BOSNA I HERCEGOVINAFEDERACIJA BOSNE I HERCEGOVINE

TUZLANSKI KANTONJAVNA USTANOVA MJEŠOVITA SREDNJA

ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA TUZLA

ELEKTRONIKA III

PRORAČUN POJAČAVAČA U SPOJU SA ZAJEDNIČKIM EMITOROM

Laboratorijska vježba - II

Profesori:Salih Saračević, dipl.ing.elektro.mr.sc. Sejfudin AGIĆ, dipl.ing.elektro.

Prezime i ime učenika: Halilovic Emir Razred: IIIT1

Stručno zvanje: Tehničar RačunarstvaDatum izrade: 16.10.2015 Ocjena:

Tuzla, oktobar/listopad 2015.

Muhameda Hevaija Uskufija 2, 75000 TuzlaTel/Fax : +387 35 281-167

ets . tz @ bih . net . ba www . etstuzla . edu . ba

www.etsedu.org/moodle/

1. TEORIJSKA PRIPREMA

1.1. POJAČAVAČ SA ZAJEDNIČKIM EMITOROM

Budući da tranzistor ima vrlo malu ulaznu i vrlo veliku izlaznu impedancu, on se kao pojačavač približava idealnom strujnom pojačavaču. U ovoj vježbi ćemo analizirati istosmjerni (statički) i izmjenični (dinamički) režim rada pojačavač sa uzemljenim emitorom i RC spregom.

Šema pojačavača je data na slici 1.1. Istu šemu bismo mogli nacrtati i tako da na ulazu pobudni generator bude naponski, pa se onda radi o pojačavaču napona, a mi ćemo govoriti o pojačavaču struje u spoju sa zajedničkim emitorom. Ovo u stvari nije bitna razlika, jer se strujni generator može predstaviti kao naponski, a naponski kao strujni.

Slika 1.1. Šema tranzistorskog pojačavača u spoju sa ZE

Pojačavački elementi, kao što su: tranzistori, fetovi, i mosfetovi napajaju se iz izvora istosmjerne struje. Na njihovim elektrodama postoji istosmjerni napon, a kroz njih protiče istosmjerna struja. Kažemo da se elementi i pojačavač nalaze istosmjernim ili statičkom režimu rada.

Tek kada su elementi priključeni na izvor istosmjernog napona, kada se nalaze u istosmjernom režimu rada, promjenom istosmjernog napona ili istosmjerne struje na ulazu, odnosno dovođenjem pobudnog signala na ulaz (govornog, audio, video ili signala nekog drugog talasnog oblika, npr. izmjeničnog, jer u osnovi svakog signala se nalazi prostoperiodični, sinusoidalni signal) elementi, uređaji, sklopovi će izvršavati funkciju zbog koje su napravljani, tj. raditi kao pojačavač. Kažemo da se elementi i pojačavač nalaze u izmjeničnom ili dinamičkom režimu rada .

Cilj ove vježbe je isključivo analiza statičkog režima rada i mjerenja istosmjernih struja i napona na pojačavaču u spoju zajednički emitor pa preporučujem da materijal sa interneta ne bude previše uopšten već na temu: statički režim rada pojačavača.

2

Pojačalo u spoju zajedničkog emitera je na izvjestan način kompromis između pojačala u

spoju zajedničke baze i zajedničkog kolektora te se zbog svojih svojstava koristi vrlo često u

niskofrekventnim ulaznim stupnjevima pretpojačala i pojačala snage. Za pojačalo u spoju

zajedničkog emitara vrijedi da ono ima:

prihvatljivu veličinu ulaznog otpora (red veličine 1 kOhm) i izlaznog otpora,

veliko strujno i zadovoljavajuće naponsko pojačanje za mali signal unutar

frekvencijskog područja karakterističnog za spektar frekvencija tonskog signala.

Slika 1.1 Pojačalo u spoju zajedničkog emitera

Pojačanje struje

Slika 1.2 Ulazna otpornost

3

Pojačala s jednim tranzistorom ne udovoljavaju zahtjevima visokokvalitetne reprodukcije

zvuka te se u niskofrekventnoj tehnici izvode pretpojačala s dva i više tranzistora, gdje se

samom konstrukcijom pojačala ispunjavaju svi zahtjevi u pogledu ulazne i izlazne

impedancije, nelinearnih izobličenja i svih drugih parametara pojačala.

