Transkonduktancja

[leech10]

Hej

Mam takie pytanie:

Podstawowy model tranzystora jest przedstawiony tak, że prąd bazy steruje prądem kolektora. I ok, mamy hfe, czyli wzmocnienie np. 100 i wszystko jest jasne. 1A na bazie dałby 100A na kolektorze. Czyli sterując pradem bazy sterujemy prądem kolektora. Natomiast jest jeszcze model z transkonduktancją, w pozycjach wprowadzany nieco później i OK bo trzeba się zaznajomić z podstawami. Tutaj się człowiek dowiaduje że zmiana prądu kolektora zależy od zmian napięcia na bazie. Czyli nieco odmiennie niż poprzednio. Po dłuższym przestudiowaniu załapałem o co chodzi aczkolwiek cierpie na pewne braki które chciałbym uzupełnić. Jak się domyślam działa to i dla wtórnika emiterowgo jak i wzmacniacza ze wspólnym emiterem. Oczywiście z tego co się dowiedziałem hfe jest słabym parametrem, bardzo różniącym się od danych zawartych w datasheetach ( tak jak to napisano w "Sztuce elektroniki" i jak wspomina to Piotr Górecki) więc projektujemy układy starając się nie bazowac i umieszczamy w obwodzie emitera rezystor ograniczający prad, ustalający prąd spoczynkowy i OK.

Ale jak w takim razie całość projektujemy bazując na modelu transkonduktancyjnym a np. hfe wykorzystujemy do oblicznia rezystancji wejściowej np. wtórnika emiterowego.

Jak wygląda praca wzmacniacza ze wspólnym emiterem? Jak prad na wyjściu tego wzmacniacza jest ograniczony przez rezystor pomiędzy zasilaniem i kolektorem( oczywiście mam na myśli przebiegi zmienne) i jak zależy od napięcia Baza-masa, a jak wtedy ma się do tego hfe, bo przecież prad na bazie też się zmienia? Rozumiemża na podstawie rezystorów Ucc- Kolektor i Emiter- masa ustalamy poziom wzmocnienia, i ustalamy tez punkt pracy wzmacniacza, co jest dla mnie jasne.

czy może jednak coś źle rozumiem

pozdrawiam
Piotrek

[Jony130]

Możesz bardziej sprecyzować pytania? Bo jakoś nie rozumiem o co ci dokładnie chodzi.

[leech10]

Hej

Chyba jakoś to pomieszałem.

Może tak: na początku się wprowadza iż prąd kolektora zalezy od prądu bazy( Ib x hfe), później wprowadzono pojęcie transkonduktancji i zalezności Ic od Ub. Jak np we wtórniku emiterowym pojawią się na wejściu przebiegi zmienne to jak się bedzie zminiał prad na kolektorze? Mamy tu dwa punkty hfe i zalezność Ic od Ub

Pozdrawiam
Piotrek

P.S.

Przepraszam za niejasne pytanie

[Jony130]

ojęcie transkonduktancji i zalezności Ic od Ub

Nie od Ub tylko Ube

Jak np we wtórniku emiterowym pojawią się na wejściu przebiegi zmienne to jak się bedzie zminiał prad na kolektorze?

W sunnie to działanie układu się nie zmieni. Jedynie co się zmienia to sposób "patrzenia" na działania układu.
W tym układzie prąd kolektora i tak bardziej będzie zależał od Uwe i Re niż od Ube.

Ic = (Ie - Ib)

Rzeczywiście w praktyce to Ube decyduje o Ic a pojęcie transkonduktancja oznaczy tylko inny spojrzenie na tranzystor (wzmacniacz).
gm = Iwy/Uwe informuje nas o ile zmieni się prąd wyjściowy pod wpływem zmiany napięcia wejściowego.

I dla tranzystora bipolarnego gm = 1/re = Ic/26mV ≈ 40 *Ic


Zobacz sobie na przykład wyznaczanie transkonduktancji dla tego prostego układu.



Zakładamy że Ic = Ie i prąd wyjściowy to Ic.

