC=12VUCEQ=6VUBEQ≈0,7 V I≈10IB
.
11
Tranzistor 2N2222A u Grapher-u2. URE≈0,2UCC. IBQ≈110mAICQ≈2AUCC=12VUCEQ=6VUBEQ≈0,7 V I≈10IBQ