Pojačalo je u spoju zajednickog emitera je elektronički sklop sa bazom u ulaznom krugu,

kolektorom u izlaznom krugu a emiter je zajednička elektroda za ulaz i izlaz kruga

Pojačalo u spoju zajedničkog emitera je pojačalo i najećim strujnim i naponskim pojačanjem,

te pojačanjem snage.

Pojačavač sa zajedničkim emitorom može imati veliko naponsko i strujno

pojačanje, ulazna otpornost mu nije velika, dok je izlazna otpornost određena vrednošću

otpornika u kolu kolektora i obično ima veliku vrednost. Naponsko pojačanje je negativno što

znači da u slučaju naizmeničnog pobudnog napona pojačavač sa zajedničkim emitorom

unosi

faznu razliku od 180 stepeni između ulaznog i izlaznog signala, odnosno obrće fazu.

Slika 1.3 Izlazna otpornost

Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s potpunom negativnom povratnom vezom Otpornik RE u emiterskom krugu tranzistora služi za temperaturnu stabilizaciju statičke radne točke. Ta vrsta stabilizacije temelji se na istosmjernoj negativnoj povratnoj vezi. Shema pojačala prikazana je na slici

4

Slika 1.4 Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s potpunom povratnom vezom

Nadomjesna shema spoja pojačala za mali signal prikazana je na slici 1.5

Slika 1.5 Nadomjesna shema spoja pojačala u SZE za mali signal s potpunom NPV

Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s djelomičnom negativnom povratnom vezom Kod pojačala s djelomičnom povratnom vezom koriste se dva otpornika u seriji čiji je zbroj jednak otporu RE

RE=RE1+RE2

Drugi otpornik,RE „premošten“ je s CE, pa se zato ostvaruje djelomična povratna veza. Shema pojačala prikazana na slici 1.6

Slika 1.6 Pojačalo u spoju zajedničkog emitera s djelomičnom povratnom vezom

5

1.2. OPIS I PRORAČUN STATIČKOG REŽIMA RADA POJAČAVAČA

Na slici 1.2. Prikazana je kompletna šema pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom.

BC107

Ucc

RcRb1

ReRb2

Cs1

Cs2

Ce

Slika 1.2. Elektronska šema pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom u Multisim-u

Izvršićemo njegovu statičku analizu pa su zbog toga na slici 1.3 prikazani samo elementi pojačavača odgovorni za njegov istosmjerni režim rada. Upravo vrijednosti tih elemenata (otpornika RC, RE, RB1 i RB2) treba izračunati i to tako da oni radnu tačku tranzistor „drže“ u sredini linearne oblasti statičkih karakteristika.

BC107

Ucc

RcRb1

ReRb2

Slika 1.3. Pojačavača u spoju za zajedničkim emitorom sa komponentama odgovornim za statički radni režim

Na slici 1.3 nacrtane su i komponente istosmjernih struja i napona koje se pojave kada se uključi baterija (napajanje) UCC, tj. naponi UCEQ, UBEQ i URe.

6

UCEQ

URe

UBEQ

ICQ

IEQ

IBQ

I

UCEQUReUBEQ IEQI

KI

KII

KIII

Za izabrani NF tranzistor za male snage BC107 poznata je izlazna statička karakteristika, slika 1.4. Za pouzdan rad pojačavača izabran je položaj radne tačke Q približno u sredini linearnog područja karakterisitke, ucrtana je radna tačka i zatim pročitane vrijednosti pripadajućih struja i napona.

Sa karakteristike usvajamo vrijednosti struja i napona u radnoj tački Q (dodjeljujemo im dodatni indeks Q): ICQ≈5 mA, IBQ=15 μA i UCEQ≈4 V, a svakako je iz inženjerske prakse poznata vrijednost za UBEQ=0,7V (napon direktno polarisanog pn spoja baza-emiter).

Struju IE računamo kao: IEQ=ICQ+IBQ≈ICQ (logično, jer je IB rada μA tj. zanemariva)

Također, iz prakse poznato je:

- da bi pojačavač ostvarivao zadanu funkciju da treba usvojiti i vrijednost pada napona na otporu RE tako da on bude 10-20% vrijednosti napona napajanja UCC. Npr. neka je onda usvojena vrijednost URE≈0,2UCC,

- isto tako usvajamo i vrijednost struje koja teče iz napajanja kroz otpore RB1 i RB2 (slika 1.3) tako da je ona 10 do 20 puta veća od struje IBQ. Npr. neka je I≈10IB.

