BOSNA I HERCEGOVINA FEDERACIJA BOSNE I HERCEGOVINE TUZLANSKI KANTON JAVNA USTANOVA MJEOVITA SREDNJA ELEKTROTEHNIKA KOLA TUZLA

ELEKTRONIKA IIIPRORAUN POJAAVAA U SPOJU SA ZAJEDNIKIM EMITOROMLaboratorijska vjeba - I

Profesori:

Jasmina Omerdi Sejfudin Agi

Prezime i ime: Datum izrade:

Hodi Nevres

Razred : Ocjena :

IIIT1

Muhameda Hevaija Uskufija 2, 75000 Tuzla Tel/Fax : +387 35 281-167; 280-012, 282-009 ets.tz@bih.net.ba, www.etstuzla.edu.ba

BOSNA I HERCEGOVINA FEDERACIJA BOSNE I HERCEGOVINE TUZLANSKI KANTON JAVNA USTANOVA MJEOVITA SREDNJA ELEKTROTEHNIKA KOLA TUZLA

Tuzla, oktobar/listopad 2011.

Muhameda Hevaija Uskufija 2, 75000 Tuzla Tel/Fax : +387 35 281-167; 280-012, 282-009 ets.tz@bih.net.ba, www.etstuzla.edu.ba

1. TEORIJSKA PRIPREMA POJAAVA SA ZAJEDNIKIM EMITOROMBudui da tranzistor ima vrlo malu ulaznu i vrlo veliku izlaznu impedancu, on se kao pojaava pribliava idealnom strujnom pojaavau. U ovoj vjebi emo analizirati istosmjerni (statiki) i izmjenini (dinamiki) reim rada pojaava sa uzemljenim emitorom i RC spregom. ema pojaavaa je data na slici 1.1. Istu emu bismo mogli nacrtati i tako da na ulazu pobudni generator bude naponski, pa se onda radi o pojaavau napona, a mi emo govoriti o pojaavau struje u spoju sa zajednikim emitorom. Ovo u stvari nije bitna razlika, jer se strujni generator moe predstaviti kao naponski, a naponski kao strujni.

Slika 1.1. ema tranzistorskog pojaavaa u spoju sa sa ZE

Pojaavaki elementi, kao to su: tranzistori, fetovi, i mosfetovi napajaju se iz izvora istosmjerne struje. Na njihovim elektrodama postoji istosmjerni napon, a kroz njih protie istosmjerna struja. Kaemo da se elementi i pojaava nalaze istosmjernim ili statikom reimom rada. Tek kada su elementi prikljueni na izvor istosmjernog napona, kada se nalaze u istosmjernom reimu rada, promjenom istosmjernog napona ili istosmjerne struje na ulazu, odnosno dovoenjem pobudnog signala na ulaz (govornog, audio, video ili signala nekog drugog talasnog oblika, npr. izmjeninog, jer u osnovi svakog signala se nalazi prostoperiodini, sinusoidalni signal) elementi, ureaji, sklopovi e izvravati funkciju zbog koje su napravljani, tj. raditi kao pojaava. Kaemo da se elementi i pojaava nalaze u izmjeninom ili dinamikom reimom rada. Pojaala su sklopovi koji pojaavaju ulazni signal male snage pri emu frekvencija ostaje ista a amplituda i faza se mogu promijeniti. Izlazna pojaala daju izmjeninu snagu zvuniku ili nekom drugom potroau tonfrekventne snage. Audio pojaala moraju imati odprilike ove karakteristike: mala izoblienja, funkcionalnost, lijep vanjski izgled , kompaktibilnost sa ostalim audio komponentama , kvalitet zvuka itd .

