68

04 - Tranzistorul

01. Tranzistorul - introducere

Structur i definiie

Un tranzistor bipolar cu jonciune (BJT)

este alctuit din trei straturi de materiale

semiconductoare

Diferena dintre tranzistorul PNP i NPN

, fie de tipul PNP, fie de

tipul NPN . Fiecare strat are un nume

specific i un contact pentru conexiunea

n circuit.

Diferena funcional dintre tranzistorul PNP i NPN, este modul de polarizare corect a jonciunii

Utilizarea tranzistorilor

.

Indiferent de starea n care se afl, direciile curenilor i polaritile tensiunii sunt exact invers la cele dou tipuri

de tranzistoare.

Tranzistorii sunt regulatori de curent controlai n curent

Observaii

.

Cu alte cuvinte, tranzistorii limiteaz valoarea curentului

prin ei cu ajutorul unui curent de control mai mic.

Curentul principal, cel controlat, pleac dinspre emitor

spre colector (tipul NPN), iar curentul mai mic, de

control, pleac dinspre emitor spre baz (tipul NPN).

Pentru tranzistorul de tip PNP, direcia curenilor este exact invers. Atenie, folosim sensul real de deplasare al

electronilor, prin urmare, sgeile indicate pe simbolurile elementelor semiconductoare vor indicat tot timpul

mpotriva direciei de deplasare al electronilor.

69

Denumirea tranzistoarelor bipolare vine de la faptul c deplasarea electronilor prin ele are loc prin dou

tipuri de material semiconductor: P i N. Cu alte cuvinte, exist dou tipuri de purttori de sarcin, electroni i

goluri.

Dup cum se poate observa, curentul de control i curentul controlat se nsumeaz tot timpul pe emitor, iar

deplasarea electronilor are loc tot timpul mpotriva direciei sgeii. Aceasta este prima i cea mai important regul

a tranzistoarelor: toi curenii trebuie s mearg n direciile corecte pentru ca dispozitivul s funcioneze ca i

regulator de curent. De obicei, curentul de control este denumit curent de baz, iar curentul controlat este denumit

curent de colector

02. Tranzistorului ca i ntreruptor

, deoarece sunt singurii curenii ce trec pe la aceste terminale. Curentul pe emitor este suma

curenilor de baz i colector, n conformitatea cu legea lui Kirchhoff pentru curent.

Atunci cnd nu exist niciun curent prin baz, tranzistorul se comport precum un ntreruptor deschis, iar

trecerea curentului prin colector nu este posibil. Un curent de baz pornete tranzistorul, acesta comportndu-se

precum un ntreruptor nchis i permind trecerea unui curent proporional prin colector. Curentul de colector este

limitat de curentul bazei, indiferent de valoarea cderii de tensiune pe colector.

Tranzistoarele pot fi folosite ca i ntreruptoare pentru controlul puterii de curent continuu asupra sarcinii.

Curentul controlat trece prin emitor-colector; curentul de control trece prin emitor-baz

Cnd curentul printr-un tranzistor este zero, spunem c acesta este blocat

Cnd curentul printr-un tranzistor este maxim, spunem c acesta este saturat

Scop

Deoarece curentul colectorului tranzistorului este limitat proporional de curentul bazei, acesta poate fi

folosit pe post de ntreruptor controlat n curent. O cantitate relativ mic de electroni, prin baz, poate exercita un

control asupra unei cantiti mult mai mari de electroni prin colector

Exemplu - controlul pornirii/opririi unei lmpi

.

ntreruptor simplu

70

S presupunem c avem o lamp pe care vrei s o pornim/oprim cu ajutorul unui ntreruptor.

Tranzistor NPN

Pentru exemplificare, s inserm acum un tranzistor n locul ntreruptorului. inei

minte, curentul controlat trebuie s treac prin tranzistor de la colector spre emitor. Din

moment ce curentul controlat este cel prin lamp, trebuie s poziionm colectorul i

emitorul tranzistorului n locul contactelor ntreruptorului. Trebuie de asemenea s ne

asigurm c direcia curentului prin tranzistor este mpotriva sgeii emitorului, pentru a ne asigura c jonciunea

tranzistorului este polarizat corect.

Tranzistor PNP

Putem de asemenea s folosim i un tranzistor PNP pentru realizarea acestui circuit. Alegerea

fcut ntre PNP i NPN este complet arbitrar, dei, pentru exemplificarea funcionrii

tranzistoarelor, vom folosi n continuare cele de tipul NPN.

Adugarea unui ntreruptor ntre baz i colector

ntorcndu-ne la exemplu cu tranzistorul NPN , ne gsim n situaia n care mai trebuie s adugm ceva n

circuit pentru a avea un curent de baz prin tranzistor. Fr o conexiune la terminalul bazei, curentul prin aceasta va

fi zero, iar tranzistorul va fi nchis, ceea ce nseamn c lampa va fi tot timpul oprit. inei minte, c pentru un

tranzistor NPN, direcia curentului de baz trebuie s fie dinspre emitor spre baz (mpotriva direciei sgeii).

Probabil c cel mai simplu lucru ar fi s

conectm un ntreruptor ntre baza i

colector, precum n figura alturat (a).

Tranzistor blocat i tranzistor saturat

Dac ntreruptorul este deschis (a), baza tranzistorului nu va fi conectat la baterie i nu va exista niciun

curent prin ea. n aceast situaie, spune c tranzistorul este blocat. Dac ntreruptorul este nchis (b), va exista un

71

curent dinspre emitor spre baz, prin ntreruptor i prin lamp (partea stng) napoi la terminalul pozitiv al

bateriei. Acest curent de baz va permite trecerea unui curent mult mai mare dinspre emitor spre colector, iar lampa

se va aprinde. n aceast situaie, n care curentul prin circuit este maxim, spunem c tranzistorul este saturat.

Surse de polarizare a tranzistorului

Putem ns folosi ceva total diferit pentru a controla lampa

(pornit/oprit). De exemplu, putem folosi o pereche de

celule solare pentru generarea unei tensiuni de 1 V, pentru

depirea tensiunii directe de 0,7 V (VBE

Sau putem folosi mai multe termocuple conectate n

serie pentru generarea curentului bazei necesar

pornirii tranzistorului.

) ntre baz i

emitor, tensiune necesar pentru apariia curentului de baz

i pornirea tranzistorului.

Putem folosi chiar i un microfon, care cu

o tensiune i un curent (printr-un

amplificator) suficient de mari, ar putea

pune tranzistorul n funciune. Desigur,

ieirea microfonului va trebui redresat

din curent alternativ n curent continuu,

pentru ca jonciunea emitor-baz s fie tot

timpul polarizat direct.

Observaii

Ceea ce vrem s demonstrm, este c orice surs de tensiune n curent continuu, capabil s porneasc

tranzistorul, poate fi folosit pentru controlul lmpii, iar puterea acestei surse de tensiune trebuie s fie doar o

fraciune din puterea circuitului controlat. Tranzistorul n acest caz nu se comport doar ca un ntreruptor, ci i ca

un amplificator: folosind un semnal de putere relativ mic pentru controlul unui semnal de putere relativ mare.

72

Atenie, puterea necesar aprinderii lmpii este furnizat de bateria din circuitul principal

03. Verificarea tranzistorului cu ohmmetrul

, i nu de celula solar,

termocupl sau microfon. Acestea din urm doar controleaz puterea bateriei pentru aprinderea lmpii.

Tranzistorul se comport precum o pereche de diode conectate spate-n-spate atunci cnd este verificat cu

ajutorul unui multimetru pe post de ohmmetru sau cu funcia verificare diod

Jonciunea emitor-baz de tip P-N, are o tensiune direct puin mai mare dect jonciunea colector-baz de

tip P-N, datorit dopajului mai puternic al emitorului. Acest lucru poate fi exploatat pentru identificarea

tranzistorilor

Comportamentul tranzistorului

Tranzistorii se comport precum dou diode puse spate-n-spate atunci cnd sunt verificai cu ajutorul

multimetrului pe post de ohmmetru sau cu funcia verificare diod, datorit celor trei straturi PNP sau NPN.

Tranzistorul alturat este de tip PNP;

sonda neagr este terminalul negativ

(-) iar cea roie corespunde

terminalului pozitiv (+)

Dac multimetrul este echipat cu

funcia verificare diod, putem

folosi acea funcie pentru aflarea

tensiunii de polarizare direct a jonciunii PN. n cazul unui tranzistor NPN, indicaia aparatului de msur va fi

exact invers.

Determinarea tipului i contactelor unui tranzistor bipolar nemarcat

Dac folosim funcia verificare diod, vom vedea c jonciunea emitor-baz are o tensiune direct mai

mare dect jonciunea colector-baz. Aceast diferena a tensiunii directe se datoreaz diferenei concentraiilor de

dopaj dintre regiunile emitorului i colectorului: emitorul este un material semiconductor dopat mult mai puternic

dect colectorul, ceea ce duce la producerea unei tensiuni directe mult mai mari a jonciunii cu baza.

Cunoscnd acest lucru, putem determina contactele unui tranzistor nemarcat. Acest lucru este important

deoarece nu exist un standard cu privire la modul de mpachetare al tranzistorilor. Desigur, toi tranzistorii bipolari

au trei contacte, dar poziie lor fizic n cadrul tranzistorului poate fi diferit de la un productor la altul.

73

S presupunem c lum un tranzistor la ntmplare, nemarcat, i ncepem s msurm cu ajutorul

multimetrului setat pe funcia verificare diod. Dup msurarea tuturor combinaiilor de contacte,

ajungem la urmtoarele rezultate:

Singurele combinaii de contacte pe care putem msura tensiunea sunt 1 i 3

(sonda roie pe 1 i sonda neagr pe 3), i 2 i 3 (sonda roie pe 2 i sonda

neagr pe 3). Aceste dou citiri trebuie s indice tensiunea de polarizare

direct a jonciunii emitor-baz (0,655 V) i a jonciunii colector-baz (0,621).

Putem acum cuta contactul comun ambelor seturi de msurtori conductive. Acest

contact trebuie s fie baza tranzistorului, deoarece acesta este singurul strat, al

dispozitivului format din trei straturi, ce este comun ambelor seturi de jonciuni PN

(emitor-baz i colector-baz). n acest exemplu, contactul cutat este numrul 3,

fiind comun combinaiilor 1-3 i 2-3. n ambele msurtori, sonda neagr (-) a

aparatului de msur a venit n contact cu contactul 3, ceea ce ne spune c baza

acestui tranzistor este realizat dintr-un material semiconductor de tip N. Prin urmare,

tranzistorul n cauz este un tranzistor bipolar de tip PNP, cu baza - contactul 3, emitor - contactul 1 i colector -

contactul 2.

Dup cum putem observa, baza tranzistorului n acest caz nu> este contactul din mijloc al tranzistorului,

aa cum ne-am atepta. Acest lucru se ntmpl foarte des n practic. Singura modalitate prin care ne putem

asigura de corectitudinea contactelor este prin verificarea cu ajutorului unui multimetru, sau cu ajutorul catalogului

productorului.

