Zanim przejdziemy do właściwego tematu dzisiejszej lekcji przyjrzymy się bliżej innemu podzespołowi – standardowemu potencjometrowi montażowemu (popularnie nazywanym pr-ką). Krótki wstęp teoretyczny, wraz z podziałem potencjometrów i zdjęciami różnych typów modeli znajdziecie tutaj.

Na powyższym zdjęciu widzimy nasz potencjometr – ma on pomarańczowe pokrętło u góry, a z czarnej kwadratowej podstawy wychodzą 3 nóżki. Ważne jest to, że dwie nóżki wychodzą z jednego boku tego kwadratu, a trzecia nóżka wychodzi po przeciwnej stronie. Aby ułatwić nam dalsze rozważania i uniknąć nieporozumień ponumerujemy sobie nóżki, tak jak widać to na ryc. 1.

Położone obok siebie nóżki 1 i 3 połączone są na stałe ścieżką oporową. Dlatego też rezystancja między nimi jest stała, wynosi w naszym przypadku 10kΩ i nie zależy od pozycji w jakiej znajduje się pokrętło. Sprawdźmy omomierzem ich rezystancję i porównajmy to z wartością opisaną na obudowie.

 

Zgodnie z przewidywaniami rezystancja ścieżki oporowej, czyli rezystancja mierzona między 1 i 3 nóżką jest zbliżona do 10kΩ – wynosi u mnie 9,94kΩ. Wartość ta nie ulegnie zmianie mimo zmian pozycji pokrętła – sprawdź!

Teraz skręć pokrętło maksymalnie w jedną stronę i dokonaj pomiaru rezystancji między nóżkami 1 i 2 oraz 3 i 2.

Gdy pokrętło jest maksymalnie skręcone w którąś stronę, nóżka druga jest zwarta z którąś z pozostałych nóżek, dlatego rezystancja między nimi jest bliska zeru. Mierząc rezystancję między nóżką drugą z przeciwstawną nóżką oporność jest równa oporności potencjometru.

Teraz przekręćmy nieco pokrętło i zmierzmy rezystancję między nóżkami 1 i 2 oraz 3 i 2:

Skoro już wiemy jak działa potencjometr (tzn. że między nóżkami 1 i 2 oraz 3 i 2 możemy otrzymać dowolną rezystancję z przedziału od zera do maksymalnej rezystancji potencjometru – w naszym przypadku do 10k)) możemy przejść do właściwego tematu tej lekcji, a mianowicie do tranzystorów bipolarnych.

Podstawowe informacje o tranzystorach (podział, budowa, zasada działania) znajdziecie w osobnym poście tutaj. Na samym wstępie muszę zaznaczyć, że na chwilę obecną skupimy się na prostych układach tranzystorowych (włącz/wyłącz) gdzie podczas obliczeń będziemy pomijać pewne etapy. Więcej informacji będzie potrzebne w dalszej części kursu gdzie  precyzyjne wyznaczenie punktu pracy będzie rzutowało na efekt końcowy działania całego układu.

Zaczniemy od tranzystora NPN – BC548B. Wygląda on tak:

Wiemy, że posiada on 3 nóżki jest to: baza, kolektor i emiter… Ale która jest która? W tym celu sprawdzimy notę katalogową (możecie ją znaleźć na stronie sklepu www.celtor.pl przy konkretnym produkcie). Informacji nie trzeba szukać długo, wszelkie wątpliwości rozwiewa rysunek na samym początku noty:

Pokrótce przypomnę zasadę działania tranzystora. Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym tzn. że w pewnych warunkach przewodzi prąd a w pewnych nie. Zasada działania tranzystora bipolarnego opiera się na tym, że sterujemy w nim prądem bazy – jeśli do bazy dostarczymy stosunkowo niewielki prąd, spowoduje to otwarcie tranzystora, czyli przepływ prądu z kolektora do emitera. Prąd płynący z kolektora do emitera jest o wiele większy od prądu płynącego od bazy do emitera, dlatego można powiedzieć, że prąd emitera jest niemal równy prądowi kolektora a w praktyce Ie=Ib+Ic.

