Wyznaczenie punktu pracy układu oc.

[miktar]

Witam serdecznie. Mojej nauki ciąg dalszy. Natknąłem się na kolejne zadanie, do którego nie wiem za bardzo jak się zabrać. A mianowicie:
Mam określić punkt pracy dla wzmacniacza na rysunku poniżej, tak aby zniekształcenia były symetryczne. Uzasadnić dobór właściwych wartości rezystorów.
Nie co tajemnicza jest dla mnie część o symetrycznym zniekształceniu (tzn. na wejściu i wyjściu będziemy mieli przebieg napięcia taki sam na oscyloskopie), dlatego bardzo proszę o wyjaśnienie terminu, ponieważ nie udało mi się tego znaleźć.
Czy prawidłowo będzie jeżeli zabiorę się za to jak w tym przykładzie: https://elportal.pl/ea/p4_1_4.html lub https://elportal.pl/ea/bipolarne.html#uzpzbise albo https://elportal.pl/ea/odp4_1_1.html?
Wzmacniacz:

[Wojtek]

Nie co tajemnicza jest dla mnie część o symetrycznym zniekształceniu (tzn. na wejściu i wyjściu będziemy mieli przebieg napięcia taki sam na oscylatorze), dlatego bardzo proszę o wyjaśnienie terminu, ponieważ nie udało mi się tego znaleźć.

Najprościej rzecz ujmując możesz przyjąć zasadę, że punkt pracy czyli napięcie na wyjściu takiego wzmacniacza (na kolektorze), przy braku sygnału wejściowego, przyjmiesz w połowie napięcia zasilania. Dla np Uz=10 to Uc=5. I teraz zastanów się, podajesz na wejscie sygnał o kształcie sinusoidy, mierząc oscyloskopem (nie oscylatorem ) w stosunku do poziomu zera na wejściu masz ładny przebieg symetryczny, czyli górna połówka sinusoidy jest taka sama jak dolna. Podobny efekt chcesz uzyskać na wyjściu wzmacniacza czyli na kolektorze. Ale tutaj poziomem zerowym będzie dla ciebie wybrany punkt pracy czyli 5V. Jeżeli teraz wzmocnienie wzmacniacza jest takie że górna połowka sinusoidy wzmocnionej sibusoidy nie będzie się zbliżała do 10V a dolna do 0V to bedziesz miał przebieg symetryczny podobny do wejsciowego. Jeżeli podniesiesz wzmocnie to zaczną być "obcinane" szczyty sinusoidy i zniekształcenia będą mniej więcej symetryczne. Jezeli byś przesunął punkt pracy w górę np 8V lub w dół np 2V to wtedy mógłbyś mieć zniekształconą górną lub dolną połówkę i przebieg wyjściowy nie byłby symetryczny. To co napisałem jest dużym uproszczeniem ale oddaje sens Poczytaj artykuły Piotra Góreckiego umieszczone na elportal.pl .

[miktar]

Błąd z oscylatorem poprawiony, freudowskie przejęzyczenie, może dlatego, że do oscylatorów jest mi zdecydowanie bliżej. Właśnie czytałem artykuły Pana Piotra Góreckiego, są bardzo pomocne. Przeczytam jeszcze raz i rozumiem, że mogę zrobić analizę wzorując się jak na przykładach podanych w linkach wyżej? Pamiętając, że Uc=5V. Kiedy dokończę obliczenia wrzucę na forum.

[miktar]

Na reszcie znalazłem czas, żeby to dokończyć. Moje obliczenia:
Ucc=10 V; Przyjmuję Ic=2 mA, B=100 (betta)
Ucc=IcRc+Uce+IeRe
Uce=5 V oraz Ie=Ic+Ib => Ic=BIb czyli Ie=Ic+Ic/B
Więc:
Ucc=IcRc+Uce+(Ic+Ic/B)Re
Ic>>Ic/B
Ucc=IcRc+Uce+RcRe
Ale z rysunku wiemy, że napięcie na Re, jest równe Ure=1 V:
Ucc=IcRc+Uce+Ure stąd:
Rc=(Ucc-Uce-Ure)/Ic=2000 Ohm

