Оглавление
Полупроводниковые приборы лежат в основе современной электроники, обеспечивая управление токами и напряжениями в самых разных устройствах — от бытовой техники до сложных систем связи. Полупроводник — это материал, обычно кремний или соединения на его основе, обладающий особыми свойствами: его проводимость находится между проводниками и изоляторами и может изменяться под воздействием внешних факторов, что делает полупроводники идеальными для создания активных электронных компонентов, таких как диоды, транзисторы и микросхемы.
Ну и хватит теории (об этом уже многое рассказано). Дальше пойдут интересные практические занятия по изучению данной темы. Здесь рассмотрим базовые радиоэлементы — диоды, биполярные и полевые транзисторы, а также операционные усилители, которые являются важнейшими строительными блоками электроники.
Полупроводниковый диод
Чтоб понять тему — мало просто прочитать статью, лучше потратить немного времени и лично проделать эти опыты. Начнём с простейшего полупроводникового элемента — диода. При сборке схемы будьте внимательны к полярности диода. Катодный конец (отмеченный одной полосой) должен быть обращен к положительной (+) стороне батареи. Диод должен быть обратно смещен и непроводящим, а тумблер № 1 должен быть в положении «вкл». Используйте высоковольтную (220 В) обмотку трансформатора для катушки индуктивности (дросселя). Первичная обмотка понижающего трансформатора имеет большую индуктивность, чем вторичная, и даст лучший эффект мигания лампы.
Установите тумблер №2 в положение «выкл». Это отключит диод от цепи, так что он не будет оказывать никакого влияния. Быстро включите, а затем выключите тумблер №1. Когда он разомкнется, неоновая лампочка вспыхнет из-за эффекта индуктивного всплеска. Быстрое уменьшение тока, вызванное размыканием переключателя, заставляет дроссель создавать большое падение напряжения, поскольку он пытается поддерживать ток на той же величине и в том же направлении.
Индуктивный всплеск вреден для контактов переключателя, так как он вызывает чрезмерное искрение при каждом их размыкании, но в этой схеме неоновая лампа уменьшает эффект, обеспечивая альтернативный путь тока для дросселя, когда переключатель размыкается, рассеивая накопленную энергию катушки в виде света и тепла.
Если тумблер № 2 замкнут, диод теперь будет частью цепи. Быстро замкните и разомкните тумблер № 1 снова, отметив разницу в поведении цепи. На этот раз неоновая лампа не мигает. Подключите вольтметр параллельно дросселю, чтобы убедиться, что он все еще получает полное напряжение батареи при замкнутом переключателе № 1. Если вольтметр регистрирует только небольшое значение при включенном тумблере № 1, диод, вероятно, подключен в обратном направлении, создавая короткое замыкание.
Однополупериодный выпрямитель
Дальше ещё интереснее. Подключите двигатель к низковольтному источнику переменного напряжения (переменка) через выпрямительный диод, который позволяет электротоку проходить только в течение одного полупериода полного положительного и отрицательного цикла напряжения источника питания, исключая другой полупериод. В результате двигатель «видит» ток только одного направления, хотя и пульсирующий, что позволяет ему вращаться в одну сторону.
Теперь ненадолго замкните диод, отметив влияние на работу двигателя:
Как видите, такие электродвигатели плохо работают на переменке. Уберите перемычку и измените ориентацию диода в цепи. Обратите внимание как это отразилось на двигателе.
Измерьте постоянное напряжение (постоянку) на моторчике следующим образом:
Затем измерьте переменное на нём:
Большинство современных цифровых мультиметров уверенно различают постоянное и переменное напряжение. При этом измерение постоянного отражает его среднее значение, а измерение переменного показывает величину «пульсаций» — переменной составляющей, связанной с фактической нагрузкой двигателя. Под пульсацией понимается изменяющаяся часть сигнала, которую мультиметр интерпретирует как переменнку, хотя форма волны при этом может никогда не менять полярности. Проще говоря, пульсацию можно представить как сигнал переменного тока, наложенный на постоянную составляющую или смещение постоянного напряжения. Для понимания разницы между этими измерениями полезно сравнить результаты, полученные на работающем двигателе, с теми, которые фиксируются при питании двигателя от чистого источника постоянного тока, например батареи.
Батареи обеспечивают очень «чистую» мощность постоянного электротока, поэтому при питании двигателя от батареи уровень переменного напряжения, измеряемого на его клеммах, должен быть минимальным. Любое обнаруженное переменное обусловлено пульсацией тока в двигателе, возникающей из-за периодического замыкания и размыкания контактов щеток с вращающимися стержнями коллектора. Эти пульсации создают падения напряжения на паразитных сопротивлениях в цепи, что приводит к кратковременным «провалам» вольтажа на клеммах двигателя.
Для оценки пульсаций можно использовать наушники (можно с усилителем). Подключите их к клеммам двигателя через небольшой конденсатор емкостью около 0,1 мкФ.
Конденсатор в данном случае играет роль фильтра высоких частот: он блокирует прохождение постоянного напряжения, позволяя детектору воспринимать только переменную составляющую сигнала. Это тот же принцип, который используется в схемах осциллографов, где постоянные составляющие сигнала отсеиваются с помощью последовательно включенного конденсатора.
При питании двигателя от батареи пульсация будет восприниматься как высокочастотное «жужжание». Для сравнения попробуйте заменить батарею источником переменного электротока с подключенным выпрямительным диодом: в этом случае детектор уловит характерное низкочастотное гудение, связанное с полуволновым выпрямлением.
Выпрямитель со средней точкой
Эта схема выпрямителя называется двухполупериодной, потому что она использует всю форму волны: как положительные, так и отрицательные полупериоды напряжения источника для питания нагрузки. В результате на ней наблюдается меньше пульсаций. Среднеквадратичное значение (RMS) выходного сигнала выпрямителя также больше для этой схемы, чем для однополупериодного выпрямителя.
Используйте вольтметр для измерения как постоянного, так и переменного напряжения, подаваемого на двигатель. Сразу заметны преимущества двухполупериодного выпрямителя по более высоким показаниям постоянки и более низким показаниям переменки, по сравнению с предыдущим экспериментом.
