8-900-374-94-44
2.1.1. Полярность питающего напряжения
В отечественной литературе по электронике часто приводятся электрические схемы из зарубежных источников в оригинальном исполнении, без учета требований ЕСКД. И если с графическими и буквенными обозначениями электрорадиоэлементов начинающий радиолюбитель еще может разобраться, то определение полярности питающего напряжения вызывает определенную трудность. Этот вопрос особенно актуален, когда осуществляется питание от двуполярного источника и на схеме имеется обозначение как VСС, так и VSS. Неопытного любителя такая ситуация может завести в тупик. В такой ситуации надо четко запомнить: для питания схем с полупроводниковыми элементами n-p-n типа используется положительное напряжение +UCC (в иностранных источниках VСС), а для схем с элементами p-n-р типа — отрицательное напряжение — 
2.1.2. Делитель напряжения
Часто возникает необходимость рассчитать схему делителя напряжения, один из резисторов которой является переменным. Такая задача появляется, когда требуется получить опорное напряжение для операционного усилителя с относительно точной регулировкой в узком диапазоне. В этом случае полезно задать ток, потребляемый делителем. Данный параметр часто важен и сам по себе, особенно когда схема работает от батарейки и желательно обеспечить минимальную потребляемую мощность.
На рис. 2.1 представлен делитель с тремя резисторами, один из которых является потенциометром. Допустим, необходимо получить регулятор напряжения от 1,5 до 2,5 В.
Рис. 2.1. Делитель напряжения
Вначале зададим максимальный ток, который будет протекать по делителю, равным 500 мкА при напряжении питания 5 В. Отсюда сразу можно определить номинал потенциометра.
2.1.3. Дифференцирующая цепочка
Дифференцирующая цепочка широко применяется в самых разнообразных схемах. Она используется, в частности, для генерации коротких импульсов, синхронизованных с фронтом прямоугольного сигнала, которые служат, например, для запуска симистора. Положительные и отрицательные перепады напряжения, поступающие на дифференцирующую цепочку, преобразовываются в импульсы различной полярности, которые при необходимости легко разделить (рис. 2.2). Параметры резистора и конденсатора выбирают с учетом нужной длительности выходных импульсов
Рис. 2.2. Дифференцирующая цепочка
2.
1.4. Интегрирующая цепочка
Интегрирующая цепочка весьма важна для практики электронных схем. Одна из ее функций заключается в преобразовании частоты импульсной последовательности в постоянное напряжение, уровень которого пропорционален частоте. Для получения такого соотношения длительность импульсов не должна зависеть от частоты следования. В простейшем случае интегрирующая цепочка содержит только два компонента: резистор и конденсатор (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Интегрирующая цепочка
Их номиналы выбираются в зависимости от минимальной частоты сигнала. Обычно задают такое произведение RC, чтобы оно было не меньше максимального периода следования импульсов. Например, цепочка 10 кОм/1 нФ вполне подойдет для частоты сигнала, превышающей 100 кГц. Если взять более низкое значение RC, на постоянное выходное напряжение будут накладываться заметные колебания пилообразной формы, искажающие преобразованный сигнал.
2.1.5. Подавитель дребезга контактов
Часто бывает так, что при нажатии на кнопку замыкание ее контактов происходит несколько раз из-за так называемого дребезга. В цифровых схемах это приводит к неправильной работе устройства. Устранить этот недостаток способна простая схема, использующая RS-триггер (рис. 2.4), например К555ТР2. Такой компонент может служить полезным дополнением к кнопочному выключателю, расположенному на лицевой панели.
Рис. 2.4. Подавитель дребезга контактов
2.1.6. Частотные фильтры
На рис. 2.5 приведено несколько классических схем пассивных и активных фильтров низких и высоких частот. Они используются в разнообразных устройствах, начиная с НЧ усилителей и заканчивая цифро-аналоговыми преобразователями. На каждой схеме указаны формулы для вычисления частоты среза фильтра FС.
Рис. 2.5. Простые схемы ФНЧ (а, б, в) и ФВЧ (г, д, е)
Приведенные схемы справедливы для операционных усилителей, которые питаются однополярным отрицательным напряжением. При этом напряжения на входах и выходах отсчитываются относительно общей точки источника питания. Для схем с двуполярным питанием можно создать искусственную точку опорного уровня. В устройствах, работающих на частотах ниже 100 кГц, можно использовать операционный усилитель любого типа.