3

Pojavu pojaanja omoguuje nam upravljivost elektronikog poluvodikog troslojnog elementa tranzistora (bipolarnog ili unipolarnog). Unipolarnim tranzistorom upravljamo naponom upravjake elektrode gatea. ee je upotrebljavan bipolarni tranzistor kojim upravljamo strujom upravljake elektrode baze. Bipolarni tranzistor se najee spaja na tri karakteristina naina:

Pojaalo u spoju zajednike baze (Slika 1.3.) Pojaalo u spoju zajednikog kolektora - emitersko sljedilo (Slika 1.2.) Pojaalo u spoju zajednikog emitera (Slika 1.1.)

4

Pojaalo u spoju zajednike baze karakterizira strujno pojaanje koje iznosi priblino 1. Pojaalo u spoju zajednikog kolektora karakterizira naponsko pojaanje priblino jednako 1. Pojaalo u spoju zajednikog emitera je najee u upotrebi jer pojaava i napon i struju. Klasu rada tranzistorskog pojaala odreuje poloaj radne take na dinamikom radnom pravcu. Razlikujemo A, B, C i G klasu rada pojaala. Kod pojaala u klasi A radna taka se nalazi u normalnom aktivnom podruju na sredini dinamikog radnog pravca, to znai da jedan tranzistor pojaava i pozitivnu i negativnu poluperiodu ulaznog signala. Pojaalo u klasi A iz izvora napajanja uvijek uzima istu vrijednost snage bez obzira da li je pobueno ili ne. Korisnost ovog pojaala se kree u granicama od 40% do 45%. Ova vrsta pojaala ima najmanja izoblienja. Kod pojaala u klasi B radna taka se nalazi izmeu normalnog aktivnog podruja i podruja zapiranja, to znai da su za pojaanje izmjenine struje potrebna dva tranzistora od kojih jedan pojaava negativnu a drugi pozitivnu poluperiodu. Dok nema pobude struja ne tee kroz tranzistore, tj. tee mali, zanemarivi iznos struje . Korisnost ovih pojaala kree se izmeu 65% i 70%. Tranzistori za ovo pojaalo moraju biti komplementarni tj. jedan mora biti NPN a drugi PNP. Oni takoer moraju imati i jednako pojaanje to se u praksi teko postie pa kod B klase dolaze do izraaja izoblienja zbog nesimetrinosti prenosnih karakteristika. Klasa C takoer koristi komplementarne tranzistore ali kod nje struja kroz tranzistor tee samo dijelom poluperiode , to znai da nema prednapona baze pa je radna taka u podruju zapiranja. Klasa G znai rad dvostrukog para tranzistora u simetrinoj vezi. Ova pojaala imaju veliku korisnost. Hibridna pojaala su kombinacija tranzistorske i integrirane poluvodike tehnike. Zbog nelinearnosti tranzistora i nemogunosti matematikog definiranja za svaki tranzistor proizvoa daje etiri grupe statikih karakteristika: ulazna, izlazna, prenosna i povratna. Kako je prenosna karakteristika nelinearna, treba raunati s relativno velikim harmonikim izoblienjem. Pri prouavanju ili projektiranju izlaznih pojaala ne mogu se, zbog nelinearne prijenosne karakteristike, primijeniti nadomjesne sheme. Stoga se problemi izlaznih pojaala rjeavaju grafiki, ucrtavanjem radne karakteristike preko izlaznih karakteristika tranzistora. Za izlazno pojaalo posebno se pazi na omjer dobivene izmjenine snage i utroene istosmjerne snage, dakle na stupanj korisnog djelovanja . Prilagoenje je usklaivanje izlazne impedance pojaala i zvunika ili sljedeeg stupnja pojaala. Izoblienja dijelimo na linearna i nelinearna.Linearna izoblienja su posljedica nejednakih ulaznih signala.Nelinearna izoblienja nastaju kao posljedica nelinearnosti statikih karakteristika tranzistora. Povratna sprega je djelovanje izlaznog signala na ulaz sistema. Pazlikujemo negativnu povratnu spregu i pozitivnu povratnu spregu a one opet mogu biti strujna i naponska. Pozitivna povratna sprega poveava ulazni signal a negativna ga smanjuje. U gotovo svakom audio pojaalu primijenjena je negativna povratna sprega zbog koje pojaalo ima:

5

-

manje manje manje manje manju manju manje

priguno izoblienje harmoniko izoblienje fazno izoblienje napone smetnji ili veu (po elji ili potrebi) ulaznu impedancu ili veu (po elji ili potrebi) izlaznu impedancu pojaanje.