Достоинством этой схемы является легкость ее «обратного преобразования» в однополупериодный выпрямитель: просто отсоедините перемычку, соединяющую катодные концы двух диодов на клеммной колодке. А еще лучше, для быстрого сравнения между однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением, можете добавить переключатель в схему, чтобы изменять это соединение по желанию:
Благодаря возможности быстрого переключения между полуволновым и двухполупериодным выпрямлением можете легко выполнять качественные сравнения между двумя различными режимами работы.
Используйте наушники, чтобы «прослушать» пульсирующее напряжение, присутствующее между клеммами двигателя для полуволнового и двухполупериодного режимов выпрямления, отмечая как интенсивность, так и качество тона. Не забудьте использовать конденсатор последовательно с детектором, чтобы он получал только переменное пульсирующее, а не постоянное:
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
Следующая схема обеспечивает двухполупериодное выпрямление без необходимости использования трансформатора с отводом от средней точки. В устройствах, где отсутствует источник с отводом от средней точки, это единственный практический метод двухполупериодного выпрямления.
Помимо того, что требуется больше диодов, чем в схеме со средней точкой, двухполупериодный мост также страдает от недостатка производительности: дополнительного падения напряжения, вызванного тем, что электроток должен проходить через два диода в каждом полупериоде, а не только через один. Сравните показания постоянного напряжения на клеммах двигателя с показаниями, полученными в последнем эксперименте, учитывая тот же источник переменки и тот же электродвигатель.
Схема выпрямителя и фильтра
Этот эксперимент — создание выпрямителя и схемы фильтра для присоединения к низковольтному источнику переменного тока, созданному ранее. С этим устройством у вас будет источник постоянного напряжения, подходящий в качестве замены батареи в экспериментах с батарейным питанием.
Мостовой выпрямитель должен быть рассчитан на ампераж не менее номинала вторичной обмотки трансформатора и на вольтаж, по крайней мере, вдвое превышающий среднеквадратичное напряжение на выходе трансформатора (учитывает пиковое плюс дополнительный запас). Выпрямитель тут рассчитан на 25 ампер и 50 вольт, что более чем достаточно для большинства случаев.
Прикрутите выпрямительный мост к внутренней части металлического корпуса. Поверхность корпуса будет охлаждать его при прохождении через него больших мощностей. Любая металлическая поверхность, предназначенная для снижения рабочей температуры электронного компонента, называется радиатором. Полупроводниковые приборы часто подвержены повреждениям от перегрева, поэтому обеспечение пути для передачи тепла от устройства в окружающий воздух очень важно, тогда рассматриваемая схема сможет обрабатывать большие уровни энергии.
Конденсатор включен в цепь, чтобы действовать как фильтр для снижения пульсирующего напряжения. Убедитесь, что правильно подключили его к выходным клеммам выпрямителя, чтоб полярности совпадали. Будучи электролитическим, он чувствителен к повреждению при переполюсовке. В этой цепи, особенно, где внутреннее сопротивление трансформатора и выпрямителя низкое, а ток короткого замыкания, следовательно, высокий, риск повреждения (и даже взрыва) довольно велик — проверьте несколько раз полярность!
После сборки схемы подключите ее к источнику переменки следующим образом:
Измерьте выходное напряжение переменное источника питания. Вольтметр должен показывать приблизительно 6 вольт. Это измерение является среднеквадратичным.
Теперь переключите мультиметр на функцию постоянного DC и измерьте выходное постоянное напряжение выпрямительной схемы. Оно должно быть существенно выше среднеквадратичного переменного, измеренного ранее. Фильтрующее действие конденсатора обеспечивает выходное постоянное, равное пиковому переменному, отсюда и несколько большее показание:
Измерьте величину пульсации AC с помощью цифрового вольтметра, установленного на переменные вольты (ACV). Вы должны заметить гораздо меньшее пульсирующее напряжение в этой схеме, чем то, что было измерено в любой из ранее собранных схем выпрямителя без фильтра. Используйте наушники чтобы прослушать пульсацию на выходе выпрямителя и фильтра. Конечно подключите небольшой конденсатор последовательно с детектором, чтобы они не реагировали на постоянку, а только на пульсацию переменки. Должен быть слышен очень слабый звук.
После измерения пульсирующего переменного без нагрузки подключите лампочку к выходу схемы следующим образом:
Повторно измерьте пульсирующее напряжение, присутствующее между клеммами «DC out» выпрямителя и фильтра. При большой нагрузке конденсатор фильтра разряжается между пиками выпрямленного напряжения, что приводит к большей пульсации, чем раньше:
Если требуется меньшая пульсация (в условиях большой нагрузки), можно использовать конденсатор большей емкости или построить более сложную схему фильтра с использованием двух конденсаторов и катушки индуктивности:
В этом случае обязательно используйте дроссель с железным сердечником для максимальной индуктивности и достаточно толстую проволоку для безопасного прохождения электротока источника питания. Катушки индуктивности, используемые для фильтрации, потому называют дросселями, что они «запирают» пульсации переменного тока, не давая им попасть на нагрузку. Если подходящий дроссель не найден, можно использовать вторичную (низковольтную) обмотку понижающего силового трансформатора, например 220 на 6-12 вольт:
Стабилизатор напряжения
Сделайте эту простую схему, убедившись, что стабилизирующий диод (стабилитрон) подключен в режиме «обратного смещения» (катод положительный, анод отрицательный), и измерьте вольтаж на диоде с одной батареей в качестве источника питания. Запишите его для дальнейших расчетов. Также измерьте и запишите падение напряжения на резисторе 10 кОм.
Измените схему, подключив последовательно две 6-вольтовые батареи, чтобы получить общее значение источника питания 12 вольт. Повторно измерьте падение на диоде, а также падение напряжения на резисторе с помощью вольтметра:
Соедините последовательно 3, затем 4 6-вольтовых аккумулятора, образовав источник питания на 18 и 24 вольта соответственно. Измерьте и запишите падения на диоде и резисторе для каждого нового напряжения источника питания. Что вы заметили в падении на диоде для этих четырех различных значений источника? Сделайте выводы.
Стабилитроны часто используются в качестве устройств стабилизации, поскольку они ограничивают падение напряжения на себе на заданном уровне. Любое избыточное, подаваемое источником питания, падает на последовательном резисторе. Но тут важно отметить, что стабилитрон не может компенсировать недостаток напряжения источника. Например, этот 12-вольтовый стабилитрон не дает 12 В, когда источник питания имеет всего 6 В. То есть надо думать о стабилитроне как об ограничителе вольтажа, устанавливающем максимальное падение напряжения, но не минимальное.
