Jak pali się tranzystor w układzie wspólnego emitera?

Jakiś czas temu na mojej stronie pojawił się pierwszy materiał o tranzystorach bipolarnych. Opowiedziałem wam w nim trochę o ich historii, budowie, uruchomiliśmy wspólnie pierwszy układ, a także zajrzeliśmy do wnętrza tego niezwykłego elementu. Dzisiaj po raz kolejny bierzemy na warsztat ten element, ale przyjrzymy się bliżej jego działaniu. Opowiem wam o podstawowym układzie pracy tranzystora, sprawdzimy jego działanie, a na koniec go podpalimy.

Słów kilka o układach pracy

Poprzednim razem uruchomiony tranzystor działał jako klucz, wciskając przycisk, wprowadzaliśmy go w stan przewodzenia i dioda LED świeciła. Tym razem spojrzymy na ten element w nieco inny sposób i wykorzystamy go do wzmocnienia sygnału. Jak już wiecie, każdy tranzystor ma trzy wyprowadzenia bazę, kolektor i emiter. Oznacza to, że tranzystor możemy uruchomić w trzech podstawowych konfiguracjach, w których za każdym razem jedno z wyprowadzeń będzie wspólne dla sygnału wejściowego i wyjściowego.
Teoretyczny schemat czwórnika
Wyobraźmy sobie czarną skrzynkę z czterema wyprowadzeniami, dwoma wejściowymi i dwoma wyjściowymi. Jeśli chcielibyśmy wewnątrz umieścić tranzystor, to jakbyśmy nie kombinowali, zawsze jedno z jego wyprowadzeń będzie wspólne dla wejścia i wyjścia. Tranzystor możemy uruchomić w następujących konfiguracjach, zwanych inaczej układami pracy, które swoją nazwę zawdzięczają wspólnemu dla wejścia i wyjścia wyprowadzeniu.
  • Wspólny emiter (WE) (Common emiter)
  • Wspólna baza (WB) (Common base)
  • Wspólny kolektor (WK) (Common collector)
Każda z tych konfiguracji charakteryzuje się innymi cechami i parametrami. W dalszej części dokładnie omówimy sobie chyba najczęściej spotykany układ pracy tranzystora, czyli wspólny emiter, ale za nim do tego przejdziemy, musimy wyjaśnić sobie kwestię źródła sygnału. W układzie, który zbuduję, jako sygnał wejściowy wykorzystam przebieg sinusoidalny o zmiennych parametrach, wytwarzany przez generator funkcyjny. Ktoś mógłby zapytać dlaczego? Odpowiedź jest dość prosta, chciałbym opowiedzieć wam więcej o procesie wzmacniania tranzystora, a najlepiej widoczny jest on właśnie na sygnałach zmiennych w czasie. Na upartego moglibyśmy wykorzystać napięcie stałe, ale wiele z cech charakterystycznych tranzystora byłoby ciężko zauważyć.

Wspólny emiter

Schemat układu wspólnego emitera
Tak więc zaczynajmy, stwierdziłem, że najlepiej będzie, jeśli od razu rzucimy się na nieco głębszą wodę, dlatego powyżej możecie zobaczyć ideowy schemat układu, który działa, i który za chwilę przygotujemy. Jak widać, układ ma osobne wejście i wyjście sygnału, a emiter jest wspólnym wyprowadzeniem dla obu z nich.

Konstrukcja złożona jest z czterech rezystorów, dwóch kondensatorów i tranzystora, całość zasilana jest napięciem 12V. Na początek przyjrzyjmy się elementowi półprzewodnikowemu, do testów wybrałem Radziecki КТ604БМ z 1986 roku. Jego zachodnim odpowiednikiem jest BF458, ale nie są to konstrukcje identyczne, różnią się jednym, dość istotnym parametrem. W BF458 wzmocnienie wynosi 25 – 240, natomiast w tranzystorze z ZSRR parametr ten mieści się w zakresie 30 – 120. Musimy o tym pamiętać, dobierając inne elementy układu.

