Сходинка восьма. Транзистори Продовження. Частина перша


Статью просмотрели: 99 человек

 

Доброго здоров'я, шановний читачу. Відразу хочу перепросити за поспішний анонс огляду польових транзисторів. Цей допис – продовження теми огляду біполярних транзисторів. В ньому ми розглянемо деякі розповсюджені приклади практичного застосування таких електронних компонентів.

Практична частина – виготовлення додаткового модуля лабораторного джерела живлення. Чому додаткового? Читайте, поясню.

------------

Ще раз хочу наголосити! Будь-який транзистор має властиве йому максимальне значення струму колектора. Максимально можливу напругу прикладену до напівпровідникових переходів. Напругу пробою переходів та максимальне значення потужності колектора, яку він здатен розсіяти.

Якщо ці параметри будуть перевищені – транзистор може вийти з ладу.

Гадаю ви це зрозуміли, засвоїли і усвідомили. Тож продовжимо.

Деякі деталі

Одним із способів захисту переходу емітер-база є застосування діода увімкненого між електродами цього переходу, як показано на малюнку. Діод запобігає перевищенню напруги між емітером та базою щоразу, коли емітер стає більш позитивним щодо бази. Така ситуація можлива тоді, коли база отримує сигнал більш негативного потенціалу, скажімо, при "заземленому" емітері.

Щоб уникнути граничного перевищення напруги переходу колектор-база, можна застосувати діод у колі колектора. Діод, розташований послідовно з виводом, запобігає виникненню неконтрольованого потоку струму на переході, у випадку суттєвого перевищення потенціалу бази щодо колектора.

 

Релейний ключ

Ми вже розглядали таке застосування транзистора, але транзистор, як ключ управління реле, був тоді обраний показово. Хочу нагадати, що транзисторні ключі здатні управляти не лише релейним навантаженням, вони використовуються для управління подальшими колами чи споживачами із суттєво більшим споживанням струму ніж здатні віддати якісь кола управління (скажімо, мікроконтролери чи щось інше).

Але при управлінні реле, електромагнітами чи двигунами, тобто  –індуктивним навантаженням, слід не забувати захищати транзистор від сплесків індуктивних струмів за допомогою діода.

Диференційний підсилювач

Диференційний підсилювач, наведений у цій ремарці, є пристроєм, який порівнює два окремих вхідних сигнали, сприймає різницю між ними і підсилює її.

Щоб зрозуміти, як працює схема, давайте розглянемо обидва транзистори як відокремлені, не забуваючи при цьому, що вони встановлені у конфігурації зі спільним емітером.

Отже, за умови, якщо подати ідентичні вхідні сигнали на обидва входи, як на Vin 1, так і на Vin 2, через кожен транзистор будуть протікати однакові струми. Це означає, що (на підставі V=Vк–IкRк) напруга на колекторах обох транзисторів буде однаковою. Позаяк виходи є просто виводами колекторів лівого та правого транзисторів, вихідна напруга (різниця потенціалів) дорівнюватиме нулю.

Тепер уявимо, що сигнали на входах відрізняються, скажімо, Vin 1 більше, ніж Vin 2. У такому разі струм, який буде протікати через лівий транзистор, буде більшим, ніж струм, який буде протікати через правий транзистор. Це означає, що напруга на колекторі лівого транзистора буде зменшуватися відносно напруги на колекторі правого транзистора. Позаяк транзистори встановлені у конфігурації зі спільним емітером, ефект буде підсилюватися.

Співвідношення між вхідною та вихідною напругою визначається як:

Vout = Rк/Rtr(Vin 1–Vin 2)

Перебудувавши цей вираз, побачимо, що коефіцієнт підсилення дорівнюватиме Rк/Rtr. У даному випадку Rtr це коефіцієнт трансрезистентності підсилювача, який можна прийняти за 0.026.

Розуміння того, які значення резисторів слід обрати, можна пояснити вивчивши наведену вище схему. Спочатку оберіть для встановлення напруги колекторів на половину напруги живлення, тобто 5.0 В, щоб максимізувати динамічний діапазон. У той же час ви повинні обрати струм покою (коли сигнали не подаються), скажімо, Iп=Iк=50мкА. По закону Ома =(10В-5В)/50мкА=100 кОм.

обрано для встановлення напруги на емітерах транзисторів якнайближчою до 0В. можна визначити через суму струмів правої та лівої гілки, отже загальний струм, який буде протікати через цей резистор складатиме 100 мкА. Тепер застосуємо закон Ома: =0В-10В/100мкА=100 кОм.

Схемотехнічні рішення диференційного підсилювача покладено в основу компараторів, операційних підсилювачів.

