Простые схемы на транзисторах для начинающих: Восемь простых схем на транзисторах для начинающих радиолюбителей

Осцилляторы

Генератор — это схема, которая генерирует периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением.Генераторы используются во всевозможных схемах: от простого мигания светодиода до генерации тактового сигнала для управления микроконтроллером. Есть много способов создать схему генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.

Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильным мультивибратором . Используя обратную связь , мы можем использовать пару транзисторов для создания двух дополняющих осциллирующих сигналов.

Помимо двух транзисторов, конденсаторы являются настоящим ключом к этой схеме.Колпачки поочередно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора попеременно включаются и выключаются.

Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы конденсаторов и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняется напряжение около V _CC ), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:

• Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разряжаться через коллектор Q1.
• Пока C1 разряжается, C2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала — R4.
• Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина будет подтянута примерно до 0,6 В, что включит Q2.
• На этом этапе мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь танцуем в другую сторону.
• Q2 включен, позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
• Когда Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
• Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в состояние, в котором мы начали.

Может быть трудно понять. Вы можете найти еще одну отличную демонстрацию этой схемы здесь.

Выбирая определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и сохраняя R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:

Итак, при значениях для конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора будет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1,5 раза в секунду.

Как вы, наверное, уже заметили, существует тонн схем, в которых используются транзисторы. Но мы почти не коснулись поверхности. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Пришло время увидеть больше примеров!

Приложения II: Усилители

Некоторые из самых мощных транзисторных приложений включают усиление: преобразование сигнала малой мощности в сигнал большей мощности.Усилители могут увеличивать напряжение сигнала, беря что-то из диапазона мкВ и преобразовывая его в более полезный уровень в мВ или В. Или они могут усиливать ток, что полезно для превращения мкА тока, производимого фотодиодом, в ток гораздо большей величины. Существуют даже усилители, которые принимают ток и производят более высокое напряжение или наоборот (называемые транссопротивлением и крутизной соответственно).

Транзисторы являются ключевым компонентом многих усилительных схем. Существует, казалось бы, бесконечное множество транзисторных усилителей, но, к счастью, многие из них основаны на некоторых из этих более примитивных схем.Запомните эти схемы, и, надеюсь, с небольшим сопоставлением с образцом вы сможете разобраться в более сложных усилителях.

Общие конфигурации

Три основных транзисторных усилителя: общий эмиттер, общий коллектор и общая база. В каждой из трех конфигураций один из трех узлов постоянно привязан к общему напряжению (обычно к земле), а два других узла являются либо входом, либо выходом усилителя.

Общий эмиттер

Общий эмиттер — одна из наиболее популярных схем транзисторов.В этой схеме эмиттер подключен к общему напряжению как для базы, так и для коллектора (обычно это земля). База становится входом сигнала, а коллектор становится выходом.

Схема с общим эмиттером популярна, потому что она хорошо подходит для усиления напряжения , особенно на низких частотах. Например, они отлично подходят для усиления аудиосигналов. Если у вас небольшой входной сигнал с размахом 1,5 В, вы можете усилить его до гораздо более высокого напряжения, используя немного более сложную схему, например:

Одна особенность обычного эмиттера заключается в том, что он инвертирует входной сигнал (сравните его с инвертором с последней страницы!).

Общий коллектор (эмиттерный повторитель)

Если мы подключим коллектор к общему напряжению, используем базу как вход, а эмиттер как выход, то получим общий коллектор. Эта конфигурация также известна как эмиттерный повторитель .

Общий коллектор не усиливает напряжение (фактически, выходное напряжение будет на 0,6 В ниже входного). По этой причине эту схему иногда называют повторителем напряжения .

Эта схема действительно имеет большой потенциал в качестве усилителя тока .В дополнение к этому, высокий коэффициент усиления по току в сочетании с коэффициентом усиления по напряжению, близким к единице, делает эту схему отличным буфером напряжения . Буфер напряжения предотвращает нежелательные помехи цепи нагрузки управляющей цепи.