Teraz omówmy sobie rezystory. Po stronie wejściowej możecie zobaczyć dwa takie elementy – R1 i R2. Ich zadaniem jest odpowiednio spolaryzować bazę tranzystora, tak aby ten był zawsze „włączony”. Wiemy, że na wejściu pojawi się sygnał sinusoidalny o zmiennej amplitudzie od 0V do xV, druga wartość nie ma tak naprawdę teraz znaczenia. Jak pamiętacie z wcześniejszego artykułu, aby tranzystor zaczął działać, a dokładniej, aby w obwodzie kolektora zaczął płynąć prąd, na bazie musi pojawić się napięcie co najmniej 0,7V mierzone względem emitera. Jeśli go nie będzie, to owszem układ będzie działać, ale dopiero, gdy napięcie sinusoidalne osiągnie ponad 0,7V, a my chcemy sterować pełnym jego zakresem. Dlatego musimy jakoś podbić napięcie na bazie, tak aby nawet w przypadku braku sygnału wejściowego tranzystor był już gotowy na jego przyjęcie. W tym celu wykorzystamy właśnie R1 i R2 w konfiguracji dzielnika napięcia, tak aby na bazie zawsze było odpowiednie napięcie.

Przy okazji R1 i R2 omówmy sobie też zadanie C1. Jego rolą jest oddzielenie sygnału wejściowego od napięcia polaryzującego bazę. Profesjonalnie określilibyśmy to jako oddzielenie składowej stałej i zmiennej. Składową stałą jest niewielkie napięcie na bazie generowane przez dzielnik napięcia, z definicji jest to napięcie stałe, które przez kondensator nie przejdzie. Składową zmienną jest nasz sinusoidalny sygnał wejściowy, dla niego kondensator nie jest żadną przeszkodą, dlatego bez problemu dotrze on do bazy tranzystora.

Czas na prawą stronę układu i rezystory R3 i R4. Rolę R3 pewnie już się domyślacie, jego zadaniem jest kontrolowanie prądu kolektora, tak aby przypadkiem nie doprowadzić do przekroczenia jego maksymalnej wartości i spalenia tranzystora. Zadaniem R4, a także C2 jest zapewnienie odpowiednich warunków pracy półprzewodnikowej konstrukcji w momencie, układ nie będzie obciążony. Rezystor odprowadzi do masy składową stałą sygnału, a kondensator zajmie się częścią zmienną. Ostatnim elementem jest C3, jego zastosowanie jest podobne do C1. On również ma za zadanie oddzielić zmienny sygnał wyjściowy od wszelkich stałych napięć, które pojawią się w układzie.

Podsumujmy sobie krótko całość. Za pomocą tranzystora będziemy chcieli wzmocnić niewielki sygnał wejściowy, uzyskując na wyjściu przebieg o większej amplitudzie, jednocześnie powinien on być jak najbardziej zbliżony do pierwotnej wersji, pozbawiony szumów. Tym procesem zajmą się wszystkie komponenty wokół tranzystora, które można powiedzieć, nastroją go w odpowiedni sposób.

Nastrajamy tranzystor

Wiemy już, jak układ wspólnego emitera ma działać, wiemy też, co chcemy dzięki niemu uzyskać. Czas więc dobrać wszystkie komponenty, tak aby, jak najlepiej wykorzystać możliwości КТ604БМ.

O naszym układzie na ten moment nie wiemy tak naprawdę nic poza tym, że napięcie zasilania wynosi 12V, ale to już jest pewien punkt odniesienia. Na początek możemy spróbować określić jaki maksymalny prąd może popłynąć w obwodzie kolektora. Zaglądając do noty katalogowej, możemy stwierdzić, że przez tranzystor może popłynąć maksymalnie 100mA, nie chcemy jednak, aby konstrukcja nadmiernie się grzała, dlatego jako wartość ICmax przyjmijmy około 80mA. Mając takie dane, możemy wyznaczyć wartość R3 ze wzoru:

