MUNKAANYAG. Dr. Nemes József. Erősítő áramkörök, jellemzőik I. A követelménymodul megnevezése: Elektronikai áramkörök tervezése, dokumentálása

YA G

Dr. Nemes József

M

U N

KA AN

Erősítő áramkörök, jellemzőik I.

A követelménymodul megnevezése:

Elektronikai áramkörök tervezése, dokumentálása A követelménymodul száma: 0917-06 A tartalomelem azonosító száma és célcsoportja: SzT-039-50

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I.

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK I.

ESETFELVETÉS – MUNKAHELYZET

YA G

A természetben és a technológiában szükséges bizonyos jeleket érzékelni, feldolgozni,

kijelezni és tárolni. Sok esetben olyan kis értékű jelek vannak, amelyekkel egy ilyen folyamat megvalósítása, szinte lehetetlen. Gondoljunk csak egy EKG vagy EEG vizsgálatra. Ebben az esetben is az elektródákkal érzékelt jeleket - a kijelzés előtt - fel kell erősíteni. De ugyanígy

kell eljárni egy iskolai ünnepség hangosításánál is, ahol a szónok beszédét a mikrofon és a hangszóró között fel kell erősíteni, hogy távolabb is hallható legyen az előadás.

Eddigi ismeretink alapján milyen lehetőségeink vannak, hogy akusztikai jeleket (hangot)

KA AN

nagyobb távolságra kisugározzuk? Milyen elektronikai alkatrészek lehetnek szükségesek elektronikai erősítő építéséhez? Az alábbiakban jegyezze le ehhez kapcsolódó gondolatait!

_________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________

U N

_________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________

M

_________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________

1


SZAKMAI INFORMÁCIÓTARTALOM Az erősítők feladata a kis szintű jeleket olyan szintre erősíteni, hogy azokat jelátalakítóra

vezethessék. A kis feszültségeket, ill. teljesítményeket, amelyek pl. mikrofonról vagy

antennákról érkeznek, úgy kell felerősíteni, hogy azokkal hangszórót vagy képcsövet, kijelzőt lehessen kivezérelni.

1. Erősítési alapfogalmak Négypólus:

YA G

-

A jelek számára két bemeneti és két kimeneti kivezetésük van. Mivel a kimeneten nagyobb

hatásos jelteljesítményt adnak le, mint amekkorát a bemenetről felvettek, ezért az erősítőket aktív négypólusoknak nevezzük. Az aktív négypólusok az erősítéshez szükséges energiát

KA AN

külső energiaforrásból, pl. egyenáramú tápellátásból nyerik.

U N

1. ábra. Erősítőfokozat mint négypólus

-

I1

bemeneti áram

I2

kimeneti áram

-

U1

bemeneti feszültség

M

-

-

U2

-

P2

-

-

-

kimeneti feszültség

P1

bemeneti teljesítmény

Ai

áramerősítés

Au

feszültségerősítés

Ap

Ai 

I2 I1

A p  Au  Ai

Au 

U2 U1

Ap 

P2 P1

kimeneti teljesítmény

teljesítményerősítés

A bemenő- és kimenőjelek (mennyiségek) között az erősítés mellett fáziseltolás, ill. fázisfordítás is bekövetkezhet.

2

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. -

Erősítés:

Az adott kimeneti mennyiség és a hozzá tartozó bementi mennyiség hányadosa. Megkülönböztetünk

feszültségerősítést,

áramerősítést

és

méréséhez a kimenőjelet terhelő-ellenállásra kell vezetni.

teljesítményerősítést.

Ezek

Erősítés, ha a jel a négypóluson áthaladva nő. -

Csillapítás:

YA G

Ha a jel a négypóluson áthaladva csökken. Az erősítés reciproka, a bemeneti és a kimeneti

mennyiségek hányadosa. Gyakran belben (B), ill. decibelben (dB) adják meg. Csillapítás A, dB

0

3

6

10

14

U1/U2

1

1,41

2

3,16

5

P1/P2

1

2

4

10

25

P1 P2

U1  R 2

26

30

34

40

10

20

31,6

50

100

100

400

1000

2500

104

U1 U2

KA AN

A  10  lg

20

A  10  lg

R U 2

2

A  20  lg

A  A1  A2  ...

Példa: A négypólus bemeneti feszültsége 1mV, a kimeneti feszültség 0.2 mV. Mekkora a csillapítás?

Megoldás:

A  20  lg

1 U1  20  lg  20  lg 5  14dB. U2 0.2

U N

A negatív csillapítás erősítést jelent. -

Névleges teljesítmény:

A leadható váltakozó áramú teljesítmény. Ez akkor mérhető, ha az erősítőfokozatot a

M

névleges terhelő-ellenállással terhelve szinuszos feszültséggel teljesen kivezérlik.