1.1. STATIKI REIM RADA POJAAVAANa slici 1.2. Prikazana je kompletna ema pojaavaa u spoju za zajednikim emitorom.Ucc

Rb1

Rc Cs2

Cs1

BC107

Rb2

Re

Ce

Slika 1.2. Elektronska ema pojaavaa u spoju za zajednikim emitorom u Multisim-u

Izvriemo njegovu statiku analizu pa su zbog toga na slici 1.3 prikazani samo elementi pojaavaa odgovorni za njegov istosmjerni rad. Upravo vrijednosti tih elemenata (otpornika RC, RE, RB1 i RB2) treba izraunati i to tako da oni radnu taku tranzistor dre u sredini linearne oblasti statikih karakteristika.

6

Ucc

KIIRb1

ICQ

Rc

KI

IBQ I UBEQRb2

BC107

UCEQ

KIII

URe

IEQ

Re

Slika 1.3. Pojaavaa u spoju za zajednikim emitorom sa komponentama odgovornim za statiki radni reim

Na slici 1.3 su nacrtane i komponente istosmjernih struja i napona koje se pojave kada se ukljui baterija (napajanje) UCC. Za izabrani NF tranzistor za male snage BC107 poznata je izlazna statika karakteristika, slika 1.4. Za pouzdan rad pojaavaa izabran je poloaj radne take Q priblino u sredini linearnog podruja karakterisitke, ucrtana je radna taka i zatim proitane vrijednosti pripadajuih struja i napona. Sa karakteristike usvajamo vrijednosti struja i napona u radnoj taki Q (dodjeljujemo im dodatni indeks Q): ICQ5 mA, IBQ=15 A i UCEQ4 V, a svakako je poznata vrijednost za UBEQ=0,7V. Struju IE raunamo kao: IEQ=ICQ+IBQICQ (logino, jer je IB rada A tj. zanemariva) Iz prakse je poznato da bi pojaava ostvarivao zadanu funkciju da treba usvojiti i vrijednost pada napona na otporu RE tako da on bude 10-20% vrijednosti napona napajanja UCC: URE0,2UCC, a usvajamo i vrijednost struje koja tee iz napajanja kroz otpore RB1 i RB2 tako da je ona 10 do 20 puta vea od struje IBQ, tj: I10IB. Napon napajanja je takoer poznat i za ovaj sluaj iznosi UCC=10V.

7

ICQ=5,2 mA ICQ5 mA

IBQ=15 A

UCEQ=3,85 V UCEQ4 VSlika 1.4. Izlazna statika karakkteristika za tranzistor BC107

I.

Vrijednosti otpora RC raunamo tako da pojaava radi u izabranoj radnoj taki uzimajui da je pad napon na otporniku RE priblino jednak 20% od napona napajanja, koji iznosi UCC=10 V (URE0,2UCC).

Zatvaranjem konture KI u izlaznom kolu (slika 1.3): -UCC+ICQRC+UCEQ+URE=0 iz ega slijedi: RC =0,8U CC U CEQ I CQ = 800

II.

Vrijednosti otpora RE raunamo iz poznatog pada napona na njemu usvajajui da je IEQICQ. pa je: URE=IEQRE pa je: RE =

0,2U CC = 400 I CQ

III.

Vrijednosti otpora RB1 raunamo usvajajui da je struja I (slika 1.3) priblino 10 puta vea od struje baze IBQ (I10IBQ) Zatvaranjem konture KII, u ulaznom kolu preko RB1, a onda preko UBEQ i URE:

-UCC+IRB1+UBEQ+URE=0 iz ega slijedi: RB 1 =

0,8 CC U BEQ U 10 I BQ

= 48666 = 48,66k

IV.

