2. Транзистор как усилитель тока. Первая модель
Рассмотрим для определенности кремниевый транзистор n-p-nтипа. Все наши рассуждения сохраняются и дляp-n-pтранзисторов, если полярности всех источников тока изменить на противоположные.
Рассмотрим схему, приведенную на рис.4. Если переключатель П разомкнут, то в соответствии с тем, что мы узнали из предыдущего раздела, измеритель тока А2ничего не покажет:IК=0. Если замкнуть П, то пойдет токIБ. Полярность источника Е1такова, что переход база-эмиттер пропускает ток. Величина этого тока может регулироваться резисторомR. При этом возникает токIК, его величина зависит отIБи значительно больше, чемIБ. Меняя величину токаIБс помощью резистораRи варьируя напряжения источников Е1и Е2, можно заметить следующее:
1. Ток в цепи коллектора возникает
только в том случае, если ток базы не
равен нулю.
2. Величина тока коллектора зависит от величины тока в цепи базы. Но чтобы этот ток возник, необходимо, чтобы напряжение источника в цепи базы превышало 0,6В.
3. Величина тока коллектора почти не зависит от напряжения источника питания в цепи коллектора.
Величина =IКIБназывается коэффициентом усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. Часто ее обозначают какh21Э. Это обозначение связано со стандартизированной системой параметров транзисторов. Более подробно это рассмотрено в общем курсе радиоэлектроники.
Величина
может лежать в
пределах от нескольких единиц до
нескольких тысяч. Ее конкретное значение
зависит прежде всего от марки транзистора,
кроме того различные транзисторы одной
и той же марки могут значительно
отличаться по величине.
Параметрзависит
от многих причин: величины тока коллектора,
температуры, времени и т.д. Поэтому
электрическая схема может считаться
хорошей только в том случае, если она
некритична к величине(естественно, в разумных пределах).
Напряжения, прикладываемые к транзистору, могут быть не любые. Для каждой конкретной марки транзистора существуют значения токов коллектора и базы IКmaxиIБmax, которые нельзя превышать, так же как и значенияUКэmaxи мощность, рассеиваемую транзистором Рmax. Превышение любого из этих параметров, а также и некоторых других, указанных в справочниках, приводит к выходу транзистора из строя.
Усилительные
свойства транзистора можно охарактеризовать
и несколько иначе. Как видно из рис.4,
ток эмиттера при такой схеме включения
состоит из суммы токов базы и коллектора
I
Коэффициентесть коэффициент усиления транзистора
в схеме с общей базой. Он иногда
обозначается какh21Б.
Действительно,
(1)
и чем ближе к 1, тем больше величина. Легко получить связь междуи
. (2)
Самая
простая схема, реализующая усилительные
свойства транзистора, аналогична реле
(рис.5). Эта схема иллюстрирует работу
транзистора в так называемом ключевом
режиме. Пусть величина напряжения Е
соответствует номинальному напряжению
используемой лампочки накаливания.
Тогда максимальный ток, который может
течь в цепи коллектора, не будет превышать
значение номинального тока лампы I НЛ.
Чтобы убедиться в этом, достаточно
мысленно замкнуть эмиттер и коллектор
транзистора между собой. Чтобы обеспечить
такой ток коллектора, достаточно, чтобы
в базе возник ток величиной больше, чемIНЛ/.
Вычислим значение R, удовлетворяющее
этому условию.
Для этого по справочнику
подберем транзистор, у которогоUКЭmaxЕ
иIКmaxIНЛ.
Определим по справочнику значениедля выбранного транзистора (в справочнике
обычно указано так:h21Э=…..
и далее указаны минимальное и максимальное
значения). Чтобы нам подошел любой
конкретный экземпляр транзистора данной
марки, мы должны ориентироваться на
самый плохой случай ‑=min.
Поэтому необходимо:IБIНЛ.
. (3)
При
этой величине резистора Rток в цепи базы достаточен для возникновения
в цепи коллектора тока, большего, чемIНЛ.
Формула (3)
ограничивает значениеRсверху, однако, на практике стараются
брать его значение как можно ближе к
вычисленному по формуле (3), ибо чем
большеR, тем меньше ток,
текущий через выключатель.