-

-

-

-

P_

a felvett egyenáramú teljesítmény

Pv

a veszteségi teljesítmény Ptot

P~

A

a leadott váltakozó áramú teljesítmény

D

csillapítás

-

S1

a bemeneti mennyiség

S2

A

S2 S1

D

S1 S2

erősítés

-

P _  P~  Pv

D

1 A

a kimeneti teljesítmény 3


Átviteli diagram:

Az ideális erősítő erősítési tényezője zérus, ill. tetszőleges nagy frekvencián is azonos

KA AN

YA G

értékű. A kapcsolásokban lévő kapacitások miatt azonban ez nem valósítható meg.

2. ábra. Erősítő átviteli karakterisztikája

Az alsó és felső határfrekvencia az a frekvencia, ahol a kimeneti feszültség a maximális kimeneti feszültség 1/2-szeres értékére esik vissza. Ez 3 dB csillapításnak felel meg. Az alsó

és

felső

határfrekvencia

közötti

különbséget

az

erősítő

B

(másképpen

Δf)

sávszélességének nevezzük.

A relatív sávszélesség alapján széles sávú és keskenysávú erősítőket különböztetünk meg.

U N

Ez utóbbiakat szelektív erősítőknek nevezzük. Ezekhez tartozik a legtöbb nagyfrekvenciás erősítő, de pl. a hangfrekvenciás erősítők is. -

Torzítások:

Lineáris torzítás: a bemeneti és kimeneti mennyiségek frekvencia-összetevői között lineáris

M

az összefüggés. Az egyes szinuszos összetevők jelalakja nem változik meg, csak az amplitúdójuk.

Csillapítási torzítás: ha a különböző frekvenciájú szinuszjeleket különböző erősítéssel erősítik, vagy csillapítják.

Fázistorzítás: a feszültség változás futási ideje, ill. különböző frekvenciájú jelek közvetlen

egymás utáni csoportjainak csoportfutási ideje az erősítő kapacitásainak értékétől függ, ezért frekvenciafüggő.

A csillapítási torzítás és a fázistorzítás az erősítők átviteli diagramjának felfutó és lefutó

szakaszán egyaránt bekövetkezik. 4

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. Nemlineáris

torzítás:

alapharmonikushoz

hatására

további

a

szinuszos

felharmonikusok

jelek

alakja

adódnak,

is

amelyek

megváltozik.

frekvenciája

Az

az

alapharmonikus egész számú többszöröse. Ezek szuperpozíciójakor az eredetitől jelentősen

eltérő jelalak alakul ki. A nemkívánatos felharmonikusokból és az eredeti jelből kiszámítható a harmonikus torzítási tényező. K

torzítási tényező

U1f

az alapharmonikus (effektív érték);

U 2 f  U 3 f  ...  U nf 2

U2f

a 2. felharmonikus (effektív érték);

U3f

a 3. felharmonikus (effektív érték).

2

YA G

k

2

U 1 f  U 2 f  U 3 f  ...  U nf 2

2

2

2

A torzítási tényező a kisfrekvenciás erősítő jóságának fontos mérőszáma.

KA AN

A torzítás megállapításához az erősítő bemenetére pl. 1kHz-es szinuszos jelet kapcsolnak. A kimeneti feszültséget frekvenciaérzékeny, pl. 1, 2, 3 kHz stb. értékekre beállítható

M

U N

feszültségmérővel mérik. A 4. felharmonikus általában már elhanyagolható.

5


KA AN

YA G

2. Bipoláris tranzisztoros erősítők

3. ábra. Tranzisztor mint erősítő (kísérleti kapcsolás)

A bázisáram, ill. a bázis-emitter feszültség változtatásával a tranzisztor kollektor-emitter

U N

ellenállását változtatjuk. Ez a kollektoráram változásával jár, amely lényegesen nagyobb,

mint a bázisáram változása. Ha a kollektorkörbe RC ellenállást helyezünk, az ellenálláson eső

feszültséget a kollektor-emitter feszültséget is változtatja. Az RC ellenállás hatására az

áramerősítés mellett feszültségerősítés is létrejön.

M

A tranzisztoros erősítő kimeneti körébe a feszültségerősítés végett ellenállást kell helyezni. A tranzisztoros erősítő kimeneti körébe a feszültségerősítés végett ellenállást kell helyezni. A kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség ellenfázisban van, a fáziseltolás  = 180o.

Az általános erősítés-négypólusnak két bemeneti és két kimeneti kivezetése van, a tranzisztor azonban csak három kivezetésű. Ezért egy kivezetést legalább váltakozóáramú szempontból a bemeneti, ill. a kimeneti körbe is be kell iktatni. A 3. ábra szerinti kísérleti kapcsolásban ez az emitterkivezetés.

