Transistorer og transistor-forstærkere
Transistor-forstærker-kompendium Transistorer og transistorforstærkere Følgende er et kompendium, der gennemgår forskellige transistor-koblinger. Rettelser eller tilføjelser modtages gerne. Senest redigeret 06/01-2015 Valle Se stor samling af transistor-kredsløb: http://electropub.files.wordpress.com/2011/07/the-transistor-amplifier.pdf _________________________________________________________________________ Af: Valle Thorø Side 1 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Der findes to typer af den ”gamle” bipolare transistor. En NPN-type, og en PNP-type. Følgende skitser viser, strømretningerne i de to typer. Fælles gælder, at en ”lille” strøm styrer en ”stor” strøm. Nogenlunde som i et servosystem, fx servostyringen i en bil, eller måske især en lastbil. Her kan en lille kraft overført fra hænderne til rattet styre en stor kraft, der drejer hjulene. Følgende skitser viser strømretningerne i de to typer transistorer: NPN Transistor PNP Transistor Emitter Collector Lille strøm E C B B BC337 Stor strøm BC327 Basis Basis Stor strøm E C Emitter Lille strøm Collector Her ses et eksempel på udformningen af en transistor-chip. På engelsk, en ” Transistor die ”. Den mangler bare at blive pakket ind. Der ses kun 2 tilledninger, den 3. er ”bagpladen”. Transistor analogi: Bipolære transistorer er strømstyrede. Dvs. at den strøm, en transistor tillader fra Collector til Emitter ( for NPN-typer ) er styret af den strøm, der flyder gennem Basen til Emitter. Følgende skitser kan måske hjælpe til at man kan forholde sig til hvordan en transistor virker. En lille strøm kan styre en større strøm. Bemærk, det er en strøm i Basis, der styrer den ”store” strøm. Skitsen til højre ”viser princippet”. Af: Valle Thorø Side 2 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Her en anden skitse: "Transistor man" observes the base current, and adjusts the output rheostat in an attempt to maintain the output current ILFE times larger Snekke og vandhjul som de er tænkt brugt i skitsen til højre. Herunder: Der skal et flow til fra B for at løfte ventilen. Herefter kan der flyde vand fra C til E. http://www.satcure-focus.com/tutor/page4.htm Transistorhuse: Af: Valle Thorø Side 3 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Transistorer fås i mange forskellige typer, og i mange forskellige typer huse. Her et par eksempler: For at være sikker på benforbindelserne, må man ty til datablade! Husk Bottom-view eller Top-view. Eksempel på nogle transistores benforbindelser og udvalgte data. http://www.talkingelectronics.com/projects/200TrCcts/200TrCcts.html Af: Valle Thorø Side 4 af 55 Transistor-forstærker-kompendium SMD transistorer kan fx se således ud: De er kun få mm. lange! SMD står for Surface Mounted Device. Dvs. Komponenter, der ikke skal loddes i borede huller i en printplade. Det er også muligt, at få transistorer i IC’er: fx denne transistor-array, ULN 2003 Den har 7 ( darlington ) transistorer med Open Collector. ULN 2803 har 8! Opgave: Undersøg datablad for disse to: Transistoren som Switch UCC Relæ U4 2 R1 Q3 . U1A 1 R1 Q1 3 1 2 3 1k 74 00 NAND2 0 Det, vi hidtil har brugt en transistor til, har været som switch, til at håndtere en større strøm, end en gate eller en Operationsforstærker kan klare. Ovenfor er transistorer styret af en gate! Til venstre ses en NPN transistor, til højre en PNP. En bipolar transistor er strømstyret. Dvs. at der skal en basisstrøm til for at transistoren kan lede en given strøm fra Collector til emitter. Størrelsesforholdet mellem basisstrømmen og collectorstrømmen kaldes transistorens strøm-forstærkning. Den kaldes hfe eller . For småsignal-transistorer er ca. 200 – 300 gange. Større transistorer, fx en ”Krafttransistor” som 2N3055 har en ret lille strømforstærkning. Måske kun 50 gange. Tjek datablad! Skal transistoren bruges som switch, skal man sikre sig, at den styres helt ON. Dvs. den skal have rigelig basisstrøm. Den virker derved som en strømstyret kontakt. Dog er der et spændingsfald fra Collector til Emitter på minimum ca. 0,2 Volt. Når der vælges en transistor, skal man tjekke dens IC max. En transistor kan kun switche en maksimal strøm. For BC547 er det 100 mA, og for BC337 er det hele 500 mA! Kraft-transistorer kan switche mere, men kræver større basisstrøm fordi forstærkningen er mindre! Spændingsfaldet UCE er ca. 0,2 til 0,3 Volt, og UBE er ca 0,7 Volt. Af: Valle Thorø Side 5 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Basis-Emitter-strækningen kræver en spænding på ca. 0,7 Volt, for at “åbne”. Fra Basis til Emitter er der en diodestrækning, og den kan sammenlignes med en fjederpåvirket ventil. Flow Pga. Fjederen skal der et vist tryk til, før ventilen åbner. Dimensionering af formodstand!! Kan transistoren i et diagram lede 100 mA, ser dimensioneringen ud som følgende.: Transistoren skal styres helt ON, derfor helgarderes, der vælges en forstærkning på fx kun 100 gange. Basisstrømmen skal være: I Basis I C Max Basismodstanden findes som RBasis 100 1 mA 100 U Påtrykt 0, 7 I Basis Generel formel: RBasis U Påtrykt 0, 7 I C _ Max Eksempler på transistor-koblinger, hvor transistoren bruges som switch. Ucc Dette eksempel virker, men er lidt uheldig. Den er besværlig at beregne på!! U4 2 R1 Q3 1 Forklar! 