Jak już wspominałam praca tranzystora zależy od dostarczonego do niego prądu bazy:

• stan zatkania – do bazy nie dopływa prąd lub jest on zbyt mały zbyt mały aby tranzystor przewodził;
• stan przewodzenia (pracy liniowej) – prąd bazy przekroczył wartość progową, zwiększanie prądu bazy powoduje wprost proporcjonalne (liniowe) zwiększenie przepływu prądu przez złącze kolektor-emiter;
• stan nasycenia – dalsze zwiększanie prądu bazy nie zwiększa już przepływu prądu przez złącze kolektor-emiter; zbyt wysoki prąd bazy może uszkodzić tranzystor!

To tyle informacji teoretycznych, przejdziemy do takiego oto układu:

Źródłem zasilania B1 jest standardowo nasz koszyk baterii dostarczający do układu napięcie rzędu 6V. Prąd rozdziela się i część „idzie” do kolektora, a część przez potencjometr trafia do bazy tranzystora.

W naszym przypadku do kolektora trafi napięcie 6V… a do bazy? Pamiętajmy, że potencjometrem możemy uzyskać rezystancję od 0 do 10k. W przypadku, gdy skręcimy go maksymalnie zwierając nóżkę ze ślizgaczem do nóżki dostarczającej napięcie, zachowa się on tak, jak gdyby w ogóle go nie było – do bazy popłynie napięcie ok. 6V. Czy to nie za dużo? Sprawdźmy co na ten temat mówi nota katalogowa:

Maksymalnym dopuszczalnym napięciem w złączu emiter – baza (V_EBO) jest 5V. Dostarczenie w tym miejscu 6V może zakończyć się uszkodzeniem tranzystora.Możemy oczywiście uważać, aby za mocno nie przekręcić potencjometru, ale to niezbyt wygodne i niezbyt pewne rozwiązanie.

Poza tym, jak widzimy dostarczenie 6V napięcia na kolektor jest bezpieczne, bo producent dopuszcza w tym miejscu (V_CEO) nawet 30V. Napięcia na kolektorze nie przekroczyliśmy, ale co z prądem? Jego dopuszczalna wartość (I_C) to 500mA. Czy możemy być pewni, że nasza bateria podłączona w ten sposób z tranzystorem nie da takiego prądu?

Jak zmodyfikować nasz układ, aby natężenie i napięcie nigdzie nie przekroczyło dopuszczalnych dla tranzystora norm? Jeśli pomyśleliście o rezystorach to macie rację! Po lekkiej modyfikacji układ w naszym doświadczeniu wygląda następująco:

Wartość rezystora R1 i R2 będzie trzeba obliczyć. Zaczniemy od rezystora R1:

R1 = U / I

Z wartością U nie ma problemu, bierzemy po prostu napięcie zasilania jakie dostarcza nam bateria, czyli 6V, a co z prądem? Maksymalny prąd kolektora I_C to 500mA. My dla naszych doświadczeń nie potrzebujemy aż takiego natężenia (to bardzo duży prąd przy stosunkowo niskim napięciu jakie daje nam bateria), załóżmy że prąd kolektora ma wynosić  maksymalnie 100mA.

R1 = 6V / 100mA

R1 = 60Ω

Zaraz, zaraz! A co ze spadkiem napięcia na tranzystorze? Dlaczego nie bierzemy go pod uwagę w naszych obliczeniach?! W tym miejscu skupimy się jedynie na takim dobraniu rezystorów, aby mieć pewność, że nie uszkodzimy tranzystora (obliczanie układu z tranzystorem znajdziecie w dalszej części tej lekcji). Załóżmy więc, że żadne spadki napięcia na tranzystorze nie występują i poprzestańmy na tym, że R1 ma mieć 60Ω.

Przejdźmy do obliczenia rezystancji rezystora R2. Tu sprawa się trochę komplikuje z uwagi na brak opisanej maksymalnej wartości I_B w nocie katalogowej. Wyznaczymy go sobie z tego wzoru:

I_C = I_B x β

I_B = I_C / β

Symbol β to współczynnik wzmocnienia (h_FE) – informacji o nim poszukajmy w nocie katalogowej:

Z powyższej tabeli wynika, że współczynnik wzmocnienia (h_FE), w zależności od indywidualnych cech danego tranzystora, może wynosić od 200 do 450. Jest to dość duży rozrzut.