ICmax = (Vcc-UR4-Uce)/R3

Tutaj pojawia się jeszcze jeden problem, skąd wziąć wartość spadku napięcia na rezystorze R4? Odpowiedź może zaskakiwać, ale musimy sobie tę wartość wymyślić. Nie może być ona jednak całkiem losowa. Zastanówmy się, co się stanie, gdy przez tranzystor popłynie maksymalny możliwy prąd? Popłynie on przez R3, tranzystor i na końcu R4. Całość zasilana jest napięciem 12V i to właśnie napięcie będzie musiało rozłożyć się na tych trzech elementach. Spadek dla przewodzącego tranzystora znamy, jest to około 0,3V, także 11,7V musimy rozdzielić między R3 i R4. W tym momencie przypomnijmy sobie, jakie jest zadanie naszego układu. Ma on wzmacniać sygnał wejściowy zarówno prądowo, jak i napięciowo. I to właśnie wzmocnienie napięciowe jest tutaj ważne, zauważcie, w którym miejscu jest wyjście, między kolektorem a R3, czyli właśnie tam potrzebować będziemy jak najwyższego napięcia. W związku z tym spadek na R4 powinien być stosunkowo niewielki, ale trzeba też pamiętać, że mniejszy spadek napięcia to większy prąd, który popłynie przez rezystor. Możemy przyjąć, że spadek napięcia na R4 wyniesie 1Vmyślę, że taka wartość wystarczy, aby opornik przesadnie się nie nagrzewał.

W tym momencie wzór, który wcześniej przywołałem, dość mocno się upraszcza, bo mamy tylko jedną niewiadomą, a takie równani bez problemu możemy obliczyć.

80mA = (Vcc-UR4-Uce)/R3

(12–1– 0,3)/R3 = 10,7/R3

0,08 * R3 = 10,7   

R3 = 133,75Ω

Znamy już wartość rezystora przy kolektorze, spadki napięć i maksymalny prąd, jaki przepłynie tą gałęzią. Dane te pozwolą nam w pewien sposób z wizualizować pracę tranzystora na charakterystyce.

Charakterystyka tranzystora z wyznaczonym punktem Q

Każdy tranzystor opisany jest charakterystyką prądu kolektora, skojarzonego z napięciem między kolektorem a emiterem, poza tym na wykres naniesione zostały też prądy bazy. Na taki wykres możemy nanieść nasze wyniki, jednocześnie wyznaczając w przybliżeniu prąd, jak popłynie przez bazę. Na początku zaznaczmy maksymalny prąd kolektora – 80mA, następnie napięcie zasilania, czyli 12V. Punkty można połączyć prostą, którą profesjonalnie możemy nazywać linią obciążenia. Dzięki niej możemy wyznaczyć punkt pracy tranzystora oznaczany literą Q, dzięki temu możliwe będzie też określenie prądu bazy. Punkt Q umieszczamy na poziomie 40mA, jest to po prostu połowa maksymalnego prądu kolektora, wartość tą można również wyznaczyć za pomocą wzoru, sprawdźmy, czy rzeczywiście jest to 0,04A.

Icq = (Vcc-UR4)/2/R3

(12-1)/2/133,75 

Icq = 0,04A

Spoglądając na charakterystykę, wiemy, że prąd bazy będzie wynosić około 400µA, ale tak naprawdę przydałaby się nam dokładna wartość, dzięki niej obliczymy jaki opór powinien mieć rezystor R4. Prąd bazy wyznaczmy ze wzoru rozpisanego poniżej. Do obliczeń musimy też przyjąć jakąś wartość wzmocnienia tranzystora. W nocie katalogowej znajdziemy informację, że wzmocnienie wynosi od 30 do 120. Tak więc bezpiecznie możemy przyjąć, że β wynosi 100.

Ib = Ic/β

0,04/100 = 400µA

Znając prąd, który przepłynie przez bazę tranzystora, możemy obliczyć wartość, jaką powinien mieć rezystor R2. Wyznaczamy ją ze wzoru poniżej, w którym dodatkowo korzystamy ze spadku napięcia na złączu baza-emiter. Jak pamiętacie z poprzedniego materiału, wynosi ono około 0,7V, jest to standardowa wartość dla krzemowego złącza PN.

R2 = (UR4+Ube)/10 * IB

(1+0,7)/10*0,0004

R2 = 425Ω

Zastanawia was pewnie, dlaczego w mianowniku mnożymy wartość prądu bazy razy 10. Ogólnie teoria w przypadku, gdy chcemy odpowiednio spolaryzować bazę tranzystora, mówi, że prąd płynący przez rezystory powinien być dość duży, tak nie wpływać na niewielkie wartości samego IB. Przyjęło się, że prąd przepływający przez drugi w szeregu rezystor powinien być mniej więcej dziesięciokrotnością prądu bazy.