2.1.7. Удвоитель напряжения
Удвоитель напряжения (в общем случае умножитель напряжения) представляет собой определенное соединение диодов и конденсаторов. Этот принцип построения давно используется для получения очень высоких напряжений, например, в телевизорах или в устройствах для ионизации газа. Небольшая схема, представленная на рис.
2.6, применяется для получения постоянного напряжения, приблизительно вдвое превышающего напряжение на входе.
Для работы схемы необходим сигнал прямоугольной формы низкой частоты. В данной схеме используются только положительные импульсы, что отличает ее от классических удвоителей, работающих от сети или от синусоидального напряжения, снимаемого с вторичной обмотки трансформатора.
2.1.8. Каскады с открытым коллектором
В литературе по электронике и технической документации часто встречается термин «открытый коллектор». Он связан с транзисторными каскадами и интегральными схемами. Примерами могут служить логические ИС семейства ТТЛ или другие схемы, предназначенные для обеспечения питания, стабилизации или усиления. В такой конфигурации транзистор n-p-n или p-n-р типа включен по схеме с общим эмиттером, а его коллектор остается свободным для использования разработчиком устройства (рис.
Выше уже описывалось одно из преимуществ этой концепции — возможность параллельного соединения нескольких идентичных схем. Выходы элементов с открытым коллектором соединяются, на этом основано построение логических устройств с тремя состояниями.
Рис. 2.7. Схемы с открытым коллектором
Другой классический пример применения таких элементов — это согласование по уровню двух схем, работающих при разных напряжениях питания. В любом случае на выходе каскада с открытым коллектором должен быть включен резистор, соединенный с источником напряжения +UCC или — UCC (для транзисторов типа n-p-n или p-n-р соответственно). Он фактически выполняет функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора. При параллельном включении двух или более каскадов достаточно будет одного общего резистора (рис. 2.7в). Его номинал определяется в зависимости от токов, которые должны протекать по коллекторным цепям транзисторов.
2.1.9. Двухтактный каскад
Двухтактный каскад — это каскад на двух транзисторах, обычно используемый на выходе быстродействующих цифровых устройств. Кроме того, он входит в состав многих управляющих схем на МОП транзисторах. Двухтактный каскад включают также на выходе большинства генераторов синусоидального напряжения, работающих на низкоомную нагрузку (обычно 50 Ом). Его применение обеспечивает улучшение согласования генератора с нагрузкой. Базовая схема проста (рис. 2.8а): у двух комплементарных транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором, соединены эмиттеры и базы. Транзистор n-p-n типа присоединен к положительному полюсу источника питания, а транзистор p-n-р типа — к отрицательному. Транзисторы открываются поочередно, и напряжение на выходе практически повторяет по форме входной сигнал.
Двухтактный каскад обладает одним недостатком: он не может полностью воспроизвести сигнал, который в отрицательный полупериод опускается до нуля.
В таком случае перепад напряжения на выходе оказывается меньше, чем на входе, из-за конечного остаточного напряжения на открытом транзисторе. Этот недостаток не играет никакой роли, когда каскад используется для управления схемой на МОП транзисторах, но важен для выходных каскадов. С целью устранения описанной проблемы необходимо обеспечить симметричное питание двухтактного каскада, то есть применить дополнительный источник отрицательного напряжения (рис. 2.8б).
Рис. 2.8.
2.1.10. Компаратор на транзисторе
Для сравнения двух напряжений не обязательно обращаться к операционному усилителю. С подобной задачей вполне может справиться простая и дешевая схема компаратора на транзисторе, которая представлена на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Компаратор на транзисторе
Транзистор p-n-р типа сравнивает опорное напряжение на эмиттере с частью контролируемого напряжения, поданной на базу через резистивный делитель R1R2.
Когда напряжение на базе падает ниже опорного, транзистор открывается и выход компаратора (коллектор транзистора) переходит в состояние с высоким потенциалом. Такая схема может использоваться, например, для контроля напряжения батареи питания.
2.1.11. Гистерезис в электронике
Термин «гистерезис» происходит от греческого слова «запаздывание» и означает появление задержки в развитии одного физического явления по отношению к другому. Гистерезис играет большую роль в технике и, в частности, в электронике. Он проявляется каждый раз, когда выполняется операция сравнения двух величин с некоторой точностью.
