Poznajemy tranzystory – część 18

Zgodnie z obietnicą zadeklarowaną w poprzednim odcinku, zapoznam Cię z kolejnymi „cegiełkami” stosowanymi w praktycznie budowanych wzmacniaczach.

Źródła prądowe i układy powtarzania prądu

Źródło prądowe i układ powtarzania prądu poznałeś już wcześniej, gdy omawialiśmy podstawowe właściwości tranzystora w obwodach prądu stałego i rozważaliśmy wpływ temperatury. Na rysunku 1 zobaczysz schemat prostego i bardziej rozbudowanego układu powtarzania prądu. Dodanie trzeciego tranzystora wg rysunku 1b znacznie poprawia właściwości układu z rysunku 1a, ale prościej można je polepszyć dodając niewielkie rezystory emiterowe wg rysunku 1c.

Układy powtarzania prądu, pełniące także często rolę źródeł prądowych, zbudowane według rysunku 1, wykorzystywane są bardzo często, ponieważ umożliwiają uniezależnienie parametrów układu od zmian napięcia zasilającego. Wtedy na przykład wzmacniacz pobiera niemal taki sam prąd spoczynkowy w bardzo szerokim zakresie napięć zasilających.

Połączenie równoległe

W celu zwiększenia prądu oraz mocy strat, kilka tranzystorów niekiedy łączy się równolegle. Wtedy nie zyskuje się żadnych specjalnych właściwości − po prostu powstaje tranzystor większej mocy. Budując potężny zasilacz albo wzmacniacz audio większej mocy, będziesz łączył tranzystory równolegle. Ale nigdy nie według rysunku 2.

Zastanów się, dlaczego? Czym to grozi?

A może zaproponujesz dobranie jednakowych tranzystorów, z jednej serii produkcyjnej i dodatkowo selekcjonowanych? Słusznie! Ale i wtedy nie wolno stosować połączenia według rysunku 2.

Dlaczego?

A z jaką dokładnością dobierzesz te tranzystory? Czy naprawdę będą idealnie jednakowe?

Właśnie − nigdy nie będą idealnie jednakowe. A dodatkowo pojawią się różnice wynikające choćby z różnej długości ścieżek czy przewodów w obwodach baz i emiterów. I już bardzo drobne różnice wystarczą do zepsucia całej kosztownej baterii tranzystorów. Zacznie się to wszystko przy dużym sumarycznym prądzie, przekraczającym dopuszczalny prąd jednego tranzystora. Rozpocznie się od jednego z tranzystorów, przez który będzie płynął prąd odrobinę większy niż przez inne tranzystory. Ten jeden tranzystor nagrzeje się minimalnie bardziej niż inne…

To zapoczątkuje katastrofę. Jak pamiętasz, wzrost temperatury powoduje zmniejszenie napięcia U_BE (a przy stałym napięciu U_BE powoduje szybki wzrost prądu bazy i kolektora). W tym wypadku napięcie U_BE będzie takie samo jak w pozostałych tranzystorach, a więc prąd tego najcieplejszego tranzystora będzie wzrastał. Wzrost prądu (przy niezmiennym napięciu U_CE) oznacza wzrost mocy strat i dalszy wzrost temperatury tego jednego tranzystora. To jeszcze bardziej zwiększy prąd, temperaturę i… w końcu ten jeden tranzystor przejmie na siebie cały prąd z innych, coraz chłodniejszych tranzystorów. Oczywiście po krótkim czasie temperatura nadmiernie wzrośnie i ten tranzystor zostanie uszkodzony. Jeśli się zewrze, oznacza to koniec zabawy − urządzenie przestanie działać, niemniej uszkodzeniu ulegnie tylko ten tranzystor. Co jednak bardziej prawdopodobne, ten przeciążony tranzystor nie zewrze się, tylko rozewrze. Wtedy cały prąd przejmą pozostałe ocalałe tranzystory. Po pewnym czasie jeden z nich będzie miał temperaturę minimalnie wyższą niż inne… Sytuacja powtórzy się i to właśnie on „strzeli” w następnej kolejności. Potem następny, i tak kolejno uszkodzą się wszystkie. Miła perspektywa!

Aby zapobiec nieszczęściu, wystarczy w obwodach wszystkich emiterów dodać niewielkie rezystory według rysunku 3, by przy największym spodziewanym prądzie tranzystora, spadek napięcia na tym dodatkowym rezystorze wynosił: 0,1…0,4 V. W zasadzie czym więcej, tym lepiej, jednak nie warto przesadzać, bo w rezystorach tych przy dużych prądach będzie się wydzielać znaczna moc strat.

Połączenie szeregowe tranzystorów

W literaturze znajdziesz być może wskazówki, jak połączyć kilka tranzystorów niskonapięciowych w wysokonapięciowy. Towarzyszyć temu będzie schemat podobny jak na rysunku 4. Obejrzyj taki schemat, uśmiechnij się i… zapomnij. Nigdy nie będziesz stosował takich „wynalazków”. Dziś dostępne są przyzwoite tranzystory wysokonapięciowe i naprawdę nie ma potrzeby zawracać sobie głowy schematem z rysunku 4.

Tylko jedno wyjaśnienie − może z czasem zbudujesz wzmacniacz wysokonapięciowy w układzie kaskodowym – spójrz na rysunek 6 w poprzedniej części. Pamiętaj, że tylko górny tranzystor ma być wysokonapięciowy. Dolny zawsze pracuje przy niskim napięciu i może to być jakikolwiek tranzystor o odpowiednim prądzie kolektora.

