06. Conexiunea emitor-comun

Acasă » Electronică analogică » 04 - Tranzistorul

Definiţie

Să reluăm exemplu studiat în secţiunile precedente, unde tranzistorul a fost folosit pe post de întrerupător.

Această configuraţie poartă numele de conexiune emitor comun datorită faptului că, ignorând bateria de alimentare, atât pentru sursa de semnal (celula solară) cât şi pentru sarcină, contactul emitorului reprezintă un punct comun celor două.

În exemplele precedente, am considerat că tranzistorul funcţionează saturat (la capacitate maximă). Cunoscând faptul că, curentul prin colector poate varia în funcţie de curentul bazei, putem controla luminozitatea lămpii din acest circuit în funcţie de expunerea celulei solare la lumină. Când intensitatea luminoasă ce cade pe celula solară este minimă, lampa va lumina foarte slab. Pe măsură ce intensitatea luminoasă ce cade pe celula solară creşte, va creşte şi intensitatea luminoasă a lămpii.

Exemplu - măsurarea intensităţii luminoase

Să presupunem acum că am dori să măsurăm intensitatea luminoasă cu ajutorul celulei solare. Vrem să măsurăm de fapt intensitatea razei incidente pe celula solară folosind curentul său de ieşire conectat la un instrument de măsură (ampermetru).

Conectarea directă la borne a unui ampermetru

Una dintre soluţii ar consta în conectarea ampermetrului direct la celula solară.

Cu toate că această metodă funcţionează pentru măsurători moderate ale intensităţilor, ea nu poate fi folosită atunci când intensitatea luminoasă scade sub o anumită valoare, datorită faptului că celula solară trebuie să alimenteze şi ampermetrul iar precizia sistemului scade foarte mult în acest caz. Să presupunem în continuare că în exemplul de mai sus, suntem interesaţi de măsurători extrem de scăzute ale intensităţilor luminoase. În acest caz, trebuie să căutăm o altă soluţie.

Utilizarea unui tranzistor

Soluţia cea mai la îndemână este utilizarea unui tranzistor pentru amplificarea curentului generat de celula solară. Acest lucru înseamnă că va exista o cantitate mult mai mare de curent disponibilă pentru deviaţia acului indicator al aparatului de măsură, pentru o valoare mult mai mică a curentului generat de celula solară.

De această dată, curentul prin circuit (şi prin aparatul de măsură) va fi de β ori mai mare decât curentul prin celula solară. Pentru un tranzistor cu β = 100, acest lucru reprezintă o creştere substanţială a preciziei măsurătorii. Atenţie însă, puterea adiţională necesară funcţionării aparatului de măsură este „colectată” de la bateria din dreapta, nu de către celula solară. Tot ceea ce realizează celula solară este controlul curentului bateriei pentru furnizarea unei puteri mai mari necesară funcţionării aparatului de măsură, puterea ce nu ar fi putut fi generată de către celula solară însăşi.

Deoarece tranzistorul este un dispozitiv de regulare a curentului, iar indicaţia aparatului de măsură depinde doar de curentul ce trece prin bobina acestuia, indicaţia aparatului de măsură va depinde doar de celula solară şi nu de valoarea tensiunii generată de baterie. Acest lucru înseamnă că acurateţea măsurătorii realizată de acest circuit va fi independentă de condiţiile bateriei, un lucru extrem de important! Tot ceea ce trebuie bateria să facă, este să genereze o anumită tensiune minimă şi un curent suficient pentru funcţionarea ampermetrului.

Înlocuirea ampermetrului cu un rezistor

Configuraţia emitor comun mai poate fi folosită şi pentru producerea unei tensiuni dependente de semnalul de intrare, în loc de curent. Să înlocuim aşadar aparatul de măsură cu un rezistor şi să măsurăm tensiunea dintre colector şi emitor.

Când intensitatea luminoasă pe celula solară este zero, tranzistorul va fi blocat şi se va comporta precum un întrerupător deschis între colector şi emitor. Acest lucru va duce la apariţia unei căderi de tensiune maxime între colector şi emitor, V_ieşire, tensiune egală cu tensiunea de la bornele bateriei.

Când intensitatea luminoasă pe celula solară este maximă, celula solară va duce tranzistorul în zona de saturaţie; acesta se va comporta precum un întrerupător închis între colector şi emitor. Rezultatul va fi o cădere de tensiune minimă între colector şi emitor. Totuşi, această tensiune de saturaţie dintre colector şi emitor este destul de mică, câteva zecimi de volţi, în funcţie de tranzistorul folosit.

Amplificator inversor

Pentru intensităţi luminoase ce se regăsesc între aceste valori (minim/maxim), tranzistorul va funcţiona în zona activă, iar tensiunea de ieşire va fi undeva între zero volţi şi tensiunea bateriei. De menţionat că tensiunea de ieşire a tranzistorului în configuraţie emitor comun este invers proporţională cu intensitatea semnalului de intrare. Cu alte cuvinte, tensiunea de ieşire scade cu creşterea semnalului de intrare. Din acest motiv, amplificatorul (cu tranzistor) în configuraţie emitor comun poartă numele de amplificator inversor.

