Witajcie. Jest to pierwsza z kilku dzid poświęconych elektronice i budowie wzmacniaczy audio/efektów gitarowych. Dzisiaj na warsztat bierzemy tranzystory:

Każdy z Was o nich słyszał, jednak założę się że większość nie wie jak to dokładnie działa ani jak wykorzystać je w praktycznym zastosowaniu. Do zrozumienia
naszych rozważań wymagana jest podstawowa znajomość elektryki: prawa Ohma i Kirchoffa. Warto wiedzieć jak działa dioda (nie, nie chodzi o to że świeci). Opis nie jest bardzo akademicki, ale powinien dobrze oddać ideę projektowania układów z tranzystorami.
W niniejszej dzidzie posłużymy się uproszczonym modelem tranzystora - wzmacniaczem prądu.
Ale od początku...
Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym, istnieją różne jego odmiany - możemy tranzystory podzielić przede wszystkim na unipolarne i bipolarne - to najogólniej opisuje ich konstrukcję oraz zasadę działania. Nas interesują tranzystory bipolarne (unipolary i inne to temat na inną dzide), które dalej możemy rozróżnić wedle polaryzacji: NPN oraz PNP. Polaryzacja wynika z układu warstw półprzewodnika wewnątrz tranzystora, jednakże kwestie konstrukcyjne nas w tej chwili nie interesują. Tranzystor ma trzy "nóżki" (elektrody) - bazę (B), emiter (E) i kolektor (C). Najogólniej, zasada działania tranzystora jest następująca: mały prąd bazy (Ib) powoduje przepływ dużego prądu kolektora (Ic) który w tranzystorze "sumuje się" z prądem bazy i wypływa poprzez emiter (prąd emitera Ie = Ib + Ic). To jest opis dla tranzystora NPN, dla PNP polaryzacja jest odwrócona, ale to zostawmy na inną okazję.

Do czego te elektrody służą? Już spieszę z odpowiedzią. Przede wszystkim, aby tranzystor w ogóle przewodził prąd  musimy go odpowiednio spolaryzować czyli:

1.1. Kolektor podłączamy do dodatniego względem emitera napięcia (+, inaczej Vcc)
1.2. Emiter podłączamy do masy (GND)
1.3. Na bazę podajemy sygnał sterujący (AC lub DC)

Tak wygląda nasz układ na chwilę obecną:

Proste? No nie do końca. Odpowiednia polaryzacja nie wystarczy aby tranzystor działał poprawnie i nie uległ uszkodzeniu. Aby go poprawić, musimy zrozumieć jak działa wzmacniacz prądowy.
Tranzystorem w tym uproszczonym modelu rządzi jedna najważniejsza zasada: Ic = Ib * b, gdzie Ic to prąd kolektora, Ib to prąd bazy a b to parametr beta (wzmocnienie prądowe). Zatem, wynika z tego że możemy sterować dużym prądem
kolektora za pomocą małego prądu bazy. Genialne.
Niestety, ta jedna zasada nie wystarczy nam do skonstruowania sprawnego wzmacniacza, ponieważ są jeszcze inne czynniki które musimy uwzględnić:

2.1. Spadek napięcia Baza-emiter (Ube)
2.2. Nieliniowa charakterystyka prądu kolektora - napięcia kolektor-emiter (Uce)
2.3. Wahania parametru beta w zależności od temperatury, prądu kolektora i Uce

Oraz różne inne bardziej skomplikowane, jednakże o mniejszym impakcie na nasz końcowy efekt.
Zacznijmy rozwiązywać problemy od początku. Ube wynosi około 0,6V i nieznacznie się zmienia w zależności od temperatury i przede wszystkim prądu kolektora. Złącze baza-emiter zachowuje się w przybliżeniu jak dioda, dlatego możemy
przyjąć założenie, że ten spadek napięcia jest równy 0,7V i nie zmienia się. To implikuje w 2 kolejne zależności:

3.1. Napięcie na emiterze jest zawsze 0,7V niższe niż na bazie
3.2. Jeśli napięcie na bazie jest niższe niż 0,7V, tranzystor jest zatkany.

Jak już o tym mowa, to warto wspomnieć o trzech obszarach pracy tranzystora: zatkanym (nie przewodzi), aktywnym (przewodzi mniej więcej liniowo), nasyconym (przewodzi maksymalny prąd kolektora). Do tego jeszcze wrócimy, ale
póki co pamiętajmy że dążymy do ustawienia tranzystora w obszarze aktywnym, aby uzyskać wzmocnienie z małymi zniekształceniami.
Aby poprawić nasz układ dodamy 2 rezystory, jeden na bazie (bias) oraz jeden na emiterze, oraz kondensator:

Co one dają?

