Схема с общим эмиттером принцип работы: Полевые транзисторы. For dummies / Хабр

Содержание

Схемы включения биполярных транзисторов.

На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:

Итак, третья и заключительная часть повествования о биполярных транзисторах на нашем сайте. Сегодня мы поговорим об использовании этих замечательных устройств в качестве усилителей, рассмотрим возможные схемы включения биполярных транзисторов и их основные преимущества и недостатки. Приступаем!

Схема включения с общей базой.

Эта схема очень хороша при использовании сигналов высоких частот. В принципе для этого такое включение транзистора, в первую очередь, и используется. Очень большими минусами являются малое входное сопротивление и, конечно же, отсутствие усиления по току. Смотрите сами, на входе у нас ток эмиттера I_э, на выходе I_к.

I_э = I_к + I_б

То есть ток эмиттера больше тока коллектора на небольшую величину тока базы. А это значит, что усиление по току не просто отсутствует, более того, ток на выходе немного меньше тока на входе. Хотя, с другой стороны, эта схема имеет достаточно большой коэффициент передачи по напряжению. Вот такие вот достоинства и недостатки, продолжаем…

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Вот так вот выглядит схема включения биполярного транзистора с общим коллектором. Ничего не напоминает? 🙂 Если взглянуть на схему немного под другим углом, то мы узнаем тут нашего старого друга – эмиттерный повторитель. Про него была чуть ли не целая статья (вот она), так что все, что касается этой схемы мы уже там рассмотрели. А нас тем временем ждет наиболее часто используемая схема – с общим эмиттером.

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером.

Эта схема заслужила популярность своими усилительными свойствами. Из всех схем она дает наибольшее усиление по току и по напряжению, соответственно, велико и увеличение сигнала по мощности. Недостатком схемы является то, что усилительные свойства сильно подвержены влиянию роста температуры и частоты сигнала.

Со всеми схемами познакомились, теперь рассмотрим подробнее последнюю (но не последнюю по значимости) схему усилителя на биполярном транзисторе (с общим эмиттером). Для начала, давайте ее немножко по-другому изобразим:

Тут есть один минус – заземленный эмиттер. При таком включении транзистора на выходе присутствуют нелинейные искажения, с которыми, конечно же, нужно бороться. Нелинейность возникает из-за влияния входного напряжения на напряжение перехода эмиттер-база. Действительно, в цепи эмиттера ничего «лишнего» нету, все входное напряжение оказывается приложенным именно к переходу база-эмиттер. Чтобы справиться с этим явлением, добавим резистор в цепь эмиттера. Таким образом, мы получим

отрицательную обратную связь.

А что же это такое?

Если говорить кратко, то принцип отрицательной обратной связи заключается в том, что какая то часть выходного напряжения передается на вход и вычитается из входного сигнала. Естественно, это приводит к уменьшению коэффициента усиления, поскольку на вход транзистора из-за влияния обратной связи поступит меньшее значение напряжение, чем в отсутствие обратной связи.

И тем не менее, отрицательная обратная связь для нас оказывается очень полезной. Давайте разберемся, каким образом она поможет уменьшить влияние входного напряжения на напряжение между базой и эмиттером.

Итак, пусть обратной связи нет, Увеличение входного сигнала на 0.5 В приводит к такому же росту U_{бэ}. Тут все понятно 😉 А теперь добавляем обратную связь! И точно также увеличиваем напряжение на входе на 0.5 В. Вслед за этим возрастает U_{бэ}, что приводит к росту тока эмиттера. А рост I_э приводит к росту напряжения на резисторе обратной связи. Казалось бы, что в этом такого? Но ведь это напряжение вычитается из входного! Смотрите, что получилось:

Выросло напряжение на входе – увеличился ток эмиттера – увеличилось напряжение на резисторе отрицательной обратной связи – уменьшилось входное напряжение (из-за вычитания U_{ос}) – уменьшилось напряжение U_{бэ}.

То есть отрицательная обратная связь препятствует изменению напряжения база-эмиттер при изменении входного сигнала. В итоге наша схема усилителя с общим эмиттером пополнилась резистором в цепи эмиттера:

Есть еще одна проблема в нашем усилителе. Если на входе появится отрицательное значение напряжения, то транзистор сразу же закроется (напряжения базы станет меньше напряжения эмиттера и диод база-эмиттер закроется), и на выходе ничего не будет. Это как то не очень хорошо… Поэтому необходимо создать смещение. Сделать это можно при помощи делителя следующим образом:

Получили такую красотищу 🙂 Если резисторы R_1 и R_2 равны, то напряжение на каждом из них будет равно 6В (12В / 2). Таким образом, при отсутствии сигнала на входе потенциал базы будет равен +6В. Если на вход придет отрицательное значение, например, -4В, то потенциал базы будет равен +2В, то есть значение положительное и не мешающее нормальной работе транзистора.

Чем бы еще улучшить нашу схему… Пусть мы знаем, какой сигнал будем усиливать, то есть знаем его параметры, в частности частоту. Было бы отлично, если бы на входе ничего, кроме полезного усиливаемого сигнала не было. Как это обеспечить? Конечно, же при помощи фильтра высоких частот! Добавим конденсатор, который в сочетании с резистором смещения образует ФВЧ:

Вот так схема, в которой почти ничего не было, кроме самого транзистора, обросла дополнительными элементами 🙂 Пожалуй, на этом и остановимся, скоро будет статья, посвященная практическому расчету усилителя на биполярном транзисторе. В ней мы не только составим принципиальную схему усилителя, но и рассчитаем номиналы всех элементов, а заодно и выберем транзистор, подходящий для наших целей. До скорой встречи!

Транзисторы. Внутреннее устройство. Работа транзистора в схеме с общим эмиттером. Принцип усиления сигнала

Транзистор - полупроводниковое устройство, которое состоит из двух областей с полупроводниками p- или n-типа, между которыми находится область с полупроводником n- или p-типа. Таким образом, в транзисторе есть две области p-n перехода. Область кристалла между двумя переходами называют базой, а внешние области называют эмиттером и коллектором.

Самой употребляемой схемой включения транзистора является схема включения с общим эмиттером, при которой через базу и эмиттер ток распространяется на коллектор. Биполярный транзистор используют для усиления электрического тока.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n —перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна. Транзисторы типа n-p-nболее распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это можно объяснить тем, что основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а транзисторах типа p-n-p — дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.


Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Работа транзистора в схеме с общим эмиттером

Между базой и эмиттером транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, подсоединяют источник сигнала, а к коллектору – нагрузку. К эмиттеру транзистора подключают полюсы одинаковых знаков источников питания. Входным током каскада выступает ток базы транзистора, а выходным током – ток коллектора. На примере включения в электрическую цепь биполярного p-n-p транзистора.На практике обходятся одним источником питания, а не двумя. Направление протекания тока по выводам транзистора дано на рисунке. Включение n-p-n транзистора совершенно аналогично включению p-n-p транзистора, однако в данном случае придётся поменять полярность обоих источников питания.Коэффициент усиления каскада равен отношению тока коллектора к току базы и обычно может достигать от десятков до нескольких сотен. Транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, теоретически может дать максимальное усиление сигнала по мощности, относительно других вариантов включения транзистора. Входное сопротивление рассматриваемого каскада, равное отношению напряжения база-эмиттер к току базы, лежит в пределах от сотен до тысяч ом. Это меньше, чем у каскада с транзистором, подсоединённым по схеме с общим коллектором. Выходной сигнал каскада с общим эмиттером обладает фазовым сдвигом в 180° относительно входного сигнала. Флюктуации температуры оказывают значительное влияние на режим работы транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, и поэтому следует применять специальные цепи температурной стабилизации. В связи с тем, что сопротивление коллекторного перехода транзистора в рассмотренном каскаде выше, чем в каскаде с общей базой, то необходимо больше времени на рекомбинацию носителей заряда, а, следовательно, каскад с общим эмиттером обладает худшим частотным свойством.


Принцип усиления сигнала

1. Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора.
При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения UЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора IКp не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому IKp= h31Б Iэ
Величина h31Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h31Б = 0,90...0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток IКБО, образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой

Iк =h31БIэ + IКБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток IБ.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
IБ = IБ.рек — IКБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.
2. Режимы работы БТ
1.)Отсечка – оба перехода закрыты, обратно смещены
2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо
3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно
4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо

3. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

3.2.1. Схема с общей базой

3.2.2. Схема с общим эмиттером

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)

б)

Рисунок 3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n1+-p меньше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).