A másik két kivezetést hasonlóképpen kihasználva hozható létre a kollektorkapcsolás, ill. a báziskapcsolás. A kapcsolások egymással kombinálhatók. 6

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. Megnevezés

Emitterkapcsolás

Kollektorkapcsolás

Báziskapcsolás

Áramerősítés

nagy, pl. 300

nagy, pl. 300

<1

Feszültségerősítés

nagy, pl. 300

<1

nagy, pl. 100

Igen nagy, pl. 30000

nagy, pl. 300

nagy, pl. 200

közepes, néhány k nagy,

nagy, pl. 50 k kicsi, pl

kicsi, pl 50 nagy,

pl. 10 k

100

pl. 10k

ellenfázisú

azonos fázisú

azonos fázisú

Teljesítményerősítés Bemeneti ellenállás Kimeneti ellenállás A UBE és az UKI viszonya

YA G

A megadott értékek n-p-n tranzisztorra vonatkoznak, közepes frekvencián

A feszültségerősítők bemenetének meghajtását, ill. kimenetének terhelését láthatjuk a 4.

U N

KA AN

ábrán.

4. ábra. Négypólusok meghajtása és terhelése

A generátorból az erősítő bemenetére jutó feszültség értéke feszültségosztással határozható

M

meg:

u be  u g 

Rbe Rbe  R g

Ha az Rbe>>Rg feltétel teljesül, akkor az erősítő feszültséggenerátoros meghajtásáról beszélünk.

7


u ki  u kiü 

Rt Rt  Rki

A terhelési viszonyok vizsgálatánál figyelembe vesszük, hogy az erősítő aktív négypólus,

ezért a kimenet egy feszültségforrással jellemezhető. Terhelve az erősítőt az üresjárási kimeneti feszültség leosztott értéke jut a kimenetre.

Ha az Rt>>Rki feltétel teljesül, akkor az erősítő képes a terhelést feszültséggenerátorosan

YA G

meghajtani.

Teljesítményerősítőknél a bemeneten feszültséggenerátoros meghajtás a kívánatos. A kimeneten

viszont

a

maximális

teljesítményillesztésre van szükség.

kimeneti

teljesítmény

elérése

érdekében

Megállapítható, hogy a meghajtás szempontjából a nagy bemeneti ellenállású, a terhelés

3. Munkapont

KA AN

szempontjából pedig a kis kimeneti ellenállású erősítő a kedvező.

A tranzisztorok üzem közben bázis-emitter előfeszítést kapnak, erre szuperponálódik a vezérlő váltakozó feszültség.

A bázis-emitter előfeszültség és a kollektor-emitter feszültség állítja be a tranzisztor

munkapontját. A kollektor-emitter feszültség a tápfeszültség és a kollektor-emitter körbe helyezett

ellenálláson

eső

feszültség

különbsége.

A

bázis-emitter

előfeszültség

feszültségosztóval vagy a tápfeszültség és a bázis közé helyezett előtét-ellenállással

M

U N

hozható létre.

5. ábra. A bázis-emitter előfeszültség előállítás

8

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. A bipoláris tranzisztor melegedésekor az áram megnő és a munkapont elvándorol. Ezáltal az

erősítés, a bemeneti ellenállás, a kimeneti ellenállás és a tranzisztor által felvett egyenáramú teljesítmény megváltozik. Ezért a munkapontos stabilizálni kell.

4. Munkapont stabilizálás módjai -

Egyenáramú negatív visszacsatolás

A kollektoráram növekedésekor RE feszültségesése nő, az UBE bázis-emitter feszültség

csökken.

Egyenfeszültségű negatív visszacsatolás

YA G

-

A kollektoráram növekedésekor a kollektor-emitter feszültség, és ezáltal a bázis-emitter feszültség csökken. Ezzel együtt negatív váltakozófeszültség-visszacsatolás lép fel. A

Stabilizáló diódával

melegedés

hatására

a

diódák

ellenállásuk

a

sajátvezetés

miatt

A

KA AN

maradékfeszültségük csökken, ezáltal a tranzisztor előfeszültsége is csökken.

csökken,

így

Stabilizáció hőmérsékletfüggő ellenállással

melegedés

hatására

az

emitter-bázis

körben

lévő

feszültség

hőmérsékletfüggő ellenállás termikusan csatolni kell a tranzisztorral.

is

csökken.

A

5. Közös emitteres alapkapcsolás

Emitter kapcsolásban érhető el a legnagyobb teljesítményerősítés, ezért ez a leggyakrabban

U N

használt alapkapcsolás.

Az emitterkapcsolás áramerősítése a tranzisztor váltakozó áramú helyettesítő képéből

M

számítható.