Napon napajanja pojačavača je uvijek poznat i neka za ovaj slučaj iznosi UCC=10V.

Slika 1.4. Izlazna statička karakkteristika za tranzistor BC107

Zaključujemo, na osnovu usvojenih vrijednosti iz prakse i pročitanih vrijednosti sa statičke karakteristike da su poznate vrijednosti struja i napona (prema statičkoj karakteristici) za BC107 su:

- ICQ≈5 mA, IEQ≈ICQ, IBQ=15 μA, UCEQ≈4 V, UBEQ=0,7V

Usvojene vrijednosti iz prakse potrebne za proračuna i napon napajanja su:

- URE≈0,2UCC, I≈10IB, UCC=10V

7

ICQ=5,2 mAICQ≈5 mA

UCEQ=3,85 VUCEQ≈4 V

IBQ=15 μA

Primjenjujući znanja iz Osnova elektrotehnike i zatvaranjem kontura na slici 1.3, a prema II Kirhofovom zakonu možemo izračunati:

I. Vrijednosti otpora RC računamo tako da pojačavač radi u izabranoj radnoj tački Q, uzimajući da je pad napon na otporniku RE približno jednak 20% od napona napajanja UCC, tj. URE≈0,2UCC.

Zatvaranjem konture KI u izlaznom kolu (slika 1.3):

-UCC+ICQRC+UCEQ+URE=0 iz čega slijedi:

II. Vrijednosti otpora RE računamo iz poznatog pada napona na njemu usvajajući da je IEQ≈ICQ:

URE=IEQRE pa je:

III. Vrijednosti otpora RB1 računamo usvajajući da je struja I (slika 1.3) približno 10 puta veća od struje baze IBQ (I≈10IBQ)

Zatvaranjem konture KII, u ulaznom kolu preko RB1, a onda preko UBEQ i URE:

-UCC+IRB1+UBEQ+URE=0 iz čega slijedi:

IV. Vrijednosti otpora RB2 računamo opet usvajajući I≈10IBQ.

Zatvaranjem konture KIII, u ulaznom kolu preko RB2, pa ponovo UBEQ i URE:

IRB2-UBEQ-URE=0 iz čega slijedi:

Da bismo nacrtali kompletan pojačavač usvajamo, također, i vrijednosti za kapacitete kondenzatore CS1=CS2= 47nF i CE = 470μF, Sad možemo nacrtati kompletnu elektronsku šemu sa proračunatim i usvojenim elementima, kao na slici 1.5.

8

T1

BC107BP

Ucc

10 V

Rc800Ω

Rb148.7kΩ

Re400Ω

Rb218kΩ

Cs1

47nF

Cs2

47nF

C1470µF

Slika 1.5. Kompletan pojačavač sa slike 1.2 sa vrijednostima proračunatih elemenata

9

2. LABORATORIJSKA VJEŽBA

2.1. PRORAČUN STATIČKOG REŽIMA RADA VLASTITOG POJAČAVAČA

Treba proračunati elemente pojačavača u spoju zajednički emitor sa slike 1.2, realiziranog sa NPN bipolarnim tranzistorom prema vlastitom izboru iz biblioteke Multisim-a.

I. Prikazati proračun na način prikazan u teorijskom dijelu (poglavlje 1.2), sa svim proračunima, slikama i rezultatima. Voditi računa da treba usvojiti napon napajanja pojačavača UCC=12V.

1. Za vaš izabrani tranzistor snimiti izlaznu statičku karakteristiku prema uputstvu:

a) Statičku karakteristiku snimiti uz pomoć IU Analizatora (IV-Analyzer) uz simulacione parametre (Simulate param.: za struju 0<I<500mA i napon 0<V<15V).

b) Uz pomoć "linijara" postaviti vrijednosti UCE (neka je UCE≈6V) pa pročitati vrijednosti struja ICQ i IBQ.

c) Kliknuti u licu IV Analizatora na presjek linijara i karakteristike koja se nalazi u sredini linearnih oblasti karakteristike, tj. izabrati položaj radne tačke Q u toj oblasti. Za napon napajanja pojačavača usvojiti UCC=12 V, a napon UCEQ≈6 V. Pročitati vrijednosti struja ICQ i IBQ potrebnih za proračun. Usvojiti UBEQ≈0,7 V i I≈10IB.

d) Prikazati izlaznu statičku karakteristiku u Grapher-u.