Jak widać zmiana napięcie wejściowego i 1V powoduje zmianę prądu wyjściowego o 10mA.
A więc wzmocnienie naszego wzmacniacza wynosi gm = ΔIwy/ΔUwe = 10mA/1V = 10mS ( 10 milisimensów) i nie bez kozery transkonduktancja tego układu równa się:

gm = 1/Re = 1/100Ω

Masz jeszcze jakieś pytania?

[leech10]

Hej

Dzięki za pomoc.

Już chyba załapałem. Napięcie podawane na baze określa napięcie na emiterze ( spadek 0,6V) tam znowu prąd jest określany przez Re. No i Uwe które musi być na tyle duże by utzymać wymaganą różnice potencjałów.

A ostatnie pytanie. Jak między emiter i Re dołączymy kondensator i z niego wyprowadzimy wyjście do dalszej części układu to wtedy wyjściowy prąd zmienny będziemy obliczać na podstawie hfe x Ib( np. chwilowy prąd sygnału zmiennego)? I można go ograniczać za pomocą Rc tak jak na schemacie

Z góry przepraszam jeśli te pytania prawdopodobnie głupio brzmią ale mam tak że lubie się upewnić jak coś działa, żeby mieć o tym dobre pojęci a nie zawsze do końca zrozumiem z literatury



pozdrawiam
Piotrek

[Jony130]

Jak między emiter i Re dołączymy kondensator i z niego wyprowadzimy wyjście do dalszej części układu to wtedy wyjściowy prąd zmienny będziemy obliczać na podstawie hfe x Ib( np. chwilowy prąd sygnału zmiennego)?

Sygnał zmienny będzie "modulował" stałe napięcie na emiterze w takt sygnału wejściowy.
Za kondensatorem na rezystancji obciążenia "odłoży się" tylko składowa zmienna.
Czyli dla naszego poprzedniego przykładu zmiany o 1V to właśnie taki przyrost napięcia zobaczy rezystancja obciążenia. Więc teoretyczne da się obliczyć prąd płynący przez RL wykorzystując Hfe.
Ale w praktyce tak nie robimy, z teorii wiemy ile wynosi wzmocnienie napięciowe wtórnika.

Ku = ( Re||RL ) / ( re + Re||RL )

A znając Ku bez trudu obliczymy napięcie wyjściowe (składową zmienną).

Ale weźmy na warsztat prosty wtórnik z kursu EDW

Dla przypomnienia schemat:



I tak dla prądu stałego spoczynkowe napięcie na bazie wynosi Ub = 6.6V a na emiterze Ue = 6V.
I płynie stały prąd bazy Ib = (UB1 - Ube) / ( Rb + β+1*Re ) = 200µA.
I prąd emitera
Ie = β+1*Ib = 20mA i kolektora Ic = β*Ib = 19.8mA

I oczywiście prąd bazy płynie w obwodzie:
+U_B1 ---> Rb --->-Baza-emiter --->Re --- > -U_B1

A prąd kolektora:
+U_B2 ---> kolektor-emiter ---> Re ---> -V_B2

Jak widać Ie to po prostu suma tych dwóch prądów
Ib+Ic=Ie

Teraz zobaczmy co się stanie gdy załączymy nasz zmienny sygnał wejściowy UG.
Dla dodatniej polówki sygnału wejściowego (Ug = +2V) napięcie na bazie wzrośnie do Ub = 8.6V, a na emiterze Ue = 8V dla ujemnej polówki napięcia wejściowego Ub = 4.6V
Co oznacza, że napięcie na emiterze naszego tranzystora zmienia się w rytm sygnału wejściowego w przedziale od 8V do 4V.