Транзистор как переключатель
Соберите ещё одну схему. Красный провод, показанный на схеме (тот, что заканчивается стрелкой и подключен к одному концу резистора сопротивлением 100 кОм), должен оставаться свободным, чтобы вы могли на мгновение прикоснуться им к другим точкам цепи.
Если коснетесь концом свободного провода любой точки в цепи, более положительной по потенциалу, например, плюсовой стороны источника питания, светодиод должен загореться. Для полного свечения стандартного светодиода требуется 20 мА, поэтому такое поведение должно показаться интересным, ведь резистор 100 кОм, к которому прикреплен свободный провод, ограничивает ток через него до гораздо меньшего значения, чем 20 мА. Самое большее, общее напряжение 12 вольт на сопротивлении 100 кОм дает всего 0,12 мА или 120 мкА! Соединение, созданное прикосновением провода к положительной точке в цепи, проводит малый ток, меньше чем 1 мА, но благодаря усиливающему действию транзистора способно создавать гораздо больший электроток через светодиод. Попробуйте с помощью амперметра подключить свободный провод к положительному полюсу источника питания:
После измерения этого управляющего тока попробуйте измерить ток светодиода и сравнить величины. Скорее всего управляемый будет в 200 раз больше управляющего!
Как видите, транзистор действует как своего рода электрически управляемый переключатель, включая и выключая электроток на светодиоде по команде гораздо меньшего токового сигнала, проходящего через его базовый вывод.
Чтобы еще раз показать, насколько мал управляющий ток, удалите свободный провод из цепи и попробуйте замкнуть неподключенный конец резистора 100 кОм с положительным полюсом источника питания пальцами руки (где стрелки). Возможно, придется смочить их, чтобы усилить проводимость:
Попробуйте изменить давление пальцев на эти две точки в цепи, чтобы изменить величину сопротивления на пути управляющего тока. Можно ли таким образом изменить яркость светодиода? Это говорит о способности транзистора действовать не только как переключатель, но и как переменный усилитель.
Датчик статического электричества
В этом эксперименте используется полевой транзистор, что обеспечивает значительное улучшение чувствительности.
Соберите эту схему и коснитесь рукой свободного конца провода (провод, показанный красным на принципиальной схеме и на иллюстрации, подключенный к резистору 100 кОм). Простое прикосновение к этому проводу повлияет на состояние светодиода. Эта схема является прекрасным датчиком статического электричества! Попробуйте потереть руку о ковер, а затем коснуться конца провода, если пока не наблюдается никакого эффекта.
Для более контролируемого теста коснитесь провода одной рукой и поочередно касайтесь положительной (+) и отрицательной (-) клемм батареи пальцем другой руки. Ваше тело действует как проводник (хотя и плохой, примерно на 50-500 кОм), соединяя клемму затвора транзистора с любой клеммой батареи, когда вы к ним прикасаетесь. Заметьте, какая клемма включает светодиод, а какая выключает.
Тот факт, что транзистор так легко включается и выключается (требуя очень мало управляющего тока), о чем свидетельствует полное управление включением и выключением просто путем проведения управляющего через ваше тело, демонстрирует, насколько большим коэффициентом усиления по току он обладает. Фактически, простое присутствие статического электричества уже может переключать его даже на расстоянии.
Для дальнейшего эксперимента с эффектами статического электричества расчешите волосы пластиковой расческой, а затем помашите её около транзистора, наблюдая за эффектом на светодиоде. Действие расчесывания волос пластиковым предметом создает высокое статическое напряжение между расческой и телом. Сильное электрическое поле, создаваемое между этими двумя предметами, должно быть обнаружено данной схемой со значительного расстояния!
Если вам интересно, почему нет токогасящего резистора 560 Ом для ограничения ампер через светодиод, то знайте, многие малосигнальные полевики имеют тенденцию к самоограничению своего контролируемого тока до уровня, приемлемого для светодиодов. Например, модель 2N3819 имеет ток насыщенного стока (Idss) максимум 20 мА. Поскольку большинство светодиодов рассчитаны как раз на 20 мА, нет необходимости в гасящем резисторе для ограничения тока цепи: транзистор делает это сам.
Детектор импульсного света
Эта схема обнаруживает импульсы света, попадающие на светодиод, и преобразует их в относительно сильные аудиосигналы, которые можно услышать через наушники. Светодиоды способны вырабатывать электроток при воздействии света, подобно полупроводниковому солнечному элементу. Сам по себе он не вырабатывает достаточно электроэнергии, поэтому для усиления сигналов светодиода используется транзистор. Если светодиод подвергается воздействию пульсирующего источника света, в наушниках будет слышен тон.
Источники света, подходящие для этого эксперимента, включают флуоресцентные и неоновые лампы, которые быстро мигают при подаче на них переменки частотой 50 Гц. Также можете попробовать использовать яркий солнечный свет для постоянного источника света, а затем помахать пальцами перед светодиодом. Быстро проходящие тени заставят светодиод генерировать импульсы, создавая в наушниках кратковременный щелкающий звук.
Светодиоды, работающие в качестве фотодетекторов, выступают устройствами, реагирующими на узкую полосу длин волн, близкую, но не идентичную той, которая обычно излучается. Инфракрасные пульты дистанционного управления являются хорошим источником освещения для светодиодов ближнего инфракрасного диапазона, используемых в качестве фотодатчиков.
Нетрудно понять концепцию передачи музыки или речи — через луч пульсирующего света. При наличии подходящей схемы передатчика для включения и выключения светодиода с положительными и отрицательными пиками аудиосигнала от микрофона схема приемника, показанная здесь, преобразует эти световые импульсы обратно в аудиосигналы.
Повторитель напряжения
Это самая простая в изготовлении схема транзисторного усилителя. Его цель — обеспечить нагрузку примерно таким же напряжением, что и вход усилителя, но при гораздо большем токе. Другими словами, у него нет усиления по напряжению, но есть усиление по току.