Рисунок 3.2

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n+). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1+) называется эмиттером, а область n2 - коллектором. Соответственно переход n1+-р называют эмиттерным, а n2-pколлекторным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Правая область n+ служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой - дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)

б)

в)

Рисунок 3.3.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер - база UЭБ), а на коллекторном переходе - обратное (напряжение коллектор - база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный - обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (UЭБ = -UБЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов UКБ = UКЭ + UЭБ. Так как UЭБ = -UБЭ, тo UКБ = UКЭ - UБЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным - в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: UКБ = -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = UЭК - UБК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где Iэ р, Iэ n - инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а Iэрек - составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода Iэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие Iэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад Iэ рек незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток Iэ р, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера Iэ n и Iэ рек протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты Iэ n, Iэ рек должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током Iэ рек

. (3.4)

Коэффициент инжекции g Э "тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение Iэ n/ Iэ р. Величина Iэ n/ Iэ р << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора NАЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NДБ в базе (NАЭ >> NДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок - неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок IБ рек, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение c Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами - основными носителями базовой области. Ток IБрек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток IБрек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭ n.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров Nд Б. Это совпадает с требованием NАЭ/NДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы WБ и диффузионной длины дырок в базовой области Lp Б. Доказано, что имеется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при WБ/Lp Б = 0,1 c Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую IКБО, которая протекает в цепи коллектор - база при IЭ = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (IК - IКБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IКр. Обычно рабочие токи коллектора IК значительно IКБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IК и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = -IКБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I*Э = IКБО /(1-a ) ток IБ = 0, а при дальнейшем увеличении IЭ (IЭ>I*Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь IК с IБ. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

(3.19)

- статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b >>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (IК - IКБО) к управляемой части базового тока (IБ + IКБО). Действительно, используя (3.14), получаем

.

Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обращаются в нуль при IЭ = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭО это значение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при “обрыве” базы. При IБ = 0

IК = IЭ, поэтому ток IКЭО проходит через все области транзистора и является “сквозным” током, что и отражается индексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие IБ = 0).

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1. Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость IЭ = f(UЭБ) при фиксированных значениях параметра UКБ - напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)

б)

Рисунок 3.5

При UКБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения UКБ (UКБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: IЭ растет при выбранном значении UЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (IЭ = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение UЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при UКБ < 0 и UЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера IЭ0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении UЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости IК = f(UКБ) при заданных значениях параметра IЭ (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при IЭ = 0 и обратном напряжении |UКБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) IК = IКБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор - база.

При IЭ > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при UКБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А' на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток IЭ, тем большее прямое напряжение UКБ требуется для получения IК = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где UКБ < 0 (обратное) и параметр IЭ > 0 (что означает прямое напряжение UЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) IК = a IЭ + IКБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра IЭ. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |UКБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (IК = const). Реально же эффект Эрли при росте |UКБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a . Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3.2.2. Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости IБ = f(UБЭ), причем параметром является напряжение UКЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение UБЭ (UБЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода, так как UЭБ = -UБЭ > 0. Если при этом UКЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении: UКБ = UКЭ + UЭБ = UЭБ > 0. Поэтому входная характеристика при UКЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения UЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (UКБ = UЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.

а)

б)

Рисунок 3.6

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (UКЭ á 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение UКЭ должно быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение UЭБ. В этом случае (UКБ = UКЭ + UЭБ = UКЭ - UБЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): IБ =(1 - a )IЭ - IКБО. При малом напряжении UБЭ инжекция носителей практически отсутствует (IЭ = 0) и ток

IБ = -IКБО, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе UЭБ = -UБЭ вызывает рост IЭ и величины (1 - a ) IЭ. Когда (1 - a ) IЭ = IКБО, ток IБ = 0. При дальнейшем роете UБЭ (1 - a ) IЭ > IКБО и IБ меняет направление и становится положительным (IБ > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние UКЭ на IБ в НАР можно объяснить тем, что рост |UКЭ| означает рост |UКБ| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости IК = f(UКЭ) при заданном параметре IБ (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном - к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях |UКЭ|, превышающих |UБЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение UБЭ, а входной ток IБ. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока IБ, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения IБ необходимо увеличивать |UБЭ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр IБ = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22) IК = IКЭО = (b + 1 ) IКБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = IКБО, если задать отрицательный ток IБ = -IКБО. Выходная характеристика с параметром IБ = -IКБО может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром IБ = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h22Э » b h22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение UКЭ, а следовательно и UКБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения UБЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора D IК, т.е. увеличение выходной проводимости (в схеме с ОБ ток IЭ при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра аналогично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток IЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j Т = kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе IЭ на величину D U » (1...2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода IКБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 3.7, б).

а)

б)

Рисунок 3.7

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (IЭ = const в схеме с ОБ и IБ = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при IЭ = const рост IК будет определяться только увеличением IКБО (рисунок 3.8, а).

а)

б)

Рисунок 3.8

Однако обычно IКБО значительно меньше a IЭ, изменение IК составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является IБ и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство b IБ означает, что температурная зависимость IК будет определяться слагаемым (b + 1)IКБО. Ток IКБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1)IКБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциалами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициентами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на примере наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по транзисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых переменных при описании статического режима берут входной ток IВХ (IЭ или IБ) и выходное напряжение UВЫХ (Uили (UКЭ):

U1= f (I1,U2) (3.23)

I2= f (I1,U2)

В этом случае полные дифференциалы

(3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU1=h11 d I1 +h12 dU2 (3.25)

dI2=h21 dI1 + h22 dU2

(h11 -входное сопротивление, h12 -коэффициент обратной передачи, h21 -коэффициент передачи входного тока и h22 -выходная проводимость). Названия и обозначения этих параметров взяты из теории четырехполюсников для

Усилитель на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, принцип действия, назначение всех элементов схемы, режимы её работы.

Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать, генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей.

Усилительный каскадэто минимальный функциональный блок, обеспечивающий усиление сигнала.

 

Важнейшей величиной, характеризующей усилительный каскад, является коэффициент усиления, равный отношению уровня выходного сигнала к уровню входного. Различают три коэффициента усиления–– коэффициент усиления по напряжению, току и мощности:

 

 

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

 

Назначение элементов:

Сопротивление R1, R2 – образуют делитель напряжения, определяющий положение рабочей точки.

Rэ, Сэ – служит для температурной стабилизации. При увеличении температуры увеличивается ток эмитера, при этом возрастает падение напряжения на Rэ, что приводит к падению напряжения между базой и эмиттером: при U б,э= U б - U э = Ek ( R 1/[ R 1+ R 2]) – I э R э

Сэ – шунтируя Rэ, исключает отрицательную обратную связь по переменному току.

Сэ = Xcэ = 1/ωcэ<< Rэ

С1, С2 – разделительные емкости, позволяющие отделить постоянный ток от генератора

(постоянную составляющую от переменной). Служат, чтобы не было связи с генератором

и с нагрузкой.

Rк – преобразует изменение тока коллектора в выходное напряжение. На выходе цепи включен резистор нагрузки Rн , с которого снимается усиленный сигнал.

Усилительный каскад с общим эмиттером работает следующим

образом:

1. При увеличении входного напряжения (UВХ ↑) ширина p n перехода между коллектором и базой уменьшается, в результате возрастает ток в цепи эмиттера (IЭ↑), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) уменьшается (RВыхТр ↓), а следовательно уменьшается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↓).

 

2.  При уменьшении входного напряжения (UВХ ↓) ширина pn перехода между коллектором и базой увеличивается, в результате чего ток в цепи эмиттера уменьшается (IЭ ↓), а выходное сопротивление транзистора (между коллектором и эмиттером) увеличивается (RВыхТр ↑), следовательно, увеличивается и падение напряжения на выходе транзистора (IЭRВыхТр = UВых ↑).

 

Таким образом, усилительный каскад с общим эмиттером сдвигает фазу выходного сигнала, относительно входного, на 180.