3 NAND2 Relæ . 0 Af: Valle Thorø Side 6 af 55 Transistor-forstærker-kompendium V CC Dette kredsløb er lettere at arbejde med! Der er benyttet en PNP-transistor. U1 2 Rbas is Q1 1 B C3 27 3 A ND2 Rel æ 0 0 12 Volt UCC Denne kobling kan fx bruges til Levelshift. Dvs. skift fra et 5 Volt digitalt signal til et 12 Volt signal. Hvordan kunne det se ud, hvis det skulle styres af en uC af 8051familien? Inverter R2 1k 5 Volt Uout U1A 1 R1 Q2 3 2 1k B C5 47 74 00 0 12 Volt Et eksempel på en Relæstyring. 5 Volt styrer et 12 Volt relæ. Husk friløbsdiode!! Et relæ kan vha. svagstrøm switche en stærkstrøm, ( 230 Volt ) vha. af magnetisering af en spole. Herved kan man undgå, at elektronikken kommer i kontakt med den høje spænding ! UCC D1N414 8 Relæ D1 5 Volt U1A 1 R1 Q2 3 2 1k B C5 47 74 00 0 Skitser af relæer: Af: Valle Thorø Side 7 af 55 Transistor-forstærker-kompendium http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:Rel%C3%A63.jpg Darlington-transistorer Darlingtontransistorer er egentlig to transistorer, der er sat sammen, så den første transistor forstærker basisstrømmen til den næste. Dvs. at UBE er 2 gange 0,7 Volt, = 1,4 Volt, og at forstærkningen er fx 10.000 gange. Beta gange Beta! C B BC517 1k Husk formodstand for Basen ! Den skal være betydelig større end 1Kohm, som vist. E Man skal være opmærksom på, at delta UCE er større end 0,2 V. Darlington-transistorer fås også som PNP. Typer, fx BC516 Navngivet efter Sidney Darlington i 1953 E R1 Q1 B 10k C 8 MILLION GAIN! Af: Valle Thorø Side 8 af 55 Transistor-forstærker-kompendium This circuit is so sensitive it will detect "mains hum." Simply move it across any wall and it will detect where the mains cable is located. It has a gain of about 200 x 200 x 200 = 8,000,000 and will also detect static electricity and the presence of your hand without any direct contact. You will be amazed what it detects! There is static electricity EVERYWHERE! The input of this circuit is classified as very high impedance. http://talkingelectronics.com/projects/200TrCcts/200TrCcts.html Her et eksempel på IC-en ULN2003, der er Darlington transistor-array til at drive belastninger, fx direkte fra en microcontroller: Hver udgang kan synke op til 500 mA. Men bemærk, at når en udgang er lav, kan den max komme ned på ca. 1 til 1,2 Volt, afhængig af strømmen ICE. Se datablad! Sziklai Transistor Configuration Forbedret Darlington par. http://www.electronics-tutorials.ws/blog/darlington-transistor.html Af: Valle Thorø Side 9 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Eksempel på, at man med en finger kan skabe en lille strøm i basen i Q1. Herved leder Q1, og Q2 får nok basisstrøm til at tænde Lysdioden. Konstantstrømsgenerator: Konstantstrømsgenerator opbygget med transistor. Kan Fx bruges til at forsyne en lysdiode, som kan komme ud for varierende forsyningsspændinger. Dvs. det er næsten lige meget, om indgangsspændingen bliver for stor!! Dioden vil ikke lyse mere af den grund. V CC Disse kredsløb viser et par transistorkoblinger til at generere en konstant strøm til fx en lysdiode, uanset indgangsspændingen. Forklar: D1 R2 LE D 10 0 Oh m Q1 B C3 27 R3 I=K 1k 0 0 Af: Valle Thorø Side 10 af 55 Transistor-forstærker-kompendium V CC Vha. dette kredsløb, kan den konstante strøm switches On / Off I=K R3 Med Q6 kortsluttes Basen på Q5, så den ikke kan lede! 0 1k Q5 R4 Q6 D1 B C3 37 LE D R2 1k B C5 47 10 0 Oh m 0 Solid State Relæer. Undersøg, hvad en Solid State Relæ er! Typisk tændes relæet med en indgangsspændingen mellem 3 og 30 Volt! http://en.wikipedia.org/wiki/Solid_state_relay Analyser dette kredsløb: V CC, + 4 ti l 30 V ol t V CC T r1 B C5 47 R1 Strømmen gennem lysdioden vil gå gennem R2. Hvis spændingsfaldet Nul over R2 nærmer sig 0,7 Volt, åbner Tr2 lidt, og den ”stjæler” basisstrøm fra Tr1. D1 68 0 pF 10 k T r2 B C5 47 C1 LE D Nul R2 47 Ohm Altså begrænser kredsløbet den strøm, der kan gå gennem lysdioden. Formlen er: I 0, 7 A R2 Af: Valle Thorø Side 11 af 55 Transistor-forstærker-kompendium On-time kredsløb. Kredsløb, der giver strøm en vis tid. Efter en tid afbrydes forsyningen! Forklar! Signal til Coax-kabel. 