Обратите внимание, что на принципиальной схеме отрицательная (-) сторона источника питания показана подключенной к земле, как указано символом в нижнем левом углу схемы. Это не обязательно представляет собой соединение с фактической землей, а означает, что эта точка в цепи — и все точки, электрически общие с ней — составляют точку отсчета по умолчанию для всех измерений напряжения в цепи. Поскольку напряжение по необходимости является величиной относительно двух точек, «общая» точка отсчета, обозначенная в цепи, дает нам возможность осмысленно говорить о напряжении в конкретных, отдельных точках этой схемы.
Например, если говорить о напряжении на базе транзистора (Vb), имеется в виду измеренное между контактом базы транзистора и отрицательной стороной источника питания (землей), при этом красный щуп касается клеммы базы, а черный щуп касается земли. Обычно бессмысленно говорить о напряжении в одной точке, но наличие неявной точки отсчета для измерений вольтажа делает такие утверждения понятными:
Сделайте эту схему и измерьте выходное напряжение в зависимости от входного для нескольких различных настроек потенциометра. Входное — это на движке потенциометра (между движком и заземлением схемы), а выходное — это у нагрузочного резистора (напряжение на нагрузочном резисторе или эмиттера: между эмиттером и заземлением схемы). Вы должны увидеть тесную корреляцию между этими двумя значениями: одно лишь немного больше другого (примерно на 0,6 вольта или около того), но изменение входного дает почти такое же изменение выходного. Поскольку соотношение между изменением составляет почти 1:1, то говорим, что коэффициент усиления по напряжению этого усилителя составляет почти 1.
Теперь измерьте ток через базу транзистора (входной) по сравнению с током через нагрузочный резистор (выходной). Прежде чем разорвать цепь и вставить амперметр для проведения этих измерений, рассмотрите альтернативный метод: измерьте вольтаж на базе и нагрузочных резисторах, значения сопротивления которых известны. Используя закон Ома, ток через каждый резистор можно легко рассчитать: разделите измеренное напряжение на известное сопротивление (I=U/R). Этот расчет особенно прост с резисторами номиналом 1 кОм: на каждый вольт падения на них будет приходиться 1 миллиампер тока. Для лучшей точности можете измерить сопротивление каждого резистора, а не предполагать точное значение 1 кОм, но на деле это не имеет большого значения для данного эксперимента. Когда резисторы используются для проведения измерений электротока путем «перевода» его в соответствующее напряжение, их часто называют шунтирующими (шунтами).
Будут огромные различия между входными и выходными токами для этой схемы усилителя. Фактически, усиление тока может значительно превышать 100 или 200 для транзистора с малым сигналом, работающего при низких уровнях тока. Это основная цель схемы повторителя напряжения: увеличить ток «слабого» сигнала, не изменяя его вольтаж.
Другая функция этой схемы — изменение сопротивления. Входная сторона этого усилителя принимает сигнал, не потребляя большого тока. Выходная — выдает то же напряжение, но с электротоком, ограниченным только сопротивлением нагрузки и способностью транзистора выдерживать его. С точки зрения сопротивления, могли бы сказать, что этот усилитель имеет высокое входное (напряжение падает при очень малом токопотреблении) и низкое выходное сопротивления (напряжение падает при почти неограниченной емкости источника).
Усилитель с общим эмиттером
Соберите эту схему и измерьте выход (между коллекторным выводом транзистора и землей) и входное (между выводом движка потенциометра и землей) для нескольких положений потенциометра.
Например, если полный поворот потенциометра изменяет выходное напряжение схемы усилителя от 0,1 вольта (низкий) до 11,7 вольт (высокий), выберите несколько уровней вольтажа между этими пределами (1 В, 3 В, 5 В, 7 В, 9 В и 11). Измеряя выходное, отрегулируйте потенциометр так, чтобы получить каждое из этих предопределенных напряжений на выходе, отметив точное значение для дальнейшего использования. Затем измерьте точное входное, создающее это выходное, и также запишите это значение.
В итоге должна быть таблица чисел, представляющих несколько различных выходных напряжений вместе с соответствующими им входными. Возьмите любые две пары значений и рассчитайте коэффициент усиления, разделив разницу выходных напряжений на разницу входных. Например, если вход 1,5 В дает выход 7,0 В, а вход 1,66 В дает выход 1,0 В, то коэффициент усиления напряжения усилителя составляет (7,0 — 1,0)/(1,66 — 1,5), или 6, деленное на 0,16: это 37,50.
| Выходное напр. (В) | Входное напр. (В) |
|---|---|
| 1,00 | 1,66 |
| 3,00 | 1,50 |
| 5,00 | 1,42 |
| 7,00 | 1,30 |
| 9,00 | 1,15 |
| 11,00 | 1,00 |
Увеличение входного напряжения приводит к уменьшению выходного. Этот эффект известен как инверсия сигнала, а этот тип усилителя — инвертирующий. Также этот усилитель демонстрирует очень сильный коэффициент усиления: небольшое изменение входного приводит к большому изменению выходного вольтажа. Это резко отличается от схемы усилителя «повторителя», рассмотренной ранее, которая имела коэффициент усиления по напряжению около 1.
Усилители с общим эмиттером широко используются из-за их высокого коэффициента усиления по напряжению, но редко именно в такой форме, как эта. Хотя данная схема нормально работает для демонстрации принципа, она очень чувствительна к изменениям температуры. Попробуйте оставить потенциометр в одном положении и нагреть транзистор, крепко сжав его рукой или нагрев его паяльником. Также можете охлаждать транзистор: прикоснитесь кубиком льда к его поверхности и обратите внимание на изменение выхода.
Причина в том, что при изменении температуры транзистора изменяются характеристики его диода база-эмиттер, что приводит к разным значениям тока базы для одного и того же входного напряжения. Это, в свою очередь, изменяет управляемый ток через коллекторный вывод, тем самым влияя на выходное. Такие изменения могут быть минимизированы с помощью обратной связи по сигналу, при которой часть выходного «возвращается» на вход усилителя, чтобы оказать отрицательное или отменяющее влияние на усиление напряжения. Стабильность улучшается.
Возможно, самый простой способ добавить отрицательную обратную связь к усилителю с общим эмиттером — это ввести некоторое сопротивление между выводом эмиттера и землей, чтобы входное напряжение разделилось между PN-переходом база-эмиттер и падением на новом сопротивлении:
Повторите то же самое упражнение по измерению и записи значения с установленным резистором 1,5 кОм, вычислив новый (уменьшенный) коэффициент усиления напряжения. Попробуйте снова изменить температуру транзистора и запишите выходное для постоянного входного. Ну как, оно меняется больше или меньше, чем без резистора 1,5 кОм?
