UKŁADY ZASILANIA
TRANZYSTORÓW
UKŁADY ZASILANIA
TRANZYSTORÓW
Dobór punktu pracy
Dobór właściwego punktu pracy jest w istotny sposób
uzależniony od przeznaczenia i założonych warunków
pracy układu.
Najważniejsze czynniki, które trzeba uwzględnić przy
doborze optymalnego punktu pracy to:
•wielkość wzmocnienia: g
m
40I
C
( dla 1mA g
m
40mS )
•ograniczenia mocy wydzielanej w tranzystorach,
stabilność termiczna
•poziomy napięć i prądów na wyjściu wzmacniacza
•ograniczenia częstotliwościowe
•zniekształcenia nieliniowe
•poziom szumów
•poziom impedancji wejściowej i wyjściowej
•warunki zasilania - stabilizowane,
niestabilizowane, bateryjne
Obszar bezpiecznej pracy (SOA)
tranzystora bipolarnego
0
P
max
Przebicie
wtórne
Przebicie
napięciowe
I
C max
(przepalenie połączeń)
Nasycenie
i zniekształcenia
Zatkanie
tranzystora
(zniekształcenia)
SOA
I
C
U
CE
Zastosowanie
I
C
U
CE
Stopnie wejściowe o
małym poziomie szumów
(20 – 200) A
(1-5) V
Stopnie pośrednie
wzmacniaczy małych
sygnałów
(0,2 – 2) mA
(3-10) V
Wzmacniacze akustyczne
średniej mocy
(0.1 – 1) A
(5-12) V
Wzmacniacze akustyczne
dużej mocy
(2 – 10) A
(20-100) V
Dobór punktu pracy ze względu na
zastosowania
Dobór napięcia kolektor-emiter lub dren-
źródło
ze względu na stabilność termiczną
tranzystora
CC
CEQ
E
2
1
U
Moc strat rośnie
przy wzroście temperatury
przy U
Q
>
I
U
hiperbola mocy admisyjnej P
max
P
1
<P
2
<
P
max
E
CC
CC
E
2
1
Q1
Q2
E
2
1
Moc strat maleje
przy wzroście temperatury
przy U
Q
<
E
2
1
Typowo:
Analiza ogólnego, dwubateryjnego układu
zasilania tranzystorów bipolarnych
+
-
E
CC
+
-
E
B
R
C
R
B
U
C
E
U
BE
I
B
R
E
I
C
Zastępujemy tranzystor uproszczonym modelem Ebersa - Molla
+
-
E
CC
+
-
E
B
R
C
R
B
R
E
0
CE
B
F
I
I
I
C
U
BE
B
C
E
U
CE
I
B
I
E
I
II
Równanie oczka wejściowego (I) ma postać
E
B
= I
B
R
B
+ U
BE
+ I
E
R
E
= U
BE
+ I
C
R
E
+ I
B
(R
B
+ R
E
)
Wykorzystując zależność
F
0
CB
F
C
B
I
1
I
I
uzyskujemy:
E
F
B
0
CB
F
E
B
F
BE
B
C
R
1
R
I
1
R
R
U
E
I
Napięcie U
CE
uzyskamy z równania oczka
wyjściowego (II)
E
CC
= I
C
R
C
+ U
CE
+ I
E
R
E
= U
CE
+ I
C
(R
C
+ R
E
) + I
B
R
E
Po podstawieniu zależności i przekształceniu
równanie
otrzymujemy :
0
CB
F
F
E
E
F
F
C
C
CC
CE
I
1
R
R
1
R
I
E
U
Jeżeli spełnione są warunki (zwykle są ):
)
CB
E
B
BE
B
E
F
B
I
R
R
U
E
oraz
R
1
R
wówczas :
Podobnie, jeżeli spełnione są warunki:
E
C
C
CC
0
CB
E
F
F
R
R
I
E
I
R
oraz
1
1
wówczas :
E
C
C
CC
CE
R
R
I
E
U
E
BE
B
C
R
U
E
I
Wpływ temperatury na zmiany punktu pracy.
Współczynniki stabilizacji prądu
Wielkości U
BE
, β, I
CB0
zależą od
temperatury
U
BE
(T
1
) = U
BE
(T
1
) - c (T
1
-
T
0
)
gdzie c jest współczynnikiem zmian temperaturowych zmian U
BE.