Gdy wyznaczyliśmy sobie już wartość R2, możemy dość łatwo wyznaczyć R1. Posłuży do tego wzór na dzielnik napięcia, w którym prąd bazy pomnożymy przez 11, bo skoro przez R2 płynie 10 x IB to naturalne jest, że przez opornik bliżej napięcia zasilania popłynie wartość 11 x IB.

R1 = Vcc(UR4+Ube)/11 * IB

12*1,7/11 *0,0004

20,4/0,0044

R1 = 4636Ω

Do obliczenia został nam już tylko R4, ale, aby wyznaczyć jego wartość, potrzebujemy jeszcze prądu emitera. Jego obliczenie jest dość proste.

Ie = Ic+Ib

0,04+0,0004

Ie = 40,4mA

R4 wyznaczamy z prawa ohma, dzieląc spadek na tym rezystorze oraz prąd przez niego przepływający.

R4 = UR4/Ie

1/0,0404

R4 = 24,75Ω

Schemat układu z wartościami elementów

Cóż mamy już prawie wszystko, ale zająć musimy się też kwestią dobrania kondensatorów. Jak już wcześniej wspomniałem zadaniem kondensatorów C1 i C3 jest oddzielenie składowej zmiennej od sygnałów zapewniających poprawną polaryzację tranzystora. W tym artykule jednak nie będziemy specjalnie się nad nimi zastanawiać, nie budujemy jednak profesjonalnego wzmacniacza audio. Możecie jedynie zapamiętać, że im większa będzie pojemność tych kondensatorów, tym większa będzie amplituda sygnału, nie można jednak przesadzić, bo wraz ze wzrostem pojemności tracimy jakość i w konsekwencji sygnał na wyjściu może nie przypominać już sygnału wejściowego. W uruchamianym układzie jako C1 i C3 wybrałem ceramiczne kondensatory o pojemności 100nF.

Nieco więcej uwagi poświęcimy kondensatorowi C2. Jego zadaniem, podobnie jak rezystora R4 jest odprowadzać płynący przez tranzystor prąd do masy. Jednak jak wiecie, kondensatory umieszczone szeregowo w obwodach prądu stałego nigdy prądu nie przepuszczą, w takim razie, po co on jest? Pamiętajmy, że sygnał wejściowy będzie mieć formę sinusoidalną, w związku z czym potrzebujemy element, który będzie w stanie odprowadzić wszelkie sygnały o zmiennej składowej do masy. Z takim sygnałem kondensator poradzi sobie bez problemu. Wartość pojemności tego elementu wyznaczamy z prostego założenia – reaktancja kondensatora powinna wynosić około 1/10 wartości rezystora przy emiterze, tak więc koło 2,4Ω. Znając reaktancję, możemy zastosować wzór widoczny poniżej i obliczyć wartość C. Za f przyjmujemy najniższą wartość częstotliwości sygnału wejściowego, z jaką działać ma nasz układ, ja wstawiłem tutaj 100Hz.

Xc = 1/(2πfC)

2,4 = 1/(2*3,14*100*C)

2,4 = 1/628C

C = 663µF

Niech tranzystor przemówi

Przebiegi przy sygnale wejściowym 10kHz.

Gdy układ jest już gotowy, można go uruchomić. Ne wejście podałem sygnał sinusoidalny o częstotliwości 10kHz, jednocześnie podłączając dwie sondy oscyloskopu, tak aby przebieg CH1 odpowiadał wejściu, a CH2 wyjściu. Na zdjęciu powyżej możecie zobaczyć, jak wyglądają oba sygnały.

Na wejściu widzimy ładną sinusoidę o amplitudzie około 400mV i częstotliwości 10KHz. Na wyjściu sygnał ma tę samą częstotliwość, ale jego amplituda to już około 2V. Jak widać układ działa, i co ważne wzmacnia. Warto też zapamiętać, że w układzie wspólnego emitera sygnał na wyjściu jest odwrócony, a w zasadzie przesunięty o 180°, co jest cechą charakterystyczną tej konfiguracji.