Determinarea integritii unui tranzistor

tiind faptul c un tranzistor se comport precum dou diode aezate spate-n-spate la testarea

conductivitii cu un aparat de msur, dac n urma msurtorilor descoperim c exist continuitate n mai mult

sau mai puin de dou dintre cele ase combinaii de contate, putem spune cu siguran c tranzistorul este defect,

sau ca dispozitivul aflat sub inspecie nu este un tranzistor i un cu totul alt dispozitiv!.

Modul de funcionare al tranzistorului

ntre punctele 1(+) i 2(-): OL ntre punctele 1(-) i 2(+): OL

ntre punctele 1(+) i 3(-): 0.655 V ntre punctele 1(-) i 3(+): OL

ntre punctele 2(+) i 3(-): 0.621 V ntre punctele 2(-) i 3(+): OL

74

Totui, modelul celor dou diode nu poate explica funcionarea tranzistorului ca i dispozitiv de

amplificare a semnalului.

Pentru ilustrarea acestui paradox, putem examina

circuitul alturat, folosind diagrama fizic a tranzistorului

pentru uurarea explicaiilor.

Sgeata diagonal gri are direcia deplasrii electronilor prin jonciunea emitor-baz. Acest lucru este clar,

din moment ce electroni se deplaseaz dinspre emitorul de tip N spre baza de tip N: jonciunea este polarizat

direct. Totui, jonciunea baz-colector se comport mai ciudat. Sgeata ngroat vertical indic direcia de

deplasare a electronilor dinspre baz spre colector. Din moment ce baza este realizat dintr-un material de tip P iar

colectorul dintr-un semiconductor de tip N, direcia de deplasare a electronilor este invers fa de direcia normal

de deplasare printr-o jonciune P-N! n mod normal, o jonciune P-N nu ar permite deplasarea invers a electronilor,

cel puin nu fr a oferi o opoziie extrem de mare.

Totui, un tranzistor saturat prezint o opoziie foarte mic fa de deplasarea electronilor de la emitor la

colector, lucru demonstrat i prin faptul c lampa este aprins!

Prin urmare, modelul celor dou diode puse spate-n-

spate poate fi folosit doar pentru nelegerea modului de

verificare al tranzistorilor cu ajutorul aparatului de

msur, nu i pentru nelegerea funcionrii acestora n

circuitele practice.

04. Zona activ de funcionare a tranzistorului

Tranzistorul se afl n zona activ de funcionare

Curentul bazei reguleaz curentul colectorului. Acest lucru nseamn c prin colector nu poate trece un

curent mai mare dect valoarea permis de ctre curentul bazei

, atunci cnd funcioneaz ntre starea de blocare i cea de

saturaie

Raportul dintre curentul colectorului i curentul bazei poart numele de factor beta sau factor de

amplificare n curent al tranzistorului, i se noteaz cu sau h

variaz pentru fiecare tranzistor n parte fe

75

variaz pentru diferite condiii de operare

Definiii

Tranzistor blocat

Cnd baza nu este polarizat, i prin urmare nu exist curent ntre emitor i colector

Tranzistor saturat

, spunem c tranzistorul

este blocat.

Invers, cnd ntre emitor i colector trece cantitatea maxim de curent permis de colector i de sursa de

putere

Tranzistor n zona activ de funcionare

, spunem c tranzistorul este saturat.

Dar, n cazul n care curentul controlat este mai mare dect zero dar este sub valoarea maxim admis de

surs i de circuit

Exemplu

, tranzistorul va funciona ntre zonele de blocare i saturare; n acest caz, spune c tranzistorul

funcioneaz n zona activ.

S considerm circuit teoretic alturat.

Circuitul este format dintr-un tranzistor (Q1) de tip NPN,

alimentat de o baterie (V1) i controlat printr-o surs de curent

(I1

Variaia curent-tensiune

). Sursa de curent va genera un curent fix, genernd o

tensiune mai mic sau mai mare pentru asigurarea acestui

curent prin ea.

76

n aceast simulare, vom seta valoarea sursei de curent la 20

A i vom varia tensiunea sursei (V1

Un curent de baz constant de 20 A controleaz un curent

maxim de 2 mA prin colector, de exact 100 de ori mai mare.

Pentru aceast valoare a curentului de baz, curentul prin

colector nu poate crete mai mult. Putem observa de pe grafic

c forma curbei este plat n afar de prima poriune, poriune

unde tensiunea bateriei (V

) ntre 0 V i 2 V; vom

observa apoi curentul ce trece prin surs.

1

) crete de la 0 V la 0,25 V. n

acest interval, curentul prin colector crete rapid de la 0 A la 2

mA.

Creterea tensiunii bateriei

S observm ce se ntmpl dac lrgim plaja valorilor de

tensiune a bateriei, de la intervalul 0 - 2 V, la intervalul 0 - 50

V, meninnd un curent de baz constant de 20 A.

Dup cum era de ateptat, rezultatul este acelai. Curentul prin

colector nu poate trece de 2 mA (de exact 100 de ori valoarea

curentului bazei!), cu toate c tensiunea bateriei (V1) variaz

de la 0 V pn la 50 V. Putem trage concluzia c tensiunea

dintre colector i emitor nu are niciun efect asupra curentului

din colector

, dect la valori foarte mici (puin peste 0 voli).

Peste aceast tensiune critic, valoarea tensiunii nu mai are nicio importan pentru valoarea curentului

colectorului. Tranzistorul se comport n acest caz precum un regulator de curent, permind un curent de exact 2

mA prin colector, i nu mai mult.

Creterea curentului bazei

77

Urmtorul pas const n creterea curentului bazei, de la 20

A la 75 A, meninnd tensiunea bateriei n intervalul 0 - 50

V.

Pentru curentul maxim de baz, 75 A, curentul prin colector

este (din nou) de 100 de ori mai mare, 7,5 mA i din nou

curba curent-tensiune este plat, cu excepia primei pri.

Putem trage concluzia c factorul decisiv ce contribuie la

valoarea curentului prin colector este curentul bazei, tensiunea

bateriei (V1

) fiind irelevant atta timp ct se situeaz peste o

anumit valoare minim.

Curbe caracteristice

Aceast relaie dintre curent i tensiune este fundamental diferit fa de relaia curent-tensiune a

rezistorului. n cazul rezistorului, curentul crete liniar pe msur ce cderea de tensiune la bornele sale crete. n

cazul tranzistorului, curentul dinspre emitor spre colector are o valoare limit fix, valoare peste care nu poate

crete, indiferent de cderea de tensiune dintre emitor i colector.

O reprezentare a tuturor acestor curbe (variaii) curent-tensiune pe un singur grafic, pentru un anumit

tranzistor, poart numele de curbe caracteristice.

78

Pentru funcionarea corect a tranzistorului, acesta trebuie s se afle tot timpul n zona activ de funcionare

Observaie

(pentru amplificatoare clasa A), nu n cea de blocare i nici n cea de saturaie. inei minte c tranzistorul este un

dispozitiv controlat n curent, prin urmare, dac ar funciona n zona de saturaie, acesta nu ar mai putea fi controlat

prin intermediul curentului bazei; o cretere a curentului bazei, atunci cnd tranzistorul se afl n zona de saturaie,

nu duce la o cretere a curentului colector-emitor, aa cum era de ateptat. n schimb, dac tranzistorul se afl n

zona activ de funcionare, o cretere/scdere a curentului bazei duce la o cretere/scdere a curentului prin colector

Trebuie neles faptul foarte important, c n graficul de mai sus, avem trei variabile: tensiunea colector

emitor (Ecolector-emitor), curentul de la emitor la colector (Icolector) i curentul bazei (Ibaz

Factorul beta (factorul de amplificare n curent)

). Pentru fiecare variaie a

curentului de baz, de la 5 A la 20 A la 40 pn la 75 A, vom avea o alt curb caracteristic, i practic, pot

exista o infinitate de curbe ntre aceste valori.

Din moment ce tranzistorul se comport precum un regulator de curent, limitnd curentul colectorului

printr-o proporie fix fa de curentul bazei, putem exprima aceast caracteristic standard a tranzistoarelor printr-

un raport, cunoscut sub numele de factor beta sau factor de amplificare n curent, i simbolizat prin litera greceasc

, sau prin hfe

:

Factorul al oricrui tranzistor este determinat de modul su de fabricare, i este o mrime ce nu poate fi

modificat dup confecionarea acestuia. Este foarte greu s gsim doi tranzistori, de acelai tip, care s posede un

factor identic, datorit variabilelor fizice ce afecteaz valoarea acestuia. Dac vrem s construim un circuit n care

avem nevoie de tranzistori cu egali, acetia se pot cumpra n seturi, la un pre mai mare. Dar, construirea unor

circuite electronice cu astfel de dependine nu este indicat.

nu rmne constant pentru toate condiiile de operare. Pentru un tranzistor fizic, raportul poate varia cu

un factor mai mare dect trei ntre limitele curentului de operare. De exemplu, un tranzistor marcat cu = 50, poate

n realitate s prezinte un raport Ic / Ib

Modelul diod-poteniometru al tranzistorului

de 30 sau chiar de 100, n funcie de valoarea curentului prin colector,

temperatura tranzistorului, frecvena semnalului amplificat, plus alte variabile. Dei teoretic vom considera ca

fiind constant pentru oricare tranzistor, n realitate acest lucru nu este valabil!

79

Pentru a nelege mai uor modul de funcionare al tranzistorului,

putem considera modelul teoretic alturat.

Conform acestui model, tranzistorul este o combinaie dintre o diod i

un poteniometru. Curentul prin dioda baz-emitor controleaz

rezistena poteniometrului colector-emitor, lucru evideniat prin linia

ntrerupt dintre cele dou componente, ceea ce duce la controlul

curentului prin colector. Tranzistorul de sus este de tipul NPN.

Tranzistorul de tipul PNP, va avea dioda baz-emitor inversat.

Modelul diod-surs-de-curent al tranzistorului

Un model mult mai precis ns, este cel din figura alturat. Conform

acestui model, tranzistorul este o combinaie dintre o diod i o surs

de curent, ieirea sursei de curent fiind un multiplu (raportul beta) al

curentului de baz. Acest model descrie mult mai precis caracteristica

intrare/ieire a tranzistorului: curentul de baz stabilete o un anumit

curent n colector, i nu o anumit rezisten colector-emitor, precum

n cazul precedent.

Din pcate, folosirea unei surse de curent i poate induce pe cei mai ne-experimentai n eroare; un

tranzistor nu este n niciun caz o surs de energie electric, dar pe model, faptul c sursa de energie este extern

tranzistorului, nu este aparent.

05. Punctul static de funcionare al tranzistorului

Punctul static de funcionare reprezint valoarea curentului bazei pentru care tranzistorul funcioneaz

corect

Pentru amplificatorul de clas A, punctul static de funcionare se afl la jumtatea distanei dintre punctul

de blocare i zona de saturaie a dreptei de sarcin

Definiie

Punctul static de funcionare al unui tranzistor reprezint coordonatele de funcionare ale tranzistorului n

zona activ de funcionare.