Ure=IeRe=IcRe stąd: Re=Ure/Ic=500 Ohm

Teraz obliczamy R1 i R2 korzystając z tw. Thevenina:
Zmianom napięcia bazy odpowiada zmiana napięcia na emiterze, co powoduje zmianę prądu emitera:
delta Ie=(delta Ue)/Re=(delta Ub)/Re oraz Ie=(B+1)Ib więc:
(delta Ib)(B+1)=(delta Ub)/Re
Theveninowski układ zastępczy dzielnika R1 i R2 jest obciążony rezystancją:
rw=(delta Ub)/(delta Ib)=(B+1)Re
Obciążenie nie zmienia napięcia wyjściowego dzielnika kiedy jest spełniony warunek:
rwe>>Rb
W praktyce wystarczy jeśli:
rw=10Rb stąd: Rb=rw/10=5050 Ohm

Obliczamy Ub:
Ub=Urb+Ube+Ure ; Ube=0,6 V
Ub=IbRb+Ube+IeRe oraz z zależności na Ie, Ic i Ie mamy:
Ub=(Ic/Rb)Rb+Ube+Ic(1+1/B)Re ale 1>>1/B
Ub=(Ic/B)Rc+Ube+IcRe=1,64 V

Wreście obliczamy R1:
Z tw. Thevenina i dzielnika napięcia mamy wzory na Rb i Ub
Rb=(R1R2)/(R1+R2)
Ub=Ucc*(R2/R1+R2)
Rb=[R1R1/(R1+R2)]/:R1
Rb/R1=R2/(R1+R2)
Ub=Ucc(Rb/R1) stąd: R1=Rb(Ucc/Ub)~30800 Ohm

Obliczamy R2:
Ub=Ucc[R2/(R1+R2)] /*(R1+R2)
Ub(R1+R2)=UcR2 stąd" R2=R1[Ub/(Ucc-Ub)]~6050 Ohm

Podsumowując:
Dla Uce=5V, Ic=2 mA oraz B=100 mamy:
R1=6050 Ohm
R2=30800 Ohm
Re=500 Ohm
Rc=2000 Ohm

Bardzo proszę o sprawdzenie.

[Jony130]

Obliczenie wyglądają dobrze (tylko drobne literówki widać kopiuj wklej nie działa dobrze).

Mam tylko dwa zastrzeżenia.

1 - Czemu nie zamieniłeś omów na kiloom ? To podstawa w elektronice.

2 - Czemu nie zaokrągliłeś wyników do wartości jakie można kupić w sklepie? Wszak rezystory produkuje się o ściśle określonej wartości i najpopularniejszy szereg to E24
E24: 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

Jak widać nie ma rezystora 500Ω jest za to 510Ω. Podobnie z R1 i R2.

Dodatkowo interesuje mnie bardzo czy ty w ogóle rozumiesz czemu właśnie tak wyglądają te obliczenia. Na przykład po co korzystamy z Thevenina ? Dlaczego Ue ma być równe akurat 1V?
Bo ważniejsze jest to byś rozumiał te rzeczy a nie bezmyślnie kopiował odliczenia wykonane przez Wojtka na swojej stronie.
Na dodatek obliczeń tych można dokonać na wiele różnych sposobów.
Ja osobiście wole inny sposób obliczania, ale każdy ma swój indywidualny sposób i to drobny szczegół.

A tak swoją drogą to skoro to ma być WK (OC) to po co dałeś rezystor w kolektorze?

[gomarko]

Witam
Czy ten schemat jest prawidłowy?
To bardziej wygląda na wtórnik
Jeżeli amplituda sygnału wejściowego wynosi 0,5V
to wyjściowego nie będzie większa
Przy poziomie 1V składowej stałej na wyjściu
nie wystąpią zniekształcenia ponieważ nie zbliżamy się do poziomów zasilania.

Może wyjście miało być z kolektora?

[miktar]

1V na emiterze rozumiem w ten sposób, że aby pracował tranzystor pnp musi być spełniony warunek, że Uc>Ub>Ue. Jak będę miał większe napięcie na emiterze niż na bazie to złącze BE jest spolaryzowane zaporowo i nie płynie prąd bazy oraz przez to prąd kolektora. Z tw. Thevenina rozumiem, że korzystamy dlatego, żeby uprościć sobie układ po stronie bazy, bo nie znam napięcia na bazie a jest mi to potrzebne do obliczenia R1 i R2, bo prąd już znam z relacji między nim, a prądem kolektora.
To nie jest mój układ, znalazłem go jako zadanie gdzieś w internecie (żałuje, ale nie zapisałem strony). Jeżeli chodzi o opornik Rc właśnie tego nie rozumiem, dlaczego on się tam znajduję, bo np. w podręczniku W. Warzyński, Podstawy współczesnej elektroniki jest układ OC, ale właśnie bez opornika Rc.