Czy jest jakiś sposób aby wyznaczyć współczynnik β naszego konkretnego tranzystora? Tak, możemy wartości odszukać w karcie katalogowej. Praktycznie na samym końcu są charakterystyki tranzystora z których można odczytać betę w funkcji prądu kolektora oraz napięcie Ube w funkcji prądu kolektora. Niektóre multimetry wyposażone są  funkcję pomiaru wzmocnienia (bety). Wystarczy włożyć nóżki tranzystora w odpowiednie otwory przeznaczone na określony typ tranzystora, ustawić pokrętło na opcję pomiaru współczynnika h_FE i odczytać wartość (w razie wątpliwości należy zajrzeć do instrukcji obsługi swojego miernika): pomiar bety w multimetrze wykonywany jest tylko dla jednej wartości napięcia Uce oraz Ube – proszę tą uwagę zapamiętać gdyż będzie nam to potrzebne w obliczeniach.

Mój współczynnik wzmocnienia to 360. Jeśli udało Ci się zmierzyć swoją β świetnie! Możesz teraz wykorzystać ją do dalszych obliczeń. Jeśli Twój miernik nie ma takiej opcji, nie przejmuj się – specjalnie z myślą o Tobie, poniżej zamieszczam obliczenia w oparciu o dane z noty katalogowej:

I_B = I_C / β

Zakładając, że nie mamy możliwości pomiaru β, dalsze obliczenia przeprowadzimy dla dwóch skrajnych wartości (200 i 450):

I_B = 100mA / 200                    I_B = 100mA / 450

I_B = 0,5mA                                I_B = 0,22mA

Dla bezpieczeństwa do obliczeń rezystancji przyjmiemy niższą wartość I_B, czyli 0,22mA.

R2 = U / I

R2 = 6V / 0,22mA

R2 = 27272,72Ω

R2 = 27,3kΩ

Skoro wiemy już jakich wartości rezystorów potrzebujemy, możemy zmontować ten układ na płytce stykowej:

Źródłem napięcia jest koszyk baterii na 6V. Następnie linie układu rozgałęziają się – jedna z nich przechodząc przez rezystory R1 = 47Ω i R2 = 22Ω (co razem daje rezystancję 69Ω), biegnie do kolektora tranzystora BC548B. Druga linia obwodu prowadzi przez rezystory: R3 = 22kΩ, R4 = 4,7kΩ i R5 = 470Ω (co razem daje rezystancję 27,17kΩ) do potencjometru montażowego P1 o maksymalnej wartości rezystancji 10k. Nasza pr-ka drugą nóżką łączy się z masą, natomiast nóżka zakończona suwakiem biegnie do bazy tranzystora npn BC548B.

Oto jak wygląda układ na płytce stykowej:

Nasze doświadczenie polegać będzie na mierzeniu natężenia i napięcia w określonych punktach układu przy różnym położeniu pokrętła potencjometru.

W jaki sposób dokonywać pomiarów? Ustaw pokrętło potencjometru w pewnym położeniu i dokonaj wszystkich 4 pomiarów, następnie przekręć nieco pokrętło i tak jak poprzednio dokonaj pomiarów, itd.

Uzyskane przeze mnie wyniki zebrałam w poniższej tabeli:

Analizę powyższej tabeli zacznę od dołu:

• wiersz e – napięcie pomiędzy bazą, a emiterem U_BE jest równe 0V. Dlaczego? Pokrętło od potencjometru jest maksymalnie skręcone w prawą stronę, a tym samym nóżka ślizgacza w potencjometrze (doprowadzająca prąd do bazy) jest tak blisko kolejnej nóżki potencjometru (połączonej z masą), że właściwie można powiedzieć, że jest z nią zwarta.

Pamiętamy, że napięcie to różnica potencjałów. Różnica potencjałów tych dwóch nóżek potencjometru jest tak mała, że nie wykrywa jej nasz miernik. Złącze kolektor – emiter otwiera się tylko wtedy, gdy prąd bazy osiągnie odpowiedni poziom. Przy zerowym prądzie bazy tranzystor pozostaje w stanie zatkania. Z tego powodu napięcie między kolektorem i emiterem wynosi 6,23V i jest równe napięciu dostarczanemu do układu przez baterię B1;

• wiersz d – pokrętło potencjometru zostało nieco obrócone w lewo, a nóżka ślizgacza połączona z bazą oddaliła się od nóżki połączonej z masą:

z tego powodu napięcie baza-emiter U_BE wzrosło i w tej chwili wynosi 0,47V, ale tranzystor nadal pozostaje w stanie zatkania, ponieważ jest to zbyt niskie napięcie. W tym miejscu można by zadać pytanie od jakiego napięcia tranzystor przejdzie w stan pracy? Odpowiedź znajdziemy w nocie katalogowej (której fragment zamieszczam poniżej) – napięcie pomiędzy bazą a emiterem powodujące włączenie tranzystora to 0,58V;

