ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE - Polarizzazione di un BJT di tipo 2N2222A

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Pratico:

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1) Scopo dell'esercitazione:

In questa esercitazione dovremo polarizzare un transistor BJT di tipo 2N2222A, successivamente dovremo realizzare un amplificatore ad emettitore comune per piccoli segnali.

2) Premesse teoriche:

In questa esperienza siamo partiti con lo scopo di dimensionare il circuito di autopolarizzazione di un transistor.

Per realizzare la rete di polarizzazione di un transistor siamo partiti dal mettere due generatori applicati al componente; uno dei due generatori lo collegheremo al collettore del transistor preceduto da una resistenza che chiameremo Rc mentre l'altro generatore lo collegheremo alla base del componente sempre preceduto da una resistenza che chiameremo Rb. Il problema più evidente di questo circuito è stato l'utilizzo di due generatori con tensioni diverse, per ovviare a questo problema abbiamo pensato di collegare sia la base che il collettore allo stesso generatore di tensione (Vcc). Risolvendo questo problema ne abbiamo però creato un altro, poiché sulla resistenza Rb si è verificata una cad 131i82b uta di tensione troppo alta. Abbiamo quindi dovuto limitarla alzando a livelli molto alti il valore della resistenza, che porterà un'instabilità nel nostro circuito. Così abbiamo pensato di cambiare la nostra resistenza, dal valore piuttosto alto, con due resistenze che chiameremo R1 e R2. Applicando la regola del partitore di tensione tra le due resistenze ci ricaveremo la tensione Vbb che è applicata sulla base. Collegheremo inoltre una resistenza all'emettitore del transistor in modo che si possa ridurre ulteriormente l'instabilità del nostro circuito.

Il fattore di stabilità S rappresenta la stabilità del nostro circuito di autopolarizzazione stabilizzato a quattro resistenze. Se quest'ultimo ha un valore minore o uguale a 10 si ricaverà con la seguente formula: S = 1 + (Rb/Re); mentre se ha un valore maggiore di 10 useremo la differente formula: S = hfe * (Rb+Re)/(Rb+hfe*Re).

Più piccolo è il fattore di stabilità e maggiore sarà la stabilità del circuito. Un valore tipico è quello che va da 8 a 10 perché valori più piccoli possono pregiudicare il buon funzionamento portando così alla non amplificazione del segnale.

Per poter amplificare piccoli segnali alternati dovremo inserire alla nostra rete di autopolarizzazione un generatore di tensione alternata con una resistenza interna che chiameremo Rs ed una resistenza di uscita o di carico detta RL

Collegheremo poi all'ingresso e all'uscita due capacità che chiameremo Ca1 e Ca2 dette di accoppiamento che hanno il compito di non far attraversare il nostro generatore di segnali da una corrente continua.

Inseriremo poi un'altra capacità all'interno della rete di autopolarizzazione a seconda della configurazione scelta (emettitore comune, base comune, collettore comune).

Alle medie frequenze (circa 3-5 kHz) il segnale che  attraversa la rete provocherà uno strano effetto: i condensatori possono essere considerati cortocircuitati con errore minimo e la Vcc diventa paragonabile a massa, si considererà quindi solamente il generatore di segnali Vs.

Come già detto prima le capacità saranno circuitate e quindi la capacità di bypass delle varie configurazioni cortocircuitano le relative resistenze; per fare un esempio nel caso dell'emettitore comune la capacità di bypass è in parallelo alla resistenza Re e quindi alle medie frequenze tra emettitore e massa (dove prima c'era Re) adesso non ci sarà più niente. Così sarà anche per il caso della base comune che cortocircuiterà il parallelo tra le resistenze R1 e R2 (detto Rb), mentre per il collettore comune si cortocircuiterà la Rc.

Queste varie configurazioni hanno diverse caratteristiche: il caso di emettitore comune (CE) ci sarà un'amplificazione di corrente e di tensione molto elevata; nel caso di collettore comune (CC) ci sarà un'amplificazione di corrente piuttosto elevata, mentre quella di tensione sarà pari ad 1; a base comune (CB), invece, sarà l'amplificazione di corrente ad essere pari ad 1, mentre è l'amplificazione di tensione ad essere elevata.

