Podręcznik

Dotychczas zajmowaliśmy się działaniem wtórnika emiterowego przy założeniu, że nie występują żadne granice wielkości sygnału, które ten wtórnik jest w stanie przenieść. Niestety rzeczywistość nie jest tak różowa i we wtórniku, podobnie jak i we wszystkich innych układach, pojawiają się ograniczenia.

We wtórniku emiterowym, inaczej niż ma to miejsce we wzmacniaczu w układzie WE (wspólnego emitera), bardzo rzadko pojawia się ograniczenie związane z nasycaniem się tranzystora. Jeśli się spojrzy na schemat wtórnika (rys. 8), jest to oczywiste. Aby tranzystor się nasycił, musi zacząć przewodzić złącze baza – kolektor tranzystora. To jest możliwe tylko wtedy, kiedy napięcie na bazie przekroczy o około 0,5 V napięcie zasilania U_CC. W typowych warunkach, kiedy sygnały mieszczą się w zakresie zasilania układu, nasycenie tranzystora może się więc pojawić rzadko i tylko w sytuacji, kiedy sprzężenie wtórnika ze źródłem jest zmiennoprądowe (przez kondensator) a jednocześnie sygnał wejściowy ma sporą amplitudę.

Rys. 9: Obwód wyjściowy wtórnika - określanie napięcia wyłączania się tranzystora

Niestety, charakterystycznym problemem pojawiającym się podczas wielkosygnałowej pracy wtórnika emiterowego jest wyłączanie się tranzystora przy odpowiednio dużej amplitudzie sygnału doprowadzonego do jego wejścia. Poniżej, korzystając z rys. 9, przedstawiono przyczynę występowania tego zjawiska.

Pojawienie się na wejściu wtórnika dolnej ("ujemnej") połówki sygnału wejściowego obniża chwilowy potencjał bazy tranzystora. Praktycznie o tyle samo obniża się potencjał jego emitera (bo różnica obu potencjałów przy aktywnym tranzystorze to U_BEP, czyli w przybliżeniu 0,7 V). Emiter tranzystora jest jednak połączony, bezpośrednio lub przez kondensator (rys. 9) z rezystancją obciążenia R_O. Jeśli więc chwilowy potencjał na bazie doprowadzi do pojawienia się na R_O chwilowego napięcia ujemnego, to z tej rezystancji zacznie wypływać prąd o wartości I_RO. Prąd ten będzie płynął tak, jak zaznaczono na rysunku - w lewo, od masy w kierunku emitera tranzystora. Ten prąd musi przecież gdzieś wpłynąć, a że do emitera wpływać nie może[1], wpływa do opornika R_E. Jednak przez ten opornik w każdej chwili płynie ściśle określony prąd, wynikający wyłącznie z napięcia na tym oporniku i z jego rezystancji.

Zróbmy więc bilans prądów (stosując prawo Kirchhoffa!) i zauważmy, że obniżanie napięcia na bazie tranzystora powoduje:

- wzrost ujemnego napięcia na R_O a tym samym wzrost prądu I_RO

- zmniejszanie się napięcia na R_E, a więc też zmniejszanie się prądu I_RE.

Nietrudno zauważyć, że dla pewnego napięcia U_B prąd I_RO zrówna się z prądem I_RE. Można powiedzieć, że przy tym napięciu U_B prąd I_RO "zje" cały prąd I_RE. Wtedy prąd emitera spadnie do zera, a to przecież oznacza wyłączenie się tranzystora. Dalsze obniżanie potencjału bazy nie spowoduje więc już żadnej reakcji na wyjściu wtórnika, czyli sygnał wyjściowy zostanie obcięty.

Poniżej zostanie pokazany sposób obliczenia największej amplitudy niezniekształconego sygnału, jaka się może pojawić na wyjściu wtórnika emiterowego. Rozważania zostaną przeprowadzone dla przypadku zmiennoprądowego sprzężenia wtórnika z obciążeniem Przeanalizowanie drugiego przypadku (sprzężenie stałoprądowe), pozostawia się czytelnikowi.

Jeśli do bazy tranzystora nie jest doprowadzony żaden sygnał (czyli w układzie panuje stan ustalony), na emiterze tranzystora ustala się pewien potencjał U_EQ, wynikający z doboru punktu pracy tranzystora.

Prąd emitera tranzystora jest wtedy równy:

$I_{EQ}=I_{REQ}=\frac{U_{EQ}-U_{EE}}{R_E}$

W takiej sytuacji, co oczywiste, żaden prąd przez kondensator nie płynie, więc I_RQ = 0 i tym samym U_RQ = 0.

Potencjał średni na lewej okładce kondensatora jest równy U_EQ, na prawej 0 V, więc kondensator jest naładowany do napięcia:

Po podłączeniu do wejścia wtórnika źródła sygnału zmiennego potencjał emitera tranzystora zaczyna się zmieniać wokół wartości U_EQ, a napięcie na R_O wokół zera. Jeśli częstotliwość tych zmian mieści się w pasmie przepustowym, kondensator zachowuje się jak bateria o napięciu U_EQ i utrzymuje na swoich okładkach praktycznie stałe napięcie, a dla przebiegu zmiennego jest zwarciem.

Przez R_O płynie teraz prąd (zmienny) i nietrudno zauważyć, że w każdej chwili:

$i_{RE}=i_E+i_{RO}$

Jeśli na R_O pojawi się odpowiednio duże chwilowe napięcie ujemne, może dojść do sytuacji gdy:

$i_{RO}=\frac{u_{RO}}{R_O}=i_{RE}$

a wtedy, zgodnie z prawem Kirchhoffa, i_E = 0, a więc tranzystor przestaje być aktywny. To właśnie napięcie u_RO odpowiada maksymalnej amplitudzie U_Omax niezniekształconego sygnału na wyjściu wtórnika emiterowego.           

Łatwo zauważyć, że chwilowe napięcie na oporniku R_E jest wtedy równe:

$u_{RE}=U_{EQ}-U_{Omax}-U_{EE}$

Można więc zapisać następującą zależność:

$\frac{U_{Omax}}{R_O}=\frac{U_{EQ}-U_{Omax}-U_{EE}}{R_E}$      

skąd:

$U_{Omax}=\frac{R_O⋅(U_{EQ}-U_{EE})}{R_O+R_E}=I_{EQ}⋅(R_E∥R_O)$

Widać więc, że przy ustalonym R_O amplituda niezniekształconego sygnału na wyjściu wtórnika emiterowego jest tym większa, im:

            a. mniejsza jest rezystancja R_E

            b. większe jest napięcie (bez sygnału) na oporniku R_E

Reasumując:  U_Omax rośnie wraz ze wzrostem spoczynkowego prądu emitera I_EQ.