Praktická elektronika/BJT Zesilovače

Jak již bylo řečeno, zesilovače jsou taková elektronická zapojení, které dokáží zvětšit signál na vstupu a dodávat jej na výstup. K jejich realizaci se často využívají bipolární nebo unipolární tranzistory, případně elektronky. BJT zesilovače, kterými se zde budeme zabývat, jsou ty, které využívají bipolární tranzistory (od anglické zkratky bipolar junction transistor - „tranzistor s bipolárním přechodem“).

Ačkoliv se v současné době v moderních zesilovačích málokdy používají diskrétní tranzistory (často se využívají již hotové integrované obvody), my si princip zesilovačů vysvětlíme na jednoduchém zapojení s jedním bipolárním tranzistorem. I přes svou jednoduchost a minimální počet součástek jde však o zapojení plně funkční.

Základní zapojení

Jednostupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem.

Se společným emitorem proto, že emitor tranzistoru je spojen přes rezistor $R_{E}$ se zemí, která je společná pro vstup i výstup.

Pokud na vstup tohoto jednoduchého zapojení ($u_{1}$) přivedeme signál (proud), ten bude měnit bázový proud $I_{B}$ a tím zavírat a otevírat bipolární tranzistor. To způsobí, že se bude měnit pracovní bod tranzistoru na V-A výstupní charakteristice a tím i úbytek napětí mezi kolektorem a emitorem $U_{CE}$. Čím větší úroveň signálu tedy přivedeme na vstup, tím více se tranzistor otevře, zmenší se $U_{CE}$ a tím pádem i výstupní napětí $u_{2}$. Říkáme, že tento druh zesilovače je invertující, nebo také že obrací fázi o 180°.

Funkce

Představme si, že vstup zesilovače na obrázku je spojen se zemí. V takovém okamžiku není na výstupu žádný signál, tranzistor je však otevřen. Ten se totiž nachází v pracovním bodě (což je místo na V-A charakteristice), který je dán napětím $U_{CE}$ mezi kolektorem a emitorem a proudem $I_{B}$, který teče do báze.

Jaký je proud $I_{C}$? Podle druhého kirchhoffova zákona sestavíme následující rovnici:

$U_{CC}-I_{CE}\cdot R_{C}-U_{CE}-I_{CE}\cdot R_{E}=0$

Po vyjádření pak získáváme:

$I_{C}={\frac {U_{CC}-U_{CE}}{R_{C}+R_{E}}}$

Napětí zdroje $U_{CC}$ známe. Napětí $U_{CE}$ vhodně zvolíme z výstupních charakteristik použitého tranzistoru. Napětí $U_{BE}$ je úbytek na PN přechodu a pro jednoduchost se uvažuje jeho hodnota 0.6 V.

Teď již známe pracovní body tranzistoru (máme $U_{CE}$ a $I_{C}$) v klidovém stavu. Proč pracovní body? Pokud se podíváme na výstupní charakteristiky tranzistoru, zjistíme, že je jich více a závisí ještě na jednom proudu. Tomuto proudu se říká bázový. Tento proud se nastavuje pomocí rezistoru $R_{B}$ a můžeme pro něj sestavit následující rovnici:

$U_{CC}-I_{B}\cdot R_{B}-U_{BE}-I_{B}\cdot R_{E}=0$

Tedy po vyjádření:

$I_{B}={\frac {U_{CC}-U_{BE}}{R_{E}+R_{B}}}$

Teď již známe vše k tomu, abychom určili pracovní bod zesilovače v klidovém stavu (tedy ve stavu kdy na vstup nepřivádíme žádný signál). Poté co přivedeme jakýkoliv signál na vstup se změní proud báze a tudíž i jeho pracovní bod. Tranzistor se otevře, resp. zavře a tím se změní napětí $U_{CE}$ a tedy i výstupní napětí $u_{2}$.