80

Starea i curentul de repaus

O stare de repaus se caracterizeaz prin faptul c semnalul de intrare al circuitului este zero. Curentul de

repaus, de exemplu, este valoarea curentului dintr-un circuit, atunci cnd tensiunea aplicat la intrare este zero

Trasarea dreptei de sarcin

.

Tensiunea de polarizare direct (curent continuu) foreaz un nivel diferit al curentului colector-emitor prin

tranzistor pentru un semnal de intrare zero, fa de cazul n care tensiunea de polarizare direct nu ar exista. Prin

urmare, valoarea tensiunii de polarizare ntr-un circuit de amplificare, determin valorile de repaus ale acestuia.

Pentru un amplificator de clasa A, curentul de repaus trebuie s fie exact ntre valoarea sa de saturaie i

valoarea sa de blocare. Amplificatoarele de clasa B i C au un curent de repaos zero, din moment ce acestea sunt

proiectate pentru funcionarea n zona de blocare, atunci cnd nu este aplicat niciun semnal la intrare.

Amplificatoarele de clasa AB, au un curent de repaus foarte mic, puin peste zona de blocare.

Pentru a ilustra grafic acest lucru, se traseaz o dreapt de sarcin peste curbele caracteristice ale

tranzistorului, pentru ilustrarea modului de funcionare atunci cnd tranzistorul este conectat la o sarcin de o

anumit valoare.

O dreapt de sarcin reprezint graficul tensiunii colector-emitor pentru un anumit domeniu al curenilor de

colector. n partea din dreapta jos, tensiunea este maxim i curentul este zero, reprezentnd o condiie de blocare.

n stnga sus, tensiunea este zero, iar curentul este maxim, reprezentnd o condiie de saturaie. Punctele de

intersecie ale dreptei cu, curbele caracteristice, reprezint condiii de operare reale al tranzistorului pentru acei

cureni de baz.

Reprezentarea punctului static de funcionare

81

Punctul static de funcionare poate fi reprezentat pe acest grafic printr-un simplu punct la intersecia unei

curbe caracteristice cu dreapta de sarcin. Pentru un amplificator de clasa A, punctul static de funcionare se va

situa pe mijlocul dreptei de sarcin.

n acest caz particular, punctul static de funcionare se afl pe curba de 40 A a curentului de baz.

Modificarea rezistenei sarcinii

Dac schimbm ns rezistena sarcinii acestui circuit cu o rezisten mai mare, acest lucru va afecta panta

dreptei de sarcin, ntruct o rezisten de sarcin mai mare va limita curentul maxim prin colector la saturaie, dar

nu va modifica tensiunea de blocare colector-emitor. Grafic, rezultatul este o dreapt de sarcin cu un punct de

saturaie (stnga sus) diferit, dar cu un punct de blocare (dreapta jos) identic.

Putem observa c n aceast situaie, dreapta de sarcin nu mai intersecteaz curba caracteristic de 75 A

pe poriunea sa orizontal. Acest lucru este foarte important de realizat, deoarece poriunea ne-orizontal a curbei

82

caracteristice reprezint, dup cum am mai menionat, o condiie de saturaie a tranzistorului (curentul colector-

emitor nu mai poate fi controlat prin intermediul curentului bazei). Prin urmare, pentru un curent al bazei de 75 A,

tranzistorul (amplificatorul) va fi saturat.

Adugarea de noi curbe caracteristice

Pentru meninerea funcionrii liniare (fr distorsiuni), amplificatoarele cu tranzistori nu ar trebui s

funcioneze n zona de saturaie, adic, acolo unde dreapta de sarcin nu intersecteaz curbele de sarcin pe

poriunea lor orizontal. Vom mai aduga cteva curbe caracteristice pe grafic, pentru a putea observa pn unde

putem mpinge tranzistorul prin creterea curentului bazei fr ca acesta s intre n zona de saturaie.

Se poate vedea de pe grafic c cel mai nalt punct de pe dreapta de sarcin ce intersecteaz curbele de

sarcin ale tranzistorului pe poriunea orizontal, este pentru curba de 50 A (curentul de baz). Acest punct ar

trebui considerat nivelul maxim al semnalului de intrare pentru funcionarea amplificatorului de clas A.

Alegerea unui nou punct static de funcionare

83

De asemenea, tot pentru funcionarea corect a amplificatorului de clas A, tensiunea de polarizare ar trebui

s fie astfel nct punctul static de funcionare s se regseasc la mijlocul drumului ntre punctul maxim de

funcionare i punctul de blocare:

Astfel, noul punct static de funcionare, ales pe cale grafic, ne spune c, pentru funcionarea corect a

amplificatorului de clas A, pentru sarcina n cauz, curentul bazei trebuie s aib o valoare de aproximativ 25 A.

Cunoscnd aceast valoare, putem determina mai apoi i tensiune de polarizare direct n curent continuu.

06. Conexiunea emitor comun

Denumirea de emitor-comun vine de la faptul c tensiunile de intrare i de ieire ale tranzistorului au ca i

punct comun contactul emitorului, ne-lund n considerare alte surse de putere

Tranzistorii sunt n principiu dispozitive de curent continuu: nu pot conduce cureni n direcie invers la

polarizarea invers. Pentru a funciona cu semnale de curent alternativ, semnalul de intrare (alternativ)

trebuie s conin i o component de curent continuu pentru meninerea tranzistorului n zona activ de

funcionare pe toat durata perioadei semnalului de intrare

Tensiunea de ieire, ntre emitor i colector, a unui amplificator n conexiune emitor comun, este defazat

cu 180o

Amplificarea n curent a tranzistorului emitor-comun, cu sarcina conectat n serie cu colectorul, este egal

cu

fa de tensiunea de intrare. Amplificatorul emitor comun mai este cunoscut din aceast cauz i ca

amplificator inversor

Amplificarea n tensiune a tranzistorului emitor-comun este dat de relaia AV = (Rieire / Rintrare), unde

Rieire reprezint rezistorul conectat n serie cu colectorul, iar Rintrare reprezint rezistorul conectat n serie cu

baza tranzistorului

84

Definiie

S relum exemplu studiat n seciunile precedente, unde

tranzistorul a fost folosit pe post de ntreruptor.

Aceast configuraie poart numele de conexiune emitor

comun datorit faptului c, ignornd bateria de

alimentare, att pentru sursa de semnal (celula solar) ct

i pentru sarcin, contactul emitorului reprezint un punct

comun celor dou.

n exemplele precedente, am considerat c tranzistorul funcioneaz saturat (la capacitate maxim).

Cunoscnd faptul c, curentul prin colector poate varia n funcie de curentul bazei, putem controla luminozitatea

lmpii din acest circuit n funcie de expunerea celulei solare la lumin. Cnd intensitatea luminoas ce cade pe

celula solar este minim, lampa va lumina foarte slab. Pe msur ce intensitatea luminoas ce cade pe celula solar

crete, va crete i intensitatea luminoas a lmpii.

Exemplu - msurarea intensitii luminoase

S presupunem acum c am dori s msurm intensitatea luminoas cu ajutorul celulei solare. Vrem s

msurm de fapt intensitatea razei incidente pe celula solar folosind curentul su de ieire conectat la un

instrument de msur (ampermetru).

Conectarea direct la borne a unui ampermetru

Una dintre soluii ar consta n conectarea ampermetrului direct la celula solar.

Cu toate c aceast metod funcioneaz pentru msurtori moderate ale

intensitilor, ea nu poate fi folosit atunci cnd intensitatea luminoas scade

sub o anumit valoare, datorit faptului c celula solar trebuie s alimenteze

i ampermetrul iar precizia sistemului scade foarte mult n acest caz. S

presupunem n continuare c n exemplul de mai sus, suntem interesai de msurtori extrem de sczute ale

intensitilor luminoase. n acest caz, trebuie s cutm o alt soluie.

Utilizarea unui tranzistor

85

Soluia cea mai la ndemn este utilizarea unui tranzistor

pentru amplificarea curentului generat de celula solar.

Acest lucru nseamn c va exista o cantitate mult mai

mare de curent disponibil pentru deviaia acului indicator

al aparatului de msur, pentru o valoare mult mai mic a

curentului generat de celula solar.

De aceast dat, curentul prin circuit (i prin aparatul de msur) va fi de ori mai mare dect curentul prin

celula solar. Pentru un tranzistor cu = 100, acest lucru reprezint o cretere substanial a preciziei msurtorii.

Atenie ns, puterea adiional necesar funcionrii aparatului de msur este colectat de la bateria din dreapta,

nu de ctre celula solar. Tot ceea ce realizeaz celula solar este controlul curentului bateriei pentru furnizarea

unei puteri mai mari necesar funcionrii aparatului de msur, puterea ce nu ar fi putut fi generat de ctre celula

solar nsi.

Deoarece tranzistorul este un dispozitiv de regulare a curentului, iar indicaia aparatului de msur depinde

doar de curentul ce trece prin bobina acestuia, indicaia aparatului de msur va depinde doar de celula solar i nu

de valoarea tensiunii generat de baterie. Acest lucru nseamn c acurateea msurtorii realizat de acest circuit

va fi independent de condiiile bateriei, un lucru extrem de important! Tot ceea ce trebuie bateria s fac, este s

genereze o anumit tensiune minim i un curent suficient pentru funcionarea ampermetrului.

nlocuirea ampermetrului cu un rezistor

Configuraia emitor comun mai poate fi folosit i

pentru producerea unei tensiuni dependente de

semnalul de intrare, n loc de curent. S nlocuim

aadar aparatul de msur cu un rezistor i s msurm

tensiunea dintre colector i emitor.

Cnd intensitatea luminoas pe celula solar este zero, tranzistorul va fi blocat i se va comporta precum un

ntreruptor deschis ntre colector i emitor. Acest lucru va duce la apariia unei cderi de tensiune maxime ntre

colector i emitor, Vieire

Amplificator inversor

, tensiune egal cu tensiunea de la bornele bateriei.

Cnd intensitatea luminoas pe celula solar este maxim, celula solar va duce tranzistorul n zona de

saturaie; acesta se va comporta precum un ntreruptor nchis ntre colector i emitor. Rezultatul va fi o cdere de

tensiune minim ntre colector i emitor. Totui, aceast tensiune de saturaie dintre colector i emitor este destul de

mic, cteva zecimi de voli, n funcie de tranzistorul folosit.

86

Pentru intensiti luminoase ce se regsesc ntre aceste valori (minim/maxim), tranzistorul va funciona n

zona activ, iar tensiunea de ieire va fi undeva ntre zero voli i tensiunea bateriei. De menionat c tensiunea de

ieire a tranzistorului n configuraie emitor comun este invers proporional cu intensitatea semnalului de intrare

Exemplu

.

