Усилитель сигнала на транзисторе – Работа биполярного транзистора. Режим усиления

Содержание

Работа биполярного транзистора. Режим усиления

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.

В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ). При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения на базе.

1. Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор , и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне

BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

2. Работа схемы усилителя.

При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.

Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.

Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.

Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.

Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.

Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.
При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.

Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).

Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.

Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.

Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.

Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.

На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.

Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.

Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.

Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.

Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.

В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:

1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;
2. средней мощности — 0,3 3. большой мощности — Pmax > 1,5 Вт.

В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:

1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;
2. средней частоты – 3 МГц 3. высокой частоты — 30 МГц 4. сверхвысокой частоты (СВЧ-транзисторы) — fгр > 300 МГц.

Ну вот и все.
Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.

sesaga.ru

Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Рис. 1. Использование транзистора в усилителе напряжения: (а) простейшая схема, (б) схема со смешением.

Сигналами в электронных схемах обычно являются постоянные или переменные напряжения. Такие устройства, как например микрофон, создают переменное напряжение, которое должно быть усилено прежде, чем им можно будет воспользоваться. Некоторые источники сигналов, такие как фототранзистор и некоторые детекторы, могут быть источниками тока, который, как правило, еще до усиления преобразуется в напряжение.

Поэтому наиболее важны усилители напряжения и, несмотря на то, что биполярный транзистор работает как устройство, усиливающее ток, основное применение он находит в усилителях напряжения. Рассмотрим основные принципы работы усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

Резистор нагрузки

На рис. 1.(a) показан очень простой усилитель напряжения; выходное напряжение Vout возникает на выходе в результате протекания коллекторного тока по резистору нагрузки R

L. Этот пример иллюстрирует одно из наиболее важных применений резисторов в электронных цепях: преобразование тока в напряжение. Входное напряжение Vin, приложенное к переходу база-эмиттер, приводит к увеличению тока базы, зависящего от сопротивления перехода база-эмиттер. Ток базы вызывает намного больший ток коллектора Ic, создающий падение напряжения IcRL на резисторе RL. Эта разность потенциалов пропорциональна Vin, но намного больше по величине.

Важной деталью таких схем является земляная шина, называемая также землей, «нулем вольт» (0 В) или общей шиной и обозначаемая символом, показанным на рисунке. Земляная шина является общей для входного сигнала, выходного сигнала и источника постоянного напряжения, и обычно является точкой, относительно которой отсчитываются все напряжения в схеме.

Рабочая точка и смещение транзистора в схеме усилителя напряжения

Схема, приведенная на рис. 1.(a), как можно догадаться, является сильно упрощенной схемой усилителя напряжения. Она будет давать отклик только на положительное входное напряжение и, кроме того, только на напряжение, большее чем 0,5 В; последнее значение является той э.д.с., которая необходима для смещения перехода база-эмиттер в прямом направлении. Ясно, что если схема предназначена для усиления малых сигналов без искажения, переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении даже в отсутствие сигнала. Обычно напряжение переменного сигнала принимает как положительное, так и отрицательное значение, так что выходное напряжение на коллекторе должно иметь возможность двигаться вверх к напряжению источника питания (при отрицательном входном напряжении) и вниз к потенциалу земляной шины (при положительном входном напряжении). Из этого следует, что при равном нулю входном сигнале (это состояние обычно называется режимом покоя) в транзисторе должен протекать такой ток коллектора, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между землей и напряжением источника питания, готовое изменяться в любом направлении в соответствии с полярностью входного сигнала.

На рис. 1.(б) показана схема, в которой достигается требуемый результат. Маломощный кремниевый транзистор, такой как ВС 107, будет очень хорошо работать с коллекторным током в режиме покоя 1 мА. В этом случае при правильном выборе рабочей (начальной) точки требуется, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между 0 В и +9 В, то есть на резисторе RL должно падать 4,5 В. Таким образом, согласно закону Ома, RL = 4,5 В / 1 мА = 4500 Ом. Ближайшее номинальное значение RL равно 4,7 кОм. Для рассматриваемой схемы имеем:

VCE=Vcc-IcRL=Vcc-hFEIBRL

где Vcc — напряжение питания.

Если мы примем для транзистора ВС 107 коэффициент усиления постоянного тока hFE равным 200, то для тока коллектора 1 мА требуется ток базы IB = 1/200 мА = 5 мкА. Сопротивление базового резистора RB, задающего ток базы, снова находится согласно закону Ома:

RB=Vcc/IB=9/(5×10-6)=1,8МОм

Напряжением база-эмиттер VBE (приблизительно равным 0,6 В) здесь пренебрегаем по сравнению с намного большим напряжением питания Vcc.