Зависимость между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторах определяется семействами входных и выходных статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) (рис. 6.4). Входные характеристики Iб = f(Uбэ)|Uкэ (рис. 6.4, а) снимаются при постоянных выходных напряжениях коллектор-эмиттер Uкэ = const. При Uкэ = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкэ > 0 характеристика сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряжения Uбэ.пор, различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов.

 

Семейство выходных ВАХ Iк = f(Uкэ)|Iб (рис. 6.4, б) снимается при

различных токах базы Iб = const.

 

В соответствии со схемой рис. 6.4 могут быть построены и измерены динамические входные и выходные характеристики каскада Iк = f(Uкэ)|Ек = const, Iб = f(Uбэ)|Ек = const. Выходная динамическая характеристика описывается уравнением Iк = (Ек – Uкэ)/Rк и называется также нагрузочной прямой или нагрузочной характеристикой

Статический режим работы транзистора – режим работы при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статические характеристики связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них - это графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи и выходной цепи (вольтамперные характеристики ВАХ).

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзистора не остаются постоянными, а непрерывно изменяются. Рас­смотрим работу транзистора, включенного по наиболее распространенной схеме с общим эмиттером, в динамическом режиме (рис. а). В этой схеме напряжение источника питания Еп распределяется между участком коллектор — эмиттер (выходом схемы) и нагрузочным сопротивлением Rн так, что напряжение

Это выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменения напряжения на входе транзистора вызывают соответствующие изменения тока эмиттера, базы, а следовательно, и тока коллектора IК. Это приводит к изменению напряжения на Rн, в результате чего изменяется и напряжение UКЭ.

Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

 

Напряжение отсечки – напряжение, при котором оба p-n перехода закрыты.

 

Биполярные транзисторы.Часть 3.Усилительный каскад. | HomeElectronics

Здравствуйте, продолжим знакомство с биполярными транзисторами. В предыдущем посте был рассмотрен транзистор в качестве электронного ключа. Но это ещё не все возможности биполярных транзисторов, можно сказать даже ключевой режим работы – это лишь малая доля в схемах, где используются транзисторы. В львиной доле транзисторных схем транзистор используется в качестве усилительного прибора. В данных схемах транзистор используется в так называемой активной области. Транзистор в качестве усилительного прибора, включается в усилительный каскад, который кроме транзистора содержит ещё цепи питания, нагрузку и цепи связи с последующим каскадом.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Схемы включения транзистора

Для биполярных транзисторов возможны три схемы включения, которые обладают способностью усиливать мощность: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Схемы отличаются способом включения источника сигнала и нагрузки (RН).



Схема с общим эмиттером 

Схема с общей базой 

Схема с общим коллектором.

Для всех схем включения транзистора при отсутствии сигнала, подаваемого от источника (еГ), необходимо установить начальный режим по постоянному току – режим покоя. При этом как и говорилось в предыдущем посте эмиттерный переход должен быть открытым, а коллекторный – закрытым. Для транзисторов p-n-p это достигается подачей отрицательного напряжения на коллектор (коллекторного напряжения E0C) и отрицательного напряжения на базу (напряжения смещения E0B). Для транзисторов n-p-n полярность этих напряжений должна быть противоположной. Режим покоя транзистора опредяляется положением его рабочей точки, которое зависит от тока эмиттера IE (практически равного току коллектора IС и зависящего от E0B) и от напряжения E0C.

Усилительные параметры транзистора

Усилительные свойства транзисторов для малого переменного сигнала оцениваются с помощью различных систем параметров, связывающих входные токи и напряжения, но нормируются только два основных параметра: h21e и fТ (или fh31b). Зная параметр транзистора h21e для заданного режима покоя IE, можно с помощью следующих формул определить основные параметры усилительного каскада в области НЧ:

 

 

где S — проводимость транзистора, re — сопротивление эмиттера транзистора.

Таким образом, можно вычислить значения |K| — коэффициент усиления напряжения транзистора, |Ki| — коэффициент усиления тока транзистора, ZВХ — входное сопротивление транзистора:

 

Параметры усилительного каскадаСхема включения
ОЭОБОК
|K|S*RHS*RHS*RH /( 1 + S*RH)
|Ki|h21eh21e/(1 +  h21e)h21e
ZВХh21e*rereh21e*RH

 

Области применения усилительных каскадов ОЭ, ОБ и ОК определяются их свойствами.

Каскад с общим эмиттером обеспечивает усиление, как по напряжению, так и по току. Его входное сопротивление порядка сотен Ом, а выходное – десятков кОм. Отличительная особенность – изменяет фазу усиливаемого сигнала на 180°. Обладает лучшими усилительными свойствами по сравнению с ОБ и ОК и поэтому является основным типом каскада для усиления малых сигналов.

Каскад с общей базой обеспечивает усиление только по напряжению (практически такое же, как ОЭ). Входное сопротивление каскада в (1+h21e) раз меньше, чем ОЭ, а выходное – в (1+h21e) раз больше. В отличие от ОЭ каскад ОБ не изменяет фазы усиливаемого сигнала. Малое входное сопротивление каскада ОБ ограничивает его применение в УНЧ: практически он используется только как элемент дифференциального усилителя.

Каскад с общим коллектором обеспечивает усиление только по току (практически такое же, как ОЭ). В отличие от ОЭ каскад ОК не изменяет фазы усиливаемого сигнала. При К = 1 каскад ОК как бы повторяет усиливаемое напряжение по величине и фазе. Поэтому такой каскад называется эмиттерным повторителем. Входное сопротивление ОК зависит от сопротивления нагрузки RH и велико (почти в h21e раз больше RH), а выходное сопротивление зависит от сопротивления источника сигнала RГ и мало (почти в h21e раз меньше RГ). Каскад ОК благодаря большому входному и малому выходному сопротивлению находит применение как в предварительных, так и в мощных УНЧ.

Цепи питания биполярных транзисторов

Для обеспечения заданного режима работы биполярного транзистора требуется установить положение точки покоя, определяемое током покоя IС. С этой целью на электроды транзистора должны быть поданы два напряжения: коллекторное и напряжение смешения базы. Полярность этих напряжений зависит от структуры транзистора. Для транзисторов p-n-p оба этих напряжения должны быть отрицательными, а для n-p-n – положительными, относительно эмиттера транзистора.. Величины коллекторного и базового напряжения должны быть различны; кроме того, различными оказываются и требования к стабильности этих напряжений. Поэтому используются две отдельные цепи питания – коллектора и базы.

Питание коллектора

Цепи питания коллектора содержат элементы, показанные ниже.


В многокаскадных усилителях коллекторные цепи всех каскадов подключаются параллельно к одному общему источнику E0C. В этом случае цепь питания коллектора содержит развязывающий фильтр RфCф. Назначение такого фильтра – устранить паразитную обратную связь через общий источник питания. При питании от сети переменного тока, кроме того, уменьшаются пульсации напряжения питания. Резистор Rф включают последовательно с нагрузкой RН, и на нём теряется часть коллекторного напряжения. Поэтому рекомендуется сопротивление Rф выбирать исходя из допустимого падения напряжения:

 

Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора UCE выбирается в пределах

При этом минимальное значение UC не должно быть менее 0,5 В, иначе рабочая точка переходит в область насыщения и возрастают нелинейные искажения.

Схема цепей питания базы

Цепи питания базы содержат элементы, показанные ниже



Схема с фиксированным током 

Схема с фиксированным напряжением 

Схема с автоматическим смещением

Заданный режим работы транзистора устанавливается путём подачи на его базу требуемого напряжения смещения UB или создания в цепи базы требуемого тока смещения IB. В обоих случаях между эмиттером и базой устанавливается напряжение UBE,равное (в зависимости от IB) 0,1…0,3 В (для германиевых транзисторов) или 0,5…0,7 В (для кремниевых). Смещение базы может осуществляться от общего с коллектором источника питания E0C или от отдельного источника питания базовых цепей E.

При питании от E0C смещение базы может быть фиксированным (по току или напряжению) или автоматическим. Схемы с фиксированным током и с фиксированным напряжением не обеспечивают стабильности рабочей точки транзистора при изменении температуры.