Wyjście przeciwsobne

Prawdopodobnie zauważyłeś, że omówione wcześniej wzmacniacze: OC, OE i OB mają niezbyt dobre właściwości wyjściowe. Nawet najlepszy pod tym względem układ OC nie zachowuje się jednakowo przy wzroście i zmniejszaniu się napięcia wyjściowego, a ponadto w spoczynku pobiera znaczny prąd. W tej części na rysunku 6b podałem ci schemat symetrycznego wtórnika, jaki bywa stosowany czasem w praktyce. Nieporównanie częściej stosuje się jednak prostszy i lepszy układ, mający podobne właściwości. Dotyczy to zwłaszcza stopni wyjściowych większej mocy, w tym stopni końcowych wzmacniaczy audio. Etapy rozwoju takiego układu i kolejne odmiany stosowane w praktyce zobaczysz na rysunku 5. Dla ułatwienia analizy załóżmy, że układy są zasilane napięciem symetrycznym.

Z dwóch okładów z rysunku a robimy najpierw prościutki układ z rysunku b. W spoczynku nie pobiera on prądu. Niestety, w zakresie napięć wejściowych ±0,6 V żaden z tranzystorów nie przewodzi. Jest to poważna wada. Można ją wyeliminować na wiele sposobów. Rysunek c pokazuje sposób z wykorzystaniem diod. Spadek napięcia na diodach jest mniej więcej taki, jak napięcie U_BE tranzystorów, więc oba tranzystory są na granicy przewodzenia (płynie przez nie jakiś maleńki prąd spoczynkowy. Liniowość takiego symetrycznego wtórnika jest znacznie lepsza, niż poprzedniego układu, jednak też nie jest rewelacyjna. Ponadto trudno kontrolować drobne różnice i (temperaturowe) zmiany napięć diod i napięć U_BE tranzystorów, które będą powodować znaczne zmiany prądu płynącego przez tranzystory (zwłaszcza przy różnych temperaturach diod i tranzystorów). Dlatego w praktyce bywa czasem stosowany sposób z rysunku d, gdzie dodatkowe rezystory stabilizują punkt pracy tranzystorów i wyznaczają prąd spoczynkowy. Oczywiście suma spadków napięcia na tych niewielkich rezystorach jest równa napięciu przewodzenia dwóch dodatkowych diod. Zmieniając wartości R_E1 i R_E2 można ustalić potrzebny w danym zastosowaniu prąd spoczynkowy.

W praktycznych układach taki stopień wyjściowy jest sterowany „od dołu” przez tranzystor NPN. Wtedy zamiast czterech diod, wystarczą trzy wg rysunku e. A jeszcze częściej do ustalenia punktu pracy tranzystorów wyjściowych, zamiast diod, wykorzystuje się układ z rysunku f. Zastanów się nad działaniem tranzystora i potencjometru. Już rysunki: d, e sugerują, iż zastępuje on kilka diod. W samej rzeczy − potencjometr umożliwia płynną regulację „liczby diod”, a tym samym płynną regulację prądu spoczynkowego. A najważniejsze, że taka „zwielokrotniona dioda” ma charakterystyki termiczne podobne jak zestaw diod. Ten dodatkowy tranzystor montuje się blisko tranzystorów wyjściowych (na radiatorze) i wtedy przy zmianach temperatury tranzystorów prąd spoczynkowy prawie się nie zmienia.

W stopniach większej mocy spotyka się darlingtony, zwykłe i komplementarne − zobacz rysunek g, a także rysunek h, gdzie oba wyjściowe tranzystory (mocy) są typu NPN. Tranzystor sterujący może być umieszczony „u góry”, jak na rysunku g, albo „na dole”, jak na rysunkach: e, f, h. Zamiast rezystora dość często stosowane bywają źródła prądowe, jak na rysunku h.

W praktyce zwykle dodaje się jeszcze obwody ograniczania prądu, jak na rysunku i. Wtedy nawet przy zwarciu wyjścia, prąd maksymalny zostanie ograniczony do wartości około 0,6 V/R_E.

Przy okazji drobna dygresja. Jeśli w spoczynku przez tranzystory płynie duży prąd, a w czasie pracy prąd żadnego z tranzystorów nie spada do zera, mówimy o pracy w klasie A (np. rysunek 5a). Gdy w spoczynku tranzystory są na progu przewodzenia, a prąd pojawia się dopiero po pojawieniu się sygnału, mamy do czynienia z klasą B (np. rys. 5c). Gdy w spoczynku prąd nie płynie i nawet przy małych sygnałach tranzystory są zatkane, mamy do czynienia z klasą C (np. rys. 5b). Klasa A oznacza małe zniekształcenia, ale duże straty mocy. Oszczędne klasy B i C wiążą się niestety z dużymi zniekształceniami. Dlatego w praktyce wyznacza się pracę stopnia w głębszej lub płytszej pośredniej klasie AB, stosując układy z rysunków 5d…i ustalając kompromisowo prąd spoczynkowy. Czym większy ten prąd, tym mniejsze zniekształcenia. Oczywiście, są to tylko ogólne zasady i w rzeczywistości ustalając wartość prądu spoczynkowego należy uwzględnić szereg innych czynników. Takie rozważania wykraczają jednak poza ramy niniejszego cyklu.

A kolejną część cyklu znajdziesz tutaj.

Piotr Górecki