Cu alte cuvinte, tensiunea de ieire scade cu creterea semnalului de intrare. Din acest motiv, amplificatorul (cu

tranzistor) n configuraie emitor comun poart numele de amplificator inversor.

S considerm circuitul alturat.

Variaia curent-tensiune

Graficul variaiei tensiune-curent este cel din figura alturat

(cderea de tensiune dintre colector i emitor i curentul

bazei).

La nceputul simulrii, curentul generat de surs (celula

solar) este zero, tranzistorul este blocat iar cderea de

tensiune ntre colector i emitor este maxim, i anume 15 V,

tensiunea bateriei. Pe msur ce curentul generat de celula

solar ncepe s creasc, tensiunea de ieire ncepe s scad

proporional, pn cnd tranzistorul intr n starea de saturaie

la curentul de baz de 30 A. Putem observa foarte clar de pe

grafic c variaia tensiunii este perfect liniar, pn n

momentul saturrii, unde nu atinge de fapt niciodat valoarea

zero. Un tranzistor saturat nu poate atinge niciodat o cdere de tensiune de exact 0 voli ntre colector i emitor

datorit efectelor jonciunii sale interne.

Amplificarea semnalelor alternative

Circuitul original

87

Adesea avem nevoie ns de un amplificator n

curent alternativ. O aplicaia practic este

utilizarea acestui tip de amplificare n

sistemele audio. S relum circuitul cu

microfon, dar s ncercm de data aceasta s-l

modificm astfel nct s alimenteze un

difuzor n loc de lamp.

n circuitul original, am folosit o punte redresoare pentru transformarea semnalului de curent alternativ al

microfonului n tensiune de curent continuu pentru polarizarea bazei tranzistorului. n acel caz ne-a interesat doar s

pornim lampa cu un semnal venit din partea microfonului, iar aceast configuraie i-a ndeplinit scopul. De data

aceasta ns, vrem s reproducem un semnal de curent alternativ pe difuzor. Acest lucru nseamn ca nu mai putem

redresa semnalul de ieire al microfonul, deoarece avem nevoie de semnalul de curent alternativ nedistorsionat la

intrarea tranzistorului.

ndeprtarea punii redresoare

S ndeprtm aadar puntea

redresoare din circuit i s

nlocuim lampa cu un difuzor.

Circuitul final

Fiindc microfonul poate produce tensiuni

mai mari dect tensiunea de polarizare

direct a jonciunii baz-emitor, vom

conecta i un rezistor n serie cu

microfonul. Circuitul practic pe care l

vom analiza este cel din figura alturat.

Formele de und ale curentului i ale tensiunii

88

Graficul variaiei tensiune-curent, tensiunea de alimentare, V1

(1,5 V, f = 2.000 Hz) cu rou, curentul prin difuzor (mai mare

de 10 ori pe grafic dect curentul real, pentru observarea mai

clar a acestuia), cu albastru, este prezentat alturat.

Curentul prin difuzor este acelai cu cel prin baterie. Putem

vedea c semnalul de tensiune de intrare este un semnal

sinusoidal cu semi-perioda pozitiv i negativ, iar semnalul

de curent de ieire pulseaz doar ntr-o singur direcie (semi-

perioada negativ). Sunetul reprodus de difuzor n acest caz

va fi extrem de distorsionat.

Explicaia comportamentului

Ce s-a ntmplat cu circuitul n acest caz? De ce nu reproduce n totalitate

semnalul de tensiune n curent alternativ de la intrare? S revenim la

modelul diod-surs-de-curent al tranzistorului pentru a ncerca elucidarea

problemei.

Curentul prin colector este regulat, sau controlat, printr-un mecanism de curent constant ce depinde de

curentul prin dioda baz-emitor. Observai c ambele direcii ale curentului sunt uni-direcionale! n ciuda faptului

c se ncearc o amplificare de semnal n curent alternativ, acesta este de fapt un dispozitiv de curent continuu, fiind

capabil s conduc cureni doar ntr-o singur direcie. Chiar dac aplicm o tensiune alternativ ntre baz i

emitor, electronii nu se pot deplasa prin circuit n semi-perioada negativ a semnalului ce polarizeaz invers

jonciunea baz-emitor (dioda). Prin urmare, tranzistorul va fi blocat n acea poriune a perioadei, i va intra n

conducie doar cnd polaritatea tensiunii de intrare este corect, astfel nct s polarizeze direct dioda baz-emitor,

i doar dac acea tensiune este suficient de mare pentru a depi tensiune de polarizare direct a diodei. Reinei,

tranzistorii sunt dispozitive controlate n curent

Conectarea unei surse de curent continuu la intrare

: acetia controleaz curentul prin colector n funcie de existena

curentului ntre baz i emitor (curentul de baz), i nu n funcie de tensiunea baz-emitor.

89

Singura modalitate prin care tranzistorul

poate reproduce ntreaga form de und pe

difuzor, este meninerea acestuia n zona

activ pe ntreaga perioad a undei, adic,

trebuie s meninem un curent prin baz n

toat aceast perioad. Prin urmare,

jonciunea baz-emitor trebuie polarizat

direct tot timpul. Din fericire, acest lucru se

poate realiza prin conectarea unei surse de curent continuu n serie cu semnalul de intrare.

Formele de und ale curentului i ale tensiunii

Graficul formelor de und arat de data aceast precum n

figura alturat.

Cu sursa de tensiune de polarizare (Vpolarizare) conectat n serie

cu sursa de semnal, tranzistorul rmne n zona activ de

funcionare pe toat perioada undei, reproducnd cu exactitate

forma de und de la intrare pe difuzor. Observai c tensiunea

de la intrare variaz ntre valorile de 0,8 V i 3,8 V, o

amplitudine vrf-la-vrf de exact 3 voli (2 * amplitudinea de

vrf a sursei = 2 * 1,5 = 3 V). Curentul de ieire, pe difuzor,

variaz ntre zero i aproximativ 300 mA, fiind defazat cu

180o

cu semnalul de intrare (al microfonului).

Formele de und n ntreg circuitul

Dac am conecta simultan mai multe

osciloscoape n circuitul de mai sus,

formele de und ale tensiunilor ar

arta astfel.

90

Amplificarea n tensiune a tranzistorului n conexiune emitor comun

Amplificarea n curent al circuitului de mai sus este dat de factorul beta () al tranzistorului, n acest caz

particular, 100, sau 40 dB. Determinarea amplificrii n tensiune este ns puin mai complicat de determinat.

S urmrim graficul tensiunii pe difuzor (albastru) i al

tensiunii de intrare pe tranzistor (rou, baz-emitor):

Dac am lua aceeai scal, de la 0 la 4 V, putem vedea c

forma de und a tensiunii de ieire are o amplitudine vrf-la-

vrf mai mic dect tensiunea de intrare. Dim moment ce

amplificarea n tensiune a unui amplificator este definit ca i

raportul dintre amplitudinile semnalelor de curent alternativ,

putem ignora componenta de curent continuu ce separ cele

dou forme de und. Chiar i aa, tensiunea de intrare este mai

mare dect cea de ieire, ceea ce nseamn ca amplificarea n

tensiune este sub-unitar

Aceast amplificare mic n tensiune nu este caracteristic tuturor amplificatoarelor emitor-comun, ci este

consecina diferenei mari dintre rezistenele de intrare i ieire. Rezistena de intrare (R1) n acest caz este de 1.000

, iar rezistena sarcinii (difuzor) este de doar 8 . Deoarece amplificarea n curent a amplificatorului este

determinat doar de factorul beta () al tranzistorului, i deoarece acest factor este fix, amplifi carea n curent nu se

va modifica odat cu variaia niciuneia dintre cele dou rezistene. Totui, amplificarea n tensiune depinde> de

aceste rezistene.

.

Mrirea rezistenei sarcinii

Dac mrim rezistena sarcinii, cderea de tensiune pe aceasta

va fi mai mare pentru aceleai valori ale curenilor, rezultnd

o form de und de ieire mai mare. S urmrim i graficul

formelor de und pentru sarcina de 30 .

De data aceasta, amplitudinea formei de und a tensiunii de

ieire (albastru) este mult mai mare dect tensiunea de intrare.

Dac ne uitm mai atent, putem vedea c amplitudinea vrf la

vrf este de 9 V, de 3 ori mai mare dect amplitudinea

tensiunii de intrare. Mai exact, tensiunea de intrare este de 1,5

V, iar cea de ieire de 4,418 V.

91

Calculul amplificrii n tensiune

S calculm aadar raportul (factorul) de amplificare n tensiune (AV).

Formula general de calcul a amplificrii n tensiune

Deoarece amplificarea n curent a amplificatorului emitor comun este fixat de factorul , iar tensiunile de

intrare i ieire vor fi egale cu produsul dintre curenii de intrare i ieire i rezistenele rezistorilor respectivi, putem

scrie urmtoarea ecuaie pentru aproximarea amplificrii n tensiune:

Diferena dintre amplificarea real (2,94) i cea ideal (3), se datoreaz imperfeciunilor tranzistorilor n

general.

Amplificator emitor comun cu tranzistor PNP

Pn acum am folosit doar

tranzistori de tipul NPN, dar

putem la fel de bine utiliza

tranzistori NPN n orice tip de

configuraie, atta timp ct

polaritatea i direciile curenilor sunt cele corecte. Factorii de amplificare n curent i tensiune sunt aceeai i

pentru amplificatorul cu tranzistor PNP, doar polaritile bateriilor sunt diferite.

07. Conexiunea colector comun

Denumirea de colector comun vine de la faptul c tensiunea de intrare i cea de ieire au ca i punct comun

terminalul colectorului tranzistorului, ne-lund n considerare sursele de putere din circuit

Amplificator colector comun mai este cunoscut i sub numele de repetor pe emitor

Tensiunea de ieire a unui amplificator n configuraie colector comun este n faz cu tensiunea de intrare,

ceea ce nseamn c acest tip de amplificator este ne-inversor

92

Factorul de amplificare n curent (AI) al amplificatorului colector comun este egal cu plus 1, iar factorul

de amplificare n tensiune (AV este foarte aproape de 1

Conectarea n serie a mai multor tranzistori n configuraie colector comun, poart numele de configuraie

Darlington

Definiie

. Factorul de amplificare n curent rezultat este produsul dintre factorii de amplificare al fiecrui

tranzistor din configuraie

Configuraia amplificatorului colector comun arat astfel.

Denumirea de colector comun vine de la faptul c, ignornd sursa de

alimentare (bateria), sursa de semnal i sarcina au ca punct comun

contactul colectorului.

Se poate observa c prin rezistorul de sarcin trece att curentul

colectorului ct i curentul bazei, fiind conectat n serie cu emitorul.

Amplificarea n curent a amplificatorului colector comun este cea mai

mare dintre toate configuraiile

Exemplu

, deoarece ntr-un tranzistor, cel mai

mare curent se regsete pe emitor, fiind suma dintre curentul bazei i al colectorului.