Разделительные конденсаторы С1 и С2 используются для изоляции внешних цепей от постоянных напряжений, имеющихся на базе и коллекторе в режиме покоя. Свойство конденсатора не пропускать постоянное напряжение и в то же время пропускать переменное очень ценно в электронике; оно является результатом стремления конденсатора сохранять свой заряд и поэтому разность потенциалов на его обкладках остается постоянной. Следовательно, увеличение потенциала на одной обкладке вызывает соответствующее увеличение потенциала на другой. Поданный на одну из обкладок, переменный сигнал изменяет ее потенциал много раз в секунду и, таким образом, передается с одной обкладки на другую. В то же время постоянное напряжение дает возможность конденсатору накопить заряд, соответствующий новой разности потенциалов на его обкладках, и поэтому оно не передается. Время, необходимое для установления новой разности потенциалов, зависит от постоянной времени цепи, которая должна быть больше периода передаваемого переменного напряжения самой низкой частоты. Более подробно этот вопрос обсуждается в главе 8. В рассматриваемом простом усилителе напряжения постоянные времени цепей с разделительными конденсаторами емкостью 10 мкФ обеспечивают передачу переменного напряжения без ослабления вплоть до 10 Гц.

Знак плюс на рисунке у одной из обкладок конденсатора является указанием, как подключать электролитические конденсаторы, у которых изолирующий диэлектрический слой представляет собой чрезвычайно тонкую пленку окиси алюминия, полученную электролитическим осаждением. Такие конденсаторы имеют большие емкости при малых размерах и низкой цене, но должны включаться в схему с учетом полярности, за исключением конденсаторов специального типа — неполярных конденсаторов.

Стабилизация рабочей точки транзистора

Серьезный недостаток схемы на рис. 1.(б) состоит в том, что напряжение коллектора в режиме покоя целиком зависит от величины hFE транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Например, при типичном значении hFE для транзистора ВС 107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450. Изменение hFE сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент hFE равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не 1 мА, и падение напряжения на RL составит только 2,35 В вместо 4,7 В. Увеличение напряжения на коллекторе в режиме покоя означает, что выходное напряжение в схеме может изменяться в сторону увеличения только на 2 В, а не на 4 В (возможно изменение выходного напряжения в сторону уменьшения до 6 В, но от этого мало пользы, когда положительные приращения ограничены).

Последствия использования транзистора с hFE = 400 еще более серьезны. В этом случае ток коллектора удвоится до 2 мА. Простое вычисление показывает, что все 9 В питания будут падать на резисторе RL. Говорят, что транзистор находится в насыщении. Практически между коллектором и эмиттером остается небольшое напряжение порядка 0,2 В. Любое дальнейшее увеличение тока базы почти ни к чему не приводит; действительно, падение напряжения на RL не может превышать Vcc Поскольку при насыщении транзистора потенциал коллектора фактически равен потенциалу земли, схема теперь не пригодна для линейного усиления: невозможны изменения выходного напряжения в сторону уменьшения.

Возвращаясь к линейному усилителю на рис. 1.(б), можно сказать, что необходимо некоторое усовершенствование схемы, чтобы повысить ее устойчивость к изменениям hFE. Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с hFE = 200, а это очень дорого при массовом выпуске схем, hFE увеличивается с ростом температуры, так что схема все равно не была бы надежной. На рис. 2. показано очень простое, но эффективное улучшение. Вместо того, чтобы подключать резистор RB непосредственно к Vcc, мы, уменьшив сопротивление вдвое, подключим его к коллектору (VCE≈Vcc/2). Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя. Даже при увеличении hFE транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если hFE уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток IB.

Ток базы определяется теперь соотношением

IB=VCE/RB

и, как и прежде,

VCE=Vcc-hFEIBRL

Объединяя эти равенства, получим

VCE=Vcc/(1+hFERL/RB)

Если RL и RB имеют значения, указанные на рис. 2, и hFE = 100, то VCE≈6 В; если hFE = 400, то VCE≈3 В. Хотя здесь все еще положение рабочей точки меняется, это не существенно, пока для получения больших сигналов не требуется иметь возможно большие пределы изменения выходного напряжения. Схема, приведенная на рис. 2., будет работать при изменении параметров транзисторов в очень широком диапазоне и является полезным усилителем напряжения общего назначения. Принцип построения схемы с автокомпенсацией изменений hFE является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике.

Усилитель напряжения на транзисторе со стабилизацией рабочей точки

Рис. 2. Усилитель напряжения со стабилизацией рабочей точки.

Для некоторых применений даже относительно небольшие изменения положения рабочей точки, имеющиеся в схеме на рис. 2, недопустимы. Если режим по постоянному току должен практически не зависеть от hFE можно использовать схему стабилизированного усилителя, показанную на рис. 3. Первым характерным признаком этой схемы является наличие резистора R3 в цепи эмиттера, а это означает, что потенциал эмиттера больше не равняется потенциалу земли, а немного выше его и равен IER3 где IE — ток эмиттера. Второе отличие состоит в том, что вместо единственного резистора для задания базового тока определенной величины применен делитель напряжения R1 R2 фиксирующий потенциал базы относительно земли. Ток делителя напряжения на порядок выше тока базы, так что последний слабо влияет на потенциал базы. Так как переход база — эмиттер смещен в прямом направлении, на нем падает небольшое напряжение (у кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В), так что потенциал эмиттера ниже потенциала базы на 0,6 В.