Расчёт усилительного каскада

Схема с автоматическим смещением, получившая наибольшее распространение, содержит три резистора: Rb1, Rb2 и RE. За счёт отрицательной обратной связи создаваемой RE в цепи эмиттера, достигается требуемая стабилизация рабочей точки. Блокировочный конденсатор CE используется для устранения нежелательной обратной связи по переменному току. Схема эффективна как для германиевых, так и для кремниевых транзисторов. Для определения величин Rb1, Rb2 и RE должны быть известны напряжение источника питания E0C и ток покоя IС. Ориентировочные значения Rb1, Rb2 и RE могут быть определены с помощью приведённых ниже формул.

Входящие в вышеприведённые формулы b, c и UBE зависят от типа транзистора и режима его работы.

Для германиевых транзисторов выбираются: b ≈ 0,2; с – в пределах 3…5; UBE – в пределах 0,1…0,2.

Для кремниевых транзисторов: b ≈ 0,1; с – в пределах 10…25; UBE – в пределах 0,6…0,7.

При увеличении c и уменьшении b стабильность схемы снижается. Большие значения UBE выбирают для больших значений IС.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Схемы включения транзистора и их характеристики: схемы, ВАХ. формулы, подключение

Рассмотрим характерные схемы включения транзистора и соответствующие характеристики.

Схема с общей базой.

Приведенная схема включения транзистора в электрическую цепь называется схемой с общей базой, так как база является общим электродом для источников напряжения. Изобразим ее с использованием условного графического обозначения транзистора (рис. 1.56).

Транзисторы традиционно характеризуют их так называемыми входными и выходными характеристиками. Для схемы с общей базой входной характеристикой называют зависимость тока iэ от напряжения и 6э при заданном напряжении uбэ, т. е. зависимость вида iэ= f (uбэ) |uкэ= const, где f — некоторая функция.

Входной характеристикой называют и график соответствующей зависимости (это справедливо и для других характеристик).

Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют зависимость тока iк от напряжения uкб при заданном токе iэ, т. е. зависимость вида iк = f (uкб) |iэ= const, где f — некоторая функция.

Входные характеристики для схемы с общей базой.

Каждая входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода. Изобразим входные характеристики кремниевого транзистора КТ603А (максимальный постоянный ток коллектора — 300 мА, максимальное постоянное напряжение коллектор-база — 30

B при t < 70° С) (рис. 1.57) . Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения uкб объясняется проявлением так называемого эффекта Эрли (эффекта модуляции толщины базы).

Указанный эффект состоит в том, что при увеличении напряжения uкб коллекторный переход расширяется (как и всякий обратно смещенный p-n-переход). Если концентрация атомов примеси в базе меньше концентрации атомов примеси в коллекторе, то расширение коллекторного перехода осуществляется в основном за счет базы. В любом случае толщина базы уменьшается. Уменьшение толщины базы и соответствующее уменьшение ее сопротивления приводит к тому, что при неизменном токе iэ напряжение uбэ уменьшается. Как было отмечено при рассмотрении диода, при малом по модулю обратном напряжении на p-n-переходе это напряжение влияет на ширину перехода больше, чем при большом напряжении. Поэтому различные входные характеристики, соответствующие различным напряжениям uкб, независимо от типа транзистора практически сливаются, если uкб > 5 В (или даже если uкб> 2 В).

Входные характеристики часто характеризуют дифференциальным сопротивлением rдиф, определяемым аналогично дифференциальному сопротивлению диода.

rдиф= (duбэ/diэ) |iэ– заданный, uкб=const

Выходные характеристики для схемы с общей базой.

Изобразим выходные характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.58).

Как уже отмечалось, если коллекторный переход смещен в обратном направлении (uкб> 0), то ток коллектора примерно равен току эмиттера: iк ~ iэ

Это соотношение сохраняется даже при uкб= 0 (если ток эмиттера достаточно велик), так как и в этом случае большинство электронов, инжектированных в базу, захватывается электрическим полем коллекторного перехода и переносится в коллектор.

Только если коллекторный переход смещают в прямом направлении ( uкб< 0), ток коллектора становится равным нулю, так как при этом начинается инжекция электронов из коллектора в базу (или дырок из базы в коллектор). Эта инжекция компенсирует переход из базы в коллектор тех электронов, которые были инжектированы эмиттером. ток коллектора становится равным нулю при выполнении условия uкб< 0,75 В.

Режим, соответствующий первому квадранту характеристик (uкб> 0, iк > 0, причем ток эмиттера достаточно велик), называют активным режимом работы транзистора. На координатной плоскости ему соответствует так называемая область активной работы.

Режим, соответствующий второму квадранту (uкб< 0), называют режимом насыщения. Ему соответствует область насыщения.

Обратный ток коллектора iкомал (для КТ603Аiко < 10 мкА при t < 25°С). Поэтому выходная характеристика, соответствующая равенствам iэ= 0ik- αст ·iэ+iко=iко,практически сливается с осью напряжений.

При увеличении температуры ток iко возрастает (для КТ603 i ко ~ 100 мкА при t < 85° С) и все выходные характеристики несколько смещаются вверх.

Режим работы транзистора, соответствующий токам коллектора, сравнимым с током i ко, называют режимом отсечки. Соответствующую область характеристик вблизи оси напряжений называют областью отсечки.

В активном режиме напряжение  u кби мощность Pк= iк ·uкб, выделяющаяся в виде тепла в коллекторном переходе, могут быть значительны. Чтобы транзистор не перегрелся, должно выполняться неравенство Рк < Рк макс где Рк макс — максимально допустимая мощность (для КТ603А Рк мак c= 500 мВт при t < 50° С).

График зависимости iк = Рк макс / uкб (гипербола) изображен на выходных характеристиках пунктиром.

Таким образом, в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, в режиме отсечки коллекторный переход смещен в обратном направлении, а эмиттерный или смещен в обратном направлении, или находится под очень малым прямым напряжением.

Транзистор часто характеризуют так называемым дифференциальным коэффициентом передачи эмиттерного тока α, который определяется выражением α= dik / di э| ik–заданный, uкб= const.

Для приращения тока коллектора ∆iк и приращения тока эмиттера ∆iэ можно записать: ∆iк ≈ α · ∆iэ

Коэффициент α несколько изменяется при изменении режима работы транзистора. Важно учитывать, что у различных (вполне годных) экземпляров транзистора одного и того же типа коэффициента может заметно отличаться. Для транзистора КТ603А при t = 25° С α = 0,909 … 0,988.

Наличие наклона выходных характеристик, отражающее факт увеличения тока коллектора при заданном токе эмиттера при увеличении напряжения uкб, объясняется проявлением эффекта Эрли: при уменьшении толщины базы все большее количество электронов, инжектированных эмиттером, переходит в коллектор.

Наклон выходных характеристик численно определяют так называемым дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода (с учетом эффекта Эрли): rк=duкб/diэ|uкб– аданный, iэ=constiк=αст· iэ+ iко+ 1/rк· uкб

Схема с общим эмиттером

Очень часто транзистор характеризуют характеристиками, соответствующими схеме, представленной на рис. 1.59. Эту схему называют схемой с общий эмиттером, так как эмиттер является общим электродом для источников напряжения.

Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость тока iб от напряжения uбэ при заданном напряжении uкэ , т. е. зависимость вида iб= f (uбэ) |кэ = const , где f — некоторая функция.

Выходной характеристикой называют зависимость тока iк от напряжения uкэ при заданном токе iб, т. е. зависимость вида i к = f (u кэ ) |б = const,где f — некоторая функция.

Очень важно уяснить следующих два факта.

  1. Характеристики для схемы с общим эмиттером не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с общей базой и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Для объяснения особенностей характеристик с общим эмиттером не нужна никакая информация кроме той, что необходима для объяснения особенностей характеристик схемы с общей базой. Тем не менее характеристики для схемы с общим эмиттером очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), так как ими удобно пользоваться.
  2. При расчетах на компьютерах моделирующие программы вообще никак не учитывают то, по какой схеме включен транзистор. Программы используют математические модели транзисторов, являющиеся едиными для всевозможных схем включения. Тем не менее, очень полезно уметь определить тип схемы включения транзистора. Это облегчает понимание принципа работы схемы.

Входные характеристики для схемы с общим эмиттером.

Изобразим характеристики уже рассмотренного транзистора КТ603А (рис. 1.60).

Теперь эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения uкэ характеристики сдвигаются вправо. Дифференциальное сопротивление теперь определяется выражением rдиф= (duбэ/diб) |iб– заданный , uкэ= const

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером.