9

YA G


6. ábra. A közös emitteres kapcsolás váltakozó áramú helyettesítő képe

KA AN

Bázisosztós munkapont beállítás

A bázisosztó I0 árama az IB0 munkaponti bázisáram tízszerese legyen I0=10*IB. A kimeneti kör:

U T  I C 0  RC  U CE 0  I C 0  R E U T  I C 0  RC  U CE 0 IC0

U N

RE 

Az RE ismeretében a munkaponti bázisfeszültség: UB0=IC0*RE+UBE0

R2 

M

Az R2 ellenállás értéke:

U T  U B0 U T  U B0  I0 10  I B 0

Az R1 ellenálláson 9*IB0 nagyságú áram folyik:

R1 

U B0 9  I B0

Munkapont beállítás lehetőségei: -

10

A tranzisztor jelleggörbéin, a kivezérlési tartomány közepén, kiválasztjuk a munkapontot,


A be- és kimeneti jelleggörbéből leolvassuk a munkaponthoz tartozó UBE0-IB0, és az

UCE0-IC0 munkaponti adatokat. Bázisáram

táplálású,

vagy

bázisosztós

módszerrel

beállítjuk

a

tranzisztor

munkapontját, amelynek stabilizálásáról emitter-ellenállással gondoskodunk.

CE kondenzátor: hogy vezérléskor az emitter-ellenállás ne csökkentse a bázis-emitter közötti feszültség változást. Rövidzárnak számít közepes frekvenciákon. h21 áramerősítési tényező. Tipikus értéke: 100-500. Ezért a kollektoráram a bázisáram 100-500-szorosa.

YA G

A helyettesítő kép alapján meghatározhatók a kapcsolás váltakozó áramú jellemzői, közepes frekvencián.

A bemeneti ellenállás Rbe=R1 x R2 x h11.

Rki 

KA AN

A kimeneti ellenállás

1  RC h22

A kimeneti feszültséget az áramgenerátor árama hozza létre a generátorral párhuzamosan kapcsolódó ellenállások eredőjén:

 1   u ki  h21  i B    RC  Rt   h22  A bázisáram értéke:

U N

ube iB  h11

 u ki  h21 

u be h11

  1    RC  Rt    h22

M

Ebből az erősítés:

Au  

u ki h   21 u be h11

 1     RC  Rt   h22 

A negatív előjel a fázisfordítást jelöli.

11

YA G


7. ábra. A közös emitteres erősítő ki- és bemeneti jelei Az erősítő bemeneti ellenállása

KA AN

Rbe  R1  R2  h11

Az erősítő kimeneti ellenállása

Rki 

1  RC h21

Az áramerősítés:

u ki , Rt

ibe 

u R R u be , Ai  ki  be , Ai  Au  be Rbe u be Rt Rt

U N

iki  Példa:

M

A tranzisztor jellemzői: =h21=60 és 1/RCE≈h22=100μS. Mekkora az áramerősítési tényező,

ha Zt=2,2 kΩ. Megoldás:

RCE 

1 1   10k; h22 100S

Ai   

12

RCE 10k  60   49. 10k  2.2k RCE  Z t


6. Közös kollektoros alapkapcsolás A bipoláris tranzisztorral felépített közös kollektoros kapcsolás munkapontját, mind

KA AN

YA G

bázisáram táplálású, mind bázisosztós módszerrel történhet.

U N

8. ábra. A közös kollektoros alapkapcsolás

A bázisosztós alapkapcsolás tranzisztorának nincs RC munkaellenállása, így a munkapontbeállítására alkalmas ellenállások a következőképpen számíthatóak.

U T  U CE 0  I CO  RE  RE 

U T  U CE 0 I CO

M

U B 0  I C 0  RE  U BE 0 R2 

U T  U B0 U , R1  B 0 10  I B 0 9  I B0

A beállított munkapont környezetében kis amplitúdójú szinuszos feszültséggel vezérelve a közös kollektoros kapcsolást változik a bázisáram és ezzel együtt az emitteráram is. Ez az

emitteráram-változás hozza létre a kimeneti feszültséget az emitter ellenálláson. A változás

a bemeneti feszültséggel azonos irányú. A bemeneti feszültség változását a nyitott bázisemitter átmenet miatt, a kimeneti feszültség kis eltéréssel követi. Ezért ezt az áramkört gyakran emitterkövetőnek is nevezzük.

13

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. A közös kollektoros kapcsolást nem fordít fázist. A helyettesítőkép alapján meghatározhatók a váltakozó áramú jellemzők, közepes

KA AN

YA G

frekvencián.

9. ábra. A közös kollektoros erősítő helyettesítő képe

A bemeneti ellenállást a helyettesítő kép alapján számíthatjuk:

u be u be  ibe i R1  i R 2  i B

U N

Rbe 

i i i i i 1 1 1  be  R1 R 2 B    B R1 u be u be R1 R2 U be

M

A kifejezés harmadik tagja:

iB iB   u be u BE  u ki

iB  1   RE  Rt  h11  i B  1  h21   i B    h22 

Az utolsó két összefüggés alapján:

  1   RE  Rt . Rbe  R1  R2  h11  1  h21     h22  

14

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. A mai tranzisztorok értékei:

h21 1 és

1 h22 nagy értékű, ezért

U N

KA AN

YA G

Rbe  R1  R2  h11  h21  RE  Rt  .