2.01. Первая модель транзистора: усилитель тока
ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ
Подразделы: Введение 2.01
Итак, начнем. Транзистор – это электронный прибор, имеющий три вывода (рис. 2.1). Различают транзисторы n-p-n и p-n-p – типа. Транзисторы n-p-n – типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p – типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):
Рис. 2.1. Условные обозначения транзистора и маленькие транзисторные модули.
1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
2. Цепи база – эмиттер и база – коллектор работают как диоды (рис. 2.2). Обычно диод база – эмиттер открыт, а диод база – коллектор смещен в обратном направлении, т.
е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него.
Рис. 2.2. Выводы транзистора с точки зрения омметра.
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями Iк, I
4. Если правила 1 – 3 соблюдены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и можно записать следующее соотношение:
Iк = h21эIб = βIб.
где h21э – коэффициент усиления по току (обозначаемый также β), обычно составляет около 100. Токи Iк и Iэ втекают в эмиттер. Замечание: коллекторный ток не связан с прямой проводимостью диода база-коллектор; этот диод смещен в обратном направлении.
Будем просто считать, что «транзистор так работает».
Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.
Запомните: параметр h21э нельзя назвать «удобным»; для различных транзисторов одного и того же типа его величина может изменяться от 50 до 250. Он зависит также от тока коллектора, напряжения между коллектором и эмиттером, и температуры. Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра h21э
Рассмотрим правило 2. Из него следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так-как если потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0.6 – 0,8 В (прямое напряжение диода), то возникнет очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжения на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: Uб ≈ Uэ + 0,6 В (Uб = Uэ + Uбэ).
Обращаем ваше внимание на то, что, как уже отмечалось, ток коллектора не связан с проводимостью диода. Дело в том, что обычно к диоду коллектор – база приложено обратное напряжение. Более того, ток коллектора очень мало зависит от напряжения на коллекторе (этот диод подобен небольшому источнику тока), в то время как прямой ток, а следовательно, и проводимость диода резко увеличиваются при увеличении приложенного напряжения.
Подразделы: Введение 2.01
Некоторые основные транзисторные схемы
Транзисторные схемы Конфигурация: усилитель тока, ограничитель, осциллятор, защелка
Содержание страницы
Введение
Вы можете построить воловью повозку, используя колеса, но для постройки автомобиля вам, безусловно, потребуется гораздо больше. Точно так же невозможно завершить сложные электронные схемы без использования полупроводниковых деталей, таких как транзисторы и интегральные схемы.
На самом деле транзисторы являются основными строительными блоками современной электроники, и даже очень сложные интегральные схемы состоят из миллионов встроенных транзисторов.
Конфигурация транзисторных цепей: …
Пожалуйста, включите JavaScript
Конфигурация транзисторных цепей: усилитель тока, ограничитель, осциллятор, защелка
Я уже обсуждал принцип работы транзисторов в одной из моих предыдущих статей.
Мы продолжим и перейдем к изучению некоторых простых транзисторных схем.
Простые конфигурации транзисторов
Существует множество различных способов подключения транзистора. Давайте изучим несколько основных конфигураций транзисторов и посмотрим, как они выполняют важные функции в электронных схемах, на следующих иллюстрациях:
**
Усилитель тока : Используя всего пару транзисторов NPN, можно построить простую схему усилителя тока. Как показано на схеме, два транзистора соединены по схеме Дарлингтона.
Ток, усиленный первым транзистором, дополнительно усиливается вторым транзистором. Таким образом, пара обеспечивает очень высокий коэффициент усиления и двойное усиление тока. Это может быть полезно в схемах, где возникает необходимость воспринимать и усиливать мельчайшие входные сигналы. Схема настолько чувствительна, что светодиод, подключенный к ее выходу, можно заставить светиться, просто коснувшись пальцем основания транзистора.
Ограничитель тока : В соответствии с данной принципиальной схемой два транзистора и резисторы могут быть соединены вместе, чтобы сформировать универсальную схему ограничения тока. Здесь любая нагрузка, подключенная к выходу, может быть защищена от больших токов. Например, если ток через светодиоды на выходе превышает установленный предел, база T1 немедленно заземляется на T2, чтобы не мог протекать опасный избыточный ток через светодиоды. Схема хорошо используется в качестве электронных ограничителей мощности, предохранителей или устройств защиты от короткого замыкания.