Двотактовий симетричний підсилювач

Нагадаю, що емітерний npn-повторювач закривається для обмеження сигналу на виході під час негативних півхвиль-коливань на вході (транзистор вимикається, коли Vе+0,6В). Аналогічно, pnp-повторювач буде обмежувати сигнал на виході під час позитивних півхвиль-коливань на вході.

Давайте спробуємо об'єднати транзистори npn та pnp, як показано на схемі. Отримаємо те, що називається двотактовим повторювачем або симетричним підсилювачем. Такий підсилювач забезпечує повне підсилення сигналу, бо здатен передавати на вихід як позитивні, так і негативні півхвилі-коливання зі входу.

Окрім того, що ця схема корисна в якості підсилювача, вона також відрізняється своєю економічністю, бо робоча точка для обох транзисторів наближена до 0.

Дзеркало струму

У такій схемі два узгоджених pnp-транзистора можуть використовуватися для створення так званого "дзеркала струму". Ця назва виникла тому, що в ній струм навантаження є дзеркальним відбитком вхідного струму, який потрапляє до колектора лівого транзистора.

Виходячи з того, що з'єднані бази обох однакових транзисторів мають однакове зміщення – їхній струм також однаковий, а з цього витікає, що і струми переходів колектор-емітер обох транзисторів будуть однаковими.

Вхідний, тобто струм управління, можна змінювати, скажімо, за допомогою резистора приєднаного від колектора до більш негативного потенціалу.

Дзеркала струму можна також реалізувати за допомогою NPN-транзисторів. Але тоді слід перевернути схему догори ногами, поміняти транзистори pnp на транзистори npn, змінити напрямок струму і поміняти місцями напругу живлення.

Практичне значення такої схеми – створення джерел стабільного струму.

Багатоканальне джерело (подільник) струму

Схема, яка наведена у цій ремарці, є подальшою модифікацією попередньої. Вона використовується для поділу "дзеркального відбиття" струму управління на декілька різноманітних споживачів.

Зверніть увагу на появу додаткового транзистора з боку ланки управління. Цей елемент додано з метою запобігання насичення базового кола одного з транзисторів, від якого, скажімо, від'єднане навантаження. У протилежному випадку такий транзистор може стати надмірним споживачем струму, що призведе до суттєвого зменшення вихідних струмів інших ланок.

Мультивібратор

Це не що інше, як генератор коливань прямокутної форми. Така схема досить поширена в електроніці, зокрема – автоматиці. Незначні зміни у побудові мультивібратора можуть змусити його працювати в режимі очікування, авто-генерації, синхронізації. Давайте коротко розглянемо деякі види мультивібратора і з'ясуємо як вони працюють.

1. Двостабільний (бістабільний) мультивібратор

Ця схема розрахована на безмежно довгий час перебування у будь-якому з двох станів доти, поки не буде подано команду управління на зміну стану. Після того, як схема змінить стан, вона чекатиме іншого сигналу для повернення у попередній.

Щоб зрозуміти, як працює ця схема, будемо вважати, що рівень сигналу на виході V1 = 0 (рівню приладової маси, тобто негативного потенціалу).

Перемикач SA1 знаходиться у положенні А,  це означає, що струм прямуватиме через резистори R4 та R3, до бази транзистора VT1, що буде його, відповідно, утримувати у відкритому стані. У такому стані базовий струм транзистора VT2 відсутній, отже він – закритий. Тобто, потенціал колектора відкритого транзистора VT1 дорівнюватиме 0, а VT2 – 1 (рівню живлення приладу, тобто позитивного потенціалу), що відповідає первинній умові.

Позаяк схема симетрична, вона матиме таки самий стійкий стан і в іншому положенні. Тобто, якщо відкриється транзистор VT2, рівень потенціалу його колектора, отже і виходу V2, впаде до нуля вольтів.

Перевести в інший стан двостабільний мультивібратор можна за допомогою перемикача SA1. Для цього слід замкнути базу транзистора VT2 на мінус перевівши його важіль у положення В.

Замість перемикача SA1 в реальних схемах використовуються різноманітні джерела імпульсного управління. Двостабільні мультивібратори можна використовувати як пристрої пам'яті, фіксатори поодиноких імпульсів, подільники частоти на два, адже кожен наступний імпульс буде відновлювати попередній стан.

2. Одностабільний (моностабільний) мультивібратор

Ця схема стабільна лише в одному стані, при цьому VВих завжди = 0. Але її можна перевести у нестабільний стан, при цьому VВих змінить свій рівень на 1. Таке переведення можливе при надходженні негативного імпульсу на базу транзистора VT2. Втім, через певний час, який визначається ланцюжком RtCt, мультивібратор автоматично повернеться до свого стабільного стану. Що відбувається?