2. Izvršiti proračun otpora RC, RE, RB1 i RB2, prema formulama sa strane 5 ovog dokumenta, iz poglavlju 1.2, uzimajući da je napon na otporniku RE približno URE≈0,2UCC.

3. Realizirati i prikazati elektronsku šemu sa slike 1.5, ali sa vrijednostima otpora koje ste proračunali za vaš tranzistor i njegov statički režim rada (vrijednosti iz tačke 2.).

4. Nakon toga pokrenuti simulacija pa izmjeriti pojedinačno napone u izlaznom kolu tranzistora:

prvo pad napona na otporu RC (URc), zatim napon na tranzistoru UCE i na kraju pad napona na otporu RE (URe),

Provjeriti da li vrijedi: URc + URe + UCE ≈ UCC

5. Ostalo je još samo da stavite ampermetar u kolektorsko kolo tranzistora. Izmjerite struju IC i provjerite da li vrijedi:

IC≈ICQ,

tj. da li dobivena struja, koja teče kroz pojačavača, probližno odgovara onoj koju ste izmjerili na izlaznoj statičkoj karakteristici.

II. Ponovo uraditi sve kao pod 3 4 i 5 ali vrijednosti proračunatih otpora uzeti iz niza E24 (slika 2.1), tj. najbližih vrijednosti onima koje se proizvode u praksi. (npr. nema otpornika od 400 Ω, ali ima od 390 Ω i 430 Ω, itd... Dakle uzmemo jedan od ova dva koje možemo naći na tržištu, veću ili manju vrijednost, prema svom izboru...).

Prikazati ponovo sve šeme i mjerenja!

10

Slika 2.1 Vrijednosti otpornika i za odgovarajuće tolerancije u nizovima E6, E12 i E24

Provjeriti ponovo da li vrijedi:

URc + URe + UCE ≈ UCC kao i IC≈ICQ

Kolika je razlika u odnosu na prethodno mjerenje?

2.2. IZRADA VJEŽBE PRORAČUN STATIČKOG REŽIMA RADA POJAČAVAČA

1.

Tranzistor 2N2222A u IV analyzer-uIBQ≈110mAICQ≈2AUCC=12VUCEQ=6VUBEQ≈0,7 V I≈10IB

.

11

Tranzistor 2N2222A u Grapher-u2. URE≈0,2UCC. IBQ≈110mAICQ≈2AUCC=12VUCEQ=6VUBEQ≈0,7 V I≈10IBQ

3.

12

Šema pojačavača4.

Mjerenje napona u šemi

URc + URe + UCE ≈ UCC

1,657V+8,628V+1,714V=11,99V

5.

13

Mjerenje struje u šemi

14

Izrada zadatka II

1.

Šema pojačavača sa drugim vrijednostima2.

Mjerenje napona u šemi

15

3.

Mjerenje struje u šemi

16

3. LITERATURA

1. Stojan Ristić, Elektronske komponenete, Predavanja, Elektronski fakultet Niš, Niš 2010.

2. Jasmina Kotur, Stanko Paunović, Analogni elektronički sklopovi, Zagreb 2009.3. Nediljka Furčić, Elektronički sklopovi, Neodidacta doo Zagreb, Zagreb 2008.4. Tomislav Brodić, Analogna integrisana elektronika, Svjetlost, Sarajevo 1989.5. Vojin Cvekić, Elektronika I, Poluprovodnička elektronika, Naučna knjiga Beograd,

Beograd 1986.6. Sejfudin Agić, Elektronika za I razred, JUMS Elektrotehnička škola Tuzla, Tuzla,

2013.7. Sejfudin Agić, Elektronika za II razred, JUMS Elektrotehnička škola Tuzla, Tuzla,

2014.8. Jasmina Omerdić, Sejfudin Agić, Elektronika za III razred, JUMS Elektrotehnička

škola Tuzla, 2015.9. www.elektronika.ba 10. http://www.fpz.unizg.hr/hgold/es/ae/pog_2/pog241.htm 11. https://bib.irb.hr/datoteka/714031.Zavrsni_rad_Martin_Garaj.pdf 12. http://www.tehnicka-skola-karlovac.hr/maturalna_pitanja/

2_9pojacalo_sa_zajednickim_emiterom.php13. http://www.np.ac.rs/downloads/nm/nm_hemteh/oekp.pdf 14. http://tnt.etf.rs/~ir2oae/lab/Osnovne_pojacavacke_sprege.pdf

17