9 til 12 V D1 R2 4,7 Ohm 2.7 V Zene r Q5 B D1 76 R1 1k S ig nal in d R5 6K 8 Coax Q4 R3 R4 B C5 47B 0 0 0 0 2 x 100 Ohm Af: Valle Thorø Side 12 af 55 Transistor-forstærker-kompendium D13 Kredsløbet er oprindeligt beregnet for IR-Lysdioder. Og der sendes ca. 0,75V/12Ohm = 62,5 mA gennem. D1N400 2 V CC, 1 2 V D1 D5 LE D Dvs. R2, 3 og 4 skal omdimensioneres ved brug af hvide lysdioder, der typisk er beregnet til max 20 mA. D2 D10 LE D D3 De to 1N4148 kan med fordel erstattes af en rød LED. LE D D6 LE D R1 D9 LE D LE D D7 LE D D11 LE D LE D 1k D4 D8 LE D D12 LE D LE D ELV 3/96 Q1 D1N414 8 D14 D1N414 8 D15 0 Q2 Q3 B C3 37 B C3 37 B C3 37 R2 R3 R4 12 0 12 0 12 0 Infra rød detektor. D1 VCC, 9 V Q1 BPW34 BC547 BP 104 kan også bruges! Der forbindes til et 9 volt batteri via sluttekontakt. R1 1k D1 Gnd Undersøg frekvensspektret, - sammenholdt med en TSAL6200 IRdiode. LED Opbyg testopstilling. BPW34 Af: Valle Thorø Side 13 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Transistoren som signalforstærker I dette afsnit ses på hvordan en transistor virker på Silicium-niveau: En transistor er bygget op af 3 silicium-lag. I følgende eksempel huskes, at elektronstrømmen i realiteten går fra minus til plus! U Base Si + Indium Si + Arsen Si + Arsen N N P V3 R belastning 12Vdc Basislaget i midten er positiv i forhold til emitter. Dvs. i realiteten er der underskud af elektroner. Derfor tiltrækkes elektroner fra emitter, der jo har overskud af elektroner. Basisspændingen hjælper vandringen af elektroner. Mange elektroner der vandrer fra venstre mod højre fortsætter lige gennem det tynde basislag over til Collector, og videre gennem belastningen til plus!! De ”trækkes” af det elektriske felt fra V3. Omkring 99 % af elektronerne fortsætter til Collector. Transistoren skematisk! Emitter er til venstre, Collector til højre ! Basisstrømmen svarer til 1 % af ICE. Altså ses, at den største del af ladningerne vil fortsætte til Collectoren. N-materialet er ”forurenet” –”doteret” med Arsen, der i yderste skal har 1 elektron mere end silicium. I krystalstrukturen er der altså ”overskud” af elektroner, dvs. negativ, dvs. N-materiale. Basislaget er modsat doteret med Indium, der har 1 elektron mindre i yderste skal, derfor mangler der elektroner i krystal-gitteret. Der er ”huller” til elektroner. Det er positiv, ”P”. Til sammen en NPN-transistor. Af: Valle Thorø Side 14 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Se : http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/semiconductordevices/semiconductordevices.html Se evt. Også: http://www.madlab.org/electrnx/lesson4.html Her ses et billede af transistorens elektronflow. Elektronerne går mod højre, fra Minus mod Plus. !! Men vi har jo vedtaget, at strømmen går fra Plus til Minus! http://fourier.eng.hmc.edu/e84/lectures/ch4/node3.html På tilsvarende måde kan man sige, at der går en “hulstrøm” mod venstre. Endnu en skitse: Af: Valle Thorø Side 15 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Billedet viser en NPN-transistor. Emitter-Basejunction’en er forspændt i lederetningen, og Collector-Base i spærreretning. e = elektroner, o = huller, og oe = rekombination af huller og elektroner. Se animation på http://www.learnabout-electronics.org/bipolar_junction_transistors_05.php Opbygning af en ”rigtig” transistor: Skematisk opbygning af transistor: Lagdelt opbygning. Base Emitter Collector http://fourier.eng.hmc.edu/e84/lectures/ch4/node3.html Af: Valle Thorø Side 16 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Måling af transistor-parametre Ucc Rlast Vha. denne testopstilling kan forholdet mellem de forskellige strømme og spændinger i transistoren findes. De kaldes transistorens parametre, eller transistorens karakteristik. Q3 U base Der indsættes metre for at måle strømme og spændinger, og det indsættes i grafer som vist nedenunder: 0 0 Delta UBE ~ 0,6 til 0,7 Volt. Ved hjælp af ORCAD er der her vist en graf for Ibasis som funktion af Ubasis, dvs. Ibe = f(Ube) 10mA VCC VCC R1 V1 1k 0Vdc 0 5mA Q1 R2 Vb 470 I V2 V Q2N2222 Vpwl 0 0 0A 0V Vpwl går fra 0 til 5 Volt Grafen er tegnet med V(Vb) som X-akse. 0.5V 1.0V I(R2) V(VB) De andre transistor parametre måles, fx ved hjælp af følgende opstilling: A R collector 5V v ar U base Q4 R base A V 0 0 0 V Q2N2222 0 U Collector 12 V v ariabel 0 0 I alt ønskes følgende grafer tegnet: Af: Valle Thorø Side 17 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Ib Ic Ic Ub Ib Basisstrømmen som funktion af Collektorstrømmen som basisspændingen. funktion af basisstrømmen. Som grafen for en diode: I c VCC Uce Kollectorstrømmen ved varierende collectorspændinger. Målingen sker ved forskellige konstante basisstrømme. 