Vrijednosti otpora RB2 raunamo opet usvajajui I10IBQ.

Zatvaranjem konture KIII, u ulaznom kolu preko RB2, pa ponovo UBEQ i URE: IRB2-UBEQ-URE=0 iz ega slijedi: RB 2 =0,2U CC + U BEQ 10 I BQ = 18000 = 18k 8

Nacrtajmo sada ponovo pojaava samo sada sa vrijednostima svih elemenata. Vrijednosti za kondenzatore CS1=CS2= 47 nF i CE = 470 F takoer smo usvojili kao na slici 1.5.Ucc 10 V Rb1 48.7k Rc 800

Cs2 47nF

Cs1 47nF

T1

BC107BP Rb2 18k Re 400 C1 470F

Slika 1.5. Proraunati pojaava sa slike 1.2

1.2.

DINAMIKI REIM RADA POJAAVAA

Da bismo pokazali da je rezultat prorauna ispravan treba ispitati da li je ulazni signal prolaskom kroz pojaava pojaan i koliko. Za tu simulaciju na ulaz pojaavaa prikljuimo signal generator (Function Generator) a na izlaz osciloskop, kao na slici 1.6.

9

XSC1Ext Trig + _ A + _ + B _

Ucc 10 V XFG1 Rb1 48.7k Rc 800

Cs2 47nF

Cs1 47nF

T1

BC107BP Rb2 18k Re 400 C1 470F

Slika 1.6. Pobuivanja i mjerenje pojaanja kod pojaavaa u spoju ZE

Na signal generatoru podesima vrijednosti amplitude 10 mV i frekvencije 1 kHz, kao pretpostavljene tipine vrijednosti iz audio opsega. Na osciloskopu podesimo prikaz vremenske ose i amplituda tako da su nam uvijek prikazane jedna do dvije prostoperiodine promjene (sinusoide), kao na slici 1.7.

Slika 1.7. Izgled signala ulaza i izlaza na osciloskopu

10

Koritenjem opcije u Multisimu Viev/Grapher i dodatnim podeavanjem dobivamo prikaz osciloskopa kao na slici 1.8.

Slika 1.8. Izgled signala ulaza i izlaza u Grapher prikazu

Mogue je i izraunati koliki je koeficijent pojaanja pojaavaa u spoju zajedniki emitor izraeno u dB. Oitavamo vrijednosti signala na osciloskopu koritenjem linijara za oitavanje (slika 1.7). Gdje god da postavimo linijar (osim gdje signali sijeku osu vremena) on e nam pokazivati odnose amplituda ulaza i izlaza. Izabran je odnos amplituda kao na slici 1.7 pri kojem je: Uul=7,282 mV i Uizl=154,340 mV Koristimo poznate obrasce i izraunamo:

AU =

U izl 154 30mV , = 21 2 , U ul 7,28 mV

U au = 20 log( izl ) = 20 log( ,2) = 20 1,326= 26,52 21 dB U ul

11

2.

LABORATORIJSKA VJEBA 2.1. STATIKA ANALIZA POJAAVAA

Treba proraunati elemente pojaavaa u spoju zajedniki emitor sa slike 1.2, realiziranog sa NPN bipolarnim tranzistorom prema vlastitom izboru iz biblioteke Multisim-a. Treba potovati uslov da je koeficijent pojaanja struje izabranog tranzistora 200 (hFE). Prikazati proraun na nain prikazan u teorijskom dijelu (poglavlje 1.2), sa svim proraunima, slikama i rezultatima. 1. Za izabrani tranzistor snimiti i prikazati sve elektronske eme i rezultate snimanja izlazne statike karakteristike izabranog tranzistora: a) Karakteristiku snimiti uz pomo IU Analizatora (IV-Analysis) uz simulacione parametre (Simulate param.) date na predavanjima. b) Prikazati izlaznu statiku karakteristiku u Grapher-u.