Генератор : Когда два транзистора и пара пассивных компонентов соединены, как показано на рисунке, схема начинает колебаться. Частоту колебаний можно изменить, изменив номинал резистора или конденсатора. Увеличив его частоту до достаточно высокого уровня, его можно использовать для управления динамиком или зуммером для создания звукового сигнала тревоги. Достаточно уменьшив его частоту, схему можно использовать для мигания светодиода в качестве предупреждающего индикатора.
Защелка : На схеме рядом показана еще одна простая, но важная конфигурация транзисторов в виде электронной защелки. Здесь, когда положительный триггер подается на базу T1, T2 получает необходимое напряжение смещения и мгновенно проводит. Положительная обратная связь также немедленно отправляется обратно с коллектора T2 на базу T1, так что теперь, даже если триггер будет удален, схема сохранит положение и останется защелкнутой.
Он используется в схемах, где требуется включить выходную нагрузку в ответ на входной импульс или триггер. Нагрузка постоянно удерживается в этом положении или защелкивается, если только она не выключена или на нее не воздействуют извне, чтобы сломать защелку.
Транзисторные схемы, рассмотренные выше, могут показаться довольно простыми, но, тем не менее, находят применение в различных электронных схемах для выполнения некоторых важных операций.
Усилители тока и буферы тока
В этой статье мы подробно рассмотрим усилители тока, буферы тока и повторители тока.
Краткое описание
Усилитель тока
Введение
Усилитель тока представляет собой электронную схему, которая увеличивает величину тока входного сигнала на фиксированную величину и подает его на последующую схему/устройство. Этот процесс называется текущим усилением входного сигнала.
Входной сигнал может быть либо постоянным сигналом, либо изменяющимся во времени сигналом.
В идеале, во время этого процесса усиления тока усилитель тока будет поддерживать составляющую напряжения входного сигнала неизменной. Ниже представлена блок-схема типичного усилителя тока.
Формы сигналов на входных и выходных клеммах обозначают величину тока во времени. Обратите внимание, что весь сигнал растягивается (увеличивается) на выходе с фиксированным коэффициентом.
Коэффициент усиления усилителя тока
В электронике «Коэффициент усиления» — это технический термин, используемый для оценки усиливающей способности усилителя. А поскольку усилитель тока преобразует только текущую составляющую входного сигнала, его усиление зависит от того, насколько он увеличивает ток выходного сигнала по отношению к входному сигналу.
Математически коэффициент усиления усилителя тока представляет собой отношение величины тока, протекающего через его выходные клеммы, к величине тока входного сигнала. Обозначается символом А и , и поскольку это отношение, оно не имеет единиц измерения.
Например, если ток от входного сигнала равен 1 мА, а ток, протекающий через выходные клеммы, равен 100 мА, то коэффициент усиления данного усилителя тока будет равен 100 (100 мА/1 мА). Это означает, что на выходе происходит 100-кратное увеличение величины тока входного сигнала.
Усиление также может иметь отрицательное значение. Это указывает на то, что выходной сигнал является перевернутой и масштабированной копией входного сигнала.
Характеристики идеального усилителя тока
Для проектирования усилителя тока необходимо составить набор правил/характеристик, определяющих его теоретическое поведение. Ниже приведены эти идеальные характеристики:
- Коэффициент усиления по току усилителя (A i ) должен оставаться постоянным для всего диапазона входного сигнала
- Коэффициент усиления усилителя тока не должен зависеть от условий окружающей среды, таких как температура и влажность
- Входное сопротивление (эффективное сопротивление между входными клеммами) усилителя тока должно быть равно нулю
- Выходное сопротивление (эффективное сопротивление между выходными клеммами) усилителя тока должно быть бесконечным
В реальных условиях невозможно достичь рекомендуемого выше импеданса усилителей тока.
Но они используются только в качестве эталонных параметров для разработки почти идеальных схем усилителей тока. На приведенной ниже диаграмме показана модель идеального усилителя тока вместе с практической.
Обратите внимание на сопротивления на входе и выходе усилителя тока в реальном сценарии. Сопротивление, последовательно подключенное к входу, указывает на эффективное сопротивление, создаваемое схемой усиления. Сопротивление, параллельное выходу, означает, что часть выходного сигнала теряется либо из-за механизмов обратной связи, либо из-за внутренних потерь.
Схема усилителя тока
Ниже приведена принципиальная схема простой двухкаскадной схемы усилителя тока, в которой в качестве усилительного элемента используются транзисторы npn и pnp.