120mA VCC R1 V1 100 12Vdc 80mA 0 Q1 R2 Vb I 6000 Q2N2222 I V3 40mA Vpwl 0 0 Basisspændingen er her ændret fra 0 til 5 Volt. Grafen viser Ic som funktion af Ibasis. Grafen er desværre ikke helt ret! 0A 0A 400uA 800uA IC(Q1) I(R2) 50mA VCC VCC R1 V4 100 V 0A 0 Q1 R2 Vb 1k I Q2N2222 I2 50uAdc IDC 0 0 ORCAD simulering af Ic som funktion af UCC ved forskellige basisstrømme. Man Af: Valle Thorø -50mA 0s 0.5s IC(Q1) Time 1.0s Side 18 af 55 Transistor-forstærker-kompendium siger Ib er parameter.. Vcc sweepet fra 0 til 20 Volt, med forskellige Ibase: Her er valgt 20u, 40u, 50u, 75u, 100u, 125u, 150u, og 200u. Graferne for transistorens forskellige parametre kan samles il nedenstående graf, så man kan se sammenhængen mellem dem. Ic Uce Ib Ube På næste side er vist en sammenstilling af graferne for en BC547: Af: Valle Thorø Side 19 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Kilde: http://www.htl-rankweil.at/grass/ftkl/datenblatt_BC547.pdf Af: Valle Thorø Side 20 af 55 Transistor-forstærker-kompendium I grafen her er der vist hvordan skemaet kan bruges. Start i 4. kvadtant, nederst til højre. En Basisspænding UBE bevirker en IBE, som igen bevirker en ICE som så igen resulterer i en UC. Først afsættes Ic Max. Tegn arbejdslinie. Når arbejdspunktet er valgt, ~ IC / 2, kan Ib findes. Enten ved interpolation mellem graferne i 1.kvadrant, ( kurveskaren ) – eller gå vandret over på 2.kvadrant og videre lodret og aflæse. Af: Valle Thorø Side 21 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Følgende er fra et datablad for BC546-BC550 Kilde: http://www.fairchildsemi.com/ds/BC/BC546.pdf Se flere udgaver af datablad på: http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/B/C/5/4/BC547B.shtml Af: Valle Thorø Side 22 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Transistoren som signalforstærker Her ses på hvordan en transistor kan anvendes som signalforstærker. Vha. spændingsgeneratoren på basen, får transistoren ”bias”-strøm, dvs. er halvt ”on”. Indgangssignalet, fx fra en microfon kan så ”pumpe” spændingen op og ned, og herved også ændre Ice. Ucc Rlast Cout Cin Spændingen ”til daglig” på Collector skulle helst være halv forsyningsspænding for at der er størst mulighed for at spændingen kan gå både op og ned. Denne spænding kaldes arbejdspunktet. Q3 U base Uout Uin R base 0 0 Problemer med Varme Men! Når transistoren bliver varmet op, bliver Ube mindre. Dvs at Ibe stiger. Derfor stiger Ice, hvorefter Uce falder. Altså sænkes arbejdspunktet. Og transistorforstærkeren klipper. Ucc R base Rlast Cout Cin Q3 Uout Uin I praksis kan ovenstående kredsløb udføres som herunder. 0 Ucc R base Temperaturproblemet kan i nogen grad afhjælpes med en modstand RE i emitteren. RE kan kaldes en temperatur-modkoblingsmodstand. Rlast Cout Cin Q3 Uout Uin RE Man bliver mere uafhængig af hfe for transistoren. R Men A’ formindskes til ca. 0,9 C RE 0 RC hedder på diagrammet ovenover RLast. Af: Valle Thorø Side 23 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Hvis temperaturen stiger, bliver UBE mindre. Herved stiger IBE, og derfor også Ic. Men større strøm i RE giver højere UE hvorved UBE klemmes og begrænser strømmen ind i basen. Dvs. arbejdspunktet fastholdes. Forstærkning: Forstærkningen er ca. Rlast divideret med RE. Det er fordi signalet over RE er lig indgangssignalet. Emitterspændingen er altid ca. 0,7 Volt under Basisspændingen. En ændring i URE resulterer i en ændring af strømmen ICE. I CE U RE RE Strømmen kommer fra plus, ned gennem Rcollector og giver et spændingsfald over RC. Strømændringen pga signalet resulterer også i en spændingsændring over RC. I CE U RC RC Strømmen er næsten den samme, idet IBE ikke er særlig stor pga., en stor forstærkning i selve transistoren. Der fås, at U RC R C U RE RE U RC U RE . Ordnes dette findes: RC RE Spændingsændringen over kollektormodstanden i forhold til spændingsændringen over emitter, som jo er lig indgangssignalet, er netop trinnets forstærkning. En bedre, temperatur-stabil kobling ! Ucc Vha. af dette kredsløb haves en mere stabil forstærker. R base 1 Rlast Cout Spændingen Ubasis fastlægges af Rbase 1 og Rbase 2. Q3 Cin Uout Uin Delta UE svarer til UB – 0,7 Volt. RE R base 2 U over emittermodstanden RE er altså Basisspændingen minus 0,7 Volt. Denne spænding sammen med emittermodstandens størrelse bestemmer nu hvile-strømmen ICE . Af: Valle Thorø 0 0 Side 24 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Hvis ICE bliver for stor, vokser UE, og klemmer delta UBE. Dvs. IBE bliver mindre og herved også ICE, der holdes ”på plads”. IE UE RE UC UCC I E RC A ' ca.0,9 RC RLast RE Re Re er en lille modstand, der er i transistorens emitter på siliciummet. Den kan