Итак, если VB — потенциал базы относительно земли, а VE — потенциал эмиттера относительно земли, то

VE = VB — 0,6.

Но VE=IER3

поэтому IE=(VB-0,6)/R3

Рис. 3. Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором.

Следовательно, ток эмиттера IE определяется выбором величин VB и R3. При сопротивлениях резисторов R1 и R2, указанных на рис. 3., потенциал базы зафиксирован на уровне 1,6 В; поэтому потенциал эмиттера равен приблизительно 1,0 В, обеспечивая требуемый ток эмиттера 1 мА при сопротивлении эмиттерного резистора 1 кОм.

Поскольку

IE=IC+IB и IB << IC

имеем:

IE≈IC

Следовательно, ток коллектора также примерно равен 1 мА.

Интересно отметить, что в приведенном расчете схемы отсутствует коэффициент hFE транзистора. Фактически единственным параметром транзистора, имеющим какое-либо значение в этой схеме, является напряжение VBE которое принято равным 0,6 В и изменяется очень мало (<0,1 В) от одного транзистора к другому. При расчете стабилизированной схемы падение напряжения на эмиттерном резисторе должно быть больше возможных изменений напряжения VBE но не настолько большим, чтобы заметно уменьшить амплитуду выходного сигнала (напряжение на коллекторе теперь может изменяться только между VCC и VE а не между VCC и потенциалом земли). Обычно подходящим является напряжение 1 В. Конденсатор большой емкости С3 шунтирует эмиттерный резистор для того, чтобы на эмиттере не появлялось переменное напряжение. Без С3 усиление напряжения очень сильно упадет из-за отрицательной обратной связи, поскольку переменное напряжение на резисторе R3 вычитается из входного сигнала.

Удобный способ измерения коэффициента усиления состоит в том, что на вход усилителя подается сигнал от генератора синусоидальных сигналов, а затем с помощью осциллографа измеряется выходной сигнал Vout и сравнивается с входным сигналом Vin.

Коэффициент усиления напряжения равен

Av=Vout/Vin

Для схем, рассмотренных в этой статье, коэффициент усиления напряжения имеет величину порядка 150 — 200. Теоретический расчет коэффициента усиления на Времонт.su рассмотрим позже.

www.xn--b1agveejs.su

Принцип усиления транзистора

В этой статье мы разберем принцип усиления транзистора. Как он все-таки усиливает сигнал?

Что усиливает транзистор

Ну вот мы и дошли до самого интересного. Итак, для чего вообще нужен транзистор? Для усиления? Но для усиления чего? И как он  вообще усиливает?

Давайте для начала разберемся, какие параметры электрического сигнала мы можем усилить. Это:

— напряжение

— сила тока

Мощность электрического сигнала равняется напряжению, умноженному на силу тока, то есть

P = IU

где

P – это мощность, измеряется в Ваттах

– сила тока, в Амперах

– напряжение, в Вольтах

Получается, усилив напряжение или силу тока, мы тем самым увеличиваем и мощность сигнала ;-).  А вот транзистор как раз этим самым и занимается, что увеличивает или напряжение или силу тока или сразу оба этих параметра электрического сигнала 😉 Но сам по себе он не может усиливать. Ага, подал на транзистор напряжение от пальчиковой батарейки, и усиливаемый сигнал подал на электрочайник и вскипятил воду) Конечно же нет). Для того, чтобы транзистор усиливал, требуется источник усиления «извне». Источником «извне» должен быть какой-либо источник питания.

Небольшое лирическое отступление. Есть также ещё одно заблуждение, что повышающий трансформатор увеличивает напряжение, подаваемое на первичную обмотку. Да, это так он и есть. Но, не забывайте, что во столько же раз и уменьшает силу тока. В обоих случаях мощность на выходе будет почти равняться мощности на входе транса :-).

Основные схемы включения транзистора

Итак, существуют три основные схемы соединения биполярного транзистора:

— с Общей Базой (ОБ)

Эта схема усиливает по напряжению. Схема с общей базой используется редко.

— с Общим Эмиттером (ОЭ)

Эта схема усиливает и по напряжению, и по току, и на практике используется наиболее часто.

— с Общим Коллектором (ОК)

Эта схема усиливает по току. Ее часто называют эмиттерный повторитель.

Здесь все просто: какой вывод является общим для входного и выходного сигнала, такая значит и схема включения транзистора.

Обозначение напряжений выводов транзистора

А теперь давайте поговорим об условностях, которые применяются в схемотехническом жаргоне транзистора.

Итак, если вы слышите, что напряжение на базе равно 1 Вольт, то это означает, что это напряжение между базой и общим проводником. На общий в основном садят «минус» и обозначается общий проводник вот таким значком:

Например, UБ  (напряжение на базе)  транзистора VT1 замеряется как-то вот так:

Напряжение между выводами обозначается двумя индексами, например, напряжение между базой и эмиттером обозначается как UБЭ . Также на схемах часто можно увидеть обозначения типа UКК (в буржуйском варианте VCC ) – это напряжение питания коллектора, обычно положительное. Также есть и UЭЭ (в буржуйском варианте VEE) – напряжение питания эмиттера, обычно отрицательное. Короче говоря, это в основном напряжение питания схемы.