Коли на вхід управління надходить негативний імпульс, транзистор VT2 закривається. Внаслідок цього потенціал його колектора, відповідно і бази VT1 зростає. VT1 відкривається і відбувається перезаряджання ємності Ct від рівня напруги джерела живлення до напруги близько 0.7 В зворотної полярності. До повної зміни заряду ємності, час якого залежить від величини опору Rt, конденсатор Ct буде джерелом живлення бази транзистора VT2 негативною напругою закриття.

Саме цей стан і називається періодом нестабільного стану. А тривалість імпульсу "час затримки" визначатиметься ємністю конденсатора Ct та опором резистора Rt.

Коли конденсатор Ct відновить рівень свого заряду до рівня потенціалу живлення схеми, транзистор VT2 відкриється викликаючи закриття транзистора VT1. Мультивібратор повернеться до свого стабільного стану.

Такі одностабільні мультивібратори можуть застосовуватися як таймери, розширювачі імпульсів, бо тривалість імпульсу "час затримки" мало залежить від тривалості імпульсу управління. Адже час відліку тривалості імпульсу "час затримки" починається від заднього фронту імпульсу управління, тобто – припинення дії потенціалу негативного рівня.

В електроніці можна зустріти ще один синонім такого мультивібратора – очікувальний.

3. Нестабільний (генеруючий) мультивібратор

Нестабільний мультивібратор – це схема, яка не має стабільного стану, і поводить себе неначе осцилятор (система, яка здійснює коливання, тобто показники якої періодично повторюються в часі).

Він не потребує зовнішніх імпульсів управління. Використовує кола позитивного зворотного зв'язку і ланки RC для створення самостійного запуску, що, в результаті перемикає виходи (колектори) між VСС та , тобто рівнями 0 та 1. Результатом такої дії є генерація прямокутних імпульсів відповідної частоти.

 У схемі ліворуч транзистори перемикачі VT1 і VT2 пов'язані колами перехресного зворотного зв'язку, разом із двома відповідними ланцюжками затримки R2C1 та R3C2.

Транзистори працюють в лінійному режимі як звичайні емітерні підсилювачі зі 100% позитивним зворотним зв'язком.

Отже, після увімкнення напруги живлення плечі мультивібратора почергово запускають одне одного генеруючи послідовність імпульсів. Цей процес повторюється знову і знову, поки присутнє живлення.

Амплітуда імпульсів на кожному з виходів приблизно дорівнює VСС з тимчасовим паузами між ними, які й визначаються параметрами RC ланок, приєднаних до базових виводів транзисторів. При рівності номіналів елементів цих ланок, тобто R2=R3 C1=C2, тривалість імпульсу буде дорівнювати тривалості паузи.

Для зменшення впливу на роботу нестабільного мультивібратора виконавчих елементів із низьким імпендансом, їх можна підключити до виходів через додаткові транзисторні каскади.

Генеруючий мультивібратор широко застосовується в електроніці, адже він здатен генерувати коливання в широкому спектрі частот. Дозволяючи при цьому гнучко встановлювати скважність імпульсів. Тобто, співвідношення між тривалістю імпульсу та тривалістю паузи між їхньою послідовністю. 

Давайте спробуємо відтворити один із варіантів нестабільного мультивібратора.

При номіналах вказаних на схемі скважність дорівнюватиме 1. Тобто, тривалість імпульсу відповідатиме тривалості паузи.

Результатом роботи такої конструкції буде почергове мигання світлодіодів.

Зберемо конструкцію без паяння на монтажній платі, помилуємося кліпанням світлодіодів і використаємо цифровий осцилограф DSO138 для візуального спостереження за процесом її роботи.

Я вже удруге згадую осцилограф. Цей прилад дуже корисна річ для аматора, бо дозволяє візуально спостерігати за процесами, які відбуваються у електронних пристроях, і ми обов'язково навчимося із ним працювати.

Навіть такий простий цифровий осцилограф як DSO138, буде досить непоганим помічником аматора.

Так-от, приєднаємо сигнальний дріт до одного з виходів мультивібратора. Скажімо, колектора транзистора VT2.

Звернемо увагу на імпульсні характеристики сигналу. Частота (Freg): 3.431 Гц. Тривалість циклу (Cycl): 0.291 сек. Тривалість імпульсу (PW): 0.146 сек. Черговість (Duty): майже 50%, тобто тривалість імпульсу дорівнює тривалості паузи.

А тепер давайте розберемо, що ж робиться із нашим мультивібратором.