Другой метод введения отрицательной обратной связи в эту схему усилителя — связать выход со входом через резистор с высоким значением. Подключение резистора 1 МОм между коллектором и базой транзистора:
Хотя этот метод обратной связи достигает той же цели повышения стабильности за счет уменьшения усиления, эти две схемы обратной связи не будут вести себя одинаково. Обратите внимание на диапазон возможных выходных напряжений с каждой схемой (низкие и высокие значения, полученные при полном повороте потенциометра входного), и на то, как это отличается между двумя схемами.
Многокаскадный усилитель
Соединив три схемы усилителя с общим эмиттером вместе — коллекторный вывод предыдущего транзистора к базе (резистору) следующего транзистора — коэффициенты усиления напряжения каждого каскада объединяются, давая очень высокий общий коэффициент усиления. Скорее всего будет невозможно настроить потенциометр для стабильного выходного (которое не насыщается при полном напряжении питания или нуле), так как коэффициент усиления очень высок.
Заметьте, отношение выход-вход является инвертирующим; то есть выход имеет тенденцию к повышению напряжения, когда входное понижается, и наоборот. Поскольку любой из каскадов с общим эмиттером сам по себе является инвертирующим, четное число каскадных усилителей с общим эмиттером дает неинвертирующий отклик, в то время как нечетное число каскадов дает инвертирующий. Можете испытать эти отношения, измерив вольты коллектор-земля на каждом транзисторе, одновременно регулируя потенциометр входного, отмечая, увеличивается или уменьшается выходное напряжение с увеличением входного.
Подключите резистор обратной связи 1 МОм к схеме, соединив коллектор последнего транзистора с базой первого. Поскольку общий отклик этого трехкаскадного усилителя является инвертирующим, сигнал обратной связи, подаваемый через резистор 1 МОм с выхода последнего транзистора на вход первого, должен быть отрицательным по своей природе. Таким образом, он будет действовать для стабилизации отклика усилителя и снижения усиления. Проще говоря, усилитель будет не такой чувствительный, как без резистора обратной связи. Здесь будет также полезно составить таблицу значений, с помощью которой можно рассчитать коэффициент усиления.
| Входное напр. (В) | Выходное напр. без ООС (В) | Выходное напр. с ООС (В) |
|---|---|---|
| 0,80 | 10,5 | 6,2 |
| 0,85 | 9,6 | 6,7 |
| 0,90 | 8,4 | 7,3 |
| 0,95 | 6,2 | 7,9 |
| 1,00 | 4,0 | 8,5 |
| 1,05 | 2,2 | 9,0 |
| 1,10 | 1,0 | 9,4 |
Поэкспериментируйте с различными значениями сопротивления обратной связи. Как вы думаете, какое влияние окажет уменьшение сопротивления обратной связи на коэффициент усиления напряжения?
Преимущество использования отрицательной обратной связи (ООС) для «укрощения» схемы усилителя с высоким коэффициентом усиления заключается в том, что результирующий коэффициент усиления по напряжению становится более зависимым от значений резисторов и менее зависимым от характеристик составляющих транзисторов. Это хорошо, потому что гораздо проще изготовить последовательные резисторы, чем последовательные транзисторы. Таким образом, проще спроектировать усилитель с предсказуемым коэффициентом усиления, собрав каскадную сеть транзисторов с произвольно высоким коэффициентом усиления по напряжению, а затем снизить этот коэффициент именно с помощью ООС. Именно этот принцип используется для того, чтобы схемы операционных усилителей вели себя предсказуемо.
Данная схема усилителя немного упрощена по сравнению с тем, что обычно встречаем в практических многокаскадных схемах. Редко используется чистая конфигурация с общим эмиттером (без резистора эмиттер-земля), и если усилитель обрабатывает сигналы переменного тока, межкаскадная связь часто емкостная с делителями напряжения, подключенными к каждой базе транзистора для надлежащего смещения каждого каскада. Схемы радиочастотных усилителей часто имеют трансформаторную связь, с конденсаторами, подключенными параллельно обмоткам трансформатора для резонансной настройки.
Токовое зеркало
Его можно рассматривать как стабилизатор тока, где предел легко устанавливается одним сопротивлением. Это довольно упрощенная схема, но она находит широкое применение благодаря своей простоте.
Потенциометр устанавливает величину электротока через транзистор Q1. Этот транзистор подключен так, чтобы действовать как простой диод: просто PN-переход. Почему же используется транзистор вместо обычного диода? Потому что важно согласовать характеристики перехода этих двух транзисторов при использовании их в схеме токового зеркала. Напряжение, падающее на переходе база-эмиттер Q1, подается на переход база-эмиттер другого транзистора, Q2, заставляя его включаться и также проводить ток.
Поскольку значение на переходах база-эмиттер двух транзисторов одинаковое — две пары переходов соединены параллельно друг с другом — таким же должен быть и ток через их базовые выводы, предполагая идентичные характеристики переходов и идентичные температуры переходов. Согласованные транзисторы должны иметь одинаковые коэффициенты, поэтому равные токи базы означают равные у коллектора. Практическим результатом всего этого является то, что ток коллектора Q2 имитирует любую величину, установленную через коллектор Q1 потенциометром. Другими словами, ток через Q2 отражает ток через Q1 — вот вам и зеркало.
Изменения сопротивления нагрузки (сопротивления, соединяющего коллектор Q2 с положительной стороной батареи) не оказывают никакого влияния на ток Q1 и, следовательно, не оказывают никакого влияния на напряжение база-эмиттер или ток базы Q2. При постоянном электротоке базы и почти постоянном коэффициенте усиления на Q2 будет падать столько же, сколько необходимо для поддержания постоянного тока коллектора (нагрузки). Таким образом, схема токового зеркала стабилизирует ток на уровне значения, установленного потенциометром, независимо от сопротивления нагрузки.