2. Izabrati poloaj radne take Q u sredini linearne oblasti karakteristike iza napon napajanja usvojiti UCC=12 V, a napon UCEQ=5 V. Proitati vrijednosti struja. uzimajui da je napon na otporniku RE priblino URE2 V.

3. Izvriti kompletan proraun prema uputstvima I-IV u poglavlju 1.2

2.2. DINAMIKA ANALIZA POJAAVAAU ovom dijelu vjebe takoer prikazati sve prorauna, slike i rezultate tokom izrade. 1. Pobuditi proraunati pojaava prema slici 1.6 (poglavlje 1.3). 2. Prikazati pokazivanje osciloskopa i izmjeriti amplitude ulaznog i izlaznog signala. 3. Prikazati ulazni i izlazni signal u Grapher-u. 4. Izraunati pojaanje pojaavaa u dB.

12

2. IZRADA LABORATORIJSKE VJEBE 2.1. Statika analiza pojaavaaNa slici 2. prikazana je komplentna ema pojaavaa u spoju sa zajednikim emitorom.

Slika 2. Elektronska ema pojaavaa u spoju za zajednikim emitorom u Multisim-u

Izvriemo njegovu statiku analizu pa su zbog toga na slici 2.0. prikazani samo elementi pojaavaa odgovorni za njegov istosmjerni rad. Upravo vrijednosti tih elemenata (otpornika RC, RE, RB1 i RB2) treba izraunati i to tako da oni radnu taku tranzistor dre u sredini linearne oblasti statikih karakteristika. Na slici 2.0 prikazano je zatvaranje kontura po granama kola pojaavaa.

13

Na slici 2.0 su nacrtane i komponente istosmjernih struja i napona koje se pojave kada se ukljui baterija (napajanje) UCC. Za izabrani NF tranzistor za male snage BC848 poznata je izlazna statika karakteristika, slika 3.1. Za pouzdan rad pojaavaa izabran je poloaj radne take priblino u sredini linearnog podruja karakterisitke, zatim su proitane vrijednosti pripadajuih struja i napon, slika 2.2. Na slici 3.1 prikazana je snimljena statika karakteristika koritenog tranzisora.

Slika 2.0. Pojaavaa u spoju za zajednikim emitorom sa komponentama odgovornim za statiki radni reim

UCEQ I UBEQ IEQ

URe

Na slici 2.2 prikazano je oitanje vrijednosti struja i napona.

14

Sa karakteristike usvajamo vrijednosti struja i napona u radnoj taki: IC15 mA, IB=50 A i UCE5 V, a svakako je poznata vrijednost za UBE=0,7V. Struju IE raunamo kao: IE=IC+IBIC(logino, jer je IB rada A tj. zanemariva) Pad napona na otporniku RE je dat u postavci zadatka i iznosi 2V, a usvajamo vrijednost struje koja tee iz napajanja kroz otpore RB1 i RB2 tako da je ona 10 do 20 puta vea od struje IB, tj: I10IB. Napon napajanja je takoer poznat i za ovaj sluaj iznosi UCC=12V. Zatvaranjem konture KI u izlaznom kolu (slika 2.0): -UCC+ICRC+UCE+URE=0 iz ega slijedi: R C = usvajajui da je IEQICQ. pa je:Ucc Uce Ure = 333 330 IC

1. Vrijednosti otpora RE raunamo iz poznatog pada napona na njemuUre = 200 Ie

URE=IERE pa je: RE =

2. Vrijednosti otpora RB1 raunamo usvajajui da je struja I (slika 2.0) priblino20 puta vea od struje baze IB (I10IB) Zatvaranjem konture KII, u ulaznom kolu preko RB1, a onda preko UBE i URE: -UCC+IRB1+UBE+URE=0 iz ega slijedi: RB1 =Ucc Cbe Ure 10 I B = 18600 = 18.6k