[gomarko]

Dla ścisłości tam jest tranzystor npn

Jeżeli zakładamy, że na emiterze jest 1V
to na bazie musi być 1V + 0,6V spadku napięcia
polaryzacji złącza B-E

Żeby na emiterze pojawiło się jakieś napięcie
to złącze baza-emiter musi być spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
Czyli od około 0,6V wzwyż podanego na bazę zacznie się nam pojawiać napięcie na emiterze.
Dokładnie tyle ile przyłożymy do bazy pomniejszone o spadek napięcia na złączu B-E

Polecam lekturę
https://elportal.pl/pdf/k01/38_04.pdf

[miktar]

I to widać w obliczeniach, ponieważ wyszło mi, że Ub=1,64 V, gdzie Ube przyjąłem równe 0,6V. A czy może być tak, że w układzie OC napięcie na emiterze będzie większe niż na bazie? Wtedy będziemy mieli złącze BE ustawione zaporowo, ale czy jest to możliwe technicznie?

[Jony130]

A czy może być tak, że w układzie OC napięcie na emiterze będzie większe niż na bazie? Wtedy będziemy mieli złącze BE ustawione zaporowo, ale czy jest to możliwe technicznie?

Technicznie jest to możliwe, tylko po co ci zatkany tranzystor? Skoro chcesz mieć wzmacniacz?

1V na emiterze rozumiem w ten sposób, że aby pracował tranzystor pnp musi być spełniony warunek, że Uc>Ub>Ue. Jak będę miał większe napięcie na emiterze niż na bazie to złącze BE jest spolaryzowane zaporowo i nie płynie prąd bazy oraz przez to prąd kolektora

Nie do końca.
W skrócę chodzi oto, że tranzystor to strasznie kapryśne stworzenie. Objawia się to np. tym że wzmocnienie prądowe (Beta hfe) nie jest stałe a zależy od prądu kolektora jak i od konkretnego egzemplarz tranzystora. Bo np. taki BC548 może mieć betę w przedziale od 100 do 800. Podobnie jest z Ube. Rozrzut produkcyjny między poszczególnymi egzemplarzami może być duży. Dlatego zabierając się za projektowanie wzmacniacza musimy sobie z tym jakoś poradzić.
I właśnie jednym z tych sposobów jest zastosowanie rezystora Re i dzielnika napięć w bazie.
Idea jest prosta, jeśli zapewnimy by napięcie na Re było dużo wyższe niż Ube wtedy to o prądzie emitera a tym samym i kolektora będzie decydować rezystor Re i napięcie na emiterze. A zmiany Ube w przedziale 0.5V...0.7V nie będą znacząco wpływać na prąd emitera.

Czyli czym wyższe napięcie na emiterze tym prąd emitera jest jest bliższy
Ie = (Vbb - Ube)/Re ≈ Ve/Re

Z tw. Thevenina rozumiem, że korzystamy dlatego, żeby uprościć sobie układ po stronie bazy, bo nie znam napięcia na bazie a jest mi to potrzebne do obliczenia R1 i R2, bo prąd już znam z relacji między nim, a prądem kolektora.

To tylko jeden z powodów. Drugim ważniejszym powodem jest to by napięcie dzielna było sztywne. Chodzi oto by prąd bazy który obciąża dzielnik napięcia nie powodował obniżanie się togo napięcia. Dzięki temu o prądzie emitera decyduje w głównej mierze napięcie dzielnika i rezystor Re.
A napięcie dzielnika napięć jest tym sztywniejsze im jego rezystancja Thevenina Rth jest mniejsza. Albo inny punkt widzenie to taki by prąd płynący przez dzielnik napięcia był znacznie większy od prądu obciążenia (prądu bazy).
Zobacz sobie na przykład gdzie teoretyczne obydwa dzielniki powinny dawać 5V na wyjściu.