Configuraia circuitului

S analizm ns circuitul alturat pentru a descoperi

particularitile acestei configuraii.

93

Variaia curent-tensiune

Graficul variaiei cderii de tensiune de ieire - cdere de

tensiune de intrare, este cel alturat.

Faa de conexiunea emitor comun, amplificatorul colector

comun produce la ieire o cdere de tensiune de aceeai

polaritate cu tensiunea de intrare

. Pe msur ce tensiunea de

intrare crete, crete i cea de ieire. Mai mult, tensiunea de

ieire, este aproape identic cu tensiunea de intrare, minus

cderea de 0,7 V a jonciunii P-N.

Indiferent de factorul beta al tranzistorului, sau de valoarea sarcinii, amplificatorul colector comun are un factor de amplificare n tensiune (AV) extrem de apropiat de valoarea 1. Din aceast cauz, conexiunea colector comun mai este denumit i repetor pe emitor

Explicaie

.

Este relativ uor de neles motivul pentru care cderea de tensiune pe sarcina amplificatorului n colector comun este aproximativ egal cu tensiunea de intrare.

Dac ne referim la modelul diod-surs-de-curent al

tranzistorului, putem vedea c, curentul bazei trebuie s treac

prin jonciunea P-N baz-emitor, jonciune echivalent unei

diode redresoare. Dac aceast jonciune este polarizat

direct, va exista o cdere de tensiune de aproximativ 0,7 V

(siliciu) ntre terminalele acesteia. Aceast cdere de tensiune

de 0,7 V nu depinde de amplitudinea curentului de baz,

astfel c putem considera aceast cdere de tensiune ca fiind

constant.

Cunoscnd polaritile tensiunilor jonciunii P-N baz-emitor i a rezistorului de sarcin, putem vedea c

tensiunea de intrare trebuie s fie egal cu suma celor dou, n conformitatea cu legea lui Kirchhoff pentru tensiune.

Cu alte cuvinte, tensiunea sarcinii va fi tot timpul cu aproximativ 0,7 V mai mic dect tensiunea de intrare, atunci

cnd tranzistorul se afl n stare de conducie.

94

Tensiunea de polarizare n curent continuu

Pentru amplificarea semnalelor de curent alternativ cu ajutorul

configuraiei colector comun, este nevoie de utilizarea unei

surse de tensiune n curent continuu (tensiune de polarizare), la

fel cum a fost cazul configuraiei emitor comun. Rezultatul

este ns de aceast dat un amplificator ne-inversor.

Tensiunea de intrare i de ieire

Formele de und ale tensiunii de ieire (albastru) i de intrare

(rou) sunt prezentate n graficul alturat.

Formele de und n ntreg circuitul

Dac ar fi s conectm mai multe osciloscoape n circuit, vom vedea c formele de und ale tensiunilor arat astfel:

95

Factorul de amplificare n curent

Din moment ce aceast configuraie nu ofer nicio amplificare n tensiune, singura amplificare realizat

este n curent. Configuraia anterioar, emitor comun, oferea un factorul de amplificare n curent egal cu factorul

al tranzistorului, datorit faptului c, curentul de intrare trecea prin baz, iar curentul de ieire (sarcin) trecea prin

colector, iar este prin definiie raportul dintre curentul de colector i curentul de baz. n configuraia colector

comun ns, sarcina este conectat n serie cu emitorul, prin urmare, curentul de ieire este egal cu acest curent al

emitorului. Dar curentul prin emitor este curentul colectorului plus curentul bazei. Acest lucru nseamn o

amplificare n curent (AI) egal cu plus 1.

Amplificator colector comun cu tranzistor PNP

i n acest caz, se pot utiliza tranzistori

de tip PNP pentru realizarea

amplificatorului colector comun. Toate

calculele sunt identice. Singura diferen

este inversarea polaritii tensiunilor i a

direciei curenilor.

Aplicaie - stabilizarea tensiunii

Diode Zener

O aplicaie popular a tranzistorului colector comun const n stabilizarea surselor de putere n curent

continuu. Una dintre soluii utilizeaz diode Zener pentru tierea tensiunilor mai mari dect tensiunea Zener.

96

Totui, curentul ce poate fi transmis sursei este destul de limitat n aceast situaie. n principiu, acest

circuit reguleaz tensiunea la bornele sarcinii prin meninerea curentului prin rezistorul serie la valori suficient de

mari pentru ca ntreaga putere n exces a sursei de tensiune s cad pe rezistor; dioda Zener va utiliza un curent

necesar meninerii unei cderi de tensiune constante la bornele sale. Pentru sarcini mari, ce necesit un curent mare

pentru acionarea lor, un stabilizator de tensiune cu diod Zener ar trebui s unteze un curent mare prin diod

pentru a putea stabiliza tensiunea pe sarcin.

Tranzistor n conexiune colector comun

O metod de rezolvare a acestei probleme const n

utilizarea unui tranzistor n conexiune colector comun pentru

amplificarea curentului prin sarcin, astfel ca dioda Zener s

nu fie nevoit s conduc dect curentul necesar bazei

tranzistorului.

Singura problem este c tensiunea pe sarcin va fi cu

aproximativ 0,7 V mai mic dect cderea de tensiune pe

dioda Zener. Acest lucru poate fi ns corectat prin utilizarea unei diode Zener cu o tensiune Zener mai mare cu 0,7

V dect tensiunea necesar pentru aplicaia n cauz.

Tranzistori n configuraie Darlington

Modul de conectare

n unele aplicaii, factorul de amplificare n curent al unui singur tranzistor n configuraie

colector comun nu este suficient. n acest caz, se pot conecta (etaja) mai muli tranzistori ntr-o

configuraie Darlington.

Factorul de amplificare n curent

Configuraia Darlington const n conectarea pe sarcina unui tranzistor colector comun a unui alt tranzistor,

multiplicnd astfel factorii de amplificare n curent al celor doi:

97

unde: 1 - factorul beta al primului tranzistor 2 - factorul beta al celui de al doilea tranzistor

Factorul de amplificare n tensiune

Amplificarea n tensiune va fi i de aceast dat apropiat de 1, cu

toate c tensiunea de ieire va fi mai mic cu 1,4 V dect tensiunea

de intrare:

Observaii

Tranzistorii n configuraie Darlington pot fi cumprai ca i dispozitive discrete, sau pot fi construii din

tranzistori individuali. Desigur, dac se dorete obinerea unor cureni i mai mari, se pot conecta chiar i trei sau

patru tranzistori n configuraie Darlington.

08. Conexiunea baz comun

Denumirea de baz comun vine de la faptul c tensiunile de intrare i de ieire ale amplificatorului au ca i

punct comun baza tranzistorului, ne-lund n considerare sursele de putere

Factorul de amplificare n curent al amplificatorului baz comun este tot timpul mai mic dect 1

Factorul de amplificare n tensiune depinde de rezistenele de intrare i de ieire, ct i de rezistena intern

a jonciunii emitor-baz a tranzistorului, rezistena ce variaz cu variaia tensiunii de polarizare n curent

continuu. Aceast amplificare este ns foarte mare

Raportul dintre curentul colectorului i curentul emitorului unui tranzistor, poart numele de factor alfa

Definiie

().

Pentru orice tranzistor, factorul alfa este subunitar (mai mic dect 1)

98

Aceast configuraie este mai complex dect celelalte dou, emitor

comun i colector comun, i este mai puin folosit datorit

caracteristicilor ciudate de funcionare.

Denumirea de baz comun vine de la faptul c semnalul sursei

de alimentare i sarcina au ca i punct comun baza tranzistorului.

Probabil c cea mai ciudat caracteristic a acestui tip de configuraie const n faptul c sursa de semnal de

intrare trebuie s conduc ntreg curentul de pe emitor al tranzistorului, dup cum este indicat n prima figur prin

sgeile ngroate. Dup cte tim, curentul emitorului este mai mare dect oricare ali cureni ai tranzistorului, fiind

suma curenilor de baz i de colector. n celelalte dou configuraii, sursa de semnal era conectat la baza

tranzistorului, curentul prin surs fiind astfel cel mai mic posibil.

Factorul de amplificare n curent (factorul alfa)

Deoarece curentul de intrare este mai mare dect toi ceilali cureni din circuit, inclusiv curentul de ieire,

amplificarea n curent a acestui tip de amplificator este n realitatea mai mic dect 1

Exemplu

. Cu alte cuvinte, acest

amplificator atenueaz curentul, nu-l amplific. n configuraiile emitor i colector comun, parametrul folosit pentru

amplificarea n curent este , dar n configuraie baz comun, avem nevoie de un alt parametru de baz al

tranzistorului: raportul dintre curentul colectorului i curentul emitorului, raport ce este tot timpul mai mic dect 1,

i poart numele de factorul alfa ().

Circuitul

Circuitul practic pe care l vom studia, este cel alturat.

99

Variaia tensiunea ieire - tensiune intrare

Graficul variaiei tensiunii de ieire cu tensiune de intrare este

cel alturat.

Putem observa de pe grafic, c tensiune de ieire crete de la 0

(tranzistor blocat) la 15,75 V (tranzistor saturat) pe cnd

tensiunea de intrare crete de la 0,6 V pn la doar 1,2 V. Mai

precis, tensiunea de ieire nu ncepe s creasc dect dup ce

tensiunea de intrare a depit valoarea de 0,7 V, iar nivelul de

saturaie este atins pentru o tensiune de intrare de 1,12 V.

Acest lucru reprezint o amplificare n tensiune destul de

mare, de 37,5. Putem observa de asemenea, c tensiunea de

ieire (msurat la bornele rezistorului de sarcin, Rsarcin)

crete peste valoarea sursei de tensiune (15 V) la saturaie,

datorit conectrii n serie a celor dou surse de putere.

Adugarea unei surse de curent continuu

O nou analiz a circuitului, de data aceasta cu o surs de

semnal n curent alternativ legat n serie cu o surs de

polarizare de curent continuu, dezvluie nc odat factorul

mare de amplificare n tensiune.

Graficul tensiunilor de intrare i de ieire

100

Dup cum se poate observa n figura alturat, semnalul de

intrare (rou, mrit de 10 ori pentru uurina vizualizrii) este

n faz cu cel de ieire (albastru), ceea ce nseamn c

amplificatorul baz comun este non-inversor.

Vizualizarea formelor de und n ntreg circuitul

Putem vizualiza formele de und

ale amplificatorului conectnd

mai multe osciloscoape,

simultan, n punctele de interes.

Tranzistor PNP

Acelai lucru este valabil i

pentru un tranzistor PNP.

Factorului de amplificare n tensiune

Calcularea factorului de amplificare n tensiune pentru configuraie baz comun este destul de dificil i

presupune aproximri ale comportamentului tranzistorului ce sunt greu de msurat direct. Fa de celelalte

101

configuraii, unde amplificarea era determinat fie de raportul dintre doi rezistori (emitor comun), fie avea o valoare

fix (colector comun), n cazul de fa aceast valoare depinde n mare msur de valoarea tensiunii de polarizare n

curent continuu a semnalului de intrare

Observaie

. Rezistena intern a tranzistorului ntre emitor i baz joac un rol major n

determinarea factorului de amplificare n tensiune, iar aceast rezisten variaz odat cu variaia curentului prin

emitor.