3. Vrijednosti otpora RB2 raunamo opet usvajajui I10IB.15

Zatvaranjem konture KIII, u ulaznom kolu preko RB2, pa ponovo UBE i URE: IRB2-UBE-URE=0 iz ega slijedi: RB2 =Ure + Ube = 5400 = 5.4k 10 I B

Nacrtajmo sada ponovo pojaava samo sada sa vrijednostima svih elemenata. Vrijednosti za kondenzatore CS1=CS2= 47F i CE = 470 F takoer smo usvojili kao na slici 3.

4.1.

DINAMIKI REIM RADA POJAAVAA

Da bismo pokazali da je rezultat prorauna ispravan treba ispitati da li je ulazni signal prolaskom kroz pojaava pojaan i koliko. Za tu simulaciju na ulaz pojaavaa prikljuimo signal generator (Function Generator) a na izlaz osciloskop, kao na slici 4.1.XSC1Ext Trig + _ A + _ + B _

XFG1

6 1 R1 18.7k Rc 330 2 C2 47uF

Ucc 12 V

0

0 C1 47uF Q1 3 BC848 4 Re 200 0 C3 470uF 0

5

R2 5.36k

Slika 4.1. Pobuivanja i mjerenje pojaanja kod pojaavaa u spoju zajednikog emitora

Na signal generatoru podesima vrijednosti amplitude 10 mV i frekvencije 1 kHz, kao pretpostavljene tipine vrijednosti iz audio opsega. Na osciloskopu podesimo

16

prikaz vremenske ose i amplituda tako da su nam uvijek prikazane jedna do dvije prostoperiodine promjene (sinusoide), kao na slici 4.2.

Koritenjem opcije u Multisimu Viev/Grapher i dodatnim podeavanjem dobivamo prikaz osciloskopa kao na slici 4.3.

Slika 4.2. Izgled signala ulaza i izlaza na osciloskopu

Mogue je i izraunati koliki je koeficijent pojaanja pojaavaa u spoju zajedniki emitor izraeno u dB. Oitavamo vrijednosti signala na osciloskopu koritenjem linijara za oitavanje (slika 4.3.). Gdje god da postavimo linijar (osim gdje signali sijeku osu vremena) on e nam pokazivati odnose amplituda ulaza i izlaza. Izabran je odnos amplituda kao na slici 4.3. pri kojem je: Uul=8.024mV i Uizl=83.150 mV Koristimo poznate obrasce i izraunamo:17

AU =

Uizl 83.150 mV = 10,4 Uul 8.024 mV

U au = 20 log( izl ) = 20 log( .4) = 20 1,017= 20,34dB 10 Uul

5. LITERATURA1. Stojan Risti, Elektronske komponenete, Predavanja, Elektronski fakultet Ni, Ni 2010. 2. Jasmina Kotur, Stanko Paunovi, Analogni elektroniki sklopovi, Zagreb 2009. 3. Nediljka Furi, Elektroniki sklopovi, Neodidacta doo Zagreb, Zagreb 2008. 4. T. Brodi, Analogna integrisana elektronika, Svjetlost, Sarajevo 1989. 5. Vojin Cveki, Elektronika I, Poluprovodnika elektronika, Nauna knjiga Beograd, Beograd 1986. 6. Jasmina Omerdi, Sejfudin Agi, Elektronika za III razred - skripta, JU Mjeovita srednja elektrotehnika kola Tuzla, Tuzla, 2010. 7. Sejfudin Agi, Elektronika za I, i II razred - skripte, JU Mjeovita srednja elektrotehnika kola Tuzla, Tuzla, 2011. 8. www.elektronika.ba 9. http://pavo.fizika.org/fizika/Jednostupanjsko_RC_pojacalo_sa_bipolarn im_tranzistorom.pdf

18