regnes som: 25 103 Re IE Rlast kan evt. være indgangsmodstanden ind i næste trin. RE = 0 ved afkobling. Dvs. der er en kondensator over RE . Ucc Ri RB1 RB 2 Ribase R base 1 RC Cout Ribase h fe RE Re Rs Q3 Cin Uout Uin RE R base 2 0 Af: Valle Thorø 0 0 Side 25 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Se en applet der viser strømmene i transistortrinnet: http://www.indiabix.com/electronics-circuits/common-emitter-amplifier/ Koblingen kan også opbygges med en PNP transistor http://circuit-diagram.hqew.net/Transistor-Amplifier-Design_8923.html Afkoblet RE Kredsløbet med afkoblet emitter. Signalmæssigt er RE så lig nul. Af: Valle Thorø Side 26 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Ucc Forstærkningen bliver: A ' ca.0,9 RC RLast 0 Re R base 1 RC Cout Rs Q3 Cin Uout Uin RE R base 2 CE 0 0 0 0 Cin: Lave frekvenser dæmpes. Højpas led. X Cin RB1 RB 2 Rin base RSerie generator ved f nedre Cout: Lave frekvenser dæmpes, Højpasled, X C out RC RLast ved f nedre CRE: Forstærkningen stiger, når den træder i kraft. Altså forstærkes lave frekvenser ikke så meget. X C RE RE ved f nedre AC og DC-analyse: Ved analyse af et kredsløb, opdeles trinnet i en DC-analyse og en AC-analyse. Ved DC-analysen findes ”Hvilespændingerne” – eller ” Bias-spændingerne”. Ved ACanalysen ses på trinnets signal-forstærkning og frekvensgang. 12 V R b1 RC 22k Rs 1k Cout Q3 Cin Uout Givet dette kredsløb: C4 Uin RE R b2 R last 560 10 K 4,7 K 0 0 0 0 0 DC-analyse ! DC-analyse af et kredsløb bruges til at vurdere / dimensionere kredsløbet, så man ved, det arbejder i arbejdspunktet. Ved DC-analyse er alle kondensatorer lig afbrydelser. Derfor kan følgende ækvivalent-diagram tegnes! Af: Valle Thorø Side 27 af 55 Transistor-forstærker-kompendium 12 V R b1 RC 22k 1k Q3 RE R b2 560 4,7 K 0 0 hfe DC = 150, hfe AC = 160 Re er normalt lille, dette antages indtil videre. Ri base = hfe DC (RE + Re) ~150 x ( 560 + 0 ) ~ 84 Kohm. Ubase = Uemitter = IEmitter = Re = Var det rigtig, at Re var lille ?? AC-analyse ! Forstærkningen er : A ' 0,9 RC RL RE Re 1k 10k 0 10,9 75 gg ( gg = gange ) Q3 Rs Uout Kredsløbet kan AC-mæssigt tegnes på denne måde: Uin R b1 R b2 22k 0 0 RC R last 1k 10 K 4,7 K 0 0 0 0 Dette kan forenkles til følgende to diagrammer: Af: Valle Thorø Side 28 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Uout Rs Uin R b1 R b2 22k 0 0 R in base RC R last 1k 10 K 4,7 K 0 0 0 0 0 Signal-mæssigt er Rb1 og Rb2 og Rin Base parallelle, idet Plus signalmæssigt er lig stel, via strømforsyningens kondensatorer. Emitterfølger. For at give lavere Rout, kan der monteres en emitterfølger. ( = jordet collector ) Denne har A’ = 1. Dette giver stor Ri, og lille Rout. Dvs. kan tåle hård belastning. Udgangsmodstanden er ikke så stor, hvorfor der kan leveres mere energi til en belastning. ! 12 V R b1 RC 100k Rs Q5 10k Q3 Cin C5 C4 Uin Uout RE R b2 330 10K Spændingen på emitteren er altid ca. 0,7 volt under basis på emitterfølgeren. Deraf navnet. 0 1k 0 0 0 0 Simulering med ORCAD: 12 V Opbyg følgende kredsløb i ORCAD. Først uafkoblet. Hvad bør forstærkningen være ?? R b1 RC 22k Tjek DC-niveauerne. Ændre lidt på komponentværdier, så bias spændingerne ligger rigtigt! Rs 1k Cout Q3 Cin Uout C4 Uin RE R b2 R last 560 10 K 4,7 K Hvad er forstærkningen ?? 0 0 0 0 0 Sæt en CRE på. Hvad bliver nu forstærkningen ?? Sæt en emitterfølger på som følgende diagram viser: Af: Valle Thorø Side 29 af 55 Transistor-forstærker-kompendium VCC VCC V2 12Vdc R3 2.2K 0 Q2 R1 Uout 220k Q1 V C1 Q2N2222 C2 Uin Q2N2222 100n 10u V R6 R2 V1 47k VOFF = 0 VAMPL = 10m FREQ = 1000 10k R4 C3 560 V V R5 220 10u 0 0 0 0 0 0 Forklar kredsløbet. Simuler: Af: Valle Thorø Side 30 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Transistorforstærker summering: Ucc Et typisk transistor-forstærker kredsløb ser ud som følgende: Rb1 Rserie RC Q1 Cin Cout Re Rload V1 Ugen Rb2 RE CRE 0 0 0 0 0 Icq, Ikke for stor, pga varme og støj Ikke for lille, pga for stor Rout ( 5 til 15 mA ) Itc ~ (10 til 20 ) Ib Rc = Rout Arbejdspunkt ca. Ucc/2 Ucc XCin ~ Ri + Rserie ved fnedre Xcout ~ Rc // Rload ved fnedre Rb1 RC Signalkildens udgangsmodstand Rserie Q1 Cin Cout Re, er normalt lille, og medregnes ikke = 25 x 10E-3 / IE Re Rload V1 Ugen Rb2 RE CRE bypasser RE AC-mæssigt XCRE ~ RE ved fnedre CRE 0 0 0 0 0 IE = IB + IC IB << IC, altså IE ~ IC A' ~0,9 ( RC//Rload) / ( Re + RE ) UB = UE + 0,7 Volt RE stabiliserer temperaturmæssigt Ri = RB1 // RB2 // hfe(Re+RE) Stiv spænding, dog påvirkelig af signalet RE = 0 hvis der er en CRE De 0,9 stammer fra spændingsdelingen Delta U RE q = 0,1 til 2 Volt eller 10 til 30 % af Ucc mellem Rserie og Ri Q = Quicent, = hvile, når signalet = 0 Af: Valle Thorø Side 31 