Exemplu

Să considerăm circuitul alăturat.

Variaţia curent-tensiune

Graficul variaţiei tensiune-curent este cel din figura alăturată (căderea de tensiune dintre colector şi emitor şi curentul bazei).

La începutul simulării, curentul generat de sursă (celula solară) este zero, tranzistorul este blocat iar căderea de tensiune între colector şi emitor este maximă, şi anume 15 V, tensiunea bateriei. Pe măsură ce curentul generat de celula solară începe să crească, tensiunea de ieşire începe să scadă proporţional, până când tranzistorul intră în starea de saturaţie la curentul de bază de 30 µA. Putem observa foarte clar de pe grafic că variaţia tensiunii este perfect liniară, până în momentul saturării, unde nu atinge de fapt niciodată valoarea zero. Un tranzistor saturat nu poate atinge niciodată o cădere de tensiune de exact 0 volţi între colector şi emitor datorită efectelor joncţiunii sale interne.

Amplificarea semnalelor alternative

Circuitul original

Adesea avem nevoie însă de un amplificator în curent alternativ. O aplicaţia practică este utilizarea acestui tip de amplificare în sistemele audio. Să reluăm circuitul cu microfon, dar să încercăm de data aceasta să-l modificăm astfel încât să alimenteze un difuzor în loc de lampă.

În circuitul original, am folosit o punte redresoare pentru transformarea semnalului de curent alternativ al microfonului în tensiune de curent continuu pentru polarizarea bazei tranzistorului. În acel caz ne-a interesat doar să pornim lampa cu un semnal venit din partea microfonului, iar această configuraţie şi-a îndeplinit scopul. De data aceasta însă, vrem să reproducem un semnal de curent alternativ pe difuzor. Acest lucru înseamnă ca nu mai putem redresa semnalul de ieşire al microfonul, deoarece avem nevoie de semnalul de curent alternativ nedistorsionat la intrarea tranzistorului.

Îndepărtarea punţii redresoare

Să îndepărtăm aşadar puntea redresoare din circuit şi să înlocuim lampa cu un difuzor.

Circuitul final

Fiindcă microfonul poate produce tensiuni mai mari decât tensiunea de polarizare directă a joncţiunii bază-emitor, vom conecta şi un rezistor în serie cu microfonul. Circuitul practic pe care îl vom analiza este cel din figura alăturată.

Formele de undă ale curentului şi ale tensiunii

Graficul variaţiei tensiune-curent, tensiunea de alimentare, V₁ (1,5 V, f = 2.000 Hz) cu roşu, curentul prin difuzor (mai mare de 10 ori pe grafic decât curentul real, pentru observarea mai clară a acestuia), cu albastru, este prezentat alăturat.

Curentul prin difuzor este acelaşi cu cel prin baterie. Putem vedea că semnalul de tensiune de intrare este un semnal sinusoidal cu semi-perioda pozitivă şi negativă, iar semnalul de curent de ieşire pulsează doar într-o singură direcţie (semi-perioada negativă). Sunetul reprodus de difuzor în acest caz va fi extrem de distorsionat.

Explicaţia comportamentului

Ce s-a întâmplat cu circuitul în acest caz? De ce nu reproduce în totalitate semnalul de tensiune în curent alternativ de la intrare? Să revenim la modelul diodă-sursă-de-curent al tranzistorului pentru a încerca elucidarea problemei.

Curentul prin colector este regulat, sau controlat, printr-un mecanism de curent constant ce depinde de curentul prin dioda bază-emitor. Observaţi că ambele direcţii ale curentului sunt uni-direcţionale! În ciuda faptului că se încearcă o amplificare de semnal în curent alternativ, acesta este de fapt un dispozitiv de curent continuu, fiind capabil să conducă curenţi doar într-o singură direcţie. Chiar dacă aplicăm o tensiune alternativă între bază şi emitor, electronii nu se pot deplasa prin circuit în semi-perioada negativă a semnalului ce polarizează invers joncţiunea bază-emitor (dioda). Prin urmare, tranzistorul va fi blocat în acea porţiune a perioadei, şi va intra în conducţie doar când polaritatea tensiunii de intrare este corectă, astfel încât să polarizeze direct dioda bază-emitor, şi doar dacă acea tensiune este suficient de mare pentru a depăşi tensiune de polarizare directă a diodei. Reţineţi, tranzistorii sunt dispozitive controlate în curent: aceştia controlează curentul prin colector în funcţie de existenţa curentului între bază şi emitor (curentul de bază), şi nu în funcţie de tensiunea bază-emitor.