Фотодиод поглощает энергию света и высвобождает электроны, тем самым действуя как источник входного тока. Этот ток от фотодиода сначала усиливается транзистором Q1, а затем усиливается транзистором Q2.
Резисторы в основаниях обоих транзисторов используются для регулировки коэффициента усиления. Количество раз, когда сигнал усиливается, такое же, как каскады в усилителе. Здесь ток усиливается вдвое, так что это 2-каскадный усилитель тока.
Переходя к расчетной части, скажем, i d — это ток, протекающий от фотодиода, а A i1 , A i2 — коэффициенты усиления транзисторов Q1 и Q2 соответственно.
Ток на выходе первого транзистора будет равен А i1 i d , и это будет вход на второй транзистор. Второй транзистор Q2 дополнительно усилит этот сигнал в A i2 раз.
Итак, конечный выходной ток будет равен А i2 A i1 i d , что делает коэффициент усиления всего двухкаскадного усилителя тока равным A i2 A i1 .
Применение усилителей тока
Ниже приведены некоторые практические применения усилителей тока:
- В системах усилителей усилители тока используются для получения лучшего басового выхода за счет увеличения интенсивности, с которой работают динамики.
- Усилители тока с переменным коэффициентом усиления используются во многих промышленных производственных системах, таких как станки для лазерной и гидроабразивной резки, для управления интенсивностью производства
- В сенсорных системах усилители тока используются для усиления слабых входных сигналов для использования в последующих схемах
Буфер тока
Введение
Буфер тока представляет собой электронную схему, которая используется для передачи электрического тока от входного источника с очень низким импедансом (эффективное сопротивление) к выходным нагрузкам с высоким импедансом. Он предназначен для предотвращения воздействия на источники сигнала из-за любых различий в величине тока, потребляемого выходными нагрузками.
В большинстве сценариев он действует как мост между слабыми входными сигналами (например, сигналами от датчиков) и выходными нагрузками, которые могут потреблять большие токи. Ниже приведена схема идеального буфера тока.
В первую очередь предназначен для устранения влияния выходной нагрузки на входной источник. Таким образом, вы можете думать о буфере тока как о схеме, которая изолирует входные и выходные схемы, позволяя при этом обеспечить необходимый поток тока на выходную нагрузку, чтобы поддерживать на ней постоянное напряжение.
Практическое использование буфера тока
Рассмотрим схему, использующую датчик LDR для управления роботом. Ток, потребляемый двигателями робота, не является постоянным и зависит от наклона или шероховатости поверхности, т.е. нагрузки на двигатели.
Таким образом, если двигатели напрямую связаны с датчиком температуры с помощью усилителя тока или других подобных драйверов, двигатели иногда могут потреблять больший ток, что влияет на точность датчика. Напряжение на двигателях также изменится, что, в свою очередь, изменит скорость робота.
Чтобы этого не произошло, используются текущие буферы. Они могут обеспечивать требуемый ток для двигателей, не влияя на точность датчика, при этом поддерживая постоянное напряжение на клеммах двигателей, т.
е. на выходных нагрузках.
Повторитель тока
Буферная схема тока с коэффициентом усиления 1 (т. е. входной и выходной токи одинаковы) называется повторителем тока. Это означает, что схема повторителя тока не обеспечивает усиления тока во входном сигнале.
Вам может быть интересно, почему используется схема повторителя тока, поскольку входной и выходной токи повторителя тока одинаковы. Причина в том, что повторитель тока не используется для увеличения выходного тока.
Но он используется для изоляции входных и выходных клемм, позволяя одинаковому количеству тока проходить на вход и на выход. По этой причине цепи повторителя тока также называются изолирующими буферами.
Схема цепи буфера тока
Ниже приведена принципиальная схема простого буфера тока MOSFET.
Такое расположение обеспечивает очень низкий импеданс входного сигнала и высокий импеданс на выходной клемме, что делает его почти идеальным буфером тока.
Применение буферов тока
Ниже приведены некоторые практические применения буферов тока:
- В цифровых логических элементах буферы тока используются для изоляции входных сигналов от последующих цепей
- Токовые буферы используются в высокоточных сенсорных системах для уменьшения влияния колебаний напряжения/тока из-за различных выходных импедансов
- В приводах двигателей и других системах электрических приводов
Усилители тока и буферы тока
На первый взгляд, усилители тока и буферы тока могут показаться похожими.