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Icq, Ikke for stor, pga varme og støj Ikke for lille, pga for stor Rout ( 5 til 15 mA ) Itc ~ (10 til 20 ) Ib Rc = Rout Arbejdspunkt ca. Ucc/2 Ucc XCin ~ Ri + Rserie ved fnedre Xcout ~ Rc // Rload ved fnedre Rb1 RC Signalkildens udgangsmodstand Rserie Q1 Cin Cout Re, er normalt lille, og medregnes ikke = 25 x 10E-3 / IE Re Rload V1 Ugen Rb2 RE CRE bypasser RE AC-mæssigt XCRE ~ RE ved fnedre CRE 0 0 0 0 0 IE = IB + IC IB << IC, altså IE ~ IC A' ~0,9 ( RC//Rload) / ( Re + RE ) UB = UE + 0,7 Volt RE stabiliserer temperaturmæssigt Ri = RB1 // RB2 // hfe(Re+RE) Stiv spænding, dog påvirkelig af signalet De 0,9 stammer fra spændingsdelingen Delta U RE q = 0,1 til 2 Volt eller 10 til 30 % af Ucc mellem Rserie og Ri Q = Quicent, = hvile, når signalet = 0 Af: Valle Thorø RE = 0 hvis der er en CRE bipolar_transistorer.docx Side 32 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Et eksempel på et lille transistor-forstærkertrin. Af: Valle Thorø Side 33 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Flere eksempler: Sættes en emitterfølger på, opnås en lavere udgangsmodstand. GUITAR FUZZ The output of a guitar is connected to the input of the Fuzz circuit. The output of this circuit is connected to the input of your amplifier. With the guitar at full volume, this circuit is overdriven and distorts. The distorted signal is then clipped by the diodes and your power amp amplifies the Fuzz effect. Se flere kredsløb, fx: http://talkingelectronics.com/projects/200TrCcts/200TrCcts.html#92 Og http://www.talkingelectronics.com/projects/200TrCcts/200TrCcts.html Af: Valle Thorø Side 34 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Udgangsforstærkere: Udgangsforstærkere er normalt inddelt i forskellige ”Klasser”. I udgangsforstærkere benyttes transistorer til at forøge den strøm, der kan leveres til en tilsluttet højtaler. En OPAMP kan selv kun levere få Milli ampere. Se fx: http://www.allaboutcircuits.com/vol_6/chpt_6/10.html Klasse C: Klasse C ser i princippet således ud. Signalet kommer fx fra en OPAMP. UCC Uout 47 4 W Q2 -0,7 Uin +0,7 Uout Uin Til Højtaler Q1 0 0 47 4W Uout og Iout.udviser desværre CROSS OVER problemer. UEE Trinnet styres fx af en OPAMP. 2 x emitterfølgere. De to 47 ohms modstande forhindrer overhedning ved kortslutning Højtaleren er forbundet til stel. Dvs. midtpunktet mellem plus og minus. Der skal altså både leveres, Sources, strøm, og synkes strøm, i hhv. den positive og den negative halvperiode. 2.0V 0V -2.0V 0s 0.5ms 1.0ms V(V1:+) V(Uout) 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms Time Af: Valle Thorø Side 35 af 55 Transistor-forstærker-kompendium På grafen ses, at de to transistorer skiftes til at lede, men de leder mindre end 180 grader hver. 4.0mA 0A -4.0mA 0s 0.5ms IC(Q2) IC(Q1) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms Time Uplus Kredsløbet er vist her: Q1 Uplus Det ses tydeligt, at der er 2 diodestrækninger, der skal overvindes. V2 12Vdc Q2N2222 R1 Uout V1 V3 12Vdc 0 VOFF = 0 VAMPL = 2 FREQ = 1k Uminus 1k Q2 V V Q2N2907A R2 1k 0 Uminus 0 ”Cross-over” problemer kan gøres mindre med en op-amp og feed back som vist: Uout UCC 47 4 W Q2 U3 Uin + Uin OUT - Uout Til Højtaler Q1 OPAMP 0 0 Uout vil nu følge Uin. 47 4W UEE Af: Valle Thorø Side 36 af 55 Transistor-forstærker-kompendium 4.0V 0V -4.0V 0s V(SIGNAL) 0.5ms 1.0ms V(OPAMP_UDGANG) 1.5ms V(UOUT) Time 2.0ms 2.5ms 3.0ms Nu ses, at op-ampens udgang ligger 0,7 Volt over hhv. under Uout, for at kompensere for diodespændingsfaldet. Cross over afhængig af opamp’ens slewrate: Hver transistor leder nu <= 180 grader. 4.0mA 0A -4.0mA 0s IC(Q1) 0.5ms IC(Q2) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms Time Klasse B Af: Valle Thorø Side 37 af 55 Transistor-forstærker-kompendium UCC UCC Q2 I tvær 4,7 D1 Uout I Q2 Til Højtaler D2 4,7 Q1 Q3 0 0 Uin Uin I Q1 C1 0 0 0 Dioderne D1 og D2 ophæver delta UBE. De kan fysisk placeres på transistorerne, så de har samme temperatur !! http://www.sentex.ca/~mec1995/tutorial/xtor/xtor3/xtor3.html Af: Valle Thorø Side 38 af 55 Transistor-forstærker-kompendium http://www.sentex.ca/~mec1995/tutorial/xtor/xtor3/xtor3.html Eksempel på transistoramplifier. Her med PushPull kredsløb i Udgangen ! Q1 styrer Q2, som igen styrer PushPulltransistorerne. http://www.circuitstoday.com/few-transistor-amplifier-circuits Af: Valle Thorø Side 39 af 55 Transistor-forstærker-kompendium T1 styrer T2, som igen styrer basisspændingern e på T3 og T4. R7 er modkoblingsmodstand. Gain er 1 + R7 / R5 Kilde: http://users.telenet.be/staybank/circuits/amplifier_2W.htm Gain: se http://sound.westhost.com/amp-basics2.htm Her bliver der brugt en OPAMP til at levere strøm til