Изобразим эти характеристики для транзистора КТ603А (рис. 1.61).

Обратимся к ранее полученному выражению iк=αст·iэ+iко В соответствии с первым законом Кирхгофа iэ=iк+iб и с учетом предыдущего выражения получим iкαст· (iк+iб) +iко откуда iк=αст/ (1 -αст) ·iб+ 1 / (1 -αст) ·iко

Введем обозначение: βст ≡ αст / (1- αст )

Коэффициент αст называют статическим коэффициентом передачи базового тока. Его величина обычно составляет десятки — сотни (это безразмерный коэффициент).

Легко заметить, что 1 / (1 -αст) = βст + 1 Введем обозначение i′ко ≡ (βст + 1) ·iко В итоге получаемiк= βст ·iб+i′ко Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики в области активной работы, не учитывая наклона характеристик.

Для учета наклона выражение записывают в виде iк= βст ·iб+i′ко +uкб· ( 1 /r′к ),гдеr′к =duкэ/diк|uкэ – заданное, iб=const

В первом приближении r′к = ( 1 / 1 + β) · rк (сопротивление rк определено выше). Часто пользуются так называемым дифференциальным коэффициентом передачи базового тока β.

Для приращения тока коллектора ∆iк и тока базы ∆iб можно записать:

∆iк ≈ β · ∆ iб

По определению β=diк/diб|iк – заданный, uкэ=const

Для транзистора КТ603А при t = 25°С β = 10…80.

Величина β зависит от режима работы транзистора. Приведем типичный график зависимости β от тока эмиттера (он практически равен току коллектора) для uкб= 2 В (рис. 1.62).

Для нормальной работы транзистора на постоянном токе, кроме рассмотренного выше условия Pк< Рк макс, должны выполняться условия iк<iк максиuкэ≤u кэ макс где iк макси u кэ макс — соответственно максимально допустимый постоянный ток коллектора и максимально допустимое постоянное напряжение между коллектором и эмиттером.

Для рассмотренного выше транзистора КТ603А iк макс= 300 мА,uкэ макс = 30 В (при t < 70° С).

Изобразим схематически на выходных характеристиках для схемы с общим эмиттером так называемую область безопасной работы, в которой указанные условия выполняются (рис. 1.63).

Обычно допустимо предполагать (с той или иной погрешностью), что выходные характеристики для схемы с общим эмиттером расположены на отрезках прямых, расходящихся веерообразно из одной точки на оси напряжений (рис. 1.64).

Напряжение Uэ (это положительная величина) называют напряжением Эрли. Для транзистора КТ603А Uэ ~ 40 В.

Инверсное включение транзистора.

Иногда транзистор работает в таком режиме, что коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер — роль коллектора. Это так называемый инверсный режим. Ему соответствует так называемый инверсный коэффициент передачи базового тока βi. Из-за отмеченных выше несимметрии структуры транзистора и различия в концентрациях примесей в слоях полупроводника обычно βi << β. Часто βi >>1.

Изобразим выходные характеристики для схемы с общим эмиттером и для прямого, и для инверсного включения (рис. 1.65).

Схема усилителя с общей базой

BJT Работа и применение

Схема усилителя используется для увеличения мощности сигнала. Схема усилителя использует источник питания для увеличения мощности сигнала. Усиление, обеспечиваемое схемой усилителя, измеряется в единицах усиления усилителя. Коэффициент усиления усилителя - это отношение выхода к входу, которое всегда больше единицы. Усиление не изменяет частоту и форму волны. В этой статье мы обсудим схему усилителя с общей базой.

Коэффициент усиления усилителя (А) = Выход / (Вход)

Символ

На рисунке ниже показан символ усилителя.

Symbol of Amplifier

Amplifier Module

Amplifier Module

Идеальный модуль усилителя имеет три важных свойства, а именно: входное сопротивление (Rin), выходное сопротивление (Rout) и, конечно, усиление, называемое усилением (A). Модуль усилителя объясняет общую систему усиления с входным и выходным сигналом. Импеданс Rin увеличивает мощность сигнала при усилении A, чтобы получить желаемый уровень сигнала.Rin должен быть бесконечным, а Rout должен быть нулевым.


Типы усилителей

В приведенной ниже таблице поясняется конфигурация, классификация и частота работы для различных сигналов.

Тип сигнала Конфигурация Классификация Рабочая частота
Малые сигналы Общий эмиттер (CE) Усилитель класса A постоянного тока Постоянный ток )
Большие сигналы Общая база (CB) Усилитель класса B Аудиочастота (AF)
Общий коллектор (CC) Усилитель класса AB Радиочастота (RF)
Усилитель класса C Частоты УКВ, УВЧ и СВЧ

Различные конфигурации усилителя

Транзисторы используются в усилителях в трех различных конфигурациях, а именно:

  • Общая база (CB)
  • Общий коллектор ( CC)
  • Общий эмиттер (CE).

Схема с общим эмиттером является наиболее широко используемой конфигурацией. Эта схема имеет заземленный эмиттер. Эта схема обеспечивает средний уровень входного и выходного сопротивления. Усиление по напряжению и по току средние, а выход меняет вход.

Схема с общим коллектором широко используется в качестве буфера. Он называется Эмиттер-повторитель. Напряжение эмиттера соответствует напряжению базы. Это дает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Имеет заземленный коллектор.

Схема с общей базой обеспечивает низкий входной импеданс и высокий выходной импеданс. База транзистора в этой конфигурации заземлена. Вход и выход находятся в фазе.

Схема усилителя с общей базой

В схемах усилителя используются транзисторы NPN и PNP. Как NPN, так и PNP имеют вход на эмиттере транзистора, а выход - на коллекторе транзистора.

Конфигурация усилителя с общей базой

На схеме ниже показано, как реализована схема усилителя с общей базой.

Схема усилителя с общей базой

Ограничения смещения те же, но приложения сигналов разные. В этой схеме необходимо позаботиться о том, чтобы входной сигнал соответствовал правильному сопротивлению.

Характеристики схемы усилителя с общей базой

Ниже приведены характеристики схемы усилителя с общей базой.

  • Высокое усиление по напряжению
  • Низкое усиление по току
  • Низкое усиление по мощности
  • Соотношение фаз на входе и выходе составляет 0o
  • Он имеет низкий входной импеданс
  • Он имеет высокий выходной импеданс
Применения

Схема общего базового усилителя используется там, где требуется низкий входной импеданс.Ниже приведены применения схемы общего базового усилителя.

  • Используется в предусилителях микрофонов с подвижной катушкой.
  • Используется в усилителях UHF и VHF RF.

Кроме того, любые вопросы относительно этой статьи или если вы хотите реализовать проекты по электротехнике и электронике для студентов инженерных специальностей, не стесняйтесь оставлять комментарии в нижеследующем разделе. Вот вам вопрос, каков коэффициент усиления по напряжению у общего базового усилителя ?

Что такое усилитель с общим эмиттером? Анализ эксплуатации и тока коллектора

Схема усилителя NPN с общим эмиттером показана на рисунке ниже.Источник V BB подается на входную цепь в дополнение к сигналу. Батарея V BB подает напряжение прямого смещения на переход эмиттер-база транзистора. Величина напряжения прямого смещения должна быть такой, чтобы переход эмиттер-база всегда находился в прямом смещении относительно полярности источника сигнала.

Работа усилителя с общим эмиттером

Когда сигнал подается на переход эмиттер-база в течение положительного полупериода, прямое смещение на этом переходе увеличивается.Это увеличивает поток электронов от эмиттера к коллектору через базу, тем самым увеличивая ток коллектора. Увеличение тока коллектора вызывает большее падение напряжения на резисторе нагрузки коллектора R C .

Отрицательный полупериод уменьшает напряжение прямого смещения на переходе эмиттер-база. Уменьшение напряжения коллектор-база уменьшает ток коллектора во всем резисторе коллектора R C . Таким образом, резистор усиленной нагрузки появляется на резисторе коллектора.

Анализ тока коллектора

Графическое представление тока коллектора показано на рисунке выше. Переход эмиттер-база остается в прямом смещении, даже когда батарея смещения V BB не подает входной сигнал. Следовательно, в цепи протекает постоянный ток коллектора I C . И этот ток называется током коллектора нулевого сигнала.