Например, если вы хотите подать 1 В на нагрузку, вы можете пойти простым путем и использовать делитель напряжения, или вы можете использовать эмиттерный повторитель.

По мере увеличения нагрузки (что, наоборот, означает уменьшение сопротивления) выход схемы делителя напряжения падает.Но выходное напряжение эмиттерного повторителя остается стабильным, независимо от нагрузки. Большие нагрузки не могут «загрузить» эмиттерный повторитель, как это могут быть цепи с большим выходным сопротивлением.

Общая база

Мы поговорим об общей базе, чтобы завершить этот раздел, но это наименее популярная из трех основных конфигураций. В усилителе с общей базой эмиттер является входом, а коллектор — выходом. База общая для обоих.

Общая база похожа на антиэмиттер-повторитель.Это приличный усилитель напряжения, и ток на входе примерно равен току на выходе (на самом деле ток на входе немного больше, чем на выходе).

Схема с общей базой лучше всего работает как токовый буфер . Он может принимать входной ток с низким входным сопротивлением и подавать почти такой же ток на выход с более высоким сопротивлением.

Вкратце

Эти три конфигурации усилителей лежат в основе многих более сложных транзисторных усилителей. У каждого из них есть приложения, где они сияют, будь то усиление тока, напряжения или буферизация.

Многокаскадные усилители

Мы могли бы продолжать говорить о большом разнообразии транзисторных усилителей.Вот несколько быстрых примеров, демонстрирующих, что происходит, когда вы комбинируете описанные выше одноступенчатые усилители:

Дарлингтон

Усилитель Дарлингтона соединяет один общий коллектор с другим, создавая усилитель с высоким коэффициентом усиления по току .

Выходное напряжение примерно равно входному напряжению (минус примерно 1,2–1,4 В), но коэффициент усиления по току является произведением коэффициентов усиления двух транзисторов . Это β ² — более 10 000!

Пара Дарлингтона — отличный инструмент, если вам нужно управлять большой нагрузкой с очень малым входным током.

Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель вычитает два входных сигнала и усиливает эту разницу. Это важная часть цепей обратной связи, где вход сравнивается с выходом, чтобы получить будущий выход.

Вот основа дифференциального усилителя:

Эта схема также называется парой с длинным хвостом . Это пара схем с общим эмиттером, которые сравниваются друг с другом для получения дифференциального выхода.Два входа поданы на базы транзисторов; выход представляет собой дифференциальное напряжение на двух коллекторах.

Двухтактный усилитель

Двухтактный усилитель — полезный «заключительный каскад» во многих многокаскадных усилителях. Это энергоэффективный усилитель мощности, часто используемый для управления громкоговорителями.

Основной двухтактный усилитель использует транзисторы NPN и PNP, оба настроены как общие коллекторы:

Двухтактный усилитель на самом деле не усиливает напряжение (выходное напряжение будет немного меньше входного), но усиливает ток.Это особенно полезно в биполярных схемах (с положительным и отрицательным питанием), потому что оно может как «проталкивать» ток в нагрузку от положительного источника питания, так и «вытягивать» ток и погружать его в отрицательный источник питания.

Если у вас есть биполярный источник питания (или даже если у вас его нет), двухтактный — отличный конечный каскад для усилителя, действующий как буфер для нагрузки.

Собираем их вместе (операционный усилитель)

Давайте рассмотрим классический пример многокаскадной транзисторной схемы: операционный усилитель.Умение распознавать распространенные транзисторные схемы и понимание их назначения может помочь вам в долгом! Вот схема внутри LM3558, действительно простого операционного усилителя:

Внутреннее устройство операционного усилителя LM358. Узнали какие-то усилители?