Суть данного явления можно пояснить на примере работы термостата независимо от наличия или отсутствия электронного регулятора. Рассмотрим термостат, настроенный на поддержание температуры 20 °C с помощью электрического нагревателя. Если бы управляющая нагревателем биметаллическая пластина, деформирующаяся при изменении температуры, не обладала гистерезисом, нагреватель включался бы и выключался очень часто, что приведет к быстрому износу контактов.
В действительности регулятор включается при 19 °C, а выключается примерно при 21 °C. При этом механическая инерционность биметаллической пластины и тепловая инерционность нагревателя порождают явление гистерезиса, переключение режимов происходит с небольшой частотой, а температура в термостате колеблется в некотором интервале вблизи заданного значения (рис. 2.10а).
Рис. 2.10. Схема реализации гистерезиса
В электронике все процессы развиваются гораздо быстрее, и нередко приходится искусственно создавать задержку для снижения частоты переключения. В качестве примера на рис. 2.10б приведена схема компаратора на базе операционного усилителя.
Устройство сравнивает регулируемое напряжение Uвх с опорным Uoп, которое задается с помощью батарейки. Результат сравнения выводится на светодиодный индикатор. Чтобы усилить проявление гистерезиса и снизить частоту мигания индикатора, используют резистор, через который часть выходного сигнала передается на вход операционного усилителя.
При этом снижается коэффициент усиления каскада и задерживается включение и выключение индикатора.
В электронных приборах часто можно встретить различные интегральные микросхемы. Одной из них является компаратор. Его применение очень обширно: начиная от сигнализационных датчиков и заканчивая промышленной и автомобильной электроникой. Зная, как работает компаратор, можно самостоятельно собрать различные интересные схемы, например, зарядное устройство, индикаторный узел или даже генератор.
Несмотря на кажущуюся простоту, компаратор — куда более интересное устройство, чем может показаться на первый взгляд.
В электронике им называют логическую микросхему, предназначенную для сравнения между собой двух электрических сигналов, подающихся на его вход. В зависимости от результатов этого измерения изменяется режим работы прибора.
Термин «компаратор» произошёл от латинского слова «comparare», что дословно переводится на русский язык как сравнивать. Конструктивно устройство может выпускаться в различных корпусах, например, DIP, SOIC, SSOP. Простейшего вида сравнивающий элемент имеет два аналоговых входа и один цифровой выход. В основе его работы лежит дифференциальный каскад, имеющий высокий коэффициент усиления. Поэтому компараторы широко используются в оборудовании, предназначенном для измерения или преобразования аналогового сигнала в цифровой (АЦП).
На схемах и в технической литературе графически устройство обозначается в виде равнобедренного треугольника с тремя выводами. С одной стороны выводы подписываются знаками «+» и «—», соответственно обозначающими неинвертирующий вход и инвертирующий, а с другой — изображается выход, который маркируется символом Uout.
Когда на прямом входе («+») микросхемы уровень сигнала будет больше, чем на инверсном («—»), то на её выходе образуется устойчивое значение. В зависимости от схемотехнического решения компаратора это значение может принимать вид логического ноля или единицы. В цифровой электронике за единицу считается сигнал, уровень напряжения которого составляет пять вольт, а за ноль принимается его отсутствие. То есть состояние выхода устройства определяется как высокое или низкое. Но на практике же за логический ноль принимается значение разности потенциалов до 2,7 В.
Один из входных сигналов, подаваемых на прибор, называется опорным или пороговым напряжением. Именно с этим значением и сравнивается величина сигнала на втором входе. Опорное напряжение может подаваться как на инверсный, так и прямой вход. В зависимости от этого компараторы называются инвертирующими или неинвертирующими.
Когда прибор работает с одним опорным напряжением, его называют однопороговым, а если с разным — многовходовым.
По сути, устройство можно рассматривать как простой вольтметр или АЦП. Компаратор, как и любой электронный прибор, имеет ряд технических характеристик, которые можно разделить на два вида: статические и динамические.
К статическим параметрам относятся следующие характеристики:
Важной же динамической характеристикой является время переключения tn. Она определяется интервалом времени от начала сравнения входного сигнала до момента, при котором на выходе компаратора наступает противоположное устойчивое состояние. Это время определяется при одном значении порогового напряжения и его скачке на противоположном входе. Этот интервал времени разделяется на две части — задержки и нарастания.