Когда сигнал напряжения подается в течение положительного полупериода, прямое смещение на переходе эмиттер-база увеличивается, что увеличивает общий ток коллектора I C .В то время как отрицательный полупериод напряжения перехода эмиттер-база снижает ток коллектора. Коллекторный ток состоит из двух компонентов. Их

  1. Постоянный ток коллектора I C при отсутствии сигнала. Это из-за смещения пересылки, вызванного переходом эмиттер-база смещением V BB .
  2. Переменный ток коллектора i cs из-за сигнала, подаваемого на переход эмиттер-база.

Полный ток коллектора i C = i cs + I C

Полезный выход - это падение напряжения на резисторе нагрузки коллектора R C из-за переменной составляющей токов i cs , которая проходит через нагрузку из-за приложенного сигнала.Постоянная составляющая тока коллектора предназначена для постоянного смещения перехода эмиттер-база в прямое смещение.

Принцип работы транзистора

- MikroElektronika

  • Продукты
    • Доски Click Boards
      • Беспроводное подключение
        • GPS / GNSS
        • GSM / LTE
        • LTE IoT
        • BT / BLE
        • Wi-Fi + BLE
        • Wi-Fi
        • Приемопередатчики
        • Sub-1 GHz
        • 2.Трансверы 4 ГГц
        • LoRa
        • RFID / NFC
        • GSM + GPS
        • 6LoWPAN
        • ZigBee
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • Датчики
        • Биометрия
        • Газ
        • Магнитный
        • Движение
        • Оптический
        • Давление
        • Близость
        • Температура и влажность
        • Датчик тока
        • Разное
        • Окружающая среда
        • Сила
        • Индуктивность
        • RF метр
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • Интерфейс
        • Адаптер
        • CAN
        • Расширитель портов
        • RS485
        • USB
        • 1-Wire
        • RS232
        • Ethernet
        • LIN
        • ШИМ
        • Текущий
        • ДАЛИ
        • I2C
        • Волоконная оптика
        • SPI
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • Дисплей и светодиоды
        • Драйверы светодиодов
        • Светодиодная матрица
        • Светодиодный сегмент
        • OLED
        • Адаптер
        • Электронный бумажный дисплей
        • ЖК-дисплей
        • OSD
        • TFT
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • Разное
        • Реле
        • Оптопара
        • ID
        • Proto
        • Шифрование
        • Щиты Click
        • Наборы кликов
      • Смешанный сигнал
        • АЦП
        • Измерения
        • ЦАП
        • Цифровой потенциометр
        • АЦП-ЦАП
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • Хранилище
        • EEPROM
        • ВСПЫШКА
        • FRAM
        • microSD
        • MRAM
        • SRAM
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • Управление двигателем
        • Матовый
        • Бесщеточный
        • Шаговый
        • Сервопривод
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • Аудио и голос
        • Усилитель
        • Микрофон
        • Спикеры
        • Обработка сигналов
        • Распознавание речи
        • FM
        • MP3
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
      • HMI
        • Емкостный
        • Кнопки / переключатели
        • Потенциометры
        • Энкодер
        • Тактильный
        • Распознавание речи
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
        • Отпечаток пальца
      • Часы и синхронизация
        • RTC
        • Тактовый генератор
        • Щиты Click
        • Наборы кликов
      • Управление питанием
        • Зарядное устройство
        • Повышение
        • баксов
        • линейный
        • Buck-Boost
        • Беспроводная зарядка
        • Щиты щелчка
        • Наборы кликов
    • Necto
      • РУКА
        • С
          • mikroC AI для ARM
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Визуальный TFT AI
      • ПОС
        • С
          • mikroC AI для PIC
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Визуальный TFT AI
      • PIC32
        • С
          • mikroC AI для PIC32
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Визуальный TFT AI
    • Компиляторы
      • ПИК
        • С
          • mikroC AI для PIC
          • mikroC PRO для PIC
        • Базовый
          • mikroBasic PRO для PIC
        • Паскаль
          • mikroPascal PRO для PIC
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Лицензия CODEGRIP WiFi
          • CODEGRIP SSL лицензия
          • Визуальный TFT
          • Визуальный TFT AI
          • Визуальный GLCD
          • Менеджер пакетов
          • микроБутлоадер
          • CAN калькулятор
          • GLCD Font Creator
          • Калькулятор таймера
          • MikroPlot
      • ARM
        • С
          • mikroC AI для ARM
          • mikroC PRO для ARM
        • Базовый
          • mikroBasic PRO для ARM
        • Паскаль
          • mikroPascal PRO для ARM
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Лицензия CODEGRIP WiFi
          • CODEGRIP SSL лицензия
          • Визуальный TFT
          • Визуальный TFT AI
          • Визуальный GLCD
          • Менеджер пакетов
          • микроБутлоадер
          • CAN калькулятор
          • GLCD Font Creator
          • Калькулятор таймера
          • MikroPlot
      • PIC32
        • С
          • mikroC AI для PIC32
          • mikroC PRO для PIC32
        • Базовый
          • mikroBasic PRO для PIC32
        • Паскаль
          • mikroPascal PRO для PIC32
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Лицензия CODEGRIP WiFi
          • CODEGRIP SSL лицензия
          • Визуальный TFT
          • Визуальный GLCD
          • Менеджер пакетов
          • микроБутлоадер
          • CAN калькулятор
          • GLCD Font Creator
          • Калькулятор таймера
          • MikroPlot
      • dsPIC / PIC24
        • С
          • mikroC PRO для dsPIC
        • Базовый
          • mikroBasic PRO для dsPIC
        • Паскаль
          • mikroPascal PRO для dsPIC
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Лицензия CODEGRIP WiFi
          • CODEGRIP SSL лицензия
          • Визуальный TFT
          • Визуальный GLCD
          • Менеджер пакетов
          • микроБутлоадер
          • CAN калькулятор
          • GLCD Font Creator
          • Калькулятор таймера
          • MikroPlot
      • АРН
        • С
          • mikroC PRO для AVR
        • Базовый
          • mikroBasic PRO для AVR
        • Паскаль
          • mikroPascal PRO для AVR
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Лицензия CODEGRIP WiFi
          • CODEGRIP SSL лицензия
          • Визуальный TFT
          • Визуальный GLCD
          • Менеджер пакетов
          • микроБутлоадер
          • CAN калькулятор
          • GLCD Font Creator
          • Калькулятор таймера
          • MikroPlot
      • 8051
        • С
          • mikroC PRO для 8051
        • Базовый
          • mikroBasic PRO для 8051
        • Паскаль
          • mikroPascal PRO для 8051
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Лицензия CODEGRIP WiFi
          • CODEGRIP SSL лицензия
          • Визуальный TFT
          • Визуальный GLCD
          • Менеджер пакетов
          • микроБутлоадер
          • CAN калькулятор
          • GLCD Font Creator
          • Калькулятор таймера
          • MikroPlot
      • FT90x
        • С
          • mikroC PRO для FT90x
        • Базовый
          • mikroBasic PRO для FT90x
        • Паскаль
          • mikroPascal PRO для FT90x
        • Дополнительное программное обеспечение
          • Лицензия CODEGRIP WiFi
          • CODEGRIP SSL лицензия
          • Визуальный TFT
          • Визуальный GLCD
          • Менеджер пакетов
          • микроБутлоадер
          • CAN калькулятор
          • GLCD Font Creator
          • Калькулятор таймера
          • MikroPlot
    • Доски для разработчиков
      • ПИК
        • 8-го поколения
          • EasyPIC PRO v8
          • EasyPIC v8
        • 7-го поколения
          • EasyPIC v7
          • EasyPIC PRO v7
        • 6-го поколения
          • PICPLC16 v6
      • ARM
        • 8-го поколения
          • Fusion для ARM v8
          • Fusion для STM32 v8
          • Fusion для KINETIS v8
          • Fusion для TIVA v8
        • 7-го поколения
          • EasyMx PRO v7 для Tiva
          • EasyMx PRO v7 для STM32
      • PIC32
        • 8-го поколения
          • Fusion для PIC32
        • 7-го поколения
          • EasyPIC Fusion v7
      • dsPIC / PIC24
        • 7-е поколение
          • EasyPIC Fusion v7
          • EasyPIC v7 для dsPIC30
        • 6-го поколения
          • Easy24-33 v6
      • АРН
        • 7-го поколения
          • EasyAVR v7
        • 6-го поколения
          • AVRPLC16 v6
      • 8051
        • 7 поколение
          • BIG8051
        • 6-го поколения
          • Easy8051 v6
      • Универсальные доски
        • 8-го поколения
          • Fusion для ARM v8
        • 7-го поколения
          • EasyPIC Fusion v7
        • Плата UNI-DS
          • UNI-DS6
          • mikroBoard для PIC 80-контактный
          • mikroBoard для AVR
          • mikroBoard для dsPIC