M

10. ábra. A bemeneti ellenállás számítása

A nagy értékű h21 miatt a zárójelben lévő mennyiség nagy értékű. Ezért megfelelő R1 és R2

ellenállások mellett a közös kollektoros kapcsolás bemeneti ellenállása nagy lehet.

A kimeneti ellenállás számításakor a bemeneti kör ellenállását kell a kimeneti körbe transzformálni.

Rki  RE 

1 R g  R1  R2   h11  h22 1  h21 .

A kimeneti ellenállás számítása egyszerűsödik, ha 15


1 h22

nagy érték , h21 1és R g  h11 .

Ekkor

Rki  RE 

h11 h21 .

A kapcsolás kimeneti ellenállása kicsi. A feszültségerősítés a ki- és bemeneti feszültségek hányadosa:

A

zárójelben

lévő

RtE 

1  RE  Rt h22

kifejezésre

hozzunk

u be  u ki  u BE  h21  i B  RtE i B h11 u ki h21  i B  RtE   Au  u be h21  i B  RtE  i B  h11

Mivel a

1 h11 1 h21  RtE

létre

egy

új

jelölést:

KA AN

Au 

YA G

 1   RE  Rt  u ki  h21  i B    h22 .

h21  RtE  h11 , ezért a nevezőben szereplő tört igen kicsi, vagyis Au  1 .

Az erősítés mindig kisebb egynél.

7. Közös bázisú alapkapcsolás

A földelt bázisú erősítőnél a vezérlőjelet az emitter és a bázis közé vezetjük, míg a felerősített jel a kollektorköri ellenálláson jelenik meg.

U N

A kapcsolás működése a következő: A vezérlőjel hatására nyitó emitter-bázis körben megnő

az emitteráram. A nyitott emitteroldal kis ellenállást jelent, rajta kis feszültséggel tudjuk az

áramot növelni. Az emitteráram nagyobbik része azonban a zárt kollektor-bázis záróáramát

növeli. Ez nagy belső ellenállású és nagy terhelő ellenálláson tudja az áramot áthajtani. Így a kimeneten nagyobb a jelfeszültség, mint a bemeneten. Az áramerősítés viszont kisebb, mint

M

egyszeres.

16

YA G


11. ábra. Közös bázisú alapkapcsolás

A kimenőfeszültség-változás hatására azonban a tranzisztoron keresztül egy, a vezérléssel

KA AN

ellentétes feszültség lép fel.

A jellemzők meghatározásánál elhanyagolhatjuk az 1/h22 mennyiséget, mert értéke sokkal

M

U N

nagyobb, mint a hozzá kapcsolt ellenállásoké.

12. ábra. Helyettesítő kapcsolás A bemeneti ellenállás számításához a h11 ellenállást az emitterkörbe kell transzformálni.

Rbe 

h11  RE h21 . 17

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. A bemeneti ellenállás kis értékű.

A kimeneti ellenállás:

Rki  RC .

A kimeneti ellenállás nagy értékű. A feszültségerősítés meghatározása:

u ki  u be  Au 

u be h11

YA G

u ki  h  i B  ( RC  Rt ), i B  h21  RC  Rt , h11

h21  RC  Rt  h11

A fokozat kis be- és nagy kimenőellenállása impedancia-illesztésre teszi alkalmassá,

KA AN

azonkívül a kapcsolás fázist nem fordít.

Ellenőrző kérdések: -

Mi az erősítés?

-

Foglalja össze a munkapont beállítással kapcsolatos meggondolásokat!

-

-

-

Ismertesse a földelt emitteres kapcsolást és főbb jellemzőit! Mi a földelt bázisú kapcsolás, és mik a főbb jellemzői?

Mia földelt kollektoros kapcsolás, és mik a főbb jellemzői?

U N

Összefoglalás

Egy ideális erősítő jellegzetességei a következőkben foglalhatók össze: -

RkI ≈ 0: kis kimeneti ellenállás, hogy az általa meghajtott fokozat működési feltételei

legkedvezőbbek legyenek.

M

-

Rbe ≈ ∾: Végtelen nagy ellenállás, hogy ne terhelje a megelőző, meghajtó áramkört.

-

-

A

Kívánt mértékű erősítés a frekvenciától független teljesítése a felhasználásiműködési tartományban.

A bemeneti jel alakhű, torzításmentes, nem késleltetett megjelenítése erősített

formában a kimeneten.

gyakorlatban

alkalmazott

erősítők

minősítésekor

követelményeket kell irányelvként tekinteni.

vagy

megvalósításakor

a

fenti

Természetesen, az ideális erősítőt egy valóságos erősítővel csak közelíteni tudjuk,

egyidejűleg minden szempontból "jó" erősítőt nehéz előállítani. A realizáció során valamelyik paraméter előtérbe helyezése gyakran csak a másik rovására érhető el.