Prin urmare, un factor de amplificare n curent subunitar i un factor de amplificare n tensiune

imprevizibil, fac ca aceast configuraie s ofere puine aplicaii practice

09. Amplificatoare clasa A, B, AB, C i D

.

Amplificatorul clasa A se afl n zona activ de funcionare pe ntreaga perioad a formei de und de la

intrare, prin urmare, aceasta este reprodus n totalitate la ieire

Amplificatorul clasa B reproduce la ieire doar o jumtate din forma de und de la intrare: fie jumtatea

pozitiv, fie pe cea negativ. Tranzistorul se afl doar o jumtate din timp n zona activ de funcionarea,

iar n rest este blocat

Amplificatorul clasa AB este o configuraie ce se afl ntre amplificatorul de clasa A i cel de clas B n

ceea ce privete timpul petrecut de acesta n zona activ de funcionare

Clasa D presupune (re)-proiectarea amplificatorului, i nu se bazeaz doar pe tensiunea de polarizare n

curent continuu, aa cum este cazul claselor precedente. Forma semnalului de ieire este dreptunghiular,

iar factorul de umplere al acestuia depinde de amplitudinea instantanee a semnalului de intrare. Tranzistorii

unui astfel de amplificator nu se afl niciodat n zona activ de funcionare, ei sunt fie blocai fie saturai.

Eficiena acestui tip de amplificator este mare datorit puterii disipate sub form de cldur foarte sczut

Definiie

Dup modul de reproducere la ieire a formei de und de la intrare, amplificatoarele pot fi mprite pe

clase. Aceste clase sunt desemnate cu literele A, B, AB, C i D.

Amplificator clasa A

102

n cazul amplificatoarelor de clas A, ntreg

semnalul de intrare este reprodus la ieire

Amplificator clasa B

.

Acest mod de operare al tranzistorului poate

fi atins doar atunci cnd acest funcioneaz

tot timpul n zona activ, ne-atingnd

niciodat punctul de saturaie sau de blocare.

Pentru realizarea acestui lucru, este nevoie de o tensiune de polarizare de curent continuu suficient de mare pentru

funcionarea tranzistorului ntre zona de blocare i cea de saturaie. n acest fel, semnalul de intrare n curent

alternativ va fi perfect centrat ntre limita superioar i cea inferioar a nivelului de semnal al amplificatorului.

Amplificatorul de clas B este ceea ce am

obinut n cazul amplificatorului emitor

comun, cu semnal de intrare n curent

alternativ dar fr nicio tensiune de

polarizare n curent continuu conectat la

intrare. n acest caz, tranzistorul petrece doar

o jumtate de timp n zona activ de funcionare, iar n cealalt jumtate de timp este blocat, datorit faptului c

tensiunea de intrare este prea mic, sau chiar de polaritate invers, pentru a putea polariza direct jonciunea baz-

emitor.

Configuraia contratimp

Folosit individual, amplificatorul de clas B nu este foarte folositor.

De cele mai multe ori, distorsiunile foarte mari introduse n forme

de und, prin eliminarea unei semi-alternane, nu sunt acceptabile.

Totui, aceast modalitate de polarizare a amplificatoarelor este

folositoare dac se folosesc dou amplificatoare de clas B n

configuraie contratimp (push-pull), fiecare amplificator

reproducnd doar o jumtate a formei de und

.

103

Avantaje

Un avantaj al amplificatorului de clas B (contratimp) fa de cel de clas A, const ntr-o capacitate mai

mare a puterii de ieire. n clasa A, tranzistorul disip o putere considerabil sub form de cldur datorit faptului

c acesta se afl tot timpul n zona activ de funcionare. n clasa B, fiecare tranzistor conduce doar jumtate din

timp, iar n cealalt jumtate este blocat, nu conduce curent electric, i prin urmare, puterea disipat sub form de

cldur este zero. Astfel, fiecare tranzistor are timp de odihn i de rcire, atunci cnd cellalt tranzistor se afl n

conducie. Amplificatoarele de clas A sunt mai simplu de construit, dar sunt limitate doar la aplicaiile de putere

joas datorit cldurii generate.

Amplificator clasa AB

Amplificatoarele de clas AB sunt undeva ntre clasa A i clasa B; tranzistorul conduce mai mult de 50%

din timp, dar mai puin de 100%.

Amplificator clasa C

Dac semnalul de intrare al amplificatorului

este uor negativ (sursa de tensiune n curent

alternativ inversat), semnalul de ieire va fi

tiat i mai mult fa de semnalul de ieire al

amplificatorului de clasa B. Tranzistorul va

petrece majoritatea timpului n stare blocat

Introducerea unui circuit rezonant la ieire

.

Dei aceast configuraie nu pare practic,

dac se conecteaz un circuit rezonant

condensator-bobin la ieire, semnalul

ocazional produs de amplificator la ieire

este suficient pentru punerea n funcionare

a oscilatorului.

Observaii

104

Datorit faptului c tranzistorul este n mare parte a timpului blocat, puterea la bornele sale poate fi mult

mai mare dect n cazul celorlalte dou configuraii vzute mai sus. Datorit dependenei de circuitul rezonante de

la ieire, acest amplificator poate fi folosit doar pentru semnale de o anumit frecven fix

Factorul de umplere

.

Factorul de umplere reprezint raportul dintre durata n care semnalul este maxim i durata n care semnalul

este zero

Amplificator clasa D

. Cu alte cuvinte, reprezint durata de funcionare al unui dispozitiv, n general. Factorul de umplere

variaz odat cu amplitudinea instantanee a semnalului de intrare.

Acest tip de amplificator este total diferit fa de amplificatoarele de clas A, B, AB sau C. Acesta nu este

obinut prin aplicarea unei anumite tensiuni de polarizare, precum este cazul celorlalte clase, ci necesit o

modificare a circuitului de amplificare. Nu vom intra pentru moment n detaliile construirii unui astfel de

amplificator, dar vom discuta n schimb principiul su de funcionare.

Un amplificator clasa D reproduce profilul formei

de und a tensiunii de la intrare prin generarea

unui semnal de ieire dreptunghiular cu o rat de

pulsaie mare

Cu ct amplitudinea instantanee a semnalului de

intrare este mai mare, cu att factorul de umplere

al formei de und dreptunghiulare este mai mare.

Singurul motiv pentru folosirea amplificatorului

de clas D, este evitarea funcionrii tranzistorului n zona activ de funcionare; tranzistorul va fi tot timpul fie

blocat fie saturat. Puterea disipat de tranzistor va fi foarte mic n acest caz.

.

Dezavantaje

Dezavantajul metodei const n prezena armonicilor la ieire

Aplicaii

. Din fericire, din moment ce frecvena acestor

armonici este mult mai mare dect frecvena semnalului de intrare, acestea pot fi filtrate relativ uor cu ajutorul

unui filtru trece-jos, rezultnd un semnal de ieire mult mai asemntor cu semnalul de intrare original.

105

Amplificatoarele de clas D sunt folosite de obicei n locurile unde este nevoie de puteri mari la frecvene

relativ joase, precum invertoarele industriale (dispozitive ce transform curentul continuu n curent alternativ) i

amplificatoarele audio de nalt performan.

10. Metode de polarizare ale tranzistorului

Tensiunea de polarizare n curent continuu, necesar pentru funcionarea amplificatoarelor de clas A i C,

poate fi obinut prin utilizarea unui divizor de tensiune i un condensator de cuplaj. Aceast configuraie

este folosit practic n locul bateriei conectate n serie cu sursa de semnal de curent alternativ de la intrare

Cuplajul capacitiv se comport precum un filtru trece-sus fa de semnalul de intrare al amplificatorului

Scop

Pn n acest moment, am folosit o surs de tensiune de curent continuu (baterie) conectat n serie cu

semnalul de intrare n curent alternativ pentru polarizarea tranzistorului, indiferent de clasa de funcionare din care

fcea parte. n realitate, conectarea unei baterii cu o tensiune precis la intrarea amplificatorului nu este o soluie

deloc practic

Exemplu

. Chiar dac am putea gsi o baterie care s produc exact cantitatea de tensiune necesar pentru o

anumit polarizare, acea tensiune nu poate fi meninut pe toat durata de funcionare a bateriei. Cnd aceasta

ncepe s se descarce, tensiunea sa de ieire scade, iar amplificatorul se va ndrepta spre clasa de funcionare B.

Circuitul iniial

S considerm circuitul alturat.

Includerea unei baterii cu o tensiune de polarizare

(Vpolarizare) ntr-un circuit de amplificare, nu este

practic n realitate.

Utilizarea unui divizor de tensiune

106

O metod mult mai practic pentru obinerea

tensiunii de polarizare este folosirea unei reele

divizoare de tensiune conectat la bateria de 15 V,

baterie care oricum este necesar pentru

funcionarea amplificatorului. Circuitele divizoare

de tensiune sunt i ele uor de proiectat i

construit, prin urmare, o astfel de configuraie se

prezint conform figurii alturate.

Dac alegem o pereche de rezistori R2 i R3 a cror rezistene s produc o tensiune de 2,3 V pe rezistorul

R3 dintr-o tensiune total disponibil de 15 V (R2 = 8,644 , R3 = 1,533 , de exemplu), vom obine o tensiune de

polarizare n curent continuu de 2,3 V ntre baza i emitorul tranzistorului, atunci cnd nu exist semnal de intrare.

Singura problem este c, aceast configuraie conecteaz sursa de semnal de curent alternativ direct n paralel cu

rezistorul R3 al divizorului de tensiune.

Acest lucru nu este acceptabil, deoarece sursa de curent alternativ va nvinge tensiunea de curent

continuu de la bornele rezistorului R3. Componentele conectate n paralel trebuie s posede acelai tip de tensiune la

bornele lor

Utilizarea unui condensator de cuplaj

; prin urmare, dac o surs de curent alternativ este conectat direct la bornele unui rezistor dintr-un

divizor de tensiune de curent continuu, sursa de curent alternativ va nvinge tot timpul, neexistnd nicio

component de curent continuu n forma de und a semnalului.

O modalitate prin care aceast

configuraie poate funciona, dei este

posibil s nu fie evident de ce, este prin

conectarea unui condensator de cuplaj

ntre sursa de curent alternativ i

divizorul de tensiune, astfel.

Condensatorul formeaz un filtru trece-sus ntre sursa de tensiune n curent alternativ i divizorul de

tensiune n curent continuu; ntregul semnal (aproximativ) de curent alternativ va trece nspre tranzistor, iar

tensiunea de curent continuu nu va putea ajunge la sursa de semnal. Acest lucru este mult mai clar dac ne folosim

de teorema superpoziiei, conform creia, orice circuit liniar poate fi analizat considernd c doar o singur surs de

alimentare funcioneaz n acelai timp n circuit. Rezultatul/efectul final poate fi aflat prin nsumarea algebric a

efectelor tuturor surselor de putere luate individual. Dac am separa condensatorul i divizorul de tensiune R2--R3

107

de restul amplificatorului, am nelege mai bine cum funcioneaz aceast superpoziie ntre curentul continuu i cel

alternativ.