Здесь определенно больше сложности, чем вы можете быть готовы усвоить, однако вы можете увидеть некоторые знакомые топологии:

• Q1, Q2, Q3 и Q4 образуют входной каскад. Очень похоже на общий коллектор (Q1 и Q4) на дифференциальный усилитель , верно? Он просто выглядит перевернутым, потому что использует PNP.Эти транзисторы образуют входной дифференциальный каскад усилителя.
• Q11 и Q12 являются частью второго этапа. Q11 — это общий коллектор, а Q12 — это общий эмиттер . Эта пара транзисторов буферизует сигнал с коллектора Q3 и обеспечивает высокий коэффициент усиления, когда сигнал поступает на конечный каскад.
• Q6 и Q13 являются частью финальной стадии, и они тоже должны выглядеть знакомо (особенно если не обращать внимания на R _SC ) — это push-pull ! Этот этап буферизует выходной сигнал, позволяя ему управлять большими нагрузками.
• Есть множество других распространенных конфигураций, о которых мы не говорили. Q8 и Q9 сконфигурированы как токовое зеркало , которое просто копирует величину тока, проходящего через один транзистор, в другой.

После этого ускоренного курса по транзисторам мы не ожидаем, что вы поймете, что происходит в этой схеме, но если вы сможете начать определять общие транзисторные схемы, вы на правильном пути!

Покупка транзисторов

Теперь, когда вы контролируете источник управления, мы рекомендуем SparkFun Inventor’s Kit, чтобы воплотить в жизнь полученные вами новые знания.Мы также предоставили ссылки на комплект полупроводников и одиночные транзисторы для использования в ваших собственных проектах.

Наши рекомендации:

N-канальный полевой МОП-транзистор 60 В, 30 А

Если вы когда-нибудь задумывались, как управлять фарами автомобиля с помощью микроконтроллера, MOSFET — это то, что вам нужно.Это ве…

Пакет дополнений SparkFun Inventor’s Kit — v4.0

С помощью Add-On Pack вы сможете включить некоторые из старых частей, которые раньше были включены в SIK, которые были обновлены…

Ресурсы и движение вперед

Если вы хотите глубже изучить транзисторы, мы рекомендуем несколько ресурсов:

• Начало работы в электронике Форрест Мимс — Мимс — мастер объяснения электроники простым для понимания и применимым образом.Обязательно ознакомьтесь с этой книгой, если вы хотите более подробно познакомиться с транзисторами.
• LTSpice и Falstad Circuit — это бесплатные программные инструменты, которые вы можете использовать для моделирования цепей. Цифровые эксперименты со схемами — отличный способ научиться. Вы получаете все эксперименты без боли макетирования или страха взорвать все. Попробуйте собрать воедино то, о чем мы говорили!
• 2N3904 Техническое описание — Еще один способ узнать о транзисторах — это изучить их техническое описание.2N3904 — это действительно распространенный транзистор, который мы используем все время (а 2N3906 — его брат по PNP). Ознакомьтесь с таблицей данных, посмотрите, узнаете ли вы какие-нибудь знакомые характеристики.

Вдобавок к этому наш собственный технический директор Пит выпустил серию видеороликов «По словам Пита», в которых основное внимание уделяется транзисторам и транзисторным усилителям. Обязательно посмотрите его видео о диодах и транзисторах:

Затем вы можете перейти к: Конфигурации смещения транзисторов, часть 1 и часть 2, и, наконец, текущие зеркала.Качественный товар!

Дальше

Или, если вам не терпится узнать больше об электронике в целом, ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по SparkFun:

• Интегральные схемы — Что вы получите, если объедините тысячи транзисторов и поместите их в черный ящик? IC!
• Регистры сдвига — регистры сдвига являются одной из наиболее распространенных интегральных схем. Узнайте, как можно использовать транзистор для мигания десятков светодиодов всего несколькими входами.
• Mini FET Shield Hookup Guide — Это действительно простой щит Arduino, который использует 8 полевых МОП-транзисторов для управления 8 сильноточными выходами.Это хороший пример использования транзистора в качестве переключателя из реальной жизни.
• Проектирование печатных плат с EAGLE — Выведите свои новые навыки работы с транзисторами на новый уровень. Сделайте из них печатную плату! В этом руководстве объясняется, как использовать бесплатное программное обеспечение (Eagle) для разработки печатных плат.
• Как паять. Если вы разрабатываете печатную плату, вам также нужно знать, как паять. Узнайте, как паять через отверстия в этом руководстве.