Příklad zapojení

Schéma

schéma zesilovače

$U_{CC}$ – Napájení

$GND$ – uzemnění

$G$ – Generátor sinusového signálu

$OSC.$ – Osciloskop

$R_{B1},R_{B2};R_{B3},R_{B4}$ – Odporový dělič k nastavení pracovního bodu tranzistoru.

$R_{E}$ – Stabilizace pracovního bodu

$R_{C}$ – Určuje strmost zatěžovací přímky tranzistoru a je na něm závislé umístění pracovního bodu.

$C_{1},C_{2},C_{3}$ – Filtrace stejnosměrné složky procházejícího proudu.

$T_{1},T_{2}$ – Tranzistory v zapojení se společným emitorem.

Tranzistory zvolíme typu BC547B. Tento typ má hodnotu $h_{21E}=360$. Rezistory, které budeme potřebovat se dají vypočítat pomocí vzorců, které najdeme na další stránce. Pro oba stupně zesílení jsou vzorce stejné, jen změníme hodnou proudu na hodnotu, kterou chceme, aby daným stupněm procházel. Po výpočtech nám vyšli výsledky níže. Při kupování odporů se musíme spokojit pouze s hodnotami, které se vyrábí, takže vybíráme hodnotu nejbližší té, kterou jsme vypočítali.

Pro 1. stupeň, kterým chceme, aby protékal proud $I_{C}=20mA$:

$R_{B1}=24,5k\Omega$ ; $R_{B2}=2,5k\Omega$ ; $R_{E}=0,035k\Omega$ ; $R_{C}=0,375k\Omega$

Pro 2. stupeň, kterým chceme, aby protékal proud $I_{C}=50mA$:

$R_{B3}=48,2k\Omega$ ; $R_{B4}=58,99k\Omega$ ; $R_{E2}=0,15k\Omega$

Pro kondenzátory zvolíme hodnotu 10μF.

Výsledné zesílení by se mělo rovnat přibližně 10násobku vstupního napětí. Generátor nastavíme na hodnotu $100mV$ a frekvenci $1kHz$ na sinusových kmitech. Vstupní napětí zvolíme $15V$; napětí báze-emitor $U_{BE}=0,7V$; napětí na rezistoru emitoru je polovina $U_{CC}$, takže $U_{RE}=7,5V$; kolektorový proud pro 1. Stupeň $I_{C}=20mA$ a pro 2. stupeň zvolíme $I_{C}=50mA$. Tento typ zesilovače má napětí na výstupu fázově posunuté o 180̊ oproti vstupnímu signálu.

Výroba zesilovače není nějak obtížná, stačí být trochu zručný, trpělivý a mít potřebné vybavení. Základem plošného spoje je cuprextit. Ve své podstatě se jedná o sklolaminátovou desku (ta tvoří nosnou část), na kterou je jednostranně naplátována měděná fólie o síle několika mikrometrů, která tvoří po odpilování přebytečné mědi propojovací cesty. Podle schématu si vypilujeme potřebné cesty, které budeme spojovat. Vybavení Jak už bylo zmíněno, budeme potřebovat destičku, na kterou budeme pájet. Dále je potřebná pájka, cín, kalafuna, měřicí přístroj, generátor signálu, osciloskop (Reproduktor) a potřebné součástky.

Pilování

Výsledné zapojení není zrovna na pohled nějak krásné, ale bez potíží funguje. Jako si doma můžeme zapojit mp3 přehrávač a na výstup reproduktor, ve kterém bychom měli uslyšet hudbu z přehrávače.