Все значимые параметры компаратора представляются в виде переходной характеристики.
Это график в декартовой плоской системе координат, в которой по оси Х указывается время в наносекундах, а Y — входное и выходное напряжение в вольтах.
Схемотехника устройства построена на базе дифференциального операционника с довольно большим коэффициентом усиления. Её различия с простым линейным усилителем заключаются в выполнении входного и выходного каскада.
Вход устройства выдерживает сигнал в широком диапазоне до значений источника питания и полный интервал синфазных напряжений. Выход компаратора совместим с технологиями ТТЛ и ЭСЛ из-за возможности выполнения этого каскада на транзисторе с открытым коллектором. При работе устройства не используется отрицательная обратная связь как в операционном усилителе, а, наоборот, выход охватывается положительной связью, формирующей гистерезисную передаточную характеристику.
Двухпороговый компаратор называется триггером Шмита или троичным.
Для сравнения в нём используется два напряжения. Сигналы в двоичном компараторе разделяются на три диапазона:
Uref — напряжение нижнего и верхнего порогов переключения, Uout — уровень выходного сигнала, Uin — напряжение на входе прибора.
Внутренняя схема устройства представляет собой усилитель, собранный на транзисторах VT1-VT2, который нагружен каскадом VT5-VT6, включённым по схеме с общим эмиттером. Через дополнительный ключ VT4 происходит управление коллекторным режимом работы входного сигнала. А через транзистор VT7, работающий в диодном режиме, контролируется уровень сигнала на VT8, что позволяет добиваться его независимости от изменений напряжения питания. Ключи VT5 и VT6 соединяются со стабилитроном VD1. Поэтому через повторитель VT8 входной сигнал поступает на выход с коллекторного вывода VT6.
Если входной сигнал не превышает один вольт, то транзистор VT6 закрыт, а VT5 находится в режиме насыщения. Выходной сигнал не сможет превысить четырёх вольт, так как при большей величине откроется диод. При обратном знаке VT6 насытится, и напряжение на выходе станет равным нулю. В современных устройствах используется стробирующий выход или триггеры-защелки, то есть элементы, контролирующие выход компаратора при обнаружении синхроимпульса. Результаты сравнения могут появляться в двух видах: во время строба или в паузах между импульсами.
На практике компараторы напряжения нашли широкое применение в радиоэлектронных схемах различного направления. В радиомагазинах можно встретить довольно большое количество различных микросхем. Но наиболее часто используемыми микросхемами среди радиолюбителей являются:
Они доступны в продаже, а их стоимость более чем демократична. Такие компараторы отличаются широким диапазоном входного напряжения и могут работать при однополярном и двуполярном питании.
К выходу устройства может подключаться любая нагрузка с током потребления, обычно не превышающим 50 мА. Это может быть реле, резистор, светодиод, оптрон или любые исполнительные устройства, но с ограничивающими ток элементами. А также возможно подключить и индуктивную нагрузку, но она обычно в этом случае шунтируется диодами. Для работы устройства применяются источники питания с выходным напряжение 5−36 вольт.
Такое реле собирается навесным монтажом. Его можно использовать в охранной системе или для контроля уровня освещённости. Работа схемы заключается в следующем. Входное напряжение поступает на делитель, состоящий из R1 и фотодиода VD3. Их общая точка соединения через ограничительные диоды VD1 и VD2 подключается к входам компаратора DA1.
В результате этого разница потенциалов на входе устройства отсутствует, а значит, и чувствительность прибора максимальная.
Для того чтобы сигнал на выходе инвертировался, понадобится создать разницу на входе всего в один милливольт. Из-за того, что к инверсному входу подключён конденсатор С1 и резистор R1, величина напряжения на нём будет возрастать с небольшой задержкой, равной времени заряда конденсатора.
Но этого времени хватит, чтобы на выходе появилась логическая единица, которая перестроит режим работы реле подключённого в качестве нагрузки. Как только освещение опять поменяется, ситуация повторится. Таким образом, направив фотореле на какое-то место, в случае изменения его освещённости на входах компаратора появится разность напряжения. Соответственно будет изменяться и работа реле, к которому может подключаться различного рода нагрузка.