Sursa de curent alternativ

Dac lum n considerare doar sursa de semnal de

curent alternativ i un condensator cu o impedan

arbitrar mic la frecvena semnalului, majoritatea

semnalului de curent alternativ se va regsi pe

rezistorul R3. Datorit impedanei foarte mici a

condensatorului de cuplaj la frecvena de semnal,

acesta se comport precum un scurt-circuit (fir

simplu), prin urmare, poate fi omis din figura

alturat.

Sursa de curent continuu

Dac ar fi s conectm doar sursa de tensiune de

curent continuu (bateria de 15 V), condensatorul

se va comporta precum un circuit deschis, prin

urmare nici acesta i nici sursa de semnal de

curent alternativ nu vor avea niciun efect asupra

modului de funcionare al divizorului de tensiune

R2--R3.

Aplicarea teoremei superpoziiei

Folosind teorema superpoziiei, i combinnd cele

dou analize separate ale circuitului, obinem o

tensiune (de superpoziie) de aproximativ 1,5 V

curent alternativ i 2,3 V curent continuu, tensiuni

ce vor fi aplicate la intrarea tranzistorului.

Observai n circuitul alturat, c tranzistorul nu a

fost conectat.

108

Folosind un condensator de 100 F, putem obine o impedan

de 0,8 la frecvena de 2.000 Hz.

Putem observa c acest circuit distorsioneaz puternic forma

undei curentului de ieire (albastru). Unda sinusoidal este

tiat pe majoritatea semi-alternanei negativ a semnalului de

tensiune de intrare (rou). Acest lucru ne spune c tranzistorul

intr n starea de blocare

, dei nu ar trebui. De ce se ntmpl

acest lucru? Aceast nou metod de polarizare ar trebui s

genereze o tensiune de polarizare n curent continuu de 2,3 V.

Conectarea tranzistorului n circuit

Dac n circuit avem doar condensatorul i divizorul de tensiune format din R2--R3, acesta va furniza o

tensiune de polarizare de exact 2,3 V. Totui, dup ce conectm tranzistorul la acest circuit, lucrurile se schimb.

Curentul existent prin baza tranzistorului se va aduna la curentul deja existent prin divizor i va reduce tensiunea de

polarizare disponibil pentru tranzistor. Folosind modelul diod-surs-de-curent al tranzistorului, problema

polarizrii devine mai clar.

Modificarea rezistenelor de intrare

Ieirea unui divizor de tensiune depinde nu doar de mrimea rezistorilor si componeni, ci i de cantitatea

de curent divizat de aceasta spre o sarcin. Jonciunea P-N a tranzistorului reprezint o sarcin datorit creia

tensiunea de curent continuu la bornele rezistorului R3 scade; curentul de polarizare se nsumeaz cu cel de pe

rezistorul R3, modificnd raportul rezistenelor calculat nainte, cnd am luat n considerare doar cei doi rezistori,

R2 i R3. Pentru obinerea unei tensiuni de polarizare de 2,3 V, valorile rezistorilor R2 i/sau R3 trebuiesc ajustate

109

pentru compensarea efectului curentului de baz. Pentru creterea tensiunii de polarizare de pe R3, putem scdea

valoarea lui R2, crete valoarea lui R3, sau ambele.

Graficul formelor de und

Folosind noi valori pentru cei doi rezistori (R2 = 6 k, R3 = 4

k), graficul formelor de und corespunde unui amplificator

de clas A, exact ceea ce urmream.

11. Cuplajul de intrare i de ieire

Cuplaj de intrare

Cuplaj capacitiv

Pentru a rezolva problemele de polarizare n curent continuu ale amplificatorului, fr utilizarea unei baterii

conectat n serie cu sursa de semnal de curent alternativ, am folosit un divizor de tensiune conectat la sursa de

tensiune de curent continuu deja existent n circuit. Pentru a putea folosi aceast configuraie cu semnale de curent

alternativ, am cuplat semnalul de intrare la divizor printr-un condensator (cuplaj capacitiv), condensator ce s-a

comportat precum un filtru trece-sus. Folosind acest filtru, impedana foarte sczut a sursei de semnal de curent

alternativ nu a putut scurt-circuita cderea de tensiunea de curent continuu de pe rezistorul de jos al divizorului de

tensiune. O soluie simpl la prima vedere, dar care prezint i dezavantaje.

110

Cea mai evident problem este c, amplificatorul

poate acum s amplifice doar semnale de curent

alternativ

Cuplaj direct

. O tensiune constant de curent continuu,

aplicat la intrare, va fi blocat de ctre

condensatorul de cuplaj. Mai mult, din moment ce

reactana condensatorului este dependent de

frecven, semnalele de curent alternativ de

frecvene joase nu vor fi amplificate la fel de mult

precum semnalele de frecvene nalte. Semnalele ne-sinusoidale vor fi distorsionate, din moment ce condensatorul

va rspunde diferit la fiecare dintre armonicele sale constituente. Un exemplu extrem ar fi un semnal dreptunghiular

de frecvena joas.

n situaiile n care problemele ridicate de

cuplajul capacitiv nu pot fi tolerate, se poate

folosi un cuplaj direct. Cuplajul direct

folosete rezistori n locul condensatoarelor

Aceast configuraie nu este dependent de

frecvena, fiindc nu avem niciun condensator

pentru filtrarea semnalului de intrare.

Dac un cuplaj direct amplific att semnale de curent continuu ct i semnale de curent alternativ, de ce s

folosim cuplaje capacitive n primul rnd? Unul dintre motive ar fi evitarea tensiunii naturale de polarizare n curent

continuu prezent n semnalul de amplificat. Unele semnale de curent alternativ conin i o component de curent

continuu direct de la surs, ce nu poate fi controlat, iar aceast tensiune necontrolat nseamn c polarizarea

tranzistorului este imposibil.

Un alt motiv pentru utilizarea unui cuplaj capacitiv este lipsa atenurii semnalului de la intrare. n cazul

cuplajului direct printr-un rezistor, atenuarea semnalului de intrare, astfel c doar o parte din acesta mai ajunge la

baza tranzistorului, este un dezavantaj demn de luat n considerare. Unele aplicaii necesit atenuarea semnalului de

intrare ntr-o oarecare msur, pentru prevenirea intrrii tranzistorului n zona de saturaie sau de blocare, astfel c o

atenuare existent pe cuplajul de intrare este oricum folositoare. n alte situaii ns, nu este permis atenuarea

semnalului de intrare sub nicio form, pentru obinerea unei amplificrii n tensiunea ct mai bune; n acest caz, un

cuplaj direct nu este o soluie foarte bun.

.

Cuplaj de ieire

111

n circuitul din exemplu, sarcina este reprezentat de un difuzor. Majoritatea difuzoarelor sunt

electromagnetice: acestea folosesc fora generat de un electromagnet uor, suspendat ntr-un cmp magnetic

permanent, pentru deplasarea unui con de plastic sau hrtie, deplasare ce produce vibraii n aer, care mai apoi sunt

interpretate de sistemul auditiv ca fiind sunete.

Aplicnd o tensiune de o singur polaritate, conul se deplaseaz spre exterior; dac inversm polaritatea

tensiunii, conul se deplaseaz spre interior. Pentru a putea utiliza ntreaga libertate de micare a conului, difuzorul

trebuie s primeasc o tensiune de curent alternativ pur (s nu conin curent continuu). O component de curent

continuu va tinde s deplaseze permanent conul de la poziia sa natural din centru, iar deplasarea sa nainte-napoi

va fi limitat la aplicarea unei tensiuni de curent alternativ ca urmare a acestui fapt.

Dar n circuitul nostru de mai sus, tensiunea aplicat la bornele difuzorului este de o singur polaritate

(tensiune alternativ + component de curent continuu), deoarece difuzorul este conectat n serie cu tranzistorul, iar

tranzistorul nu poate conduce curent dect ntr-o singur direcie. Acest lucru nu este acceptabil pentru niciun

amplificator audio.

Transformator de cuplaj

Prin urmare, trebuie s izolm difuzorul

fa de componenta de curent continuu a

curentului de colector, astfel nct acesta

s primeasc doar tensiune de curent

alternativ. O modalitate de realizare a

acestui lucru, este cuplarea circuitului de

colector al tranzistorului la difuzor prin

intermediul unui transformator.

Tensiunea indus n secundarul transformatorului (legat la difuzor) se va datora strict variaiilor curentului

de colector, datorita faptului c inductana mutual a unui transformator funcioneaz doar la variaiile curentului

prin nfurare

Cuplaj capacitiv

. Cu alte cuvinte, doar componenta de curent alternativ al curentul de colector va fi cuplat la

secundar pentru alimentarea difuzorului.

Aceast metod funcioneaz foarte bine, dar, transformatoarele sunt de obicei mari i grele, mai ales n

aplicaiile de putere mare. De asemenea, este dificil de proiectat nu transformator care s fie folosit ntr-o plaj

larg de frecvene, ceea ce este i cazul amplificatoarelor audio. Mai ru dect att, curentul continuu prin

nfurarea primar duce la magnetizarea miezului doar ntr-o singur polaritate, ceea ce nseamn ca

transformatorul se va satura mult mai uor ntr-una dintre polaritile semnalului de curent alternativ dect n

cealalt.

112

O alt metod de izolare a

componentei de curent continuu din

semnalul de ieire, este utilizarea

unui condensator de cuplaj pe ieire,

ntr-o manier similar cuplajului

capacitiv de intrare.

Circuitul de mai sus seamn foarte bine cu un amplificator n conexiune emitor comun, avnd colectorul

tranzistorului conectat la baterie printr-un rezistor. Condensatorul se comport precum un filtru trece-sus;

majoritatea semnalului de curent alternativ se va regsi pe difuzor, dar tensiunea de curent continuu va fi blocat de

ctre filtru. Din nou, valoarea acestui condensator de cuplaj este aleas astfel nct impedana la frecvena

semnalului s fie ct mai mic.

Cuplarea amplificatoarelor ntre ele

Cuplaj capacitiv

Blocarea tensiunii de c.c. de la ieirea unui

amplificator, fie prin utilizarea unui

transformator sau a unui condensator, este

folositoare nu doar n cazul conectrii unui

amplificator la o sarcin, ci i la cuplarea

unui amplificator la un alt amplificator.

Amplificatoarele cu mai multe etaje sunt

folosite adesea pentru obinerea unor factori de amplificare mult mai mari

Cuplaj prin intermediul transformatoarelor

dect este posibil utiliznd un singur

tranzistor.