Также имейте ввиду, что каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) Iк  ток коллектора

2) UКЭ  напряжение между коллектором и эмиттером

3) P  мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = IК UКЭ 

4) UБЭ  напряжение между базой и эмиттером

Attention!

Превышение какого-либо параметра из списка выше приведет к неминуемой гибели транзистора!

Принцип работы транзистора

Для того, чтобы понять принцип работы транзистора, давайте рассмотрим вот такое фото:

Условимся считать, что это самая простая модель транзистора. Направление потока воды – это направление электрического тока. Пусть у нашего «транзистора» будет проводимость N-P-N, то есть он будет выглядеть вот так:

С помощью краника (Базы) мы уменьшаем или увеличиваем скорость потока воды через трубу. В нашем случае вода бежит с жёлтой трубы к чёрной трубе, или по аналогии с транзистором: от коллектора к эмиттеру, потому что стрелочка эмиттера показывает направление электрического тока.

Итак, в таком положении краник полностью закрыт, следовательно поток воды не проходит через трубу:

А вот так краник полностью открыт и поток воды бежит на полной мощности через трубу:

Краник открыли, вода через трубу побежала на полной мощности:

Краник закрыли, вода не бежит:

С помощью одного только пальчика, я включал и выключал ОГРОМНЫЙ поток воды, который бы мог смыть все какашки на вашей тельняшке). То есть поток воды из трубы обладает огромнейшей силой, по сравнению с силой пальчика, которую я прикладывал к рыжачку краника. 

Транзистор работает аналогичным образом! Прикладывая небольшое напряжение к базе, я могу управлять огромнейшим током проходящим через коллектор и эмиттер. В данном случае я показал только два положения, краник полностью включен, или краник полностью выключен. Режим, при котором я включал и отключал краник до упора, в транзисторе называется «ключевым режимом».  Не от слова «ключевой» – типа главный, важный, а от слова «ключ». А что у нас делает ключ? Что-то отпирает и закрывает, да хотя бы те же самые двери или бабушкин комод.

Режим, когда я ЗАКРЫВАЛ краник полностью, называется в транзисторе закрытый или в простонародье «зАпертый». В этом случае на базу ток не идет и транзистор не пропускает электрический ток между коллектором и эмиттером.

Режим, когда я полностью ОТКРЫВАЛ краник, называется в транзисторе режимом «насыщения». В этом случае через эмиттер и коллектор ток бежит по полной. Хочу сказать, что дальнейшее открывание краника бессмысленно, так как от этого ток не увеличится между коллектором и эмиттером, то есть нет резона подавать еще большее напряжение на базу, если транзистор уже работает в режиме насыщения.

Опыты на практике

Ну что же, надо теперь все это дело проверить на реальном транзисторе. У нас в гостях всеми вами любимый транзистор КТ815Б:

Его проводимость N-P-N, то есть он выглядит вот так:

Мы с вами разобрали, что краник – это база, а большой поток воды должен течь с коллектора на эмиттер. Направление стрелки на эмиттере показывает направление движения электрического тока. 

В транзисторе все то же самое. Давайте используем его в деле. Для этого собираем вот такую схемку:

Ну что, вроде бы все элементарно и просто. Есть батарея, есть лампочка. Электрический ток должен бежать от «плюса» к «минусу» и лампа должна гореть. Собираем схему в реале. Щупы-крокодилы идут от Блока питания. Красный – плюс, черный – минус. Напряжение на них около 13,5  Вольт, лампа на такое же напряжение. Лампа  не горит… В чем же дело?

Помните эту картинку?

Елки-палки, нам базу-то надо «повернуть» так, чтобы электрический ток мог бежать от коллектора к эмиттеру!  Но как «повернуть» базу? Да все просто! Для этого нам надо всего-то подать на нее напряжение ;-). 

Теперь наша схема будет выглядеть вот так:

Собираем схему. Крокодилы с синими проводами идут от блока питания Bat1.

Но теперь вопрос. Какое минимальное напряжение должно быть на Bat1, чтобы «краник открылся»?

Помните мы с вами разбирали статью, что на PN переходе у кремниевых транзисторов (а у нас как раз кремниевый) «падает» напряжение где-то 0,5-0,7 В? Кто не помнит, читаем эту статью. А давайте выставим на Bat1 где-то 0,5 В.

Не… не канает.

Кручу крутилку и выставляю 0,6 Вольт и вуаля! В простонародье говорят, что транзистор «открылся».

Отсюда делаем вывод: для того, чтобы через коллектор-эмиттер побежал электрический ток, мы должны на базу подать напряжение более чем 0,5-0,7 В, то есть  больше падения напряжения на P-N переходе.