• wiersz c – ślizgacz w potencjometrze znów przesunął się delikatnie w lewo:

napięcie U_BE wynosi 0,69V, czyli przekroczyło w końcu wymagane 0,58V do włączenia tranzystora. Do bazy dopływa teraz stosunkowo niewielki prąd 18,8μA, który spowodował, że tranzystor zaczął przewodzić prąd  pomiędzy kolektorem a emiterem. Przez kolektor płynie prąd rzędu 9mA. W porównaniu do prądu jaki przepływa przez bazę, prąd kolektora jest bardzo duży. Wyliczę wzmocnienie prądowe mojego tranzystora:

IC = IB x β

β = IC / IB

β = 9mA / 18,8μA

β = 479

Zauważyliście, że coś tu się nie zgadza? Wyżej pisałam, że zgodnie z notą katalogową współczynnik wzmocnienia może wynosić od 200 do 450. Ponadto mierzyłam h_FE tego konkretnego tranzystora miernikiem i wyniósł od 360! Skąd te rozbieżności? Wynika to z wielu czynników:

 – temperatura przy której dokonywałam pomiaru – elementy w układzie do których przyłożymy napięcie często wydzielają ciepło, mniej lub bardziej grzeją się, co odbija się m.in. na naszym współczynniku β, który jest dość czuły na tego typu zmiany warunków;

 – prąd – β zmienia się od prądu  kolektora (w multimetrze pomiar wykonywany jest dla jednej wartości prądu kolektora)

 – producent – różni producenci podają nieco inne parametry danego elementu mimo, że to ten sam  jego symbol

- ważną sprawą jest również przyjęcie odpowiedniej wartości napięcia Ube (pomiędzy bazą a emiterem)

- na wynik wpływa również błąd pomiaru naszym multimetrem

Innymi słowy ten konkretny tranzystor w tych konkretnych warunkach może mieć tą konkretną β, nawet jeśli jest ona taka wysoka.

Wracając do naszej sytuacji: napięcie UBE 0,69V spowodowało otworzenie tranzystora, przepływ niewielkiego prądu IB = 18,8μA przez bazę, otwarcie złącza kolektor-emiter w tranzystorze i przepływ prądu IC = 9mA przez kolektor. Napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem spadło do 5,35V, ponieważ na tranzystorze, gdy jest on włączony, tak jak  elemencie elektronicznym, następuje spadek napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem (Uce);

• wiersz b – kolejne przekręcenie pokrętła potencjometru w lewo spowodowało odsunięcie nóżki doprowadzającej prąd do bazy od nóżki połączonej z masą

napięcie pomiędzy bazą i emiterem wzrosło i wynosi teraz U_BE = 0,78V. Z tego powodu dość znacznie zwiększył się prąd bazy I_B do 76,3μA. Większy prąd bazy to z kolei większy prąd kolektora, ponieważ nasz tranzystor znajduje się w stanie pracy liniowej, I_C to obecnie aż 29mA. Jaka jest β? Wynosi ona 380. Sporo mniej niż przy poprzednim pomiarze! Co więcej mieści się ona w zakresie podanym w nocie katalogowej i jest bliższa wynikowi uzyskanemu z pomiaru tranzystora multimetrem. Potwierdza to tylko, to co napisałam powyżej – na współczynnik wzmocnienia mają wpływ przeróżne czynniki (temperatura, prąd kolektora, producent) i ulega ona zmianie gdy tranzystor pracuje w różnych warunkach.

Większy prąd (29mA) płynący przez złącze kolektor – emiter powoduje zmniejszenie napięcia na złączu kolektor – emiter (Uce), dlatego też różnica potencjałów między kolektorem i emiterem U_CE wynosi już tylko 4V – jednak mimo to tranzystor jeszcze nie jest nasycony i zwiększanie prądu bazy będzie powodowało zwiększenie prądu kolektora;

• wiersz a – pokrętło potencjometru jest skręcone maksymalnie w lewo, nóżka ze ślizgaczem jest praktycznie zwarta z nóżką dostarczającą do potencjometru napięcie z baterii
  

  Ryc. 20 Potencjometr jest maksymalnie skręcony w lewą stronę, przez co ślizgacz jest niemalże zwarty z nóżką potencjometru doprowadzającą napięcie. Dla lepszego zobrazowania sytuacji, z lewej strony potencjometru został umieszczony jego schemat jako dwóch połączonych szeregowo rezystorów: R1 o bardzo małej rezystancji oraz R2 o bardzo dużej rezystancji.