I teraz obliczenia dla dodatniej polówki sygnału wejściowego

Na emiterze w szczycie sygnału mamy 8V a to oznacza że che płynąc prąd emitera równy
Ie = 8V/(Re||RL) = 8V/200Ω = 40mA
By zapewnić taki prąd emitera do bazy musimy dostarczyć prądu równego:
Ib = Ie/(β+1) = 400µA
Rezystor bazowy RB dostarcza z UB1 tylko:
I_Rb=(10.6V-8.6V)/Rb=0.1mA=100µA.
Skoro UB1 dostarcza tylko 100µA a baza potrzebuje 400µA.
Brakującej części prądu bazy musi dostarczyć źródło sygnału zmiennego Ug.
I tak też będzie, prąd dostarczany przez Ug wynosi 300µA .
W takim razie prąd Ug zamyka się w obwodzie
+UG-->Rg--->X--->Cb--->baza-emiter---> i cześć tego prądy płynie przez Re a reszta płynie przez CL+RL--->O---> z powrotem do -UG.
I ten zmienny prąd powoduje modulację stałego prądu emitera (dostarczanego przez UB2, Ug dostarcza tylko 300µA, UB1 = 100µA a to oznacza, że UB2 dostarcza 39.6mA)
w rytm naszego sygnału zmiennego.

Dla ujemnej polówki mamy:
Ub = 4.8V ; Ue = 4V
Ie = 20mA
Baza dla zapewnienia Ie = 20mA potrzebuje prądu równego
Ib = 200µA
UB1 dostarcza I+Rb1=(10.6V-4.6V)/20K=300uA
A Baza potrzebuje tylko 200µA by zapewnić prąd emitera równy 20mA.
A to oznacza, że te nadmiarowe 100µA dostarczanego przez UB1 musi zostać "pochłonięte" przez źródło sygnału zmiennego Ug.
I prąd Ug zamyka się w obwodzie:
+UG-->O---> -UB1-->Rb--->Cb--->X--->Rg--->-Ug (dla ujemnej polówki sygnału "plus" Ug jest no dole w punkcie "O")

Możemy też obliczyć też rezystancję wejściową jaką widzi nasze źródło sygnału Ug ze swoich zacisków.
Rin=4V/(+Ig-(-Ig) )=4V/(300uA+100uA)=4V/400uA=10KΩ

Rin = Rb || [(β+1)*(Re||RL)]

I to tyle analizy tego prostego układu.
I przeanalizuj sobie to wszytko na spokojnie.
Mam nadzieję, że coś tam się rozjaśniło co do zasady działania układu WK.

I można go ograniczać za pomocą Rc tak jak na schemacie

Można go ograniczyć ale pozostaje pytanie poco to robić ?

[leech10]

Hej

Jeszcze raz dziękuje za poświęcony czas i przekazaną wiedzę. Wydrukuje sobie i biorę się do analizy na spokojnie.

Pozdrawiam
Piotrek

[Jony130]

W razie jakiś niejasności nie bój się zadać pytanie.

[Jony130]

Dzisiaj widzę, że pomyliłem się trochę w analizie tego układu.
Bo jak wiadomo w stanie ustalonym prąd ładowania i rozładowania kondensatora musi mieć taką samą wartość tylko przeciwny kierunek.
W dodatnim okresie UG prąd ładowania kondensatora zwiększa napięcia na CB a w fazie rozładowania (ujemny okres UG) zmniejsza. A wiec, by wartość średnia napięcia za okres na kondensatorze wynosiła 0V. Prądy ładowania/rozładowania muszą mieć taką samą wartość tylko przeciwny zwrot. Tylko wtedy w całym okresie UG napięcie na kondensatorze CB nie zmieni swojej wartości i będzie wynosiło 6.6V
A u nas prąd ładowania Cb wynosi 400uA a rozładowania tylko 100uA.
Co oznacza że gdzieś jest błąd.