Или посмотрите некоторые из этих сообщений в блоге, чтобы найти идеи:

Электронные проекты: Как создать транзисторную НЕ затворную схему

2. Программирование
3. Электроника
4. DIY проекты
5. Электронные проекты: Как создать транзисторную НЕ затворную схему

Автор Дуг Лоу

Этот проект показывает, как собрать простой затвор транзистора НЕ на макетной плате без пайки.В этом проекте электроники в качестве входа используется нормально разомкнутая кнопка. Когда кнопка не нажата, входной сигнал НИЗКИЙ, а выход ВЫСОКИЙ, в результате чего загорается светодиод. Когда вы нажимаете кнопку, входной сигнал становится ВЫСОКИМ, выходным — НИЗКИМ, а светодиод гаснет.

Элемент НЕ просто инвертирует свой вход. Если вход HIGH, выход LOW, а если вход LOW, выход HIGH. Такую схему легко построить, используя один транзистор и пару резисторов.

Работа этой схемы проста.Вход подключен через резистор R2 к базе транзистора. Когда на входе нет напряжения, транзистор выключается. Когда транзистор выключен, ток по пути коллектор-эмиттер не течет. Таким образом, ток от напряжения питания (V _cc на схеме) протекает через резистор R1 на выход. Таким образом, выход схемы ВЫСОКИЙ, когда ее вход НИЗКИЙ.

Когда на входе присутствует напряжение, транзистор включается, позволяя току течь через цепь коллектор-эмиттер непосредственно на землю.Этот путь заземления создает ярлык, который обходит выход, что приводит к тому, что выход становится НИЗКИМ.

Таким образом, выход ВЫСОКИЙ, когда вход НИЗКИЙ, и НИЗКИЙ, когда вход ВЫСОКИЙ.

Затвор НЕ транзистор собран на макетной плате.

Об авторе книги

Mosfet — заставьте свой мощный MOSFET работать! — KRAKKUS.COM

Позвольте мне объяснить некоторые полезные схемы для работы вашего силового МОП. Основы mosfet, о которых я расскажу:

• Сдвиг уровня напряжения
• Смещение напряжения
• Усиление тока
• Защита MOSFET
• Специальные драйверы

НАЧИНАЕМ!

Сдвиг уровня напряжения # 1

Сдвиг уровня напряжения — это метод, который вы используете, когда уровень напряжения вашего контроллера не соответствует уровню вашего силового МОП.Например; когда порт PWM вашего микроконтроллера выдает не более 5 В, но для нормальной работы МОП-транзистор требуется не менее 10 В на затворе.

Один из способов изменить сигнал — использовать подтягивающий резистор с транзистором NPN.

Когда сигнал ввода-вывода низкий, транзистор NPN не потребляет ток на своем катоде, позволяя подтягивающему резистору подавать 10 В на затвор МОП-транзистора, и МОП-транзистор включается.

Когда сигнал ввода-вывода высокий, транзистор начинает проводить, протягивая весь ток вниз через катод.Затвор МОП-транзистора истощается, и МОП-транзистор выключается.

Обратите внимание, что эта схема действительно инвертирует сигнал контроллера.

ПРИМЕЧАНИЕ: Кроме того, не пытайтесь использовать транзистор PNP вместо NPN для борьбы с инвертированием сигнала. 5 В на выводе IO по-прежнему будет ниже 10 В на эмиттере и, следовательно, потянет базу транзистора вниз, сохраняя проводящий транзистор в обоих случаях.MOSFET никогда не включится.

Сдвиг уровня напряжения # 2

Другой способ — использовать компаратор и два резистора, или вы даже можете использовать операционный усилитель, если скорость не является проблемой.