  Jak się pewnie mogliście domyślić napięcie U_BE znów się zwiększyło, wynosi 0,8V. Ciężko było dokonać dokładnie niektórych wyników, ponieważ na pomiar miało spory wpływ np. dociśnięcie palcem potencjometru czy dotknięcie tranzystora. Powodem jest zwiększający się przepływ prądu zarówno przez bazę (99μA) oraz kolektor (37mA), a większe natężenie to większe straty ciepła, powodujące przegrzewanie się podzespołów elektronicznych, „rozjeżdżanie się” ich parametrów, gorsza praca, szybsze starzenie, a w konsekwencji ich zniszczenie.

Współczynnik β, przez wzrost prądu przepływającego przez kolektor i wzrost temperatury, znów uległ zmianie i wynosi 374.

Zwróćcie jeszcze uwagę na ten oto fragment noty katalogowej naszego tranzystora:

Maksymalne napięcie U_BE to 0,77V, potem tranzystor przechodzi w stan nasycenia – dalsze zwiększanie prądu bazy nie ma już wpływu na prąd kolektora… Coś to się nie zgadza! Przy napięciu U_BE = 0,78V otrzymaliśmy inny prąd kolektora (29mA), niż przy napięciu U_BE = 0,8V (IC = 37mA). Spójrzmy na powyższy fragment noty katalogowej – napięcie UBE podane jest dla określonego napięcia U_CE = 5V i prądu I_C = 10mA. U nas napięcie U_CE wynosiło jedynie 3,28V, a prąd kolektora I_C był wyższy i wynosił 37mA. Te różnice spowodowały, że nasz tranzystor, mimo że przekroczył założone 0,77V nie przeszedł jeszcze w stan nasycenia, gdyż wpływ ma rezystancja dołączona w obwodzie kolektora bo: URC=Ic x Rc <Uzaś czyli tranzystor jest w zakresie pracy liniowej.

Wnioski z analizy uzyskanych wyników, zawartych w powyższej tabeli są następujące:

1. Kiedy napięcie pomiędzy bazą a emiterem tranzystora BC548B jest mniejsze niż 0,58V, tranzystor jest w stanie zatkania – nie płynie przez niego prąd.
2. Wzrost napięcia pomiędzy bazą a emiterem tranzystora BC548B powyżej 0,58V powoduje jego przejście w stan pracy liniowej – zaczyna przez niego płynąć prąd – zwiększanie prądu bazy powoduje zwiększenie prądu kolektora, z tym że prąd bazy jest o wiele niższy od prądu kolektora.
3. Współczynnik prądowy zwany również współczynnikiem wzmocnienia (oznaczanym jako β lub h_FE) ma ścisły związek z temperaturą wydzielaną na tranzystorze, prądem kolektora, jak również z producentem i jakością wykonania tranzystora.
4. Wzrost temperatury tranzystora powoduje wzrost prądu kolektora I_C.

Przejdziemy teraz do tranzystora pnp – BC557B, który jest lustrzanym odbiciem w stosunku do omawianego przed chwilą tranzystora npn.

Zaczniemy od zasady działania tranzystora pnp – dokładnie tak jak tranzystor npn jest on sterowany prądem bazy. Stosunkowo niewielki prąd bazy powoduje otwarcie złącza kolektor – emiter, którym płynie stosunkowo duży prąd.

Teraz przejdziemy do analogicznego układu jak w poprzednim doświadczeniu.

Zauważyliście co się zmieniło w stosunku do układu z doświadczenia 1? Tranzystor npn został zastąpiony tranzystorem pnp. Dodatkowo źródło napięcia B1 zostało odwrócone, teraz prąd z baterii wypływa dołem (z bieguna dodatniego), a wraca górą (do bieguna ujemnego).