Но как много мы можем подать напряжения в базу? Давайте крутанем крутилку на уровень 0,7 В.

При 0,7 В базовый ток составляет уже 20 мА.

Давайте еще чуток добавим:

При 0,8 В уже 140 мА.

А при 0,9 Вольтах:

чуть меньше пол-Ампера! Дальнейшее увеличение напряжения может привести … к полному выходу транзистора из строя.

Максимальные параметры транзистора

Каждый транзистор характеризуется основными максимальными параметрами такими как:

1) Iк  ток коллектора

2) UКЭ  напряжение между коллектором и эмиттером

3) P  мощность, которая рассеивается на транзисторе. Р = IКЭ х UКЭ

4) UБЭ  напряжение между базой и эмиттером

Более подробно про них можно прочитать здесь.

Если глянуть в даташит, то можно узнать, что максимальный допустимый ток коллектора транзистора КТ815Б составляет 1,5 А. Но как же теперь быть? Наша аппаратура ведь не может работать с такими маленькими допусками напряжения? А что если вдруг случись, напряжение на базе скаканет на 0,3 В? Транзистору сразу придет жопа… Поэтому, чтобы такого не случилось, в базу транзистора ставят токоограничительный резистор. Резистора на 500 Ом вполне хватит, чтобы транзистор был «открытым» от 1 В и до 40 В (ну это в данном опыте). Все, конечно же, зависит от токоограничительного резистора и самого транзистора.

В основном токоограничительный резистор высчитывают по формулам или на практике.

Итак, сколько у нас потребляет транзистор в открытом состоянии?

P = IU

0,7 В х 20 х 10-3 А = 14 мВт.

А коммутирует нагрузку мощностью 13,5 х 115 х 10-3 = 1,55 Вт

То есть 14 милиВатт управляют 1,55 Ваттами.  Это получилось почти в 110 раз больше.  В этом одна из «фишек» транзистора 😉

Вывод

Итак, когда на базе транзистора напряжение меньше, чем падение напряжения на P-N переходе (для кремниевых транзисторов оно 0,5-0,7 В)  или напряжения нету вообще, следовательно, транзистор заперт и находится в так называемом режиме отсечки.  Когда в базу подано напряжение больше падения напряжения на P-N переходе (переход база-эмиттер), транзистор открывается. Но открывается он по-особому…

Продолжение——->

<——-Предыдущая статья

 

www.ruselectronic.com

Усиление сигналов с помощью транзистора

Усиление с помощью транзистора. На рис.7.3 изображена схема усилительного каскада с транзистором типа n-p-n. Принято данную схему называть схемой с общим эмиттером, так как эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы.

Входное напряжение UВХ, которое нужно усилить, подается от источника колебаний на участок база – эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника Е1, являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток. Цепь коллектора питается от источника Е2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка RН. 

Рис.7.3. Схема включения транзистора в усилительный каскад (схема с общим эмиттером) 

 

Работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Изобразим эквивалентную схему усилительного каскада (рис.7.4). 

 

Рис.7.4. Эквивалентная схема усилительного каскада 

Напряжение источника Е2 делится между сопротивлением нагрузки RН и сопротивлением транзистора rтр постоянному току коллектора. Это сопротивление приблизительно равно сопротивлению коллекторного перехода rК0 для постоянного тока. Напряжение на коллекторе транзистора определяется из выражения:

UК = Е2 – IКRН.   Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения меняется ток эмиттера, а, следовательно, сопротивление коллекторного перехода rК0. Тогда напряжение источника Е2 будет перераспределяться между RН и rтр. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока, напряжения и мощности.

Временные диаграммы напряжений и токов транзистора изображены на рис.7.5. Следует обратить внимание, что напряжение UКЭ инвертировано по фазе относительно входного сигнала. Этот свойство схемы вытекает из выражения (7.5).

 

audioakustika.ru

Схема усилителя звука на одном транзисторе своими руками

Усилитель звуковой частоты является важнейшим узлом многих электронных устройств. Это может быть воспроизведение музыкальных файлов, системы оповещения пожарной и охранной сигнализации или звуковые датчики различных игрушек. Бытовая техника оснащена встроенными низкочастотными каналами, но при домашнем конструировании электронных самоделок может потребоваться необходимость сделать это устройство самостоятельно.

Схема усилителя звука на транзисторах своими руками

Диапазон звуковых частот, которые воспринимаются человеческим ухом, находится в пределах 20 Гц-20 кГц, но устройство, выполненное на одном полупроводниковом приборе, из-за простоты схемы и минимального количества деталей обеспечивает более узкую полосу частот. В простых устройствах, для прослушивания музыки достаточно частотного диапазона 100 Гц-6 000 Гц. Этого хватит для воспроизведения музыки на миниатюрный динамик или наушник. Качество будет средним, но для мобильного устройства вполне приемлемым.

Схема простого усилителя звука на транзисторах может быть собрана на кремниевых или германиевых изделиях прямой или обратной проводимости (p-n-p, n-p-n). Кремниевые полупроводники менее критичны к напряжению питания и имеют меньшую зависимость характеристик от температуры перехода.