Повторюся, сигнал ми знімаємо з колектора транзистора VT2 (червоний дріт штатного щупа). Щуп чорного кольору кріпиться до негативного полюсу живлення, тобто до "конструктивної землі". На фото світиться лише один світлодіод, звісна річ – миттєвий фотознімок не дозволяє передати динаміки процесу.

Продовжимо. Приберемо інформацію, збільшимо чутливість, зменшимо час розгортки.

Повний імпульс складається із чотирьох основних етапів.

1 – транзистор відкрився, через нього пішов струм: напруга на колекторі упала до рівня "конструктивної землі", світлодіод HL2 спалахнув, конденсатор C2 отримав можливість зарядитися.

2 – відбувається поступовий заряд конденсатора C2. У той же час заряд конденсатора С1, який підтримує транзистор VT2 у відкритому стані зменшується – падає до нуля.

3 – рівень заряду конденсатора С1 вже не може підтримувати VT2 у відкритому стані, транзистор закривається, світлодіод HL2 згасає. Конденсатор С2 закінчив заряджатися, на ньому з'явилася напруга здатна відкрити транзистор VT1. Транзистор відкривається, світлодіод HL1 спалахує. Тепер отримав можливість зарядитися конденсатор C1.

4 – відбувається поступовий заряд конденсатора C1.  У той же час рівень заряду конденсатора С2, який підтримує транзистор VT1 у відкритому стані – спадає.

І далі, як ми бачимо, процес відбувається нескінченно. Мультивібратор перебуває в режимі авто-генерації доти, поки його елементи не вийдуть з ладу, або не буде вимкнена напруга живлення.

Транзисторний шлюз машинної логіки

Схеми подані у цій ремарці є елементами комп'ютерного мозку. Своєрідними нейронами машинної логіки. Звісна річ, у складі мікроконтролерів, мікросхем такі елементи надзвичайно мініатюрні, але не факт, що аматору ніколи не  знадобиться використати їх виготовивши із дискретних елементів.

Отже, елемент АБО дозволяє отримати на виході високий рівень сигналу лише тоді, коли такий рівень сигналу присутній на якомусь одному, чи на обох входах відразу.

Елемент І дозволяє отримати високий рівень сигналу на виході лише тоді, коли на обох входах буде присутній високий рівень.

Зверніть увагу, до кожної схеми додана так звана табличка істинності. У ній відображені умови роботи конструктивного елемента: 0 – низький рівень сигналу, 1 – високий.

Пара Дарлінгтона

Закінчуючи побіжний огляд використання біполярних транзисторів не можна не згадати про пару Дарлінгтона. Таке поєднання транзисторів названо на честь його винахідника.

Комбінація складається із двох транзисторів зі з'єднаними колекторами, а от емітер першого з'єднаний з базою основного. Типову схему можете роздивитися на малюнку.

Ефект такого поєднання полягає в тому, що два транзистори поводять себе неначебто один, але здатність підсилювати струм дорівнюватиме добутку їхніх коефіцієнтів підсилення.

Тобто, якщо транзистори мають коефіцієнт підсилення по 250, спільний коефіцієнт підсилення пари становитиме: 250х250=62500. Ви лише уявіть!

Така комбінація широко застосовується у пристроях де потрібен високий коефіцієнт підсилення струму. Вона дуже подобається конструкторам. Настільки, що пари Дарлінгтона виготовляються в одному корпусі. Часто-густо можна зустріти транзистори  із назвою "транзистор Дарлінгтона", це не що інше як двійко транзисторів змонтованих в одному корпусі.

 

Тепер, неначебто, все що хотів. Тож наступний допис буде вже точно про FET (польові) транзистори.

 

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

додатковий модуль лабораторного джерела живлення

Чому додатковий модуль? Чим викликано створення такого джерела живлення?

Ідея реалізації додаткового джерела живлення виникла під впливом минулого допису. Я писав стосовно можливостей реалізації різноманітних варіантів блоків живлення, з використанням готових модулів, потрібних аматору, а от практично реалізувати таку ідею для ознайомлення аматорів, не завадило б. Та й існування додаткового джерела живлення в лабораторії аматора не буде зайвим. Гадаю ви переконалися в цьому під час визначення напруги відкриття диністора. Отже, якщо на робочому місці аматора під рукою завжди буде додаткове джерело живлення – це плюс.

Продовження статті за посиланням.

 

 

 

 

Комментарии к статье

Отсутствуют
  • Вы, клиент нашего интернет-магазина? Войдите чтобы оставить комментарий
    Войдите
    Впервые в интернет-магазине? Чтобы продолжить вам нужно зарегистрироваться, это займет несколько минут
    Зарегистрируйтесь