          • mikroBoard для PSoC
          • mikroBoard для 8051
          • mikroBoard для PIC 40-контактный
          • mikroBoard для ARM
          • Микроплата для ARM 144-контактный
      • IoT - носимый
        • Hexiwear
          • Hexiwear
          • Hexiwear Power User Pack
          • Док-станция Hexiwear
          • Аккумулятор Hexiwear
          • Цветной набор Hexiwear
          • Рабочая станция Hexiwear
      • Аналоговые платы
        • 7-го поколения
          • Аналоговый системный лабораторный комплект PRO
    • Стартовые платы
      • ПИК
        • Кликер
          • PIC кликер
        • Кликер 2
          • Clicker 2 для PIC18FJ
        • Готово
          • Готов для PIC Board
          • Готов к PIC (DIP28)
          • PIC-Ready2 плата
          • MMC Готовая плата
        • StartUSB
          • StartUSB для PIC
      • ARM
        • Кликер
          • RA4M1 Кликер
          • Кинетис Кликер
          • MSP432 Clicker
          • CEC1702 кликер
          • CEC1302 Clicker
          • STM32 M4 кликер
        • Кликер 2
          • Clicker 2 для STM32
          • Clicker 2 для Kinetis
          • Clicker 2 для CEC1702
          • Clicker 2 для MSP432
          • Clicker 2 для CEC1302
          • Clicker 2 для PSoC 6
        • Кликер 4
          • Clicker 4 для STM32
        • МИНИ
          • MINI-M4 для STM32
          • MINI-M0 для STM32
          • MINI-M4 для Tiva
          • MINI-M4 для Stellaris
          • MINI-M4 для MSP432
        • Перевернуть и щелкнуть
          • Flip & Click SAM3X
      • PIC32
        • Кликер
          • PIC32MX кликер
          • 6LoWPAN Clicker
          • PIC32MZ кликер
        • Кликер 2
          • Clicker 2 для PIC32MX
          • Clicker 2 для PIC32MZ
        • МИНИ
          • MINI-32 Доска
          • MINI-32 для PIC32MZ
        • Перевернуть и щелкнуть
          • Перевернуть и нажать PIC32MZ
      • dsPIC / PIC24
        • Кликер 2
          • Clicker 2 для PIC24
          • Clicker 2 для dsPIC33
        • Готово
          • dsPIC-Ready1 плата
          • dsPIC-Ready2 плата
          • DsPIC-Ready3 плата
          • dsPIC-Ready4 плата
      • АРН
        • МИНИ
          • Доска MINI-AT - 3.3В
          • MINI-AT Плата - 5 В
        • Готово
          • Готов для платы AVR
          • Готов к XMEGA
          • Плата mikroXMEGA
          • AVR-Ready2 плата
        • StartUSB
          • StartUSB для AVR
      • 8051
        • Готово
          • 8051-Готовая плата
      • FT90x
        • Кликер 2
          • Clicker 2 для FT90x
      • Разное
        • USB
          • USB-мастер
          • Перепел
          • Комплект FlowPaw
      • Универсальные доски
        • 8-го поколения
          • UNI Clicker
    • Prog-Debug
      • ПИК
        • mikroProg
          • mikroProg для ПОС
      • ARM
        • Codegrip
          • CODEGRIP для ARM
          • CODEGRIP для STM32
          • CODEGRIP для KINETIS
          • CODEGRIP для TIVA
        • MikroProg
          • mikroProg для STM32
          • mikroProg для Tiva
          • mikroProg для Kinetis
          • mikroProg для ЦИК
          • mikroProg для MSP432
          • mikroProg для PSoC 5LP
      • PIC32
        • mikroProg
          • mikroProg для PIC32
      • dsPIC / PIC24
        • mikroProg
          • mikroProg для dsPIC
      • АРН
        • mikroProg
          • mikroProg для AVR
      • 8051
        • mikroProg
          • mikroProg для 8051
      • FT90x
        • mikroProg
          • mikroProg для FT90x
    • Умные дисплеи
      • ПИК
        • 2.8 "
          • ПИК 18FJ
          • ПИК 18ФК
        • 4,3 "
          • SmartGLCD
      • ARM
        • 2,8 дюйма
          • STM32 M4
          • STM32 M3
          • PSoC 5LP
          • TIVA
        • 3,5 дюйма
          • STM32F2 Колпачок. FPI - рамка
          • STM32F2 Колпачок. FPI - базель
          • Крышка Kinetis. FPI - рамка
          • Крышка Kinetis. FPI - безель
          • STM32F4 Колпачок. FPI - рамка
          • STM32F4 Колпачок.FPI - безель
          • Kinetis емкостный
          • STM32F4 Ёмкостный
          • STM32F2 Ёмкостный
        • 4,3 дюйма
          • STM32F2 Колпачок. FPI - рамка
          • STM32F2 Колпачок. FPI - безель
          • Крышка Kinetis. FPI - рамка
          • Крышка Kinetis. FPI - безель
          • STM32F4 Колпачок. FPI - рамка
          • STM32F4 Колпачок. FPI - безель
          • Kinetis емкостный
          • STM32F7 емкостный
          • STM32F4 Ёмкостный
          • STM32 F4
          • STM32 F7
          • TIVA емкостный
          • TIVA
        • 5 ''
          • STM32F7 Колпачок.FPI - рамка
          • STM32F7 Колпачок. FPI - безель
          • Крышка Kinetis. FPI - рамка
          • Крышка Kinetis. FPI - безель
          • STM32F4 Колпачок. FPI - рамка
          • STM32F4 Колпачок. FPI - безель
          • Kinetis емкостный
          • STM32F7 емкостный
          • STM32F4 Ёмкостный
          • TIVA емкостный
          • TIVA
        • 7 ''
          • Емкостный ИПИ с рамкой
          • Емкостный FPI с лицевой панелью
          • Емкостный
          • STM32F4
          • STM32F7
      • PIC32
        • 2.8 "
          • PIC32 MX4
        • 4,3 "
          • PIC32 MX7
      • dsPIC / PIC24
        • 2,8 "
          • dsPIC 33FJ
          • DSPIC 33EP
          • DSPIC 24FJ
          • DSPIC 24EP
      • АРН
        • 2,8 дюйма
          • XMEGA
      • FT90x
        • 3,5 "
          • HMI No Touch
          • HMI резистивный
          • HMI емкостный
        • 4.3 "
          • HMI
          • HMI емкостный
          • HMI резистивный
          • HMI UXW
          • HMI UXB
          • Плюс +
        • 5 "
          • HMI
          • HMI резистивный
          • HMI емкостный
          • HMI UXW
          • HMI UXB
        • 7 "
          • HMI
          • HMI резистивный
          • HMI емкостный
          • HMI UXW
          • HMI UXB
    • Карты
    • MCU
      • ПИК
        • 8-го поколения
        • 7-го поколения
        • 7-го поколения (пусто)
        • 6-го поколения
        • 6-го поколения (пусто)
      • ARM
        • 8-го поколения
        • 7-го поколения
        • 7-го поколения (пусто)
      • PIC32
        • 8-го поколения
        • 7-го поколения
        • 6-го поколения
        • 6-го поколения (пусто)
      • dsPIC / PIC24
        • 7-го поколения
        • 7-го поколения (пусто)
        • 6-го поколения
        • 6-го поколения (пусто)
      • АРН
        • 6-го поколения
        • 6-го поколения (пусто)
    • Принадлежности
      • Дисплей
        • TFT-дисплеи
        • Модули ЖК-дисплея
        • дисплеи E-Paper
        • Светодиодные матричные панели
        • RGB
      • Компоненты
        • Микроконтроллеры
        • Датчики
        • Заголовки и разъемы
        • Кнопки и переключатели
        • Проволочные перемычки и кабели
        • Антенны
        • Источники питания
        • Батареи
        • Макетные платы
        • RFid
        • Моторы
        • SD-карты
      • Платы расширения
        • TFT
        • Адаптер
        • Разное
        • Ethernet
        • USB
        • microSD
        • ЖК-дисплей
        • Светодиодная матрица
        • Светодиодный сегмент
        • Зарядное устройство
        • АЦП
        • CAN
        • ЦАП
        • GPS / GNSS
        • Движение
        • Реле
        • Wi-Fi
        • ZigBee
        • RS232
        • RS485
        • MP3
        • EEPROM
        • ВСПЫШКА
        • Микрофон
        • Потенциометр
        • RFID / NFC
        • RTC
        • Шаговый
        • Температура и влажность
    • Комплекты
      • ПИК
        • микроЛаб
          • ПИК М
          • PIC L
          • ПИК 18ФК
          • PIC XL
          • ПИК 18FJ
        • EasyStart
          • PIC EasyStart
        • Конструктор TFT
          • ПИК 18FJ
        • TFT Разработчик
          • ПИК 18FJ
        • GLCD Designer
          • GLCD Дизайнер
        • GLCD Разработчик
          • GLCD Разработчик
      • ARM
        • Наборы mikroLab
          • mikroLAB для STM32
          • mikroLAB для Tiva
        • Комплекты EasyStart
          • Комплект EasyStart - STM32
          • Комплект для облегчения пуска - Tiva
        • Наборы для дизайнеров
        • TFT
          • TFT 3 "- TIVA
          • TFT 4 "- STM32F4
          • TFT 5 "- TIVA
          • TFT 7 дюймов - STM32F4
          • TFT 3 "- STM32 M3
          • TFT 3 "- STM32 M4
        • Наборы разработчика
        • TFT
          • TFT 3 "- TIVA
          • TFT 3 "- STM32F3
          • TFT 3 "- STM32F4
        • Профессиональные комплекты TFT
          • Комплект TFT 5 Pro - TIVA
          • Комплект
          • TFT 7 Pro - STM32F4
          • Комплект
          • TFT Plus Pro - STM32F4
      • PIC32
        • Наборы mikroLab
          • mikroLAB для PIC32
        • Комплекты EasyStart
          • Комплект EasyStart - PIC32MX4
          • Комплект EasyStart - PIC32MX7
        • Наборы для дизайнеров
        • TFT
          • TFT 3 "- PIC32MX4
          • TFT 4 "- PIC32MX7
        • Наборы разработчика
        • TFT
          • TFT 3 "- PIC32MX4
        • Домашняя автоматизация
          • AWS Главная