Схема усилителя звука на 1 транзисторе

Простейшая схема усилителя звука на одном транзисторе включает в себя следующие элементы:

  • Транзистор КТ 315 Б
  • Резистор R1 – 16 ком
  • Резистор R2 – 1,6 ком
  • Резистор R3 – 150 ом
  • Резистор R4 – 15 ом
  • Конденсатор С1 – 10,0 мкф
  • Конденсатор С2 – 500,0 мкф

Это устройство с фиксированным напряжением смещения базы, которое задаётся делителем R1-R2. В цепь коллектора включен резистор R3, который является нагрузкой каскада. Между контактом Х2 и плюсом источника питания можно подключить миниатюрный динамик или наушник, который должен иметь большое сопротивление. Низкоомную нагрузку на выход каскада подключать нельзя. Правильно собранная схема начинает работать сразу и не нуждается в настройке.

Схема усилителя звуковой частоты

Более качественный УНЧ можно собрать на двух приборах.

Схема усилителя на двух транзисторах включает в себя больше комплектующих элементов, но может работать с низким уровнем входного сигнала, так как первый элемент выполняет функцию предварительного каскада.

Переменный сигнал звуковой частоты подаётся на потенциометр R1, который играет роль регулятора громкости. Далее через разделительный конденсатор сигнал подаётся на базу элемента первой ступени, где усиливается до величины, обеспечивающей нормальную работу второй ступени. В цепь коллектора второго полупроводника включен источник звука, которым может быть малогабаритный наушник. Смещение на базах задают резисторы R2 и R4. Кроме КТ 315 в схеме усилителя звука на двух транзисторах можно использовать любые маломощные кремниевые полупроводники, но в зависимости от типа применяемых изделий может потребоваться подбор резисторов смещения.

Если использовать двухтактный выход можно добиться хорошего уровня громкости и неплохой частотной характеристики. Данная схема выполнена на трёх распространённых кремниевых приборах КТ 315, но в устройстве можно использовать и другие полупроводники. Большим плюсом схемы является то, что она может работать на низкоомную нагрузку. В качестве источника звука можно использовать миниатюрные динамики с сопротивлением от 4 до 8 ом.

Устройство можно использовать совместно с плеером, тюнером или другим бытовым прибором. Напряжение питания 9 В можно получить от батарейки типа «Крона». Если в выходном каскаде использовать КТ 815, то на нагрузке 4 ома можно получить мощность до 1 ватта. При этом напряжение питания нужно будет увеличить до 12 вольт, а выходные элементы смонтировать на небольших алюминиевых теплоотводах.

Схема простого усилителя звука на одном транзисторе

Получить хорошие электрические характеристики в усилителе, собранном на одном полупроводнике практически невозможно, поэтому качественные устройства собираются на нескольких полупроводниковых приборах. Такие конструкции дают на низкоомной нагрузке десятки и сотни ватт и предназначены для работы в Hi-Fi комплексах. При выборе устройства может возникнуть вопрос, на каких транзисторах можно сделать усилитель звука. Это могут быть любые кремниевые или германиевые полупроводники. Широкое распространение получили УНЧ, собранные на полевых полупроводниках. Для устройств малой мощности с низковольтным питанием можно применить кремниевые изделия КТ 312, КТ 315, КТ 361, КТ 342 или германиевые старых серий МП 39-МП 42.

Усилитель мощности своими руками на транзисторах можно выполнить на комплементарной паре КТ 818Б-КТ 819Б. Для такой конструкции потребуется предварительный блок, входной каскад и предоконечный блок. Предварительный узел включает в себя регулировку уровня сигнала и регулировку тембра по высоким и низким частотам или многополосный эквалайзер. Напряжение на выходе предварительного блока должно быть не менее 0,5 вольта. Входной узел блока мощности можно собрать на быстродействующем операционном усилителе. Для того чтобы раскачать оконечную часть потребуется предоконечный каскад, который собирается на комплементарной паре приборов средней мощности КТ 816-КТ 817. Конструкции мощных усилителей низкой частоты отличаются сложной схемотехникой и большим количеством комплектующих элементов. Для правильной регулировки и настройки такого блока потребуется не только тестер, но осциллограф, и генератор звуковой частоты.

Современная элементная база включает в себя мощные MOSFET приборы, позволяющие конструировать УНЧ высокого класса. Они обеспечивают воспроизведение сигналов в полосе частот от 20 Гц до 40 кГц с высокой линейностью, коэффициент нелинейных искажений менее 0,1% и выходную мощность от 50 W и выше. Данная конструкция проста в повторении и регулировке, но требует использования высококачественного двухполярного источника питания.

dinamikservis.ru

Почему биполярный транзистор может усиливать сигналы

 

Итак, мы уже знаем, что усиление электрических сигналов возможно в приборах с управляемыми потоками электрических зарядов. Однако сама по себе данная фраза ничего не значит. Возникает естественный вопрос: как, имея управляемый поток зарядов и подавая на вход слабый сигнал, на выходе прибора получить сильный сигнал?