18

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. Az erősítés általában egy dimenzió nélküli viszonyszám.

TANULÁSIRÁNYÍTÓ Ez a tartalomelem igényli az előismereteket.

-

elektrotechnikai alapfogalmak,

-

a félvezető áramköri elemek,

-

passzív és aktív áramköri alkatrészek,

-

félvezető diódák,

-

az elektronikai alapáramkörök ismerete

-

-

-

tranzisztorok, kétpólusok,

négypólusok,

elektronikai áramkörök szerelési technológiái.

KA AN

-

YA G

Ilyenek az

Az egyes fogalmak szorosan épülnek egymásra. Az elektrotechnikai alapok ismerete nélkül nem lesz érthető az anyag.

Ez a tananyagelem elméletigényes gyakorlattal sajátítható el. Az alapelvek nagyon fontosak, de nem érnek semmit sem, ha nem lehet azt a gyakorlatban is kipróbálni.

A tananyag-vázlat megmutatja azt a négy feladatcsoportot, amelyet végre kell hajtani a tananyag elsajátításához.

Erősítési alapfogalmak,

-

Munkapont,

U N

-

-

-

-

Közös emitteres alapkapcsolás,

Közös kollektoros alapkapcsolás, Közös bázisú alapkapcsolás.

M

-

Bipoláris tranzisztoros erősítők,

A témakörhöz tartozó ismeretek gyakorlati alkalmazásához szükség az alábbi készségek

fejlesztése:

Írott szakmai szöveg megértése A témakörhöz tartozó ismeretek gyakorlati alkalmazásához szükség az alábbi személyes (Sze), társas (Tá), módszer (Mó) kompetenciák fejlesztéséhez: -

Mennyiségérzék,

-

Logikus gondolkodás,

-

Tömör fogalmazás készsége, 19


Áttekintő képesség,

-

Ismeretek helyén való alkalmazása,

-

-

-

Rendszerező képesség,

Numerikus gondolkodás, matematikai készség, Módszeres munkavégzés,

-

Gyakorlatias feladatértelmezés,

-

Figyelem-összpontosítás,

-

-

Körültekintés, elővigyázatosság, Figyelemmegosztás.

YA G

Javasolt tanulói tevékenységforma az ismeretek feldolgozásához:

Az írott szakmai szöveg feldolgozása után az önellenőrző kérdések megválaszolása, a feladatok megoldása, internetről katalóguslapok letöltése.

Önállóan oldja meg az " Önellenőrző feladatok" című fejezet gyakorló példáit, majd

ellenőrizze tudását a "Megoldások" c. fejezet tanulmányozásával! Gyakorlati példákon keresztül sajátítsa el a különböző egyenirányító kapcsolások felépítését.

KA AN

Az "erősítési alapfogalmak" tanulmányozása után, válaszolja meg a következő kérdéseket! 1. Mit értünk négypólus alatt?

2. Hogyan származtatjuk az erősítést a csillapításból?

3. Milyen módon ábrázolhatjuk az erősítőfokozatot a helyettesítő-kapcsolásban? 4. Az erősítő átviteli diagramjának mely részein keletkezik lineáris torzítás? 5. Miből származik a nemlineáris torzítás? 6. Mi a nemlineáris torzítási tényező?

A "Bipoláris tranzisztoros erősítők" tanulása előtt végezze el a következő kísérletet!

U N

Egy n-p-n teljesítménytranzisztorra pl. BD 439, amelynek kollektorkörében 4.7 kΩ-os

ellenállás van, kapcsoljunk 12 V tápfeszültséget és 0.8 V bázis-emitter feszültséget. Növeljük a bázis-emitter feszültséget 1 V-ig! Az áramkört az ábra alapján építsük meg! Mit tapasztalunk?

M

_________________________________________________________________________________________

_________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________

A "Munkapont" témakör tanulása előtt ismételje át a tranzisztorok tartalomelemnél tanultakat!

20

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. A Közös emitteres alapkapcsolás, a Közös kollektoros alapkapcsolás és a Közös bázisú alapkapcsolás

tanulmányozása

alapkapcsolásokat

is

során

megismerni.

célszerű A

a

térvezérlésű

következő

elérhető:

M

U N

KA AN

YA G

http://eki.sze.hu/ejegyzet/ejegyzet/BorbelyG/keret.html.

címen

tranzisztoros

21


ÖNELLENŐRZŐ FELADATOK 1. feladat Az alapharmonikus értéke 2 V, a 2. felharmonikusé 0.1 V, a 3. felharmonikusé 0.05 V.

2. feladat

KA AN

YA G

Mekkora a torzítási tényező?

Számítsa ábrán látható közös emitteres erősítő munkapont-beállító ellenállásainak értékét

M

U N

bázisosztós táplálású beállítás esetén!