Conectarea unei surse de curent continuu la intrare

Singura modalitate prin care tranzistorul poate reproduce întreaga formă de undă pe difuzor, este menţinerea acestuia în zona activă pe întreaga perioadă a undei, adică, trebuie să menţinem un curent prin bază în toată această perioadă. Prin urmare, joncţiunea bază-emitor trebuie polarizată direct tot timpul. Din fericire, acest lucru se poate realiza prin conectarea unei surse de curent continuu în serie cu semnalul de intrare:

Formele de undă ale curentului şi ale tensiunii

Graficul formelor de undă arată de data această precum în figura alăturată.

Cu sursa de tensiune de polarizare (V_polarizare) conectată în serie cu sursa de semnal, tranzistorul rămâne în zona activă de funcţionare pe toată perioada undei, reproducând cu exactitate forma de undă de la intrare pe difuzor. Observaţi că tensiunea de la intrare variază între valorile de 0,8 V şi 3,8 V, o amplitudine vârf-la-vârf de exact 3 volţi (2 * amplitudinea de vârf a sursei = 2 * 1,5 = 3 V). Curentul de ieşire, pe difuzor, variază între zero şi aproximativ 300 mA, fiind defazat cu 180^o cu semnalul de intrare (al microfonului).

Formele de undă în întreg circuitul

Dacă am conecta simultan mai multe osciloscoape în circuitul de mai sus, formele de undă ale tensiunilor ar arăta astfel.

Amplificarea în tensiune a tranzistorului în conexiune emitor comun

Amplificarea în curent al circuitului de mai sus este dată de factorul beta (β) al tranzistorului, în acest caz particular, 100, sau 40 dB. Determinarea amplificării în tensiune este însă puţin mai complicată de determinat.

Să urmărim graficul tensiunii pe difuzor (albastru) şi al tensiunii de intrare pe tranzistor (roşu, bază-emitor):

Dacă am lua aceeaşi scală, de la 0 la 4 V, putem vedea că forma de undă a tensiunii de ieşire are o amplitudine vârf-la-vârf mai mică decât tensiunea de intrare. Dim moment ce amplificarea în tensiune a unui amplificator este definită ca şi raportul dintre amplitudinile semnalelor de curent alternativ, putem ignora componenta de curent continuu ce separă cele două forme de undă. Chiar şi aşa, tensiunea de intrare este mai mare decât cea de ieşire, ceea ce înseamnă ca amplificarea în tensiune este sub-unitară.

Această amplificare mică în tensiune nu este caracteristică tuturor amplificatoarelor emitor-comun, ci este consecinţa diferenţei mari dintre rezistenţele de intrare şi ieşire. Rezistenţa de intrare (R₁) în acest caz este de 1.000 Ω, iar rezistenţa sarcinii (difuzor) este de doar 8 Ω. Deoarece amplificarea în curent a amplificatorului este determinată doar de factorul beta (β) al tranzistorului, şi deoarece acest factor este fix, amplificarea în curent nu se va modifica odată cu variaţia niciuneia dintre cele două rezistenţe. Totuşi, amplificarea în tensiune depinde> de aceste rezistenţe.

Mărirea rezistenţei sarcinii

Dacă mărim rezistenţa sarcinii, căderea de tensiune pe aceasta va fi mai mare pentru aceleaşi valori ale curenţilor, rezultând o formă de undă de ieşire mai mare. Să urmărim şi graficul formelor de undă pentru sarcina de 30 Ω.

De data aceasta, amplitudinea formei de undă a tensiunii de ieşire (albastru) este mult mai mare decât tensiunea de intrare. Dacă ne uităm mai atent, putem vedea că amplitudinea vârf la vârf este de 9 V, de 3 ori mai mare decât amplitudinea tensiunii de intrare. Mai exact, tensiunea de intrare este de 1,5 V, iar cea de ieşire de 4,418 V.

Calculul amplificării în tensiune

Să calculăm aşadar raportul (factorul) de amplificare în tensiune (A_V).

Formula generală de calcul a amplificării în tensiune

Deoarece amplificarea în curent a amplificatorului emitor comun este fixată de factorul β, iar tensiunile de intrare şi ieşire vor fi egale cu produsul dintre curenţii de intrare şi ieşire şi rezistenţele rezistorilor respectivi, putem scrie următoarea ecuaţie pentru aproximarea amplificării în tensiune:

Diferenţa dintre amplificarea reală (2,94) şi cea ideală (3), se datorează imperfecţiunilor tranzistorilor în general.

Amplificator emitor comun cu tranzistor PNP

Până acum am folosit doar tranzistori de tipul NPN, dar putem la fel de bine utiliza tranzistori NPN în orice tip de configuraţie, atâta timp cât polaritatea şi direcţiile curenţilor sunt cele corecte. Factorii de amplificare în curent şi tensiune sunt aceeaşi şi pentru amplificatorul cu tranzistor PNP, doar polarităţile bateriilor sunt diferite.