Для начала, видимо, следует разобраться в том, что же такое усиление электрических сигналов. Предположим, что мы имеем источник электрического сигнала, который при определенном сопротивлении нагрузки может обеспечить некоторые ток и напряжение сигнала на ней. Если нас не удовлетворяет напряжение на нагрузке, то, используя простейшие пассивные элементы (например, трансформатор), мы можем легко поднять его до необходимого уровня. Расплатой за это будет падение сигнального тока. И наоборот, если мы увеличим ток — снизится напряжение. В любом случае полезная мощность сигнала \(P_C = U_С I_С\) , передаваемая в нагрузку, при добавлении любых пассивных компонентов в схему может только снижаться. Для увеличения этой мощности нужны так называемые активные компоненты — усилители. Именно они позволяют из слабых входных воздействий получать мощные сигналы на выходе устройства.

Что же необходимо для работы усилительного устройства? Рассмотрим простой пример. Водитель автомобиля давит на педаль газа, и чем большее усилие он прикладывает к маленькой педали, тем быстрее едет большой и тяжелый автомобиль. Однако всем известно, что автомобиль двигает не слабый водитель, а мощный двигатель. Т.е. педаль — это лишь средство воздействия на двигатель, который и выполняет всю работу. На таком же принципе основано действие и усилителей электрических сигналов. В них создается отдельный мощный сигнал, который и попадает на выход усилителя, а слабый входной сигнал лишь воздействует на этот мощный сигнал, заставляя его изменяться по тому же закону.

Как уже говорилось, в полупроводниках могут существовать потоки электрических зарядов. Если такой поток протекает от одного электрода полупроводникового прибора к другому, то между этими двумя электродами возникает электрический ток, абсолютная величина которого пропорциональна мощности потока (количеству перемещаемых за единицу времени зарядов). Очевидно, что при определенных условиях с помощью мощного внешнего источника питания мы можем создавать в полупроводниковых структурах самые разнообразные потоки зарядов. Вопрос, однако, заключается в том, как обеспечить воздействие на эти потоки слабого сигнала, который мы хотим усилить. Вернемся теперь к рассмотрению биполярного транзистора.

На рис. 1.2 показана схема, в которой на выводы эмиттера и коллектора транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа подано достаточно большое напряжение от внешнего мощного источника питания плюсом к коллектору и минусом к эмиттеру. Если бы между эмиттерной и коллекторной \(n\)-областями транзистора не было тонкой базовой прослойки с проводимостью \(p\)-типа, то очевидно, что в полупроводнике возник бы мощный поток электронов от эмиттера к коллектору.

 

Рис. 1.2. Схема подачи напряжений на биполярный транзистор n-p-n-типа для обеспечения режима усиления

 

Однако на практике даже весьма тонкой базовой прослойки оказывается достаточно, чтобы предотвратить это явление. Все изменяется, если мы приложим к базе транзистора некоторое незначительное по величине и положительное относительно эмиттера напряжение (рис. 1.2). При этом эмиттерный p-n-переход транзистора оказывается под напряжением, соответствующим его проводящему состоянию, и в \(p\)-\(n\)-структуре эмиттер—база образуется поток электронов в том же направлении, в котором он мог бы возникнуть при отсутствии базовой области. Электроны, достигая базовой области, по логике должны уходить в базовый электрод, обеспечивая прохождение тока в цепи база—эмиттер транзистора, но на практике происходит другое. Подгоняемые большим напряжением, приложенным между коллектором и эмиттером, электроны быстро пролетают через узкую базовую область и уходят к коллекторному электроду, т.е. возникает тот самый мощный поток зарядов между эмиттером и коллектором, который мы не могли получить ранее. Только крайне незначительная часть электронов попадает в базовый электрод. Таким образом, мы имеем слабый ток в цепи эмиттер—база и сильный ток в цепи эмиттер—коллектор (напомним, что направление электрического тока считается противоположным направлению движения отрицательных зарядов, в нашем случае — электронов). Повышая напряжение на базе транзистора, мы будем наращивать мощность потока электронов, при этом токи в цепях будут расти соответственно.

Итак, оказывается, что в биполярном транзисторе можно создать сильный электрический ток в цепи «коллектор — эмиттер — внешний мощный источник питания» при достаточно слабом токе в цепи «база — эмиттер — маломощный источник сигнала». Причем данное слабое воздействие на базу оказывает управляющее действие на ток в коллекторно-эмиттерной цепи. Если далее в коллекторную или эмиттерную цепь транзистора (рис. 1.2) включить некоторое сопротивление (нагрузку), то окажется, что ток и напряжение на нем повторяют форму входного сигнала на базе транзистора, но мощность, подаваемая на него, гораздо выше мощности входного сигнала, т.е. происходит усиление.