Push-Pull transistorerne: UCC De to 4,7 ohms modstande på grund af termisk runaway. Stiger temperaturen, bliver delta Ube mindre. Derfor stiger Ic. Herved stiger temperaturen, og delta Ube falder mere. UCC Q2 U1 Uin De to dioder ophæver UBE i transistorerne. Dioderne bør placeres, så de har samme temperatur som transistorerne! D1 + 4,7 OUT - Uout Til Højtaler D2 OPAMP 4,7 Q1 Uminus 0 0 Uminus Der er ingen tomgangstab, men cross-over. Cross-Over vil forvrænge et signal! De to transistorer skiftes til at lede. Tegn grafer for Uout = f( Uin ) graf, og Itransistor = f(t) Af: Valle Thorø Side 40 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Her et eksempel på en praktisk udgangsforstærker: BD139 / BD140 er et par kraftige transistorer. Transistorerne kan håndtere 1,5 Ampere. Men deres strømforstærkning er ikke særlig stor, kun ca. 25 gange! Dvs. de skal fødes med ret stor basisstrøm. Bemærk modkoblings-arrangementet omkring R4. Gain = 1 + R4/R3. Klasse AB UCC UCC Q2 D1 4,7 D2 D3 Uout Til Højtaler 4,7 Q1 100 0 0 470 390 Uminus Uminus Variabel Zenerdiode Her er UBE i transistorerne ophævet så godt og vel. Dvs. at der ved tomgang, dvs. ingen signal på indgangen løber en tværstrøm gennem transistorerne og de to 4,7 ohms modstande. Denne strøms størrelse kan evt styres ved at benytte en Variabel Zenerdiode. Vist til højre ovenfor. Af: Valle Thorø Side 41 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Kredsløbet benyttes fordi transistorerne ikke er særligt lineære i det øjeblik, de starter med at lede. Derfor ”tyvstartes” der her, dvs. den ene transistor starter med at lede lidt før den anden lukker helt. Begrænset tomgangstab I tvær Max 70 % virkningsgrad, og begrænset tomgangstab. I Q2 Uin I Q1 40mA 0A -40mA 0s IC(Q1) 0.5ms IC(Q2) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms Time Eksempel på integreret Audio IC Hvordan forbindes den ??? Find applications: TDA2030 Af: Valle Thorø Side 42 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Klasse A I klasse A forsøger man at undgå uliniariteter ved at styre transistorerne, så de ikke lukker. Den øverste fx vil lede mere samtidig med at den nederste leder mindre. Herved stiger spændingen ud til en højtaler. UCC UCC I tvær Q2 I Q2 D1 D2 4,7 Uout Til Højtaler D3 4,7 D4 Q1 Uminus 0 Uin 0 I Q1 Uminus Begge transistorer leder 360 grader. De slukker ikke. Tværstrømmen er I/2 selv uden signal. Derfor stor tab. Varmeovn !! Max 50 % virkningsgrad. Grafen viser strømmen i transistorerne: 40mA 0A -40mA 0s IC(Q1) 0.5ms IC(Q2) 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms Time Af: Valle Thorø Side 43 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Outputstage opbygget af compound/ Sziklai par Her kan selv en relativ lille strøm styre basis på Q2 og Q4, som så igen styrer Q3 og Q5. Tip2955 og TIP3055 er Power-transistorer, der kan håndtere 10 Ampere. http://sound.westhost.com/articles/cmpd-vs-darl.htm Af: Valle Thorø Side 44 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Klasse D. Det nyeste princip, kaldes ”Klasse D”, fordi det er næste bogstav. Det bygger på pulsbreddemodulering af højtaleren. Der benyttes en høj frekvens eller rettere kort timebase, til at tilføre højtaleren energi. Udgangstransistorerne kører som switch, og der er derfor ikke megen varmetab. B&O kalder deres for ”Icepower”. ? Her et princip-skitse af en forstærker. V CC V CC V CC B C1 40-10 R5 Uin S i gna l C5 U5 47 0k Q1 + 47 0n OUT R6 V CC 47 0k D1 L1 U2A P WM S i gna l 2 1 47 uH 3 - K ompa ra to r Q3 0 0 2 1 D2 C1 22 0n B C1 60 0 0 0 LS 1 Utreka nt C3 V CC B C1 40-10 R4 Q2 U6 U3A OUT + C4 2 1 3 L2 1 1 2 3 47 uH V CC Q4 R1 R3 D4 C2 B C1 60 22 0n OPA MP 0 R2 0 Af: Valle Thorø S PE A KE R D3 U4A 2 - 1u 5 V CC 0 0 0 Side 45 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Ovenstående er søgt illustreret med en simulering af følgende diagram Musi ksi gn al V2 V V OFF = 7.5 V AMP L = 2 FRE Q = 40 0 U2 + 0 P WM_si gn al OUT T ime bas etre kant V R5 V OPA MP + IC= 12 10 0k R1 0 1k U1 OUT + OPA MP R2 R4 4.7k 10 k V1 C1 75 n 15 Vd c R3 0 10 k 0 0 Graferne bliver som følgende: 15V 10V 5V 0V 0s V(PWM_SIGNAL) Af: Valle Thorø 0.5ms V(MUSIKSIGNAL) 1.0ms V(TIMEBASETREKANT) Time 1.5ms 2.0ms Side 46 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Her er vist et skematisk diagram over en klasse D forstærker. Udgangssignalet er den blå sigsag-linje. Dvs. der er en ”høj” frekvens adderet til signalet, og dette skal efterfølgende filtreres fra i et filter! Kilde: http://www.acroname.com/robotics/info/concepts/pwm.html Eksempler på Klasse D-IC’er: LM4673, TDA7482, Der findes flere typer forstærkere, kaldet Klasse G, og Klasse H. Se http://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_amplifier