Współczynnik ten niemal nie zależy od prądu i jest stały w szerokim
zakresie zmian temperatury.
Jego wartość wynosi od 1,5 mV/
0
C do 2,5 mV/
0
C.
β
F
(T
1
) = β
F
(T
0
)[1 + γ (T
1
-
T
0
)]
gdzie γ jest współczynnikiem temperaturowych zmian
β.
Współczynnik ten niemal nie zależy od temperatury.
Jego wartość wynosi od 5 10
-3
1/
0
C do 10 10
-3
1/
0
C
b
T
T
exp
T
I
T
I
0
1
0
0
CB
1
0
CB
gdzie:
b jest współczynnikiem temperaturowych zmian
prądu I
CB0
.
Dla krzemu b 20
0
C
F
F
C
BE
u
0
CB
i
C
I
S
U
S
I
S
I
Zatem
I
C
= f [I
CB0
(T), U
BE
(T), β
F
(T) ]
Obliczając różniczkę zupełną powyższej funkcji otrzymujemy :
F
F
C
BE
BE
C
0
CB
0
CB
C
C
d
I
dU
U
I
dI
I
I
dI
Zastępując różniczki przyrostami:
gdzie :
0
BE
1
BE
BE
const
,
const
I
BE
C
BE
C
u
T
U
T
U
U
U
I
U
I
S
0
CB
0
F
1
F
F
const
I
,
const
U
F
F
C
C
C
F
F
C
T
T
I
I
I
I
S
0
CB
BE
0
0
CB
1
0
CB
0
CB
const
,
const
U
0
CB
C
0
CB
C
i
T
I
T
I
I
I
I
I
I
S
BE
Współczynniki S
i
, S
u
, S
β
wyznaczymy różniczkując wyrażenie na
prąd kolektora:
E
F
B
E
BE
C
u
R
1
R
R
1
U
I
S
F
i
C
F
F
C
S
I
I
S
Zależności przybliżone obowiązują, gdy R
B
/β
F
> >
R
E
, a tak jest w większości układów praktycznych.
E
B
F
B
E
E
B
0
CB
C
i
R
R
1
R
R
R
R
I
I
S
Analizując wzory (2.3.10) - (2.3.12) widzimy, że w celu uzyskania
jak najmniejszych współczynników stabilizacji należy dążyć do jak
największej wartości rezystora R
E
, jak najmniejszej wartości rezystora
R
B
i stosować tranzystory o jak największej wartości β.
Zauważmy, że duża wartość rezystora R
E
prowadzi do minimalizacji
wszystkich współczynników stabilizacji prądu kolektora.
Zmianę napięcia U
CE
spowodowaną zmianą temperatury można
obliczyć z zależności :
ΔU
CE
= - ΔI
CE
(R
C
+
R
E
)
Stosowanie zatem zbyt dużych wartości rezystora
R
E
prowadzi zatem z drugiej strony do wzrostu
napięcia zasilania E
CC
i zwiększenia zmian napięcia
ΔU
CE
z temperaturą.
A zatem wartość rezystora R
E
jest ograniczona zarówno od góry jak
i od dołu.
Od góry wartość ta jest ograniczona dwoma czynnikami :
a) maksymalnym napięciem zasilania, które w może być zastosowane
w układzie
C
CE
max
CC
C
CE
CC
C
E
I
U
E
I
U
E
R
R
b) warunkami stabilizacji napięcia kolektora, które
pogarszają się,
gdy R
E
rośnie
C
CE
max
C
E
C
E
I
U
R
R
R
R
Od dołu, wartość R
E
jest ograniczona warunkami
stabilizacji prądu
kolektora, które pogarszają się, gdy R
E
maleje.
Minimalną wartość R
E
można wyznaczyć jako :
C
0
CB
C
EB
C
0
CB
max
B
min
E
E
I
I
I
U
I
I
R
R
R
Należy podkreślić, że we wzmacniaczy rezystancyjnym zbyt małe
wartości R
E
i R
B
powodują w praktyce nadmierne zmniejszenie
wzmocnienia dla składowych zmiennych, ponieważ rezystancje te
bocznikują wejście i wyjście tranzystora.
Tak więc, przy wyborze wartości R
E
należy się kierować rozsądnym
kompromisem między warunkami stabilizacji prądowej i napięciowej
oraz wartością napięcia zasilania i wzmocnienia układu oraz rezystancji
wejściowej i wyjściowej układu.