Wartości rezystorów pozostają te same, na swojej płytce stykowej podmień jedynie tranzystor i odwrotnie podłącz przewody czarny i czerwony doprowadzające napięcie z baterii… Oczywiście odpowiedź na pytanie: jak podłączyć tranzystor – które wyprowadzenie jest bazą, emiterem i kolektorem – znajdziemy w nocie katalogowej tranzystora BC557B (chociażby na stronie www.celtor.pl przy danym produkcie).

Tak wygląda układ na płytce stykowej:

Nasze doświadczenie, będzie polegało na mierzeniu natężenia i napięcia w określonych punktach układu przy różnym położeniu pokrętła potencjometru – identycznie jak poprzednio.

Uzyskane przeze mnie wyniki zebrałam w poniższej tabeli:

Zauważyliście, że wyniki z tabeli są niemal identyczne z wynikami z poprzedniego doświadczenia? To dlatego, że te tranzystory prawie takie same, różni je jedynie kierunek przepływu prądu. W moich rozważaniach celowo pominęłam znak minus gdyż zaciemniał by nam analizę układu. Przeanalizujemy teraz powyższą tabelę.

• wiersz e – napięcie U_BE pomiędzy bazą a emiterem jest zerowe, ponieważ nóżka potencjometru z suwakiem (doprowadzającej prąd do bazy) jest zwarta do nóżki doprowadzającej napięcie. Różnica potencjałów bazy i emitera jest tak mała, że nie wykrywa jej miernik. Brak napięcia UBE powoduje, że nasz tranzystor jest wyłączony, dlatego prąd bazy (I_B) i kolektora (I_C) nie płynie. Z tego powodu napięcie między emiterem a kolektorem U_CE wynosi 6,1V i jest równe napięciu baterii B1;
• wiersz d – nóżka potencjometru z suwakiem (doprowadzająca prąd do bazy) oddaliła się od nóżki doprowadzającej napięcie, dlatego napięcie U_BE wzrosło do 0,49V. Jest ono nadal zbyt niskie, aby tranzystor się „włączył”. Zgodnie z notą katalogową, minimalne napięcie U_BE (V_BE(on)), niezbędne do pracy tranzystora to 0,6V.

• wiersz c – ślizgacz potencjometru przesunął się w lewo, powodując wzrost napięcia U_BE do 0,67V, przekraczając tym samym wartość progową dla tranzystora, co spowodowało przepływ prądu przez bazę I_B = 23,4μA, a także przez kolektor I_C = 8,3mA. Jak zwykle prąd bazy jest znacznie mniejszy od prądu kolektora. Współczynnik wzmocnienia to β = 355. Napięcie pomiędzy kolektorem i emiterem spadło do 5,5V z uwagi na spadek napięcia na pracującym tranzystorze;
• wiersz b – kolejne przesunięcie ślizgacza po ścieżce oporowej potencjometru spowodowało wzrost napięcia U_BE do 0,69V, spowodowało to zarówno wzrost prądu bazy IB = 83μA, jak również prąd kolektora IC = 26mA. Współczynnik wzmocnienia w tym momencie wynosi 313. Napięcie kolektor – emiter spadło do 4,1V;
• wiersz a – pokrętło potencjometru jest całkowicie skręcone w lewą stronę, a nóżka ze ślizgaczem jest maksymalnie oddalona od nóżki doprowadzającej napięcie z baterii. Napięcie UBE wzrosło do 0,7V (dopiero po przekroczeniu napięcia(V_BE(on)) 0,82V tranzystor przeszedłby w stan nasycenia). Prąd bazy wyniósł I_B = 107μA, a prąd kolektora I_C = 34mA, współczynnik wzmocnienia to 318. Napięcie kolektor – emiter to 3,64V.

Wnioski z uzyskanych wyników są identyczne jak w poprzednim doświadczeniu. W tym miejscu jedynie podkreślę, że siostrzany tranzystor pnp jest jedynie lustrzanym odbiciem tranzystora npn – ta sama zasada działania, ale inny kierunek przepływającego przez tranzystor prądu.

