Praktická elektronika/BJT Zesilovače

Jak již bylo řečeno, zesilovače jsou taková elektronická zapojení, které dokáží zvětšit signál na vstupu a dodávat jej na výstup. K jejich realizaci se často využívají bipolární nebo unipolární tranzistory, případně elektronky.

Ačkoliv se v současné době v moderních zesilovačích málokdy používají diskrétní tranzistory (často se využívají již hotové integrované obvody), my si princip zesilovačů vysvětlíme na jednoduchém zapojení s jedním bipolárním tranzistorem. I přes svou jednoduchost a minimální počet součástek je však zapojení plně funkční.

Základní zapojení

Jednostupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem.

Se společným emitorem proto, že emitor tranzistoru je spojen přes rezistor $R_{E}$ se zemí, která je společná pro vstup i výstup.

Pokud na vstup tohoto jednoduchého zapojení ($u_{1}$) přivedeme signál (proud), ten bude měnit bázový proud $I_{B}$ a tím zavírat a otevírat bipolární tranzistor. To způsobí, že se bude měnit pracovní bod tranzistoru na V-A výstupní charakteristice a tím i úbytek napětí mezi kolektorem a emitorem $U_{CE}$. Čím větší úroveň signálu tedy přivedeme na vstup, tím více se tranzistor otevře, zmenší se $U_{CE}$ a tím pádem i výstupní napětí $u_{2}$. Říkáme, že tento druh zesilovače je invertující, nebo také že obrací fázi o 180°.

Funkce

Představme si, že vstup zesilovače na obrázku je spojen se zemí. V takovém okamžiku není na výstupu žádný signál, tranzistor je však otevřen. Ten se totiž nachází v pracovním bodě (což je místo na V-A charakteristice), který je dán napětím $U_{CE}$ mezi kolektorem a emitorem a proudem $I_{B}$, který teče do báze.

Jaký je proud $I_{C}$? Podle druhého kirchhoffova zákona sestavíme následující rovnici:

$U_{CC}-I_{CE}\cdot R_{C}-U_{CE}-I_{CE}\cdot R_{E}=0$

Po vyjádření pak získáváme:

$I_{C}={\frac {U_{CC}-U_{CE}}{R_{C}+R_{E}}}$

Napětí zdroje $U_{CC}$ známe. Napětí $U_{CE}$ vhodně zvolíme z výstupních charakteristik použitého tranzistoru. Napětí $U_{BE}$ je úbytek na PN přechodu a pro jednoduchost se uvažuje jeho hodnota 0.6 V.

Teď již známe pracovní body tranzistoru (máme $U_{CE}$ a $I_{C}$) v klidovém stavu. Proč pracovní body? Pokud se podíváme na výstupní charakteristiky tranzistoru, zjistíme, že je jich více a závisí ještě na jednom proudu. Tomuto proudu se říká bázový. Tento proud se nastavuje pomocí rezistoru $R_{B}$ a můžeme pro něj sestavit následující rovnici:

$U_{CC}-I_{B}\cdot R_{B}-U_{BE}-I_{B}\cdot R_{E}=0$

Tedy po vyjádření:

$I_{B}={\frac {U_{CC}-U_{BE}}{R_{E}+R_{B}}}$

Teď již známe vše k tomu, abychom určili pracovní bod zesilovače v klidovém stavu (tedy ve stavu kdy na vstup nepřivádíme žádný signál). Poté co přivedeme jakýkoliv signál na vstup se změní proud báze a tudíž i jeho pracovní bod. Tranzistor se otevře, resp. zavře a tím se změní napětí $U_{CE}$ a tedy i výstupní napětí $u_{2}$.

Výpočet vzorců zesilovače se společným emitorem

Vzorec pro výpočet kolektorového rezistoru zesilovače

$R_{C}={\frac {{\frac {1}{2}}U_{CC}}{I_{C}}}$

Vzorec pro výpočet emitorového rezistoru zesilovače

$R_{E}={\frac {U_{RE}}{I_{C}}}$

Vzorec pro výpočet proudu báze

$I_{B}={\frac {I_{C}}{h_{21E}}}$

Vzorec pro výpočet odporu báze Rb1

$R_{B1}={\frac {U_{CC}-U_{BE}-U_{RE}}{11\cdot I_{B}}}$

Vzorec pro výpočet odporu báze Rb2

$R_{B2}={\frac {U_{BE}+U_{RE}}{10\cdot I_{B}}}$

Vzorec pro výpočet zesílení

$A_{U}={\frac {U_{out}}{U_{in}}}$

Přiklad výpočtu vzorců

$U_{BE}=0,7V$ , $I_{C}=5mA$ , $U_{CC}=9V$ , $h_{21E}=360$ , $R_{E}=100\Omega$

$R_{C}={\frac {{\frac {1}{2}}U_{CC}}{I_{C}}}={\frac {{\frac {1}{2}}9V}{5mA}}=0,9k\Omega$

$U_{RE}=I_{C}\cdot R_{4}=0,005A\cdot 100\Omega =0,5V$

$I_{B}={\frac {I_{C}}{h_{21E}}}={\frac {5mA}{360}}{\dot {=}}0,014A$

$R_{B1}={\frac {U_{CC}-U_{BE}-U_{RE}}{11\cdot I_{B}}}={\frac {9V-0,7V-0,5V}{11\cdot 0,014A}}={\frac {7,8V}{0,154A}}{\dot {=}}50,65k\Omega$

$R_{B2}={\frac {U_{BE}+U_{RE}}{10\cdot I_{B}}}={\frac {0,7V+0,5V}{10\cdot 0,014A}}={\frac {1,2V}{0,14A}}{\dot {=}}8,57k\Omega$

Nedostatky

Hlavní nedostatek výše popsaného zapojení je v jeho teplotní nestálosti. Jelikož je tranzistor polovodičová součástka, je silně závislý na teplotě. Při změně teploty se mění jeho charakteristiky a tím i vlastnosti celého zesilovače. To je však silně nežádoucí a proto se snažíme do obvodu zavádět zpětnou vazbu, která bude tyto změny kompenzovat.

Stabilizace pomocí $R_{E}$

Nejjednodušší zpětnou vazbu, kterou můžeme do obvodu zavést je rezistor $R_{E}$ (ten je již ve výše uvedeném obvodu). Při zahřívání se tranzistor začíná zamovolně více otevírat, což způsobuje větší proud $I_{C}$ a tedy i další zahřívání. Na rezistoru $R_{E}$ však tímto samovolným otevíráním vzniká větší úbytek napětí. Protože platí druhý kirchhoffův zákon, začne se zmenšovat napětí $U_{BE}$ a proud $I_{C}$ zůstává konstantní.

Můstková stabilizace

Můstková stabilizace pracovního bodu tranzistoru.