Układy zasilania tranzystorów bipolarnych
Oprócz omówionego poprzednio układu zasilania
tranzystora
bipolarnego z dwu baterii stosowane są również
układy zasilania:
• stałym prądem bazy
• potencjometrycznego ze sprzężeniem emiterowym
• potencjometryczny ze sprzężeniem kolektorowym
• stałym prądem emitera
• różnicowy
• z nieliniowymi elementami kompensującymi wpływ
zmian
temperatury
Są to układy zasilania jednobateryjne, w których bateria
E
BB
zastąpiona źródłem obliczanym z tw. Thevenina
Analiza i projektowanie tych układów odbywa się za
pomocą
wzorów wyprowadzonych dla układu zasilania
dwubateryjnego,
z tym, że obydwa układy należy sprowadzić najpierw do
równoważnego układu zasilania dwubateryjnego.
+
-
E
CC
R
B
U
CE
U
BE
I
B
I
C
R
C
Zasilanie stałym prądem bazy
B
BE
CC
B
0
C
B
C
BE
CC
C
R
U
E
R
I
R
R
1
U
E
I
Rzadko stosowany - ze
względu na:
1. Duży wpływ temperatury
2. Bardzo duże wartości R
B
I
B
E
CC
+
-
R
C
R
2
U
CE
U
BE
I
B
R
E
R
1
I
C
Zasilanie potencjometryczne z tzw.
sprzężeniem emiterowym
B
E
BE
B
B
E
0
C
B
E
BE
B
C
R
)
1
(
R
U
E
R
1
R
I
R
R
1
U
E
I
mocy
ze
wzmacniac
-
I
E
15
,
0
do
05
,
0
napieciowe
ze
wzmacniac
-
I
E
4
,
0
do
1
,
0
R
C
C
C
C
E
2
1
2
1
B
R
R
R
R
R
2
1
2
CC
B
R
R
R
E
E
R
2
R
1
R
E
C
E
R
C
E
CC
+
+
R
1
R
2
R’
E
R’
C
E’
CC
+
E
B
I
B
R’
B
Przekształcenie w układ dwubateryjny
2
1
2
1
'
B
R
R
R
R
R
C
C
R
R
,
E
E
R
R
,
2
1
2
CC
B
R
R
R
E
E
,
CC
CC
E
E
,
Zasilanie z tzw.
sprzężeniem kolektorowym
+
-
E
CC
R
C
U
C
E
U
BE
I
B
R
F
I
C
CE
C
B
C
CC
U
R
I
I
E
B
B
BE
CE
R
I
U
U
B
C
BE
CC
B
C
0
C
B
C
BE
CC
C
R
)
1
(
R
U
E
R
1
R
I
R
R
1
U
E
I
Ogólny układ zastępczy rezystorowych
obwodów polaryzacji
(dotyczy także tranzystorów polowych)
R
6
R
2
R
1
R
4
C
E
R
5
U
CC
+
+
R
E
R
C
E
CC
+
E
B
R
B
R
3
5
6
2
1
6
1
C
4
6
2
1
6
2
E
3
2
1
2
1
B
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
CC
6
2
1
2
B
U
R
R
R
R
E
CC
6
2
1
2
1
CC
U
R
R
R
R
R
E
Układ zasilania ze stałym prądem emitera
(1)
.
const
I
R
U
E
I
CQ
E
BE
EE
EQ
R
B
+
-
E
CC
U
CE
U
BE
I
B
I
CQ
R
C
I
źr
E
EE
C
E
R
E
I
EQ
Ponieważ:
U
BE
0.6V...0,7V
const.
stąd:
Układ zasilania ze stałym prądem emitera
(2)
R
B
+
-
E
CC
U
CE
U
BE
I
B
I
C
R
C
I
źr
I
EQ
=I
źr
I
CQ
=co
nst.