Przed chwilą poznaliśmy z grubsza działanie tranzystora npn i pnp. Teraz spróbujemy dokładniej obliczyć rezystancję rezystorów w takim oto układzie:

Źródłem zasilania jest tu nasz koszyk na 4 baterie. Z dodatniego bieguna baterii „wychodzi” prąd, który oznaczyłam symbolem I. W pierwszym węźle nasz prąd rozdziela się na: I_C (prąd kolektora), który zanim trafi do tranzystora (BC548B), przechodzi przez rezystor R1 oraz I_R1P1, który przechodzi przez rezystor R2. Tu natrafiamy na drugi węzeł z którego: prąd I_B wędruje bezpośrednio do bazy tranzystora, a kolejna odnoga biegnie w dół przez potencjometr P1, aby ostatecznie obie linie złączyły się ze sobą i wspólnie trafiły do ujemnego bieguna baterii B1. Na obu rezystorach, jak i na potencjometrze z lewej strony widnieje strzałka podpisana literą U – w ten sposób oznaczyłam spadki napięć występujące na tych elementach. Mam nadzieje, że wszystko jest jasne i możemy przejść do obliczeń.

Założenia:

• I_C = 20mA
• β = 378 – wartość otrzymana poprzez zmierzenie h_FE multimetrem (w razie braku takiej opcji w mierniku można przyjąć średnią wartość z noty katalogowej)
• I_R2P1 ≈ 10 x I_B - rezystor R2 i potencjometr P1 to po prostu połączone ze sobą szeregowo 2 rezystory, między nimi jest węzeł którym prąd I_B trafia to bazy kolektora… coś Wam to przypomina? Dzielnik napięcia – mówiliśmy o nim w lekcji 6. Właśnie tam pisałam, że prąd w dzielniku powinien być 10 razy większy niż prąd z niego wychodzący, stąd to założenie.

Obliczenia:

• zaczniemy od obliczenia prądu bazy:

I_B = I_C / β

I_B = 20mA / 378

I_B = 52,9μA

• obliczmy spadek napięcia na rezystorze R2:

U_B1 = U_R2 + U_P1

U_R2 = U_B1 – U_P1

z noty katalogowej wiemy, że aby tranzystor mógł działać różnica potencjałów pomiędzy bazą i emiterem musi wynosić co najmniej 0,58V, dlatego spadek napięcia na potencjometrze P1 musi wynosić minimum 0,58V; dla pewności, że tranzystor będzie pracował przyjmijmy U_R2 = 0,7V

UR2 = 6V – 0,7V

UR2 = 5,3V

• obliczmy prąd I_R1P1:

I_R2P1 ≈ 10 x I_B

I_R2P1 = 10 x 52,9μA

I_R2P1 = 529μA

• obliczmy rezystancję rezystora R2 i potencjometru P1:

R = U / I

R2 = U_R2 / I_R2P1                                     P1 = U_P1 / I_R2P1

 R2 = 5,3V / 529μA                                   P1 = 0,7V / 529μA

 R2 = 10019Ω                                         P1 = 1323Ω

R2 = 10,19kΩ                                        P1 = 1,32kΩ

•  obliczymy rezystancję rezystora R1:

 R1 = U_B1 / I_C

R1 = 6V / 20mA

R1 = 300Ω

Na podstawie uzyskanych wyników zbudujmy na płytce stykowej nasz układ.

Rezystor R1 powinien mieć rezystancję 300Ω, dlatego w tym miejscu wstawiłam 3 rezystory 100Ω. W miejsce rezystora R2, którego rezystancja powinna wynosić 10,19kΩ, dałam rezystory: 10k (którego rezystancja rzeczywista wynosi 9,90kΩ) i 220Ω. Potencjometr P1 jest połączony z układem tylko dwiema nóżkami: pierwsza nóżka, ta ze ślizgaczem, łączy go z bazą tranzystora, druga nóżka łączy go z masą, trzecia nóżka pozostaje niewykorzystana. Zanim jednak w płytkę stykową włożymy tranzystor należy tak długo kręcić pokrętłem potencjometru, aż uda się ustalić napięcie pomiędzy jego nóżkami na 0,7V. Teraz można włożyć tranzystor.

Zmierzmy I_C. Czy uzyskamy założone na początku 20mA?

U mnie prąd kolektora wyniósł 12,81mA. Z czego mogą wynikać różnice?

• Z rezystancji rzeczywistej dobranych elementów, która od tych przyjętych do obliczeń może się różnić aż do 5%. Na jednym elemencie to nie dużo, ale już niewielkie odchylenie na kilku rezystorach zrobi znaczną różnicę w wyniku końcowym;
• Różne od założonego może być napięcie dostarczane przez baterię B1, w zależności od stopnia jej rozładowania;
  • Inna β – do obliczeń przyjęłam współczynnik wzmocnienia, jaki zmierzyłam multimetrem, a przecież my już wiemy, że ten współczynnik potrafi się zmieniać, np. w zależności od prądu płynącego przez kolektor lub temperatury. Dlatego do obliczeń istotne jest aby przyjąć wartości Bety, Uce oraz Ube z karty katalogowej.