Это теория, реальность конечно не так проста. На показанной схеме цепь нагрузки Q2 соединена с положительной стороной батареи через амперметр для удобства измерения. Вместо того, чтобы подключить черный щуп амперметра к определенной точке в цепи, обозначим пять контрольных точек, TP1–TP5, к которым можете прикоснуться черным щупом во время измерения. Это позволяет быстро и без усилий изменять сопротивление нагрузки: прикосновение щупа к TP1 практически не приводит к какому-либо сопротивлению, а прикосновение к TP5 приведёт к сопротивлению нагрузки приблизительно 14,5 кОм.
Чтобы начать эксперимент, коснитесь щупом TP4 и отрегулируйте потенциометр по всему диапазону его хода. Будет небольшой, изменяющийся ток, показываемый амперметром, когда перемещаете механизм потенциометра: не более нескольких миллиампер. Оставьте потенциометр в положении, дающем круглое число и переместите черный щуп измерителя в TP3. Показание должно быть почти таким же, как и раньше. Переместите щуп в TP2, затем в TP1. Снова увидим почти неизменную величину. Попробуйте отрегулировать потенциометр в другое положение, давая другое показание тока, и коснитесь черным щупом измерителя контрольных точек TP1 через TP4, отметив стабильность показаний при изменении сопротивления нагрузки. Это и показывает поведение этой схемы.
Но несмотря на удержание тока почти на уровне значения для сопротивлений нагрузки от 0 до 4,5 кОм, в этом диапазоне есть некоторые отклонения. Стабилизация может быть намного хуже, если сопротивление нагрузки слишком высоко. Попробуйте отрегулировать потенциометр так, чтобы получить максимальный ток, как указано при подключении щупа амперметра к TP1. Оставив потенциометр в этом положении, переместите щуп измерителя в TP2, затем в TP3, затем в TP4 и, наконец, в TP5, отмечая показания измерителя в каждой точке соединения. Ток должен регулироваться на почти постоянном значении, пока щуп измерителя не будет перемещен в последнюю контрольную точку, TP5. Там показания будут существенно ниже, чем в других контрольных точках. Почему так? Потому что в цепь Q2 было вставлено слишком большое сопротивление нагрузки. Проще говоря, Q2 не может «включиться» больше, чем уже есть, чтобы поддерживать то же количество тока с таким большим сопротивлением нагрузки, что и с меньшим.
Это явление характерно для всех подобных схем: имеется ограниченное сопротивление, с которым стабилизатор может справиться, прежде чем он насытится. Это само собой разумеется, поскольку любая схема токостабилизатора, способная подавать постоянный ток через любое мыслимое сопротивление нагрузки, потребовала бы неограниченного источника напряжения для этого! Закон Ома (U=IR) определяет величину напряжения, необходимую для подачи заданного тока через заданное сопротивление, и при наличии всего лишь 12 вольт питания для этой схемы, существует конечный предел ампер и сопротивления нагрузки. По этой причине может быть полезно рассматривать схемы стабилизатора как схемы ограничителя, поскольку все, что они могут сделать, это ограничить ампераж до некоторого максимального значения.
Для схем токового зеркала важной является одинаковая температура между двумя транзисторами. Зеркальность тока, происходящая между коллекторными цепями двух транзисторов, зависит от того, имеют ли эти два транзистора абсолютно одинаковые свойства переходов база-эмиттер. Соотношение напряжение/ток для PN-перехода сильно зависит от температуры. Чем горячее PN-переход, тем больший электроток он пропустит при заданной величине падения. Если один транзистор станет горячее другого, он пропустит больше тока коллектора, чем другой, и схема больше не будет зеркалить ток, как ожидается. При построении настоящей схемы токового зеркала с использованием отдельных элементов, два транзистора должны быть сжаты друг с другом, чтобы они оставались примерно при одинаковой температуре.
Чтобы проиллюстрировать эту зависимость от одинаковой температуры, попробуйте один транзистор нагреть. Что происходит с электротоком через резисторы нагрузки при повышении температуры транзистора? Теперь отпустите транзистор и подуйте на него, чтобы охладить его до температуры окружающей среды. Сожмите другой транзистор пальцами, чтобы нагреть его. Что теперь делает ток нагрузки?
Далее намеренно позволим одному из транзисторов перегреться и отметим последствия. Чтобы избежать повреждения транзистора, эта процедура должна проводиться не дольше, чем необходимо для наблюдения за тем, как ток нагрузки начинает «убегать». Для начала отрегулируйте потенциометр на минимальный электроток. Затем замените ограничивающий резистор R 10 кОм на резистор 1,5 кОм. Это позволит проходить более высокому току через Q1, а следовательно, и через Q2.
Поместите черный щуп амперметра на TP1 и наблюдайте за показаниями. Перемещайте потенциометр в направлении увеличения, пока не увидите на амперметре около 10 мА. В этот момент прекратите перемещать потенциометр и просто наблюдайте за амперажем. Вы заметите, что он начнет увеличиваться сам по себе, без дальнейшего перемещения потенциометра! Разомкните цепь, отсоединив щуп амперметра от TP1, когда он превысит 30 мА, чтобы избежать повреждения транзистора Q2.
Если вы осторожно коснетесь обоих транзисторов пальцем, то заметите, что Q2 теплый (или даже горячий), а Q1 холодный.
Что же произошло, что заставило Q2 перегреться и потерять контроль над током? При подключении амперметра к TP1 все сопротивление нагрузки было удалено, поэтому Q2 пришлось принять полное напряжение батареи между коллектором и эмиттером, поскольку он удерживал ток. Транзистор Q1 хотя бы имел сопротивление R 1,5 кОм, чтобы снизить большую часть вольтажа батареи, поэтому его рассеиваемая мощность была намного меньше, чем у Q2. Этот дисбаланс рассеиваемой мощности заставил Q2 нагреться больше, чем Q1. По мере повышения температуры Q2 начал пропускать больше тока для того же самого падения база-эмиттер. Это заставило его нагреться еще быстрее, так как он пропускал больше тока коллектора, при этом все еще пропуская полные 12 вольт между коллектором и эмиттером. Эффект известен как тепловой разгон, и он возможен во многих схемах биполярных транзисторов, а не только в токовых зеркалах.
Стабилизатор тока на полевом транзисторе
Эта схема выполняет ту же задачу, но использует полевой транзистор с одним переходом (JFET) вместо двух биполярных.
