Transistor, version 2001/2002

= = the basics of a transistor circuit = =

Dit is een web-pagina met betrekking tot het simulatieprogramma TRANSISTOR. De simulatie is een applet, geschreven in Java en gegenereerd met het JavaTHESIS-systeem. Er bestaan van deze applet vele versies.

Figuur 1. In het midden de schakeling met de transistor en vier potentiometers voor de gelijkstroom-instelling; boven het voedingsapparaat (+12 Volt). Links een eenvoudige toongenerator (input). Rechts een eenvoudige oscilloscoop (output).

Klik hier --> of hier -->
om naar de spanningen te kijken en om de toongenerator te starten.

Versie A geeft zowel de gelijkspanningen (geel) als de wisselspanningen (rood); zowel visueel als digitaal. Versie B laat eerst alleen de gelijkspanningen zien. Na enkele milliseconden zie je hoe de wisselspanning op de gelijkspanning wordt gesuperponeerd. De tellertjes geven - digitaal - de gemiddelde wisselspanningen aan. Duidelijk is te zien, dat de gelijkspanningen op en neer gaan, maar gemiddeld genomen niet.

Achtergrondinformatie:

Het conceptuele schema:

Figuur 2. Links-boven de complete schakeling: de vier weerstanden (R1, R2, RC en RE) die de gelijkspanning voor de transistor verzorgen (UR1, UR2, URC en URE); rechtsboven de transitorkarakteristiek; helemaal in het midden de gelijkstromen (defaultwaarden); onder de schakeling zoals wisselstroom dit ervaart.

De drie pootjes van de transistor zijn ieder ingesteld op een specifieke gelijkspanning. In figuur 3 kun je dat binnen de black box goed zien. De som van alle gelijkspanningen binnen de black box is steeds 12 [Volt]. De transistor is - permanent - ingesteld op 1 [mA]. Bij deze gelijkstroom (IC0) heeft de transistor de beste performance c.q. de beste versterking.

Figuur 3. De schakeling als black-box. Wil je de black box als een versterker gebruiken om een signaal uit een microfoon te versterken en weer te geven in een luidspreker, dan dien je de gelijkstroom en de gelijkspanning, voor deze twee kwetsbare onderdelen, af te sluiten. Dat gaat - zoals gebruikelijk binnen de electronica - met twee condensators: C1 en C2. Die twee condensators 'geven' alleen de wisselspanning door; en de gelijkspanning Ui en Uo niet! De condensatoren hebben echter een nadeel: ze laten hogere tonen minder goed door dan lage tonen en vervormen dus altijd het ingangs-signaal. Daarom moeten de waarden van C1 en C2 (en ook van CE) altijd zo goed mogelijk worden aangepast aan de interne en externe omstandigheden: m.n. aan de frequenties die je nog wel goed wil laten versterken.

Deze schakeling bevat twee integraalvergelijkingen: een integraalvergelijking voor de gelijkstroom over de condensator over de weerstand RE (CE), waarbij de halfwaardetijd een functie is van CE en RE, t.w.:

UCE = UCE + ((UB-0.7) - UCE)*dt/(RE*CE) en een tweede integraalvergelijking voor spanningsvormveranderingen aan de ingang, waarbij de halfwaardetijd een functie is van C1, R1 en R2, t.w.:

ui1 = ui1 + (ui - ui1)*dt*R2/((R1+R2)*C1)

De output:

Figuur 4. De grafische output. Boven: het input-signaal (een blokspanning); onder: het output-signaal: de 160 maal versterkte blokspanning, gesuperponeerd op een gelijkspanning van 8 volt. De blokvorm is vervormd vanwege een tijdconstante aan de ingang en een tijdconstante aan de uitgang, t.w. gerelateerd aan C1, resp. aan C2 alsmede CE.

De verklaring is te zien in onderstaande schema:

Figuur 5. Het analoge schema. In het zogenoemd 'analoge' schema zijn de twee integratoren (voor URE en ui) duidelijk te zien. De spanning op de basis van de transitor wordt door de twee weerstanden R1 en R2 keurig van +12 [V] teruggebracht tot de juiste spanning: UB=2.92 [V]. Als we aannemen dat de gelijkstroom IB0=0 [mA], dan is URE=2.22 [V].

De vergelijkingen voor de gelijkstromen zijn (bij aanname dat ICO = ICE):

    UB = Ucc*R2/(R1+R2);
    URE = URE + ((UB - 0.7) - URE)*0.03;
    IE0 = URE/RE; 
    IC0 = IE0;
    UC = Ucc - IC0*RC;

Voor de wisselstroomversterking (met de blokspanning uo) nemen we voorlopig:

   if (...) ui = + 0.01;
   if (...) ui = - 0.01;
   ui1 = ui1 + (ui - ui1)*0.2;
   uo = -40*IC0*RC*ui1;

Waarna de som van de wisselspanning en de gelijkspanning (U0) gelijk is/wordt aan:

   U0 = UC + uo;

Hieronder zie je een screendump van de gesimuleerde resultaten met een van de versies van dit model:

Figuur 6. De grafische output. Rood: het input-signaal en het output-signaal; geel: de gelijkspanningen. Er zijn in de loop van de tijd twee dingen gebeurd. Ten eerste: na 2 perioden (t=2 [msec]) is de weerstand RC verhoogd. Het resultaat is dat de wisselspanningversterking (uo/ui) groter is geworden. Opvallend hierbij is dat IC0 (blauw) gelijk blijft. De gelijkspanning UC is wel verlaagd. Ten tweede: na 5.5 periode (t=5.5 [msec]) is er een van de andere weerstanden veranderd. Daarbij is de gelijkstroom door de collector (IC0) lager geworden. De gelijkspanningen UB en URE zijn lager geworden en UC en de wisselspanningversterking (uo/ui) zijn weer zoals ze waren.

In bovenstaande figuur kun je goed zien dat er twee, zoals dat genoemd wordt, "1e orde dynamische processen" (samenhangend met de twee integraal vergelijkingen) plaats hebben gegrepen: één aangaande de wisselspanning en één aangaande de gelijkspanning: in de rode curve de kromming in de opgaande flank; in de gele en blauwe curves de kromming in de opgaande en/of neergaande flank. In de één onder invloed van condensator aan de ingang; bij de ander onder invloed van de condensator CE bij een verstoring aan een of meer van de (vier) weerstanden.

Bij het keuzevak "Technology and Simulation", voorheen "Computersimulatie als leermiddel", leer je dit soort applets te maken en dien je in een practicum (of thuis) - samen met (echte) inhoudsdeskundigen - passende instructies, goede oefeningen en leuke casussen voor (echte) leerlingen te maken.

Enschede, juni 2000; updated oktober 2003