Мы описали работу биполярного транзистора \(n\)-\(p\)-\(n\)-типа. Для приборов \(p\)-\(n\)-\(p\)-типа все выглядит совершенно аналогично. Только здесь мы должны рассматривать не потоки электронов, а потоки положительных зарядов — дырок. При этом полярности всех внешних напряжений меняются на обратные. Других отличий нет.

 

 

< Предыдущая   Следующая >

www.club155.ru

Усилитель постоянного тока на кт315.

 На рисунке 1 представлена схема инвертирующего усилителя постоянного тока, транзистор включен по схеме с общим эмиттером:

Рисунок 1 — Схема усилителя постоянного тока на КТ315Б.

Рассмотрим расчёт элементов схемы. Допустим схема питается от источника с напряжением 5В (это может быть например сетевой адаптер), выберем ток коллектора Iк транзистора VT1 таким чтобы он не превышал предельно допустимого тока для выбранного транзистора (для КТ315Б максимальный ток коллектора Ikmax=100мА). Выберем Iк=5мА. Для расчёта сопротивления резистора Rк поделим напряжение питания Uп на ток коллектора:

Если сопротивление не попадает в стандартный ряд сопротивлений то нужно подобрать ближайшее значение и пересчитать ток коллектора. 
(Подробнее о выборе Rк)

На семействе выходных вольт амперных характеристик построим нагрузочную прямую по точкам Uп и Iк (показана красным цветом). На нагрузочной прямой выберем рабочую точку (показана синим цветом) по середине.

Рисунок 2 — Выходные ВАХ, нагрузочная прямая и рабочая точка

На рисунке 2 рабочая точка не попадает ни на одну из имеющихся характеристик но находится чуть ниже характеристики для тока базы Iб=0.05мА поэтому ток базы выберем чуть меньше например Iб=0.03мА. По выбранному току базы Iб и входной характеристике для температуры 25Сo и напряжения Uкэ=0 найдём напряжение Uбэ:

Рисунок 3 — Входная характеристика транзистора для выбора напряжения Uбэ


Для тока базы Iб=0.03мА найдем напряжение Uбэ но выберем чуть больше так как Uкэ>0 и характеристика будет располагаться правее, например выберем Uбэ=0.8В. Далее выберем ток резистора Rд1, этот ток должен быть больше тока базы но не настолько большим чтобы в нем терялась большая часть мощности, выберем этот ток в три раза большим чем ток базы:
   По первому закону Кирхгофа найдем ток резистора Rд2:

Обозначим на схеме найденные токи и напряжения:

Рисунок 4 — Схема усилителя с найденными токами ветвей и напряжениями узлов

Рассчитаем сопротивление резистора Rд1 и подберем ближайшее его значение из стандартного ряда сопротивлений:
Рассчитаем сопротивление резистора Rд2 и подберем ближайшее его значение из стандартного ряда сопротивлений:
Обозначим сопротивления резисторов на схеме:

Рисунок 5 — Усилитель постоянного тока на КТ315Б.

  Так как расчёт приближённый может потребоваться подбор элементов после сборки схемы и проверки напряжения на выходе, элементы Rд1 и/или Rд2 в этом случае нужно подобрать так чтобы напряжение на выходе было близко к выбранному напряжению Uбэ.

   Для усиления переменного тока на вход и на выход надо поставить конденсаторы для пропускания только переменной составляющей усиливаемого сигнала так как постоянная составляющая изменяет режим работы транзистора. Конденсаторы на входе и выходе не должны создавать большого сопротивления для протекания переменного тока. Для термостабилизации в цепь эмиттера можно поставить резистор с небольшим сопротивлением и параллельно ему конденсатор для ослабления обратной связи по переменному току. Резистор в цепи эмиттера наряду с резисторами делителя будет задавать режим работы транзистора. 

На фотографии ниже собранный по схеме на рисунке 2 усилитель:

  

   На вход усилителя не подано напряжение, вольтметр подключенный к выходу показывает 2.6В что близко к выбранному значению. Если подать на вход напряжение прямой полярности (такой как на рисунке 5) то напряжение на выходе уменьшится (усилитель инвертирует сигнал):
Если подать на вход напряжение обратной полярности то напряжение на выходе увеличится но не больше напряжения питания:
Уменьшение напряжения на входе, при подключении ко входу источника, меньше чем увеличение напряжения на выходе что говорит о том что происходит усиление входного сигнала с инверсией. Схема с общим эмиттером производит большее усиление по мощности чем схемы с общей базой и общим эмиттером но она, в отличии от двух других, производит инверсию сигнала. Если необходимо произвести усиление по мощности постоянного тока без инверсии то каскадно можно соединить две схемы на рисунке 5 но при этом необходимо учесть что первый каскад будет изменять режим работы транзистора второго каскада поэтому сопротивления резисторов во втором каскаде необходимо будет подобрать так чтобы это изменение было как можно меньше. Также при каскадном соединении увеличится коэффициент усиления всего усилителя (он будет равен произведению коэффициента усиления первого каскада на коэффициент усиления второго).

electe.blogspot.com