22

KA AN

YA G


13. ábra. Közös emitteres erősítő kapcsolás

Ábrázoljuk a kapcsolás munkaegyenesét és tüntessük fel rajta a jellemző értékeket! A tranzisztor jelleggörbéjén kiválasztott munkapont: UCE0=5V, IC0=27mA, IB0=200μA,

U N

UBE0=0,62 V.

A megkívánt erősítés eléréséhez szükséges kollektor-ellenállás: RC=220Ω. A kapcsolás

tápfeszültsége: UT=12 V. A megoldás folyamán alkalmazható feltételezések: -

A tranzisztor maradékáramai elhanyagolhatók,

-

A bázisosztó árama: I0 = 10*IB0

IC0≈ IE0,

M

-

3. feladat

Méretezzük az ábrán látható közös emitteres kapcsolású erősítő R1, R2, RE munkapont-

beállító ellenállásait! A számított értékek helyett válasszunk szabványos értékeket az E12-es sorból! Számítsuk ki az erősítő váltakozó áramú jellemzőit és a kimeneti feszültség értékét! Adatok: Au=-80, Rt=5kΩ, ug=2mV, Rg=75Ω, UT=-12V, IC0=3mA, UBE0=0.22V, UCE0=5V,

h11=1.2kΩ, h21=110, h22=2*10-5S, B=80.

23

KA AN

YA G


14. ábra. Közös emitteres kapcsolású erősítő

4. feladat

Az ábrán egy közös kollektoros kapcsolás látható. Számítsuk ki az R1, R2, RE munkapont-

U N

beállító ellenállások értékét! Rajzoljuk fel az erősítő h paraméteres helyettesítőképét közepes

frekvencián

és

számítsuk

ki

a

fokozat

be-és

feszültségerősítését! Rajzolja fel a fokozat helyettesítőképét!

kimeneti

ellenállását

és

Adatok: UCE0=8V, IC0=2mA, UBE0=0.65V, UT=10V, B=100, Rt=2kΩ, h11=2.2kΩ, h21=140,

M

h22=5*10-5S, Rg=500Ω, I0=10*IB0.

24

KA AN

YA G


15. ábra. Közös kollektoros kapcsolás

5. feladat

Az ábrán egy közös bázisú erősítő látható. Számítsuk ki a munkapont beállításához

szükséges R1, R2, RE ellenállások értékét! Rajzoljuk fel a h paraméteres váltakozó áramú

U N

helyettesítőképét közepes frekvencián és határozzuk meg a be- és kimeneti ellenállást, az üresjárási és a terhelés mellett érvényes feszültségerősítést, valamint az áramerősítést!

M

Adatok:

25


U T  12V, U CE 0  6V, I C 0  4,2mA, B  120, U BE 0  0.6V, R C  1k, h 11  2.5k, h 21  170,

YA G

R t  12k, h 22 elhanyagolható.

M

U N

KA AN

16. ábra. Közös bázisú erősítő

26


MEGOLDÁSOK 1. feladat K=0.056=5,6%. 2. feladat

U T  I C 0  RC  U CE 0 12  2.7  10 2  2.2  10 2  5  39.26  IC0 2.7  10  2

U B 0  I C 0  RE  U BE 0  1.06  0.62  1.68V

YA G

U T  I C 0  RC  U CE 0  I C 0  RE ,  RE 

U T  U B 0 12  1.68   5.16  10 3  5.16k 3 10  I B 0 2  10

R1 

U B0 1.68   9.3  10 2  930 4 9  I B 0 9  2  10

IC 

UT 12   4.63  10  2  46.3mA. RE  RC 39.26  220

M

U N

KA AN

R2 

27


17. ábra. A 2. feladat munkaegyenese Az M munkaponthoz tartozó adatok: IC0=27mA, UCE0=5V. 3. feladat

Au   előírt

erősítéshez

szükséges

80  összefüggésből számítható:

RC

munkaellenállás

az

  1    RC  Rt    h22

110  1    RC  5  10 3  5 3  1.3  10  2  10 .

Innen RC=1.08 kΩ. Szabványos értéke: RC=1kΩ.

110  50  1  5  75.13 1.2 .

KA AN

Ezzel az ellenállás értékkel az erősítés

Au  

YA G

Az

h21 h22

Az RE ellenállás számítása:

U T  I C 0  RC  U CE 0  I C 0  RE ,  RE 

U T  I C 0  RC  U CE 0 12  3  5   1.33  10 3  1.33k 3 IC0 3  10

Szabványos értéket választva: RE=1.2kΩ. A bázisosztó méretezése:

U B 0  U E 0  U BE 0  1.2  3  0.22  3.82V

U N

I C 0 3  10 3 I B0    3.75  10 5  37.5A B 80 U 3.82 R1  B 0   1.13  10 4  11.3k. 9  I B 0 9  3.75  10 5

M

Az ellenállás szabványos értéke: R1=12kΩ.