Выполненный блок питания из исправных элементов начинает работать сразу.
Его настройки сводятся лишь к установке номинального тока заряда и порогов срабатывания компаратора. При включении устройства загорается зелёный светодиод, обозначающий подачу питания. Во время зарядки должен же постоянно светиться красный светодиод, который потухнет, как только аккумулятор зарядится.
Подаваемое напряжение от блока питания регулируется R2, а ток зарядки выставляется R4. Настройка происходит с помощью резистора на 150 Ом, включающегося параллельно контактам держателя батарейки. Сам аккумулятор в него не ставится. Транзистор VT1 устанавливается на радиатор, вместо него можно использовать аналог КТ814Б.
Такую схему придётся собирать на печатной плате, но в итоге её размер не должен превысить 50 х 50 мм.
Можно собрать схему попроще, используя принцип работы стабилизатора тока. Подача опорного напряжения на вход LM358 происходит через стабилитрон. Второй вход микросхемы подключается после датчика тока. Если к выходу компаратора подключить разряженный аккумулятор, то в цепи начнёт возрастать ток, а часть напряжения упадёт на низкоомном резисторе.
Между двумя входами микросхемы возникнет разность напряжения. Схема начнёт компенсировать это различие, увеличивая силу тока на выходе. В процессе заряда аккумулятора напряжение на входе начнёт уменьшаться, что приведёт к снижению тока в цепи. Как только батарея зарядится, транзистор VT1 закроется и нагрузка отключится. Ток заряда же ограничивается с помощью изменения сопротивления R1.
Такой генератор прямоугольных импульсов, собранный по схеме на отечественном компараторе K544C3, работает на тактовой частоте 32768 Гц. Схема будет работоспособной в диапазоне входного напряжения от 7 до 11 вольт. Частота задаётся кварцем ZQ1, но для работы устройства свыше 50 кГц понадобится уменьшить сопротивление R5 и R6.
При замыкании второго вывода с нулевым проводом выход компаратора оказывается включённым по схеме с открытым коллектором, в которой R7 является нагрузкой. Подстройка частоты выполняется с помощью C1.
За счёт резистора R4 происходит автозапуск генератора. Изменяя сопротивление R2, меняется скважность импульсов.
Подбирая ёмкости С1 и С2, генератор можно использовать как бесконтактный датчик жидкости. В качестве детектора для этого понадобится использовать микроконтроллер с программным обеспечением. Хотя можно применить и ещё один компаратор, который будет регистрировать изменения, выпрямленного диодами напряжения.
Таким образом, компаратор напряжения предназначен для сравнения уровней сигналов на своих входах. Если они начинают различаться, то в зависимости от этой разности выход устройства изменяет своё состояние. Этим их свойством и пользуются разработчики, конструируя различные электроприборы.
Схема представляет собой компаратор и может быть весьма полезной более или менее, как показано на рисунке.
Я использовал схему, практически такую же, как и в производственном оборудовании, чтобы выполнить требование, которое было трудно выполнить легко и дешево другими средствами.
Есть несколько способов взглянуть на схему. Схеме все равно, с какой стороны вы на нее смотрите, но та или иная визуализация может помочь вашему пониманию.
Это известно как «длиннохвостая пара», но в этом случае «хвост» не очень длинный в первоначальном смысле. В идеальном варианте этой схемы ветвь Re является источником постоянного тока, всегда потребляющего ток Ie.
Вызывной левый транзистор Q1 и правый транзистор Q2
Базовые напряжения вызывного сигнала Vi1 и Vi2 ИЛИ Vil и Vir
Напряжения коллектора вызывного сигнала Vcl / Vcr или Vc1/Vc2
теперь предположим, что комбинация Ie, Re и Vee образует идеальный источник постоянного тока Ie — это предположение может быть изменено позже, если это необходимо, — но упрощает отслеживание работы на начальном этапе, и во многих реальных случаях предположение является «хорошим». достаточно RC1 = RC2 в большинстве случаев. На самом деле возникает особый и полезный случай, когда RC1 существенно отличается от RC2, НО для базового дифференциального усилителя предполагается, что они равны.
Если «почти равны» с различиями из-за производственных допусков, это ВСЕ ЕЩЕ работает, но с неидеальностью. Предположим, что сейчас идентичны.