Два последовательных резистора Rрег и Rогр устанавливают точку регулирования, в то время как нагрузочные резисторы и контрольные точки между ними служат только для демонстрации постоянства значения, несмотря на изменения сопротивления нагрузки.
Чтобы начать эксперимент, коснитесь щупом TP4 и отрегулируйте потенциометр по всему диапазону его хода. Будет небольшой, изменяющийся ток, показываемый амперметром, когда перемещаете потенциометр: не более нескольких миллиампер. Оставьте его в положении, дающем круглое число миллиампер, и переместите черный щуп измерителя в TP3. Показание тока должно быть почти таким же, как и раньше. Переместите щуп в TP2, затем в TP1. Снова почти неизменная величина. Попробуйте отрегулировать потенциометр в другое положение, давая другое показание, и коснитесь черным щупом измерителя контрольных точек TP1 через TP4, отметив стабильность показаний при изменении сопротивления нагрузки.
Точка TP5, на конце резистора 10 кОм, предназначена для внесения большого изменения в сопротивление нагрузки. Подключение черного щупа амперметра к этой контрольной точке дает комбинированное сопротивление нагрузки 14,5 кОм, что будет слишком большим сопротивлением для транзистора, чтобы поддерживать максимальный стабилизируемый ток. Прикоснитесь черным щупом к TP1 и отрегулируйте потенциометр на максимальный. Теперь переместите черный щуп к TP2, затем к TP3, затем к TP4. Для всех этих положений контрольных точек ток будет оставаться приблизительно постоянным. Но когда прикоснетесь черным щупом к TP5, он резко упадет. Потому что при этом уровне сопротивления нагрузки падение напряжения на транзисторе недостаточно для поддержания регулирования. Другими словами, транзистор будет насыщен, поскольку он пытается обеспечить больший электроток, чем позволяет сопротивление цепи.
Верните черный щуп обратно в TP1 и отрегулируйте потенциометр на минимум. Теперь коснитесь черным щупом TP2, затем TP3, затем TP4 и, наконец, TP5. Когда точка стабилизации тока настроена на меньшее значение, транзистор способен поддерживать регулировку в гораздо большем диапазоне сопротивления нагрузки.
У токового зеркала оба транзистора должны иметь одинаковую температуру, чтобы два значения были равны. Но в этой схеме температура транзистора почти не имеет значения. Попробуйте нагреть его, отметив значение нагрузки с помощью амперметра. Попробуйте затем охладить. Не только устраняется требование согласования транзисторов (благодаря использованию всего одного транзистора), но и тепловые эффекты также практически исчезают из-за тепловой устойчивости полевого транзистора. Такое поведение делает полевики невосприимчивыми к тепловому разгону; несомненное преимущество перед биполярными.
Интересным применением этой схемы будет так называемый диод стабильного тока. Этот диод на самом деле не является простым устройством с PN-переходом. Вместо него тут транзистор с фиксированным сопротивлением, подключенным между выводами затвора и истока:
Обычный диод с pn-переходом включен последовательно с JFET для защиты транзистора от повреждения обратным напряжением смещения, но в остальном функция токостабилизации этого устройства полностью обеспечивается полевым транзистором.
Дифференциальный усилитель
Основа большинства схем операционных усилителей (ОУ) — дифференциальная пара. В показанной здесь форме это упрощенный дифференциальный усилитель, довольно нелинейный и несимметричный относительно выходного напряжения по сравнению с входным. Но с высоким коэффициентом усиления по напряжению, создаваемым большим сотношением резисторов коллектора/эмиттера (100 кОм/1,5 кОм), действуя как компаратор: выходное быстро меняет значение, когда два входных сигнала напряжения приближаются к равенству.
Измерьте выходное (на коллекторе Q2 относительно земли) при изменении входных. Обратите внимание, как два потенциометра по-разному влияют на выход: один вход имеет тенденцию управлять выходным в том же направлении (неинвертирующий), в то время как другой имеет тенденцию управлять выходным напряжением в противоположном направлении (инвертирующий). Это и есть природа дифференциального усилителя: два дополнительных входа с противоположными влияниями на выходной сигнал. В идеале, выходное такого усилителя является строго функцией разницы между двумя входными.
Идеальный дифференциальный усилитель игнорирует всё синфазное напряжение, которое является любым уровнем напряжения, общим для обоих входов. Например, если инвертирующий вход имеет 3 вольта, а неинвертирующий вход — 2,5 вольта, дифференциальное напряжение будет равно 0,5 вольта (3 — 2,5), но синфазное — 2,5 вольта, так как это самый низкий уровень входного. В идеале это условие должно производить то же напряжение выходного, как если бы входы были установлены на 3,5 и 3 вольта соответственно (дифференциал 0,5 вольта с синфазным 3 вольта). Но эта схема не дает того же результата для двух различных сценариев входа. Другими словами, ее выход зависит как от дифференциального, так и от синфазного напряжения.
Обратите внимание, как потенциометры входного сигнала ограничены резисторами 22 кОм в регулируемом диапазоне приблизительно от 0 до 4 вольт при питания 12 вольт. Если хотите увидеть, как эта схема ведет себя без ограничения входа, просто обойдите резисторы 22 кОм с помощью перемычек, что позволит использовать полный диапазон регулировки от 0 до 12 вольт от каждого потенциометра.
В отличие от схемы токового зеркала, эта схема защищена от теплового разгона резистором эмиттера (1,5 кОм), который не допускает достаточного тока транзистора, чтобы вызвать какие-либо проблемы.
Простой операционный усилитель
А тут вместо использования резисторов для снижения напряжения в дифференциальной парной схеме используется набор токовых зеркал, что приводит к более высокому коэффициенту усиления и более предсказуемой работе. При более высоком коэффициенте усиления эта схема может функционировать как рабочий операционный усилитель. ОУ составляют основу большого количества современных аналоговых полупроводниковых схем, поэтому важно понимать его внутреннюю работу.
Здесь PNP-транзисторы Q1 и Q2 образуют токовое зеркало, которое пытается поддерживать равномерное распределение через два дифференциальных транзистора Q3 и Q4. NPN-транзисторы Q5 и Q6 образуют еще одно токовое зеркало, устанавливая общий электроток дифференциальной пары на уровне, предопределенном резистором Rprg.