E
EE
C
E
Układ bez kondensatora C
E
- różnicowy
Układ różnicowy
R
B
+
-
E
CC
U
BE
R
C
I
źr
E
E
E
U
CE
I
B
I
C
I
B
I
C
u
E
0V
źr
CQ
I
2
1
I
R
B
Najprostsze źródła prądowe
R
U
E
I
BE
p
C
S
ds
S
m
ds
d
R
g
R
g
1
g
1
I
U
R
I
Zakres
triodowy
R
S
U
I
D
U
DS
U
’’
GS
U
’
GS
I
D
= I
źr
R
T
U
BE
U
E
p
I
C
= I
źr
R
T
U
BE
U
E
CC
I
C
= I
źr
R
1
R
2
E
p
Układ źródła prądowego z kompensacją
nieliniową
R
T
1
T
2
I
I
R
I
R
I
B2
I
B1
I
c1
U
BE
+E
B
U
R
0
0
BE
B
0
0
R
I
2
R
U
E
2
I
I
1
T
e
22
e
21
e
12
e
22
d
r
h
h
h
h
1
R
Lustro prądowe
a) b) c)
T
1
U
BE2
R
+E
B
T
4
T
1
T
1
T
2
T
2
T
2
T
3
T
3
I
I
R
I
R
I
R
I
I
U
BE!
U
BE
+U
CC
Inne źródła prądowe z kompensacją
nieliniową
02
01
03
R
1
1
1
1
I
I
2
2
1
I
I
02
04
R
T
2
BE
1
BE
2
E
1
E
U
U
exp
I
I
R
I
...
I
Źródło wymuszające kilka równych prądów
R
U
E
I
I
I
I
1
BET
R
2
źr
2
źr
1
źr
R
T
1
I
R
I
B1
I
c1
U
+E
T
2
I
źr1
I
B2
BE
T
3
I
źr2
I
B3
T
4
I
źr3
I
B4
U
R
1
źr
2
źr
3
źr
I
I
I
I
R
T
1
I
R
I
B1
I
c1
U
+E
T
2
I
źr1
I
B2
BE
T
3
I
źr2
I
B3
T
4
I
źr3
I
B4
U
R
E3
R
E4
<
Źródło wymuszające kilka różnych
prądów
Obwody polaryzacji tranzystorów
bipolarnych
z elementami nieliniowymi
n
I
C
R
E
R
2
R
C
R
1
+U
CC
I
B
I
E
I
1
I
2
nU
D
U
D
U
D
1
I
2
=I
1
Kompensacja zmian U
BE
niskie i średnie temperatury
(pokojowe)
Kompensacja wpływu I
c0
-wyższe temperatury-
(kilkadziesiąt i więcej
0
C)
U( T)=0
n
I
C
R
E
R
2
R
C
R
1
+U
CC
I
B
I
E
I
1
I
2
nU
D
U
D
U
D
1
U
D0
I
C0
Przykłady - wpływ temperatury na prąd
kolektora
-symulacja PSpice-
V2
m
=10mV
Przykłady - wpływ składowej
stałej
prądu kolektora na
wzmocnienie
I
C
I
C
V2
Przykłady
wpływ prądu kolektora na wzmocnienie
składowa zmienna
Obwody polaryzacji tranzystorów
bipolarnych
z elementami nieliniowymi
I
C
R
E
R
2
R
3
R
C
R
1
R
T
+U
CC
0
T
I
C
0
T
R
T
R
2
+R
3
R
2
R
BM
Układ zasilania tranzystora polowego
R
G
R
S
R
D
R
G
R
S
I
G
I
D
I
S
U
DS
U
DD
R
D
U
DD
Elementarne obwody zasilania tranzystorów: a) JFET z kana
łem typu N;
b) MOSFET z kana
łem typu P
U
GS
Q
Q
-2V
-2,5V
-3V
-1V
I
D
U
GS
U
DS
R
S
U
GS
=0
-0,5V
-1V
-2V
-3V
-1,5V
U
DD
Układ zasilania tranzystora polowego
D
S
D
DD
DS
R
R
I
U
U
S
D
GS
R
I
U
Tj=T2>T1
Tj=T1
RS
ID
-UGS
ID
-UGS
RS
Określenie zmian prądu drenu:
a) przy rozrzucie charakterystyk; b) przy zmianach temperatury
Układ zasilania tranzystora polowego
I
D
R
S opt
I
D
(Temp)
Układ zasilania tranzystora polowego
o większej stałości prądu drenu
E
G
T
max
T
min
R
S
U
GS
Zakładana, maksymalna
zmiana prądu drenu
R
1
R
2
R
S
R
D
Zmiana I
D
w układzie
konwencjonalnym
(tzn. bez R
1
)
DD
2
1
2
G
U
R
R
R
E
E
G
I
D
U
DD