В идеале Q1 и Q2 совпадают по характеристикам, но для многих целей они могут быть просто двумя одинаковыми. Предположим, что транзисторы согласованы для начала. Это также может быть пересмотрено и НЕ обязательно.
В большинстве случаев Ie и Rc расположены так, что транзисторы не насыщаются, когда оба имеют примерно одинаковый ток — даже это не сложно и быстро, НО начните с этого.
Операция:
(1) Версия 1:
Представьте, что Vb1 = Vb1 и > Re так, что ток Ie делится на 2 поровну (поскольку транзисторы согласованы) и Ie/2 течет в каждом транзисторе.
Vc1 = Vc2, так как сопротивление и ток равны.
Теперь немного увеличьте Vb1. Q1 набирает еще ток, скажем, dIe.
Но так как общий ток постоянен, Q2 должен уменьшить ток на dIe.
Vc1 упадет на dIe x Rc1, а Vc2 вырастет на такую же величину.
На практике внутреннее сопротивление эмиттера Q1 падает с увеличением тока (Re ~= 26/Ima), и этот эффект увеличивает коэффициент усиления по току Q1 и уменьшает коэффициент усиления Q2 и увеличивает разность напряжений, НО это не нужно учитывать во внимание непосредственно для понимания работы (хотя следующий абзац тесно связан).
Если бы действие транзистора было линейным с Ie ~+ Ic, пропорциональным Vbe, то медленно увеличивающееся базовое напряжение на Q1 привело бы к линейному увеличению Iq1 и уменьшению Iq2. Тем не менее, Ic экспоненциально увеличивается с Vbe, не углубляясь в модели транзисторов, как утверждает стандартная модель.
Из Википедии — Биполярный переходной транзистор
По сути, это можно свести к тому, что Ic пропорционален Vbe (как указано выше) плюс константа, основанная на других «факторах», которые здесь не имеют значения. (Одной из «постоянных» является температура, которая имеет большое значение в реальном мире, но здесь ею можно пренебречь.
)
Результатом этого является то, что при небольшом увеличении Vb1 по сравнению с Vb2 Ic1 изменяется экспоненциально, уменьшая ток, протекающий через Q2, и, таким образом, вызывая понижение Vc1 и повышение Vc2.
Подставьте изменения для типичных напряжений и токов в приведенное выше уравнение, и вы сможете построить график коэффициента усиления и размаха напряжения.
Для значительного увеличения Vb1, скажем, на десятые доли вольта. Можно легко сделать так, чтобы Q1 насыщался, поскольку Ib_Q1 x beta_q1 > Ie. На этом этапе Q1 принимает на себя весь ток, Q1 резко включается, Q2 выключается, а Vc2 повышается до Vcc. Можно получить удивительно эффективный компаратор.
Если Re/Ie не является источником тока, то увеличение Vb1 увеличивает I_Q1, поэтому V_RE возрастает из-за увеличения тока. Это уменьшает Vbe Q2, поскольку Vb2 остается постоянным, а Ve увеличивается, поэтому доля тока колеблется в сторону Q1, а Reinternal Q1 падает, а Reinternal Q2 возрастает (что является частью другого взгляда на экспоненциальное отношение VBe/Ic), и дифференциальное действие все еще происходит.
Можно (легко) сказать больше, но на сегодня хватит.
(2) Версия 2.
Q1 — эмиттерный повторитель.
RC1 не имеет строгого значения, за исключением того, что он помогает поддерживать соответствие характеристик транзисторов.
Когда Vb1 = Vb2, падение напряжения
«вниз от Q1b до Q1e соответствует шагу вверх от Q2e до Q2b.
Поскольку Q1 является эмиттерным повторителем, он будет управлять Ve с Ve = Vb1 — Vbe1.
Увеличение Vb1 повышает Ve на ту же величину (если Vbea остается постоянным( что является достаточно хорошей аппроксимацией для небольшого увеличения Vb1)).0005
Q2 — это усилитель с общей базой, база которого находится на уровне Vb2, а входное напряжение = Ve.
Изменения Ve, вызванные изменениями в работе эмиттерного повторителя Q1, усиливаются в режиме общей базы. (На самом деле это то же самое, что и режим с общим эмиттером, но вы как бы стоите в другом месте, чтобы смотреть).