Dei fiecare etaj se poate cupla direct cu urmtorul, prin intermediul unui rezistor n loc de condensator,

acest lucru face ca ntreg amplificatorul s fie foarte sensibil la variaiile tensiunii de polarizare n c.c., datorit

faptului c aceast tensiune va fi amplificat n fiecare etaj odat cu semnalul de c.a. Dar, dac etajele sunt cuplate

capacitiv ntre ele, tensiunea de c.c. al unui etaj nu influeneaz tensiunea de polarizare al urmtorului etaj, deoarece

trecerea acestuia este blocat.

113

De asemenea, etajele pot fi cuplate prin

intermediul transformatoarelor, dar acest

lucru nu se realizeaz prea des n practic,

datorit problemelor menionate mai sus. O

excepie o reprezint amplificatoarele de

radio-frecven, unde se utilizeaz

transformatoare de cuplaj mici, cu miez de

aer (fiind astfel imune la efectele de saturaie), ce fac parte dintr-un circuit rezonant pentru blocarea trecerii

armonicilor de frecvene nedorite dintr-un etaj la cellalt. Circuitele rezonante se folosesc doar atunci cnd

frecvena semnalului rmne constant, ceea ce este valabil n cazul circuitelor de radio frecven.

Cuplaj direct

Trebuie menionat c este posibil cuplarea direct a amplificatoarelor. n cazurile n care circuitul trebuie

s amplifice i semnale de c.c., aceasta este singura alternativ.

12. Amplificatoare cu reacie

Reacia

nseamn cuplarea ieiri unui amplificator la intrarea acestuia

Reacia pozitiv

produce oscilaii ntr-un circuit, astfel c acesta devine instabil

Reacia negativ

Definiii

tinde s stabilizeze amplificatorul, astfel nct variaia semnalului de ieire este mai mic

pentru o anumit variaie a semnalului de intrare

Dac un anumit procent din semnalul de ieire al amplificatorului este conectat la intrarea acestuia, astfel

nct amplificatorul amplific o parte din propriul su semnal de ieire, rezultatul va fi un amplificator cu reacie.

Prin reacie pozitiv se nelege creterea amplitudinii semnalului de intrare Prin reacie negativ se nelege o

scdere a amplitudinii semnalului de intrare

Amplificator cu reacie negativ

Un amplificator echipat cu reacie negativa este mai stabil, distorsioneaz mai puin semnalul de intrare i,

n general, este capabil de amplificarea unor frecvene mai largi. Dezavantajul este un factor de amplificare mai

sczut.

114

Amplificator simplu, fr reacie

S examinm un amplificator simplu, iniial fr

reacie.

Configuraia amplificatorului de mai sus este emitor

comun, cu o reea de polarizare format din divizorul

de tensiune R1--R2. Condensatorul cupleaz semnalul

de intrare n c.a., astfel nct sursa de semnal s nu

conin o component de c.c. datorit divizorului de

tensiune R1--R2. Rolul rezistorului R3 este de a

controla amplificarea n tensiune, i l-am putea

ndeprta pentru o amplificare n tensiune maxim.

La fel ca i n cazul tuturor

amplificatoarelor emitor comun, i acesta

inverseaz semnalul de intrare. Putem

vedea alturat formele de und ale

tensiunilor de intrare i ieire.

Reacia negativ ntre colector i baz

Datorit faptului c semnalul de

ieire este inversat (defazat cu

180o

(anti-faz)), orice conexiune

ntre ieirea (colector) i intrarea

(baz) tranzistorului va duce la

apariia unei reacii negative.

Rezistenele R1, R2, R3, i Rreacie funcioneaz mpreun precum o reea de semnale, astfel c tensiunea de la

baza tranzistorului (fa de pmnt) reprezint o medie a tensiunii de intrare i a tensiunii de reacie negativ,

rezultnd un semnal de o amplitudine redus la intrarea amplificatorului. Astfel, amplificatorul de mai sus, va avea

un factor de amplificare mai redus, dar o liniaritate mbuntit (reducerea distorsiunilor) i o band de frecvene

mrit.

115

Reacia negativ ntre emitor i mpmntarea circuitului

Aceasta nu este ns singura

modalitate de introducere a

reaciei negative ntr-un

amplificator emitor comun. O

alt metod, dei mai greu de

neles la nceput, const n

introducerea unui rezistor ntre

terminalul emitorului i

mpmntarea circuitului.

n acest caz, cderea de tensiune pe rezistorul de reacie va fi direct proporional cu valoarea curentului

prin emitorul tranzistorului, opunndu-se n acest fel influenei semnalului de intrare asupra jonciunii baz-emitor a

tranzistorului.

S ne uitm mai atent la jonciunea emitor-baz pentru a ne da seama

de efectele introducerii acestui rezistor n circuit:

Atunci cnd nu avem rezistorul de reacie n circuit (Rreacie),

tensiunea de intrare (Vintrare) ce trece de condensatorul de cuplaj i de

reeaua format din rezistorii R1/R2/R3, se va regsi n totalitate pe

jonciunea baz-emitor a tranzistorului sub forma tensiunii de intrare

(VB-E). Cu alte cuvinte, fr Rreacie, VB-E = Vintrare. Prin urmare, dac

Vintrare crete cu 100 mV, atunci i VB-E crete cu 100 mV: variaia

uneia este egal cu variaia celeilalte, din moment ce ambele tensiunii

sunt egale.

S examinm acum efectele introducerii rezistorului

Rreacie ntre emitor i mpmntare.

De data aceasta, Vreacie + VB-E = Vintrare. Odat cu

introducerea rezistenei de reacie n bucla (Vintrare, VB-E

nu va mai fi egal cu Vintrare. tim faptul c rezistorul

Rreacie va avea o cdere de tensiune la bornele sale

proporional cu valoarea curentului prin emitor,

valoare ce este controlat de curentul de baz, curent ce

este la rndul lui controlat de cderea de tensiune pe

jonciunea baz-emitor (VB-E) a tranzistorului.

116

Astfel, dac tensiunea de intrare crete, acest lucru va duce la creterea lui VB-E, ce duce la creterea

curentului bazei, ce duce la creterea curentului prin colector (sarcin), ce cauzeaz creterea curentului prin emitor,

care la rndul lui va determina creterea cderii de tensiune pe rezistorul de reacie Rreacie. Dar aceast cretere a

cderii de tensiune pe Rreacie se scade din tensiune de intrare (Vintrare), lucru ce duce la reducerea cderii de tensiune

ntre baz i emitor (VB-E); creterea real a lui VB-E va fi de fapt mai mic dect creterea lui Vintrare. O cretere de

100 mV a tensiunii de intrare nu va mai duce la o cretere de 100 mV a tensiunii de polarizare baz-emitor, ntruct

cele dou tensiuni nu sunt egale ntre ele.

Ca urmare, tensiunea de intrare exercit un control mai redus asupra tranzistorului fa de cazurile

precedente, iar amplificarea n tensiune este redus

Deriva termic

i ea ca urmare a introducerii rezistorului de reacie.

n circuitele emitor comun practice, reacia negativ nu este doar un lux, ci o necesitate pentru funcionarea

stabil a circuitului. ntr-o lume perfect, am putea construi i utiliza un amplificator emitor comun fr reacie

negativ, iar acest lucru ne-ar furniza o amplificare mare n tensiune. Din pcate ns, relaia dintre tensiunea baz-

emitor i curentul baz-emitor variaz cu temperatura, acest lucru fiind descris de ecuaia diodei. Pe msur ce

tranzistorul se nclzete, cderea de tensiune pe jonciunea baz-emitor necesar pentru aceeai valoare a

curentului va fi tot mai mic.

Acest lucru nu este de dorit, ntruct divizorul de tensiune R1--R2 este proiectat s furnizeze curentul corect

pentru funcionarea tranzistorului la punctul static de funcionare. Dac relaia curent/tensiune a tranzistorului

variaz cu temperatura, valoarea tensiunii de polarizare n c.c, necesar pentru operarea tranzistorului n clasa

dorit, se va modifica. Un tranzistor nclzit va conduce un curent i mai mare pentru aceeai valoare a tensiunii de

polarizare, ducnd la o nclzire i mai mare a acestuia i la un curent i mai mare de polarizare

Conexiunea colector comun

. Efectul este

cunoscut sub numele de deriv termic.

Amplificatoarele colector comun nu sunt afectate

de deriva termic. De ce? Rspunsul este strns

legat de reacia negativ.

117

Putem observa c sarcina amplificatorului colector comun este conectat n exact acelai loc n care am

introdus Rreacie n circuitul precedent, i anume, ntre emitor i mpmntare. Acest lucru nseamn c singura

cdere de tensiune pe jonciunea baz-emitor este reprezentat de diferena dintre Vintrare i Vieire, rezultatul fiind o

amplificare n tensiune foarte mic (de obicei aproape de 1). Apariia derivei termice este imposibil pentru acest

tip de amplificator

Avantajele utilizrii reaciei negative

: n cazul n care curentul bazei ar crete datorit nclzirii tranzistorului, curentul emitorului va

crete i el, rezultnd o cdere de tensiune mai mare pe sarcin, cdere de tensiune ce se scade din tensiunea de

intrare (Vintrare); acest lucru duce la descreterea cderii de tensiune ntre baz i emitor.

Prin adugarea unui rezistor de reacie ntre emitor i mpmntare n cazul unui amplificator emitor

comun, amplificatorul se va comporta mai puin precum un amplificator emitor comun pur i puin mai mult

precum un amplificator colector comun. Valoarea acestui rezistor de reacie este n general mult mai mic dect

valoarea sarcinii, minimiznd cantitatea de reacie negativ i meninnd amplificarea n tensiune destul de ridicat.

Un alt beneficiu al reaciei negative const n faptul c scade dependena amplificrii n tensiune de

caracteristicile tranzistorului

Condensatorul de decuplare

. Observai c n cazul amplificatorului colector comun, amplificarea n tensiune este

aproximativ egal cu 1, indiferent de factorul beta () al amplificatorului. Acest lucru nseamn, printre altele, c

putem schimba tranzistorul din configuraia colector comun cu un alt tranzistor al crui factor beta este diferit, fr

a vedea modificri semnificative faa de amplificarea tensiunii. ntr-un amplificator emitor comun, amplificarea n

tensiune depinde foarte mult de .

Dac ar fi s nlocuim un tranzistor dintr-o configuraie emitor comun, cu un tranzistor al crui este

diferit, amplificarea n tensiune ar suferi modificri substaniale. ntr-un amplificator emitor comun cu reacie

negativ, amplificarea n tensiune va fi de asemenea dependent de factorul beta ntr-o oarecare msur, dar nu ntr-

o asemenea msur precum fr reacie; circuitul va fi n acest caz mult mai previzibil, n ciuda variaiilor factorului

al tranzistorilor folosii.

Faptul c trebuie s introducem o reacie negativ ntr-un amplificator emitor comun pentru evitarea derivei

termice nu este o soluie satisfctoare. Putem evita deriva termic fr a fi nevoii a suprima factorul de

amp