Jak spala się Radziecki tranzystor КТ604БМ?

КТ604БМ, który osiągnął prawie 800°C
    — Mówicie, że tranzystor… wybuchł?
    — Tak
    — Sitnikow, jesteś inżynierem , jak ja. Powiedz mi proszę, jak wybucha rdzeń tranzystora 604БМ? Nie jak się topi, tylko jak wybucha?
    — Nie wiem, bo nie wiem, jak mógłby wybuchnąć.

Myślę, że przy okazji uruchomienia układu wspólnego emitera możemy poruszyć inną ciekawą kwestię związaną z tranzystorami. Wpływ temperatury na sposób ich działania. Każdy element elektroniczny jest mniej lub bardziej odporny na temperaturę, niezależnie czy pochodzi ona z zewnątrz, czy też jest efektem przepływającego prądu. Bez większego zastanowienia można powiedzieć, że w pewnym momencie konstrukcja ulegnie uszkodzeniu, ale kiedy to nastąpi? Poza tym, co dzieje się w tranzystorze na moment przed uszkodzeniem? Na ty pytanie postaram się odpowiedzieć w tej części materiału.

Zależność konduktywności półprzewodnika domieszkowanego od temperatury (http://Zależność konduktywności półprzewodnika domieszkowanego od temperatury.)

Co się dzieje, gdy temperatura półprzewodnika rośnie, odpowiadając w trzech słowach – wzrasta płynący prąd. Cóż odpowiedź jak najbardziej poprawna, ale tematu nie wyczerpuje. Dlatego zejdźmy na chwilę do poziomu krzemu i sprawdźmy co tak naprawdę dzieje się z tranzystorem wraz ze wzrostem temperatury.

Walerij Legasow opowiadający o eksplozji rdzenia reaktora RBMK. Scena z serialu Czarnobyl produkcji HBO. (https://ew.com/tv/2019/06/07/chernobyl-russia-tv/)

Każdy tranzystor zbudowany jest z odpowiednio domieszkowanego materiału półprzewodnikowego. Można powiedzieć, że domieszkowanie to tak naprawdę dodawanie do głównego budulca dodatkowych nośników energii. W półprzewodniku typu N będą to elektrony, w typie P dziury. W „normalnej” temperaturze, czyli do około 150°C przy krzemie i 70°C przy germanie, wszystkimi tymi wolnymi nośnikami energii możemy bez problemu sterować, podając odpowiednie napięcie na wyprowadzenia tranzystora. Tak jak we wcześniej uruchomionym układzie wspólnego emitera. Ciekawiej zaczyna się robić, gdy przekroczymy maksymalną temperaturę pracy.

Pierwszym skutkiem zbyt wysokiej temperatury będą drgania, ale takie, których nie zauważymy gołym okiem. Drgać, początkowo nieśmiało będą pojedyncze atomy materiału, z którego zbudowany jest półprzewodnik, dla uproszczenia załóżmy, że jest to krzem. Wraz ze wzrostem temperatury rosnąć będą też drgania, do momentu aż przekroczą one pewien punkt krytyczny, który nie uszkodzi całkowicie danego elementu, ale spowoduje jego nieodwracalne zmiany.

Punktem krytyczny będzie moment, w którym drgające atomy krzemu zaczną wyrzucać w przestrzeń wokół siebie elektrony, dotychczas poruszające się na ostatniej tzw. powłoce walencyjnej. Pamiętajmy jednak, że przestrzeń ta i tak jest już pełna nośników energii, dodanych w procesie domieszkowania. Samoistne pojawienie się dodatkowych elektronów powoduje, jeden dość poważny problem – spadek rezystancji. Załóżmy jednak, że w tym momencie schłodzimy tranzystor do temperatury pokojowej. Czy będzie on działać, mimo że przekroczona została jego maksymalna temperatura pracy? Prawdopodobnie tak, ale zmianie mogły ulec jego parametry. Niestety nie jesteśmy w stanie cofnąć zmian, które zaszły na poziomie atomowy, bo większość elektronów nie wróci na swoje miejsce.