. К отрицательному входу компаратора подключены два идентичных резистора, один из которых ведет к источнику питания вашей логики, другой — к земле, создавая цепь резисторов, которая подает половину напряжения вашей логики на отрицательный вывод компаратора. К положительному входу подключен сигнал ввода-вывода.

Сам компаратор также нуждается в источнике питания и заземлении, они называются шинами и представляют собой нижнюю и верхнюю границы выходного сигнала. Отрицательный источник питания идет на землю, а положительный — на источник напряжения, достаточного для управления затвором МОП-транзистора.

Когда сигнал ввода-вывода низкий, он также ниже, чем отрицательный вывод компаратора, и выходной сигнал становится низким.

Когда сигнал ввода-вывода высокий, он выше, чем отрицательный вывод, который по-прежнему составляет половину напряжения логики, и выход компаратора переключается на верхнюю шину, обеспечивая напряжение, необходимое для затвора.

Обратите внимание, что компаратор обычно не способен обеспечивать высокие токи, поэтому, если требуется быстрое переключение, вам понадобится дополнительная схема для повышения тока.

Смещение напряжения — объяснение

Смещение напряжения означает, что ваш низкий сигнал или заземление для конкретной части цепи не равно 0 В по отношению к контроллеру. Например, если МОП-транзистор расположен на стороне высокого напряжения цепи, а после него идет нагрузка с относительно высоким сопротивлением, тогда источник МОП-транзистора будет не на 0 В, а больше на 20 В, если вы включите в него 24 В.Это означает, что для включения затвор МОП-транзистора должен иметь напряжение 20 В + 10 В = 30 В. И на 20В снова выключить.

Если напряжение источника стабильное, например, батарея, а нагрузка всегда присутствует и имеет высокое сопротивление, то следующая схема поможет вам переключиться в такой ситуации.

ПРИМЕЧАНИЕ: Если есть конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, то это удерживает напряжение источника МОП-транзистора от быстрого повышения, при этом напряжение затвора остается на 30 В выше. Это разрушит МОП-транзистор.Вот почему для того, чтобы эта схема работала, она должна соответствовать множеству условий.

Смещение напряжения # 1

В этой схеме используются два оптрона. Верхний используется для подключения затвора к источнику высокого напряжения для его включения, а нижний подключает затвор к истоку МОП-транзистора для его выключения. Вы можете генерировать это напряжение 24 В + 10 В несколькими способами, но большинство людей используют для этого зарядный насос. Их довольно просто построить.

ПРИМЕЧАНИЕ 2: В способе, которым я нарисовал эту схему, сигнал инвертируется.Однако вы можете легко переключить верхний и нижний оптопары, чтобы исправить это. Это сделало бы схему плохо читаемой.

Когда сигнал ввода-вывода становится высоким, через нижний светодиод внутри оптопары проходит ток и включается соответствующий транзистор. Это истощает затвор до уровня напряжения источника и переключает МОП-транзистор.

Когда сигнал ввода-вывода становится низким, происходит обратное.Ток течет от 5 В через верхний светодиод к контроллеру и активирует транзистор. Это подает напряжение на затвор МОП-транзистора. Когда напряжение затвора повышается до пары вольт, МОП-транзистор начинает немного проводить. Некоторый ток может попасть на сторону источника, позволяя напряжению источника расти вместе с напряжением затвора. Если напряжение затвора резко возрастает, вы можете подумать о добавлении резистора последовательно с затвором, что в любом случае является хорошей практикой.

Смещение напряжения # 2

Лучший способ решить эту проблему — использовать трансформатор.Второй обмотке трансформатора все равно, на каком уровне напряжения она работает, она просто подает напряжение. Единственным недостатком этого является то, что трансформаторы огромные, тяжелые и дорогие по сравнению с использованием специального драйвера. Трансформатор в этом примере имеет в четыре раза больше обмоток на выходной стороне, что дает ему усиление по напряжению в четыре с четвертью тока.