R2 

U T  U B 0 12  3.82   2.18  10 4  21.8k. 4 10  I B 0 3.75  10

Szabványos értéke: R2=22kΩ. A váltakozó áramú jellemzők számítása:

28


Rbe  R1  R2  h11  12  22  1.2  1.04  1k Rki 

1  RC  50  1  0.98  980 h22

Ai  Au 

Rbe 1  80   16. 5 Rt

u be  u g 

Rbe 1  2  1.86mV . Rbe  R g 1  7.5  10  2

4. feladat

U T  U CE 0  I C 0  RE ,  RE 

U T  U CE 0 10  8 3  10  1k IC0 2  10 3

U B 0  I C 0  RE  U BE 0  2  0.65  2.65V ,

KA AN

I C 0 2  10 3 I B0    2  10 5 A. 2 B 10 U 2.65 R1  B 0   1.47  10 4  14.7k. 9  I B 0 9  2  10 5

U T  U B 0 10  2.65   3.675  10 4  36.75k. 10  I B 0 2  10 4

M

U N

R2 

YA G

u ki  u be  Au  1.86  75.13  139.75mV .

18. ábra. A közös kollektoros erősítő h paraméteres helyettesítőképe 29

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. A bemeneti ellenállás értéke:

  1  Rbe  R1  R2  h11  1  h21     RE  Rt   14.7  36.75  2.2  141  20  1  2  9.446k  h22   A kimeneti ellenállás értéke:

Rki  R E 

0.5  14.7  36.75  2.2  1.846  10 2  18.46 1 R g  R1  R2   h11   1  20  h22 1  h21 1  140

RtE 

1 1  0.9762.  h11 2 .2 1 1 140  0.645 h21  RtE

U N

KA AN

Au 

1  R E  Rt  20  1  2  0.645 h22

YA G

A feszültségerősítés értéke:

M

19. ábra. A közös kollektoros erősítő helyettesítőképe

30

ERŐSÍTŐ ÁRAMKÖRÖK, JELLEMZŐIK, I. 5. feladat

U T  I C 0  R C  U CE 0  I C 0  R E ,  R E 

U T  U CE 0  I C 0  R C 12  6  4.2  1   0.4286  428.6. I C0 4.2

U B0  I C 0  R E  U BE 0  1.8  0.6  2.4V. I C 0 4.2   3.5  10  2  35A. B 120 U 2.4 R 1  B0   7.62k. 9  I B0 9  3.5  10 2 R2 

U T  U B0 12  2.4   27.43k. 10  I B0 3.5  10 1

U N

KA AN

Közepes frekvencián érvényes helyettesítőkép.

YA G

I B0 

20. ábra. A közepes frekvencián érvényes helyettesítőkép

h 11 2.5  10 3 RE   428.6  14.2. h 21 170

M

R be 

R ki  R C  1k.

A h22 paraméter elhanyagolásával:

Au 

h 21 170  R C  R t    1  12  62.77 h 11 2.5

 Ai  Au  A uü 

R be 14.2  62.77   7.43  10  2 4 Rt 1.2  10

h 21  R C  68  1  68 h 11 31


IRODALOMJEGYZÉK FELHASZNÁLT IRODALOM Zombori Béla: Elektronika. Budapest, Nemzeti Tankönyvkiadó. 2004.

AJÁNLOTT IRODALOM

YA G

Zombori Béla: Elektronikai feladatgyűjtemény. Budapest, Nemzeti Tankönyvkiadó. 2003.

U. Tietze –Ch. Scenk: Analóg és digitális áramkörök. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1990. Bikki János - Pánczél Béla: Elektronikai gyakorlatok. Műszaki Könyvkiadó. Budapest. 2005. Réti Gyula: Elektronikus gyakorlatok, Analóg áramkörök. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest,

KA AN

2003.

Szücs Lászlóné: Elektronikus áramkörök. Műszaki Könyvkiadó. Budapest. 1999.

M

U N

http://bsselektronika.hu/

32

A(z) 0917-06 modul 039-es szakmai tankönyvi tartalomeleme felhasználható az alábbi szakképesítésekhez: A szakképesítés OKJ azonosító száma: 54 523 01 0000 00 00

A szakképesítés megnevezése Elektronikai technikus

A szakmai tankönyvi tartalomelem feldolgozásához ajánlott óraszám:

M

U N

KA AN

YA G

13 óra

YA G KA AN U N M

A kiadvány az Új Magyarország Fejlesztési Terv

TÁMOP 2.2.1 08/1-2008-0002 „A képzés minőségének és tartalmának fejlesztése” keretében készült.

A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Kiadja a Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet 1085 Budapest, Baross u. 52. Telefon: (1) 210-1065, Fax: (1) 210-1063 Felelős kiadó: Nagy László főigazgató

MUNKAANYAG. Dr. Nemes József. Erősítő áramkörök, jellemzőik I. A követelménymodul megnevezése: Elektronikai áramkörök tervezése, dokumentálása

Recommend Documents