Co się jednak stanie, gdy nie zatrzymamy całego procesu i pozwolimy tranzystorowi pracować dalej. Spadek rezystancji generuje kolejny problem – wzrost płynącego prądu, to natomiast jeszcze bardziej zwiększa temperaturę. W tym momencie mamy już samonapędzający się proces, który trwać będzie do momentu, aż nośników energii będzie po prostu zbyt wiele, a cała struktura poprzez proces spalania przestanie istnieć.

Tak na poziomie atomowym wygląda wpływ temperatury na półprzewodnik. Muszę przyznać, że opis, który przygotowałem, kojarzy mi się trochę z omówieniem procesu wybuchy reaktora RBMK z serialu Czarnobyl produkcji HBO, stąd właśnie wziął się wstęp do tego rozdziału.

Podejmując temat temperatury i półprzewodników zdecydowałem się na proste praktyczne testy, których wynik możecie zobaczyć powyżej. Uruchomiłem układ wspólnego emitera, identyczny, jak wcześniej, z tą różnicą, że tranzystor umieszczony został poza płytką stykową. Na oscyloskopie widać sygnał wejściowy (CH1) oraz wyjście (CH2), przybliżona temperatura wyświetlana jest na multimetrze.

Jak widać wraz ze wzrostem temperatury, amplituda sygnału wyjściowego spada. Nic dziwnego, pojawia się coraz więcej nośników energii, rośnie natężenie prądu, czego efektem jest spadek napięcia. Można powiedzieć, że graniczna temperatura to około 550°C, po przekroczeniu tej wartości sygnał całkowicie znika. Choć jak widać, КТ604БМ nie ulega uszkodzeniu i po schłodzeniu sygnał wraca, nawet wielokrotnie. Jestem zaskoczony, że konstrukcja wytrzymała, aż takie temperatury, w nocie katalogowej znajdziemy informację, że tranzystor powinien pracować w zakresie od -60°C do 100°C.

W drugim teście postanowiłem doprowadzić КТ604БМ do skraju możliwości, czyli go dosłownie podpalić. Podobnie jak wcześniej sygnał wyjściowy znika po przekroczeniu około 550°C, tym razem jednak zajmuje się on żywym ogniem i osiąga w pewnym momencie prawie 800°C. Taka temperatura okazuje się już jednak za wysoka, tranzystor umiera, a sygnał wyjściowy nie wraca.

КТ604БМ, po ekstremalnych testach temperaturowych.

Po ostatnim teście okazało się, że zwęglona obudowa tranzystora rozpadła się na dwie części. W taki właśnie sposób mogą skończyć półprzewodniki, których temperatura przekroczy dopuszczalny zakres pracy.

Każdy sprzęt elektroniczny musi być w jakiś sposób zasilany, bez odpowiedniego napięcia nie będzie działać wcale lub zadziała, ale tylko przez ułamek sekundy. Istnieje całkiem sporo rozwiązań i konstrukcji, których zadaniem jest doprowadzić energię do zaprojektowanego obwodu. Jednymi z najczęściej stosowanych są stabilizatory liniowe oraz przetwornice napięcia. Stabilizatory zostawimy sobie na inny materiał, natomiast dziś chciałbym opowiedzieć wam nieco o działaniu i budowie przetwornic. Poza tym przyjrzymy się też ich problemom i spróbujemy je rozwiązać.

Nie ulega wątpliwości, że tranzystor jest czymś, co zrewolucjonizowało świat. Ciężko wyobrazić sobie dzisiejszą elektronikę bez tego niewielkiego elementu. Jest on na tyle uniwersalny, że w dzisiejszym świecie możemy znaleźć go w praktycznie każdym obwodzie elektronicznym.

Źródła:

  • https://eandc.ru/pdf/tranzistor/kt604.pdf
  • https://datasheetspdf.com/pdf-file/1293292/Toshiba/BF458/1
  • https://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_2.html
  • https://rafalbartoszak.pl/narodziny-zycie-i-smierc-tranzystora/
  • https://studylibpl.com/doc/1120699/wp%C5%82yw-temperatury-na-p%C3%B3%C5%82przewodnik-oraz-na

Chcesz być na bierząco?
Dołącz do newslettera

Otrzymywać będziesz powiadomienia o nowych artykułach oraz informacje o projektach, nad którymi pracuję.

Leave a Comment

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Przewiń do góry