4.1. Rb ustawia bias current, czyli mały prąd DC, powodujący przepływ prądu kolektora. Za pomocą Rb ustawiamy "punkt pracy". Mówiąc prosto: Rb "otwiera" tranzystor tak, że po podaniu sygnału sterującego (np. audio) nie dojdzie do sytuacji
gdzie napięcie na bazie jest za niskie aby otworzyć tranzystor. To tzw praca w klasie A, i charakteryzuje się najlepszą jakością kosztem niskiej sprawności energetycznej. Do biasowania jeszcze wrócimy, ale w tym przypadku wzór na prąd bazy to
(Vcc - 0,7)/(Rb + beta*Re).
4.2. Re ustawia maksymalny prąd kolektora (i emitera, zakładamy że Ic = Ie, ponieważ Ib jest bardzo małe), co jest konieczne żeby zabezpieczyć się przed koniecznym zakupem nowego tranzystora, a także ustawia napięcie na BAZIE - pamiętamy że
napięcie na bazie = Ue + Ube czyli napięcie na emiterze + 0,7V. Bez tego rezystora otrzymamy permamentne 0,7V na bazie, co powoduje dużo problemów ze stabilnością, o zniekształceniach nie mówiąc.
Maksymalny prąd kolektora liczymy wg prawa Ohma, tj zakładamy że Uce = 0 i Icmax = Vcc/Re. Do liczenia prądu kolektora jeszcze wrócimy.
Ponadto, ten rezystor stabilizuje termicznie tranzystor wprowadzając tzw. ujemne prądowe sprzężenie zwrotne. O sprzężeniu zwrotnym pogadamy w innej dzidzie, ale na chwilę obecną pamiętajmy że to coś zajebistego.
4.3. Kondensator jest po to aby odseparować napięcie DC na bazie od napięcia sygnału AC. Doprowadzenie DC do źródła AC może je uszkodzić. Pamiętamy że nasz sygnał audio bezproblemowo przepłynie przez kondensator. Ten kap tworzy
również filtr high-pass z Rb, ale filtry to temat na inną dzidę.

Podstawmy jakieś wartości rezystorów oraz kondensatora i zobaczmy co się stanie:

Już objaśniam co tu się dzieje. Patrząc na oscyloskop widzimy że sygnał idealnie został odtworzony na wyjściu (wyjście to napięcie na emiterze!) - tranzystor w takiej konfiguracji pracuje jako wtórnik napięciowy (inaczej bufor). Beta tranzystora w symulacji wynosi 100, co ładnie widać po prądach - I(dc) na bazie 7,49 uA, I(dc) na emiterze 749 uA, także wzmocnienie prądu działa jak przewidzieliśmy. Niestety, wzmocnienie napięciowe dalej wynosi 1, także nie udało nam się wzmocnić sygnału. Także
zwróć uwagę na napięcie na emiterze - 7,49V. Mimo że dla tego małego sygnału (0.2V rms to dość typowy sygnał z np gitary) wzmacniacz działa dobrze, zobacz co się stanie jeśli zwiększymy jego amplitudę:

Dodałem jeszcze 2 rezystory aby zasymulować uziemienie sygnału oraz pewną szeregową rezystancję wejściową, ale to co jest ważne to zniekształcenie sygnału na dodatniej półfali. Rzuć okiem na punkt 2.2 - widoczne zniekształcenia wynikają z tego,
iż nie ustawiliśmy odpowiednio punktu pracy co skutkuje ograniczonym headroomem (czyli "przestrzenią" w której mieści się dopuszczalny sygnał wejściowy). Zwróć uwagę na napięcie na emiterze V(dc) - wynosi 6,81V! Czyli podając sygnał który ma ponad 2Vpp próbujemy wymusić napięcie na emiterze wyższe niż napięcie zasilania, co jest niemożliwe. W przypadku bufora jest to niedopuszczalne, ale tak m.in. tworzy się przester, pożądany w naszym gitarowym sprzęcie :) Aby naprawić ten mankament możemy np. zmniejszyć prąd bazy - zamiana rezystora Rb z 100k na 1M załatwi robotę:

W tym przypadku widzimy jak napięcie na emiterze opadło do 4.15V, zwiększając znacznie headroom. Tworzenie kontrolowanego przesteru oraz metody jego uzyskania ukażą się w kolejnych dzidach. Na dziś to już tyle! Podsumowując informacje z dzisiaj:
wyjaśniliśmy podstawy działania tranzystora, kilka najpopularniejszych problemów podczas projektowania układów z nimi, zaprojektowaliśmy prosty bufor oraz poprawiliśmy jego headroom dopasowując prąd bazy (aby zmniejszyć napięcie emitera).
W kolejnych dzidach tranzystorowych dowiemy się jak uzyskać wzmocnienie napięcia oraz jak poprawić parametry naszego wzmacniacza. Zapraszam również do dyskusji w komentarzach!
Miłego weekendu dzidowcy