Zesilovač

Výpočet vzorců zesilovače se společným emitorem

Vzorec pro výpočet kolektorového rezistoru zesilovače

$R_{C}={\frac {{\frac {1}{2}}U_{CC}}{I_{C}}}$

Vzorec pro výpočet emitorového rezistoru zesilovače

$R_{E}={\frac {U_{RE}}{I_{C}}}$

Vzorec pro výpočet proudu báze

$I_{B}={\frac {I_{C}}{h_{21E}}}$

Vzorec pro výpočet odporu báze Rb1

$R_{B1}={\frac {U_{CC}-U_{BE}-U_{RE}}{11\cdot I_{B}}}$

Vzorec pro výpočet odporu báze Rb2

$R_{B2}={\frac {U_{BE}+U_{RE}}{10\cdot I_{B}}}$

Vzorec pro výpočet zesílení

$A_{U}={\frac {U_{out}}{U_{in}}}$

Výpočet vzorců pro 1. stupeň

$U_{BE}=0,7V$ , $I_{C}=20mA$ , $U_{CC}=15V$ , $h_{21E}=360$ ,

$R_{C}={\frac {{\frac {1}{2}}U_{CC}}{I_{C}}}={\frac {{\frac {1}{2}}15V}{20mA}}=0,375k\Omega$

$R_{E}={\frac {U_{BE}}{I_{C}}}={\frac {0,7V}{20mA}}=0,035k\Omega$

$I_{B}={\frac {I_{C}}{h_{21E}}}={\frac {20mA}{360}}{\dot {=}}0,055mA$

$R_{B1}={\frac {U_{CC}-U_{BE}-U_{RE}}{11\cdot I_{B}}}={\frac {15V-0,7V-0,7V}{11\cdot 0,055A}}={\frac {13,6V}{0,605A}}{\dot {=}}24,5k\Omega$

$R_{B2}={\frac {U_{BE}+U_{RE}}{10\cdot I_{B}}}={\frac {0,7V+0,7V}{10\cdot 0,014A}}={\frac {1,4V}{0,555A}}{\dot {=}}2,6k\Omega$

Výpočet vzorců pro 2. stupeň

$U_{BE}=0,7V$ , $U_{RE}=7,5V$ , $I_{C}=50mA$ , $U_{CC}=15V$ , $h_{21E}=360$ ,

$R_{E2}={\frac {U_{BE}}{I_{C}}}={\frac {7,5V}{50mA}}=0,15k\Omega$

$I_{B}={\frac {I_{C}}{h_{21E}}}={\frac {50mA}{360}}{\dot {=}}0,1388A$

$R_{B3}={\frac {U_{CC}-U_{BE}-U_{RE}}{11\cdot I_{B}}}={\frac {15V-0,7V-7,5V}{11\cdot 0,1388A}}={\frac {6,8V}{0,139A}}{\dot {=}}47k\Omega$

$R_{B4}={\frac {U_{BE}+U_{RE}}{10\cdot I_{B}}}={\frac {7,5V+0,7V}{10\cdot 0,1388A}}={\frac {8,2V}{0,139A}}{\dot {=}}57,8k\Omega$

Nedostatky

Hlavní nedostatek výše popsaného zapojení je v jeho teplotní nestálosti. Jelikož je tranzistor polovodičová součástka, je silně závislý na teplotě. Při změně teploty se mění jeho charakteristiky a tím i vlastnosti celého zesilovače. To je však silně nežádoucí a proto se snažíme do obvodu zavádět zpětnou vazbu, která bude tyto změny kompenzovat.

Stabilizace pomocí $R_{E}$

Nejjednodušší zpětnou vazbu, kterou můžeme do obvodu zavést je rezistor $R_{E}$ (ten je již ve výše uvedeném obvodu). Při zahřívání se tranzistor začíná samovolně více otevírat, což způsobuje větší proud $I_{C}$ a tedy i další zahřívání. Na rezistoru $R_{E}$ však tímto samovolným otevíráním vzniká větší úbytek napětí. Protože platí druhý kirchhoffův zákon, začne se zmenšovat napětí $U_{BE}$ a proud $I_{C}$ zůstává konstantní.

Můstková stabilizace

Můstková stabilizace pracovního bodu tranzistoru.