Измерьте выход (на коллекторе Q4 относительно земли) при изменении входных. Обратите внимание, как два потенциометра по-разному влияют на выход: один вход имеет тенденцию управлять выходным напряжением в том же направлении (неинвертирующий), в то время как другой имеет тенденцию управлять выходным в противоположном направлении (инвертирующий). Причём выходное наиболее чувствительно к изменениям на входе, когда два входных сигнала почти равны друг другу.
После того, как дифференциальный отклик схемы будет доказан (выходное напряжение резко переходит от одного экстремального уровня к другому, когда один вход регулируется выше и ниже уровня напряжения другого входа), можно использовать эту схему как настоящий операционный усилитель. Простая схема ОУ, называемая повторителем напряжения, будет хорошей конфигурацией, чтобы попробовать ее в первую очередь. Чтобы сделать схему повторителя, напрямую подключите выход усилителя к его инвертирующему входу. Это означает соединение коллекторных и базовых выводов Q4 вместе и отказ от «инвертирующего» потенциометра:
Обратите внимание на треугольный символ операционного усилителя, показанный на нижней принципиальной схеме. Инвертирующий и неинвертирующий входы обозначены символами (-) и (+) соответственно, с выходной клеммой в правой вершине. Провод обратной связи, соединяющий выход с инвертирующим входом, показан красным на приведенных схемах.
Как повторитель напряжения, выходное должно «следовать» за входным очень близко, отклоняясь не более чем на несколько сотых вольта. Это гораздо более точная схема повторителя, чем схема из одного транзистора с общим коллектором, описанная в раннем эксперименте.
Более сложная схема ОУ называется неинвертирующим усилителем, и она использует пару резисторов в контуре обратной связи для возврата части выходного напряжения на инвертирующий вход, заставляя усилитель выдавать значение, равное некоторому кратному напряжению на неинвертирующем входе. Если используем два резистора одинакового значения, вольтаж обратной связи будет составлять 1/2 выходного, заставляя выходное стать вдвое больше значения, подаваемого на неинвертирующий вход. Таким образом, получаем усилитель с точным коэффициентом усиления 2:
При тестировании этой неинвертирующей схемы можете заметить небольшие расхождения между выходным и входным напряжениями. Согласно значениям резистора обратной связи, коэффициент усиления должен быть ровно 2. Но будут отклонения порядка нескольких сотых вольта между тем, что есть на выходе, и тем, что должно быть.
Эти отклонения вызваны несовершенством схемы дифференциального усилителя и могут быть значительно уменьшены, если добавим больше каскадов усиления для увеличения коэффициента усиления дифференциального напряжения. Однако один из способов, которым мы можем максимизировать точность существующей схемы, — это изменить сопротивление Rprg. Он устанавливает нижнюю контрольную точку токового зеркала и, таким образом, влияет на многие рабочие параметры ОУ. Попробуйте заменить значения разностного сопротивления в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм. Не используйте сопротивление менее 10 кОм, иначе транзисторы токового зеркала могут начать перегреваться и термически «поплыть».
Некоторые ОУ предоставляют пользователю возможность аналогично программировать токовое зеркало дифференциальной пары, поэтому они так и называются: программируемыми операционными усилителями. Большинство остальных не программируются и имеют внутренние контрольные точки токового зеркала, фиксированные внутренним сопротивлением, подогнанным до точного значения на заводе.
Звуковой генератор
Правильное название этой схемы — нестабильный мультивибратор. Это простая схема генератора, синхронизированная по номиналам резисторов, конденсаторов и напряжению источника питания. Выходная форма сигнала сильно искажена, она не является ни синусоидой, ни квадратом. Но для простой цели создания звука искажение не имеет большого значения.
При питании от 12 В, резисторах 100 кОм и конденсаторах 0,1 мкФ, частота колебаний будет в нижнем звуковом диапазоне. Можете прослушать этот сигнал, подключив наушники одним концом к земле, а другим — к одному из коллекторных выводов транзистора:
Сам мультивибратор — это всего лишь два транзистора, два резистора и два конденсатора. Третий транзистор, показанный на схеме, предназначен для управления светодиодом, который будет использоваться в качестве визуального индикатора действия генератора. Используйте провод щупа, подключенный к базе этого усилителя с общим эмиттером, для обнаружения напряжения в различных частях схемы относительно земли. Учитывая низкую частоту колебаний этой схемы мультивибратора увидим, как светодиод быстро мигает, если провод подключен к коллекторному выводу любого транзистора.
Светодиод не мигает, когда его провод касается базы любого из транзисторов мультивибратора, но аудиодетектор сообщает, что там есть колебательное напряжение. Почему это так? Усилитель транзистора с общим коллектором светодиода является повторителем, то есть он не усиливает напряжение. Таким образом, если тестируемое напряжение меньше минимально необходимого для свечения светодиода, он не будет светиться. Поскольку смещенный в прямом направлении переход база-эмиттер активного транзистора падает всего около 0,7 вольт, на базе любого транзистора недостаточно вольт для питания светодиода. Но наушник, будучи чрезвычайно чувствительным, легко обнаруживает этот сигнал.
Попробуйте заменить резисторы на меньший номинал вместо двух показанных 100 кОм. Что произойдет с частотой колебаний, если вы это сделаете?
- Одним из недостатков многих схем генераторов является их зависимость от минимального напряжения питания. Слишком малое — и схема перестает колебаться. Эта схема не является исключением. Вы можете поэкспериментировать с более низким напряжением питания и определить минимальное значение, необходимое для колебаний, а также испытать влияние изменения вольтажа на частоту.
- Другой недостаток, характерный для этой схемы, это зависимость от несоответствующих компонентов для успешного запуска. Для того чтобы схема начала колебаться, один транзистор должен включиться раньше другого. Обычно для этого достаточно небольшого несоответствия в различных значениях компонентов, но схема может «зависнуть» и вообще не начать колебаться при включении питания. Если это произойдет, попробуйте использовать в схеме разные номиналы.
Вот и подошла к концу наша интересная лекция-эксперимент. Но работа на этом не заканчивается — на сайте есть ещё множество полезной информации, которая только и ждёт, чтоб вы её освоили. Начните с раздела «для начинающих» и понемногу двигайтесь в сторону более сложной информации, всё больше открывая для себя суть электроники. Удачи на этом прекрасном, творческом пути!