To teraz na szybkiego do dodatniej polówki napięcie na emiterze wzrośnie do 8V
IRe = 8V/300Ω a na RL wzrośnie tylko o URL = 8V - 6V = 2V i prąd IRL=2V/600Ω
A to da nam prąd emitera równy
Ie = 30mA w takim razie zapotrzebowanie na prąd bazy wyniesie
Ib = 300µA . UB1 dostarcza IRB = (10.6V-8.6V)/Rb=0.1mA=100µA (tu się nić nie zmienia). A więc 200µA musi dostarczyć UG


Dla ujemnej polówki UG na emiterze mamy Ue = 4V
IRe = 4V/300Ω a napięcie na RL
URL = 4V - 6V = -2V
Co oznacza, że kondensator Ce jest teraz rozładowywany prądem
IRL = -2V/600Ω = - 3.3mA

A to oznacza, że prąd emitera jest teraz równy:

Ie = IRe + IRL = 13.3mA + ( - 3.3mA) = 10mA

UB1 dostarcza IRB=(10.6V-4.6V)/20K=300µA

Baza potrzebuje tylko 100µA by zapewnić prąd emitera równy 10mA.
A wiec reszta 200µA będzie płynąc do UG i rozładowywać CB.
I teraz wszyscy są zadowolenia bo prąd lądowania i rozładowania są równe i wynoszą 200µA dla CB i 3.3mA dla CE tylko różnią się kierunkiem.
I te obrazki pokazują o jakie prądy chodzi

Dla dodatniej połówki UG


Dla ujemnej połówki Ug


Podobnie dla Ce, dodatnia/ujemna polówka Ug

[leech10]

Hej

Wydrukowałem sobie i jeszcze raz przeliczałem. obliczam przypadki ze "Sztuki Elektroniki" Pomału ale do przodu. Ja niestety mam manię by wszysko przeczytac i wyliczyć. Nie lubie pozostawiać jakichś braków dlatego tyle czasu mi to zabiera.

Pozdrawiam
Piotrek

[Jony130]

Skoro tak lubisz wszystko obliczać to oblicz maksymalną amplitudę napięcie wyjściowego dla tego naszego przykładowego wtórnika.

[leech10]

Hej

Powinno wyjść 4V

Pozdrawiam
Piotrek

To że URL URL = 4V - 6V = -2V to jest spowodowane obecnością Ce tak?


Pozdrawiam
Piotrek

[Jony130]

Powinno wyjść 4V

Dokładnie tak
Maksymalna ujemna polówka nie może przekroczyć
UL_Max = Ue_dc * RL/(Re+RL) = Ie_dc * Re||RL

To że URL URL = 4V - 6V = -2V to jest spowodowane obecnością Ce tak?

Dokładnie tak.
Kondensator Ce naładowany jest w spoczynku do 6V.
Jeśli pojemności kondensatora jest dostatecznie duża, aby dla częstotliwości sygnału można było uznać Xc za znikomo mała wobec wartości współpracujących rezystorów można wtedy traktować kondensator jako zwarcie dla składowej zmiennej.
I właśnie dla tego napięcie na RL będzie równe
URL = Ue+ΔUe - U_Ce Bo naładowany kondensator zachowuje się jak źródło napięcia stałego.

[leech10]

Hej

Tu własnie zrozumiałem wage ustalania punku pracy wtórnika, aby zachowac maksymalną możliwą amplitudę sygnałów wejściowych( jakby tu była źle ustawiona to by sygnały na wyjściu pojawiły się zniekształcone, ale to pomogłeś mi przerobić gdy pytałem się o napięcia ujemne) aby nie było zniekształceń i załapałem obilczenia które mi pokazałeś.

Pozdrawiam
Piotrek

[leech10]

Hej

Wiesz co znalazłem coś takiego na czym niestety poległem. Powiedz mi jak traktuje się tutaj dzielini napięcia, jak oblicza się napięcie i prad na nich( znam ogólne wzory na napięcie, prad zwarcia, theveninovską rezystancje zastepczą) ale nie wiem jak je traktować. Czy ta częśc zaznaczona dużym kołem jest traktowana jako jeden duży dzielnik( R1,P1,R3,R5)z U1=Uwe(R3+R5)\ (R1+P1+R3+R5)
? A druga część w małym kółku jako osobny dzielnik którego Uwe jest równe U1?

Pozdrawiam
Piotrek