Некоторые игры с приведенным выше уравнением для транзистора и подстановка константы Больцмана (k выше) приводят к поразительному для многих результату: усиление Q2 = 38,4 x (Vcc-Vc2)
, т.е. коэффициент усиления равен 38,4-кратному падению на резисторе коллектора. Поскольку мы изменяем Ve, скажем, на 0,1 В, тогда, если начальное значение V_RC2 = скажем, 5 В постоянного тока, тогда Vc2 изменится на 38,4 x 5 В x 0,1 В, изменение входа = 19,2 В.
ЕСЛИ питание составляет 10 В, то изменение напряжения на 19 В не может произойти, и Q2 выключится, а Q1 полностью включится с изменением напряжения Vb1 менее чем на 0,1 В.
Этот реальный результат настолько противоречит здравому смыслу, и то, что большинство людей думают, что они знают о транзисторах, может быть хорошей идеей надеть костюмы пламени сейчас :-).
Работает ли это:
Я хотел измерить скорость вращения ротора велотренажера, который использовал в качестве нагрузки трехфазный генератор переменного тока, используя только сигналы генератора.
Это сэкономило клиенту стоимость геркона или датчика Холла, проводки и подключения. Небольшой, но стоящий, ЕСЛИ бы это можно было сделать очень дешево. Я использовал соединения с 2 фазными обмотками. (Использование только одного оказалось нежизнеспособным).
Я использовал 2 транзистора BC337 с 1M (AFAIR — около 14 лет назад) на каждую базу и, возможно, 1k, поскольку Re и RC = ? (1k, 10k?) Cct можно выкопать при необходимости.
Я подал до 200 В переменного тока от двух фаз генератора переменного тока (двухфазный велотренажер) с резистивной нагрузкой ШИМ 20 кГц. Частоту генератора я забыл, но, вероятно, сотни Гц в зависимости от скорости вращения педалей пользователем. Достаточно сказать, что переменное напряжение и частота, переменная нагрузка, ШИМ 20 кГц, насыщающие пластины по мере увеличения скорости, изменение синусоидальной формы волны на трапециевидную и многое другое сделали вход «немного беспорядочным». Из этого с минимальной фильтрацией «длиннохвостая пара» извлекла прекрасно чистый пропорциональный сигнал скорости вращения ротора.
Транзисторы не были согласованы, а базы не имели резисторов для заземления — 2 x 1M действовали как источники тока, и каждый транзистор, в свою очередь, получал меньше или больше энергии.
Это был крайний случай, но схема пригодится и в другом месте. Различные неидеальности, о которых я упоминал выше, имеют тенденцию проявляться в основном как входное напряжение смещения — одна база будет иметь более высокое напряжение, чем другая, когда система находится «в равновесии». Если это терпимо, а так бывает часто, результат может быть превосходным.
Пара с длинными хвостами гораздо ближе к операционному усилителю, чем почти что-либо еще, что можно сделать дешево и легко без ИС.
Почти волшебство :-).
«Гиперфизика» Transistor Operation
Как рассчитать ток коллектора транзистора
Рассказ ниже я взял из своего ответа на похожий любопытный вопрос и немного отредактировал.
..
1. Вход база-эмиттер. Единственный способ управлять транзистором — это подать входное напряжение (около нескольких сотен милливольт) на его переход база-эмиттер. По какой-то причине чаще всего мы представляем это напряжение как небольшую разницу между двумя относительно высокими несимметричными (относительно земли) напряжениями. Таким образом, переход база-эмиттер является плавающим, и у нас есть несколько способов управления транзистором.
Чтобы исследовать их в лаборатории, мои студенты монтируют универсальную схемную установку — рис. 1, где два входных напряжения «производятся» потенциометрами 1 кОм… а ток коллектора визуализируется светодиодом. Двигая ползунки потенциометра, создается ощущение, что база и эмиттер (напряжения) «двигаются» вверх-вниз.
Рис. 1. Установка для исследования различных транзисторных каскадов на доске (Vcc = 12 В). Напряжения визуализируются в виде полос (красного цвета) пропорциональной высоты; токовые пути визуализируются петлями (токи делителя — зеленым цветом, ток базы — синим цветом и ток коллектора — фиолетовым) с пропорциональной толщиной.