3) Svolgimento:

Per questa esercitazione dovevamo realizzare autonomamente un circuito di autopolarizzazione con un BJT a nostra scelta; abbiamo quindi scelto un transistor BJT NPN del tipo 2N2222A e dimensionato il valore delle resistenze in relazione alle caratteristiche del transistor.

Eseguiti i calcoli abbiamo realizzato la simulazione con l'Electronics Workbench per assicurare il funzionamento del nostro circuito.

Abbiamo poi realizzato il circuito integrale con l'aggiunta dei condensatori elettrolitici opportunamente dimensionati; realizzata questa parte siamo passati a quella più importante della nostra esercitazione che consiste nelle prove di buon funzionamento del nostro circuito. Fatto ciò, abbiamo verificato che i valori reali presi dal circuito (e cioè Avl, Avo, Ri, Ro, Ai) concidessero, più o meno, con i valori calcolati teoricamente prima di iniziare la nostra prova.

Per trovare la Vimax (che useremo per trovare l'Avl e l'Avo) faremo la risposta in ampiezza: mantenendo la frequenza fissa per un valore di centrobanda pari a 5 kHz dovevamo trovare l'ampiezza massima del segnale in ingresso prima che si deformasse al variare di questa. Quest'operazione è molto importante perché tutte le altre operazioni restanti dovranno essere eseguite con questa tensione Vimax.

Per trovare il valore della resistenza di ingresso Ri e quella di uscita Ro (prova a vuoto) prenderemo un trimmer che ci aiuterà in questo. Per la Ri posizioneremo il trimmer dopo il generatore (e ci fisseremo la sonda dell'oscilloscopio) in modo che quando le due onde saranno coincidenti abbiamo subito il valore della Ri (che sarà la resistenza del trimmer). Per la Ro, invece, il trimmer verrà messo al posto del carico e quando la tensione sarà metà dell'altra, trovata modificando il valore della resistenza del trimmer, avremo il suo valore.

Per calcolare Avo e Avl procederemo sempre nello stesso modo: la tensione di ingresso sarà la Vimax trovata e con l'oscilloscopio osserveremo la tensione in uscita con il carico (Vol) e la tensione in uscita a vuoto (Voo) che  sarà sicuramente più grande della precedente; per trovare le Av bisognerà adoperare la seguente formula: Av = Vo/Vi.

Per calcolare la Ai bisognerà trovare la Ii dalla seguente formula Ii = Vimax/Ri e la Io = Vol/(RL//Ro) quindi l'amplificazione di corrente Ai = Io/Ii.

Per la risposta in frequenza opereremo tenendo fissa la tensione in ingresso al valore Vimax e riporteremo la variazione della tensione di uscita (Vo) in funzione della frequenza data al generatore di segnali, partendo da valori di 25 Hz fino a vari MHz.

4) Schema elettrico:

Vedi sul foglio relativo realizzato con l'Orcad SDT.

5) Schema di misura:

Vedi sul foglio relativo realizzato con l'Orcad SDT.

6) Scelta dei componenti:

Per questa esperienza abbiamo utilizzato i seguenti strumenti:

8) Tabella e grafici:

Per fare il grafico abbiamo ricavato i seguenti valori direttamente dall'oscilloscopio:

9) Conclusioni:

Dopo aver realizzato il circuito abbiamo preso i valori facendo in modo che l'ampiezza del segnale in ingresso fosse uguale a tutte le frequenze, quindi abbiamo potuto realizzare una tabella con i valori ricavati dall'oscilloscopio al variare della frequenza del generatore di segnali.

Abbiamo trovato alcune difficoltà nelle scale del tempo e dell'ampiezza del segnale sull'oscilloscopio, perchè dovevamo variarle a seconda della frequenza all'ingresso del quadripolo.