Когда на выходном контакте контроллера появляется высокий уровень 5 В, ток через трансформатор повышается до 2.Питание 5 В, создающее магнитное поле, улавливаемое второй половиной. На второй половине создается перепад напряжения 10 В. Поскольку он связан с истоком и затвором, затвор получает полные 10 В, включая МОП-транзистор.

Когда на выходе IO снижается уровень, он пропускает ток от источника питания 2,5 В через трансформатор, создавая магнитное поле в другом направлении. На выходной стороне трансформатора это приводит к дифференциалу -10 В с достаточной мощностью, чтобы полностью истощить затвор МОП-транзистора, который снова отключается.

Усиление тока

МОП-транзисторы большой мощности нуждаются в большом токе за короткое время для правильного включения, не пребывая в переходной фазе на долгое время. Большинство контроллеров не могут доставить это напрямую. Так что вам, вероятно, понадобится схема усиления тока. Показанная здесь схема представляет собой двухтактную конфигурацию, также известную как общий полюс. В нем используются транзисторы NPN и PNP, но вы также можете использовать небольшие МОП-транзисторы.

. Теперь это просто, IO переходит в высокий уровень до 5 В, что позволяет использовать верхний NPN-транзистор, который проводит ток ввода-вывода, умноженный на коэффициент усиления транзисторов, в затвор МОП-транзистора.

И на нижней стороне, когда IO низкий при 0 В, он опускает базу PNP-транзистора, снова позволяя току ввода-вывода умножить на коэффициент усиления транзистора и слить затвор МОП-транзистора на землю через транзистор.

Защита Mosfet # 1

Бывают ситуации, когда МОП-транзистор нуждается в защите от скачков напряжения. Хотя эти всплески длятся всего микросекунды, они также могут за это короткое время выстреливать до сотен вольт, убивая мосфет.Например, приведенная ниже схема представляет собой индуктор, за которым следует МОП-транзистор, это довольно распространенная установка для отключения тока для светодиодной ленты или электродвигателя.

Когда МОП-транзистор включен, ток равномерно проходит через индуктор, создавая магнитное поле. Когда МОП-транзистор замыкается, индуктор все еще сохраняет свое электрическое поле, и он хочет продолжать отводить ток, как обычно. Поскольку ток на стороне МОП-транзистора не может проходить через МОП-транзистор, он накапливается в кучу, разбивающуюся о МОП-транзистор, эта куча представляет собой груду напряжения, кратковременного, но очень высокого.

Чтобы избавиться от острых краев шипов, вы можете использовать резистор и конденсатор. Чем выше пик, тем больший ток резистор пропускает через конденсатор, при этом часть мощности рассеивается в виде тепла. Конденсатор нужен для того, чтобы мощность не просачивалась постоянно, а только через выбросы. На втором рисунке показана почти идентичная установка, но вместо того, чтобы быть привязанной к земле, она проходит через мосфет.

Защита Mosfet # 2

Если вы используете усиление тока или имеете длинный путь от контроллера до МОП-транзистора, то индуктивность может стать проблемой.Подача большого количества тока на затвор сразу может вызвать скачок напряжения. Вы можете исправить это, установив резистор перед затвором МОП-транзистора. Резистор может иметь низкое значение, чтобы пропускать несколько ампер при одновременной очистке острых краев.

Установка резистора между затвором и истоком МОП-транзистора обеспечивает функцию автоматического отключения. Это удобно, когда вы не можете обеспечить безопасное отключение цепи. Хотя МОП-транзистор все еще может быть включен, вы можете столкнуться с непредсказуемыми ситуациями.С другой стороны, если вы, например, включаете свет на более длительное время, автоматическое выключение может оказаться непрактичным. Это инструмент, используйте его, когда вам это нужно.

специальные драйверы

Как и большинство людей, я много боролся со всеми вышеперечисленными проблемами. Я обнаружил, что существует множество специализированных драйверов mosfet, которые решают все эти проблемы одновременно, они также довольно дешевы и в DIP-пакетах.