Ale, że baza obciąża dzielnik, napięcie wyjściowe dzielnika maleje.
Dlatego przy projektowaniu wzmacniaczy dobieramy prąd dzielnika znacznie większy od prądu bazy.
Zobacz sobie ten temat
https://forum.elportal.pl/viewtopic.php?p=70001#70001

[miktar]

Bardzo dziękuje za odpowiedź. Muszę jeszcze ją trochę przeanalizować. Mam tylko jedno pytanie. W temacie pod linkiem jest powiedziane, że dzielnik napięcia obciąża prąd bazy, przez to napięcie wyjściowe jest mniejsze. Czy dobrze rozumiem to w tym przypadku: https://elportal.pl/ea/dzielnik.html naszym napięciem wyjściowym jest napięcie Uwe (czyli napięcia są na odwrót). I teraz będę miał:
Uwy=Uwe(R1+R2)/R2

[Jony130]

Mam tylko jedno pytanie. W temacie pod linkiem jest powiedziane, że dzielnik napięcia obciąża prąd bazy, przez to napięcie wyjściowe jest mniejsze. Czy dobrze rozumiem to w tym przypadku: https://elportal.pl/ea/dzielnik.html naszym napięciem wyjściowym jest napięcie Uwe (czyli napięcia są na odwrót). I teraz będę miał:
Uwy=Uwe(R1+R2)/R2

Wzór na napięcie wyjściowe nieobciążonego dzielnika napięć tak wygląda



Ale w naszym układzie prąd bazy "podkrada" prąd rezystorowi R1. Dlatego spadek napięcie na R2 jest mniesz niż by to wynikało z tego prostego wzoru słusznego tyle w przypadku braku obciążenia.
Zobacz sobie na ten przykład, gdzie mamy dzielnik napięć złożony z dwóch jednakowych rezystorów. Które bez obciążenia powinny dać 5V na wyjściu.
https://forum.elportal.pl/files/12_151.png
Ale jest inaczej bo prąd bazy obciąża nasz dzielnik. I właśnie w celu zmniejszenia wpływu prądu bazy na napięcie wyjściowe stosuje się regułę, że prąd dzielnika musi być znacznie większy (przynajmniej 10 razy) od prądu bazy. Albo z punktu widzenie Thevenina
Obciążenie nie zmienia napięcia wyjściowego dzielnika kiedy jest spełniony warunek:
rwe>>Rb
W praktyce wystarczy jeśli:
rw=10Rb stąd: Rb=rw/10=5050 Ohm

[miktar]

Muszę zapytać, możliwie że głupio, ale to sprecyzować: mówiąc, że u nas jest inaczej bo prąd bazy obciąża dzielnik to oznacza, że prąd bazy wpływa do dzielnika, a nie wypływa jak w przykładach pod linkiem. Teraz do końca rozumiem, bo dzięki dzielnikowi mamy układ odporny na zmiany parametrów tranzystora i nie martwimy się co się stanie kiedy się podgrzeje albo trzeba będzie go wymienić.

[Jony130]

Muszę zapytać, możliwie że głupio, ale to sprecyzować: mówiąc, że u nas jest inaczej bo prąd bazy obciąża dzielnik to oznacza, że prąd bazy wpływa do dzielnika, a nie wypływa jak w przykładach pod linkiem.

Dla tranzystora NPN prąd bazy wypływa z dzielnika. A dokładnie to mamy taką sytuację.

Gdzie prąd I1 (rezystora R1) rozdziela się na prąd bazy Ib i prąd I2 rezystora R2.
A skoro I2 jest pomniejszony o prąd bazy to i napięcie na wyjściu naszego dzielnika (napięcie na R2) będzie niższe, niż by to wynikało z tego prostego wzoru:
Uwy = Uwe*R2/(R1+R2)
I mówiąc o prądzie obciążanie zawsze mamy na myśli prąd wypływający z dzielnika.
Dlatego zaleca się, by prąd dzielnika był kilkadziesiąt, a co najmniej dziesięć razy większy od prądu podkradanego. Przykładowo, jeśli prąd płynący przez rezystory dzielnika będzie 100 razy większy od prądu podkradanego, wtedy błąd w stosunku do podanych właśnie wyliczeń będzie maleńki, mniejszy niż 1% porównaj rysunek na dole gdzie teoretyczna wartość wyliczona ze wzoru wynosi dokładnie 1V.

[miktar]

Teraz rozumiem do końca. Na prawdę dzięki wielkie Kurcze ta elektronik na prawdę nie jest taka straszna jak na początku się wydaje