Предлагаю вам смонтировать схему на макетной плате — рис. 2, и воспроизвести следующие эксперименты. Предпочтительно использовать (геометрически и электрически) линейные потенциометры. Если у вас есть еще два мультиметра (вольтметра), кроме V1 и V2, вы можете подключить их параллельно к Rc и к выходу OUT (Vc). Конечно, вы также можете вставить амперметр(ы).
Рис. 2. Установка для исследования различных транзисторных каскадов на макетной плате
2. Базовый вход. Сначала можно установить (с помощью потенциометра P2) постоянное напряжение Ve на эмиттере, а затем изменять (с помощью потенциометра P1) базовое напряжение Vb. Только следите за тем, чтобы Vb было на несколько сотен милливольт выше Ve. Вы увидите, что при увеличении V1 светодиод постепенно начинает светиться (Ic увеличивается)… VRc увеличивается… но Vout уменьшается. Название этой схемы — «каскад с общим эмиттером».
Возможно, вы заметили, что Ve немного изменяется в том же направлении, что и Vb, потому что меняется ток эмиттера, а P2 не является идеальным источником напряжения (его сопротивление Тевенина не равно нулю).
Здесь это нежелательный эффект, но позже мы воспользуемся им. Чтобы сделать Ve достаточно «жестким», подключите большой (> 1000 мкФ) «байпасный конденсатор» параллельно выходу P2 (между эмиттером и землей)… и наблюдайте за результатом, быстро покачивая ползунок P1. Как говорится, эмиттер «заземлен по переменному току».
3. Вход эмиттера. Но с таким же успехом можно установить (теперь с помощью потенциометра P1) постоянное напряжение Vb на базе и затем варьировать (с помощью потенциометра P2) напряжение эмиттера Ve. Теперь следите за тем, чтобы Ve было на несколько сотен милливольт ниже Vb. Теперь вы увидите, что при увеличении V2 светодиод постепенно начинает светиться тусклее (Ic уменьшается)… VRc уменьшается… но Vout увеличивается. Название этого устройства — «этап с общей базой».
Здесь вы можете заметить, что Vb немного меняется в том же направлении, что и Ve, потому что переход база-эмиттер передает изменения Ve… и эмиттер «тянет» базу через переход база-эмиттер.
Как и выше, чтобы сделать Vb «достаточно жестким», подключите большой «шунтирующий конденсатор» параллельно выходу P1 (между базой и землей)… и наблюдайте за результатом. Теперь база «заземлена по переменному току».
4. Вход базы и эмиттера. Если вам достаточно любопытно, продолжайте эти увлекательные эксперименты, варьируя Vb и Ve. Сначала установите такую разницу Vb — Ve, чтобы светодиод светился тусклым светом (около 650 мВ). Затем возьмитесь обеими руками за ползунки потенциометра и начните перемещать их одновременно:
…в том же направлении и с одинаковой скоростью. Очень интересно — одновременно меняются оба напряжения, но их разность Vb — Ve, Ic, VRc и Vout не меняется. Они называют это «общим режимом» и, как правило, вводят его при объяснении операционных усилителей. Но вы встретили его прямо сейчас, на транзисторных схемах. Действительно, познакомиться с ним можно было даже по мостовым схемам (так называемый «уравновешенный мост»).
…в обратном направлении с той же скоростью. Теперь одновременно изменяются оба напряжения и энергично изменяется их разность Vb — Ve, Ic, VRc и Vout. Они называют этот «дифференциальный режим» и также вводят его при описании операционных усилителей, но вы можете встретить его при исследовании мостовых схем («несбалансированный мост»). Эта схема является прототипом транзисторного дифференциального каскада OP (также известного как «дифференциальная пара» или «длиннохвостая пара»).
Интересно, что в приведенных выше схемах, когда Vb — Ve > 0,7 В, переход база-эмиттер практически соединяет (как мост) два источника входного напряжения, что может вызывать интересные эффекты. Если Vb — Ve <= 0, переход база-эмиттер обрывается и никакой связи между ними нет.
5. Базовый и буферизованный вход эмиттера. Проблема простого однотранзисторного компаратора выше заключается в том, что большой ток эмиттера протекает через источник входного напряжения, подключенный к эмиттеру.
Это график в декартовой плоской системе координат, в которой по оси Х указывается время в наносекундах, а Y — входное и выходное напряжение в вольтах.