Af: Valle Thorø Side 47 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Audio-amplifiere Der findes et hav af IC-kredse, specielt beregnet som audio-forstærkere. Herunder er en liste over nogle af dem. Type LM 1895 N TBA 820 LM 386 TEA 2025 TDA 1514 TDA 2002 TDA 2003 TDA 2030 TDA 1519 TDA 1519B TDA 1020 Spænding Effekt Båndbredde Bemærk 3 – 16 Volt 2W ved 12 Volt, 8 Ohm 20 kHz 3 – 12 Volt 4,7 W ved 12 V, 8 Ohm 10 KHz Brokoblet 2x6W 2 x 6 eller 12 W Hvilestrøm 40 mA 40 til 80 ma max Brokobling Se: http://www.hobby-hour.com/electronics/power-audio-amplifier-ic.php http://www.rason.org/Projects/icamps/icamps.htm Af: Valle Thorø Side 48 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Fra: http://www.circuitstoday.com/car-stereo-circuit-using-tda2040 http://electroschematics.com/1192/tda-amplifier-circuits/ http://xtronic.org/circuit/amplifier/power-audio-amplifier-tda2002/ http://www.zen22142.zen.co.uk/Circuits/Audio/tda8.htm http://www.hobby-hour.com/electronics/tda2005-power-audio.php ( bro-koblet ) Diverse audio circuits: http://www.zen22142.zen.co.uk/Circuits/Audio/audio.html Af: Valle Thorø Side 49 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Testklasser for forstærkere: Forskellige firmaer angiver nytteværdien for en given forstærker ved forskellige forhold og forvrængninger. Efter forskellige normer: Effekt eksempel (W) Klir max Betingelser. Forstærkeren skal kunne yde den angivne effekt og max forvrængningen: DIN sinus FTC (USA) IEC (Int) EIAJ (Japan) 10 8,6 9,4 17 0,7% 0,1% I 10 minutter I 5 minutter i hele ved 1 kHz i frekvensspekteret stuetemperatur efter forvarmning med 30 % af mærkebelastningen 0,7% I 10 minutter i frekvensområdet 63 Hz til 12,5 kHz efter forvarmning med 10 % af mærkebelastningen 10% Der måles i kold tilstand ved 1 kHz IHF Musikbelastning 17-20 Der måles ved 1 kHz. Pulsdrift, 20 svingninger fuld last, 480 svingninger med 10 % last. Altså 4 % fuld last. Klirfaktor behøves ikke målt ved fuld last. Må bare ikke kunne ses på et scoop. FTC = Federal Trade Committee. IEC = International Electronic Committee EIAJ = Electronic Industry Association of Japan IHF = Institute of HiFi-Manufacturers Effektivitetsberegning for Push Pull trin Kilde: EAM 8/95 Skitse, Push Pull + højtaler Af: Valle Thorø Side 50 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Nytteeffekt = PN U effektiv I effektiv I eff U eff RL Sættes ind fås: PNytte U 2 eff RL Grafen viser et signal omkring halv forsyningsspænding. For oven og for neden er der et område, Urest, signalet ikke kan overskride pga. tab i transistorerne. Der er jo altid et tab i delta UBE. Signalets effektive værdi er U eff U Peack 2 70% af U P Et AC-signals effektivværdi vil afsætte samme varme i en modstand, som en DC. Nogle gange er AC-signalet højere, nogle gange er det lavere end en DC-spænding. Nogle gange er den negativ, men det giver jo den samme varmeafsætning, eller effekt-afsætning i modstanden. U DC’en kan beregnes som Peack . 2 I ovenstående svinger AC-signalet jo omkring halv forsyningsspænding. Signalets Peackværdi må være Peack-Peack-værdi divideret med 2. Altså: U eff PNytte U 2 U Re st U PP CC 0,35 U CC 2 U Re st 2 2 2 2 0,35 U Af: Valle Thorø CC 2 U rest RL 2 0,125 2 U CC 2 U rest RL Side 51 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Altså, PNytte stiger ved aftagende lastmodstand, og tiltager ved stigende forsyningsspænding i 2. potens. Restspændingen er altid mindst 2 x 0,7 volt stammende fra en Basis-emitterstrækning. Altså mindst 1,4 Volt. Er Ucc = 12 Volt, og RL = 4 ohm findes en max nytteeffekt på : 0,125 12 1, 4 3,5W 4 2 PNytte I en bil, kan der altså ved 12 Volt forsyningsspænding ikke drives mere end 3,5 Watt ud af en 4 ohms højtaler !! – hvis ikke man griber til brokobling og generering af højere forsyningsspænding !! Det er det, der sker i ”Brianforstærkerne” bag i bilerne !! Transistorkredsløbs-eksempler, Motorstyring Eksempel på Bipolar H-bro. Af: Valle Thorø Side 52 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Og et par mere. Kilde: http://www.electronics-tutorials.ws/blog/h-bridge-motor-control.html Af: Valle Thorø Side 53 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Problemet med dette kredsløb er, at styrespænding A eller B skal op på 0,7V over +V for at motorerne får fuld spænding. Søg efter ” h-bridge Af: Valle Thorø Side 54 af 55 Transistor-forstærker-kompendium Vælg kvalificeret en C1. Som transistor bruges en BC547 !!!, Rb2 = 22K, Re = 2,2K. Mål DC-spændingerne i kredsløbet. Mål Uout / Uin og forklar. Tegn graf over Uout og Uin Tegn Boodeplot Afkobl Re med 10 uF og mål igen A` og tegn Boodeplot Af: Valle Thorø Side 55 af 55
© Copyright 2024