Na chwilę obecną w naszych obliczeniach nie jest bardzo istotne precyzyjne dobranie punktu pracy tranzystora gdyż  projektowane układy działają na zasadzie włącz/wyłącz. Wrócimy do tematu obliczeń układów tranzystorowych przy projektowaniu wzmacniaczy audio (np. prostego wzmacniacza mikrofonowego).

Ostatnim zagadnieniem poruszanym w tej lekcji będzie układ zawierający zarówno tranzystor, jak i fotorezystor. Zbudujemy prosty czujnik zmierzchowy. Jego zadaniem będzie świecić w ciemności, a wyłączać się w świetle.

Podstawowe informacje o fotorezystorach możecie znaleźć tutaj. W tym miejscu przypomnę tylko zasadę działania – po oświetleniu fotorezystora jego rezystancja maleje, co skutkuje wzrostem przepływającego przez niego prądu.

Źródłem zasilania jest tu koszyk z 4 bateriami. Z dodatniego bieguna baterii „wychodzi” prąd, który oznaczyłam literą I. W pierwszym węźle prąd I rozdziela się na:
prąd I_C, który przechodząc przez rezystor R1, czerwoną diodę LED D1 trafia do kolektora tranzystora BC548B; prąd I_R2P1, który po przejściu przez rezystor R2 oraz potencjometr P1 znów trafia do węzła, gdzie znów się rozdziela: do bazy tranzystora oraz przez fotorezystor R3 do masy.

Po co nam tranzystor? Czy nie można by po prostu połączyć baterii, fotorezystora i diody? Otóż nie, ponieważ prąd z fotorezystora jest stosunkowo niewielki, a dioda potrzebuje aż 20mA do maksymalnej wartości natężenia światła. Tranzystor jest w tym przypadku idealny – włącza go niewielki prąd fotorezystora, a pomiędzy kolektorem i emiterem płynie większy prąd, wystarczający do zaświecenia diody.

Przejdźmy do obliczenia naszego przykładu:

• zaczniemy od obliczenia rezystancji rezystora R1 (czerwona dioda LED D1 – prąd przewodzenia 20mA, napięcie przewodzenia 2,1V), w obliczeniach pomijamy spadek napięcia na tranzystorze (Uce):

U_R1 = U_B1 – U_D1

U_R1 = 6V – 2,1V

U_R1 = 3,9V

R1 = U_R1 / I_C

R1 = 3,9V / 20mA

R1 = 195Ω

•  obliczymy prąd bazy I_B, dla β = 374 (współczynnik wzmocnienia zmierzono multimetrem):

I_B = I_C / β

I_B = 20mA / 374

I_B = 53,5μA

• obliczymy rezystancję rezystora R2, tak jakby dalej w układzie nie było potencjometru, ponieważ gdy pokrętło jest maksymalnie skręcone w jedną stronę jego rezystancja jest zerowa. Jeśli chodzi o fotorezystor, zaczniemy od zmierzenia jego rezystancji przy zwykłym oświetleniu, jakie mamy w pokoju – u mnie wyniosła ona 10kΩ. Musimy przy tym założyć, że przy takiej rezystancji spadek napięcia na fotorezystorze ma wynosić 0,5V, ponieważ przy takim napięciu pomiędzy bazą a emiterem tranzystor pozostanie wyłączony.

I_R2P1 = UR3 / R3

I_R2P1 = 0,5V / 10kΩ

I_R2P1 = 50μA

R2 = (UB1 – UR3) / I_R2P1

R2 = (6V – 0,5V) / 50μA

R2 = 110kΩ

Zbudujmy nasz układ na płytce stykowej: rezystor R1 (195Ω) to u mnie 2 rezystory po 100Ω, rezystor R2 (110kΩ) to rezystory: 100kΩ, 10kΩ.

Wynik końcowy:

Dioda LED w ciemności świeci, a przy zapalonym świetle gaśnie. W ten sposób zbudowaliśmy prosty czujnik zmierzchowy.