Экспоненциальные преобразователи и принцип их работы

Экспоненциальные преобразователи - это основные строительные блоки, используемые во многих схемах синтезатора, но для многих из нас они представляют собой непонятные черные ящики.Основная концепция работы экспоненциального преобразователя очень проста; но простейшая из возможных схем для этой цели имеет много серьезных ограничений, поэтому обычно добавляют несколько уровней дополнительных схем, чтобы компенсировать различные эффекты и сделать общее поведение более предсказуемым. В результате экспоненциальные схемы, которые мы на самом деле видим в обычном использовании, могут показаться пугающе сложными для начинающих дизайнеров, и не всегда может быть легко распознать простой базовый принцип. В этой статье я собираюсь довести до реального уровня сложности, начиная с простейшей схемы экспоненциального преобразователя.

Почему экспоненциальный преобразователь?

Как я уже говорил в своей статье о VCA, большинство человеческих чувств логарифмически. Мы воспринимаем различия в физических явлениях - в частности, в частотах звуков - в соответствии с пропорцией основной физической величины, а не в соответствии с абсолютной величиной . Например, разница между 220 Гц и 440 Гц звучит так же, как разница между 440 Гц и 880 Гц или даже между 55 Гц и 110 Гц. Каждая - одна октава.Этот факт позволяет нам получать полезную информацию от наших органов чувств во многих различных масштабах на обоих концах спектра. Если бы вместо этого мы воспринимали высоту звука линейно, мы могли бы либо иметь хорошее восприятие высоты звука на самых высоких слышимых частотах и ​​не иметь полезного разрешения на самых низких частотах, либо мы могли бы с пользой разрешить очень низкие частоты, но быть полностью подавленными информацией на высоких частотах. .

И для того, чтобы обеспечить лучшую аналогию с человеческим восприятием, и поскольку сами схемы сталкиваются с одной и той же проблемой - необходимостью хорошо реагировать в широком диапазоне масштабов, в модульной синтезаторной электронике обычно используются логарифмически масштабированные напряжения для управления частотами генераторов. , фильтры и так далее.Соответственно, модули имеют экспоненциальную зависимость напряжения от частоты. В Eurorack мы обычно используем стандарт 1 В на октаву: каждое увеличение управляющего напряжения на 1 В удваивает частоту. Обычно существует , а не какое-либо фиксированное определение того, какие диапазоны напряжений допустимы или какая частота соответствует нулевому напряжению. Это зависит от настроек задействованных модулей и может измениться во время выступления. Но если ваш генератор настроен так, что 0 В соответствует 110 Гц, тогда, когда вы дадите ему управляющее напряжение 1 В, он настроится на 220 Гц, на 2 В 440 Гц и так далее.

Логарифмическое напряжение управления - не единственный способ сделать это. Некоторые синтезаторы, особенно старые, вместо этого используют линейное управление напряжением (часто называемое Гц / вольт), где частота должна быть прямо пропорциональна входному напряжению. Это может упростить некоторые схемы, в частности, за счет значительного уменьшения потребности в экспоненциальных преобразователях. Но он также страдает именно от тех проблем, которые должна решать логарифмическая система.

Вопрос о логарифмическом и линейном управлении напряжением относится не только к частотам.Усилители, управляемые напряжением, сталкиваются с одним и тем же вопросом: следует ли реагировать линейно (выходное усиление прямо пропорционально входному управляющему напряжению) или экспоненциально (реагируя на логарифмическое управляющее напряжение). В Eurorack оба типа ответа популярны для VCA, и некоторые модули VCA могут даже переключаться или интерполировать между ними.

Цепи, требующие экспоненциальной реакции на напряжение, обычно содержат какое-то «ядро», которое действительно управляется линейным током .Чтобы заставить их правильно реагировать на вход логарифмического напряжения, необходимо генерировать ток, который является экспоненциальной функцией управляющего напряжения. Это то, что делает экспоненциальный преобразователь . Большинство схем синтеза, которые имеют экспоненциальный отклик на некоторое напряжение, будут содержать экспоненциальный преобразователь. Вот один из Thomas Henry 555 VCO:

Как видите, это довольно сложная схема со множеством встроенных функций. С чего начать разбираться в этом?

Транзисторы и их экспоненциальный отклик

Одно из основных правил для понимания транзисторных схем состоит в том, что база всегда представляет собой одно диодное падение, фиксированное напряжение приблизительно 0.7В, над эмиттером. Это обсуждается в главе «Описание схемы» Руководство North Coast Transistor Mixer, и, как я предупреждаю читателей, это полезное приближение, достаточно хорошее для понимания многих схем, но это не вся история и не последнее слово о том, как работают транзисторы. Чтобы понять экспоненциальные преобразователи, нам нужно пойти немного глубже.

Это «падение напряжения» (как и в случае реальных диодов, а не только переходов база-эмиттер транзисторов) на самом деле не является фиксированным напряжением.Фактически, это очень близко к логарифмической функции тока через транзистор (ток базы или ток эмиттера не имеет значения, потому что они прямо пропорциональны друг другу на этом уровне анализа). Каждый раз, когда вы удваиваете ток через транзистор, вы увеличиваете падение база-эмиттер примерно на 18 мВ. В этом выводе моделирования обратите внимание, что транзистор справа пропускает в два раза больше тока (как вы можете заключить по базовым резисторам R3 и R4), а базовое напряжение справа на 18 мВ больше.

И это также работает наоборот: если вы можете каким-либо образом заставить падение база-эмиттер быть фиксированным напряжением, тогда ток через транзистор будет экспоненциальной функцией напряжения база-эмиттер, удваивая ток для каждые 18 мВ повышения напряжения. Математически это выглядит примерно так: I = exp ( aV + b ).

Переменные V и I представляют входное напряжение и выходной ток.Величины a и b в основном являются константами: a представляет собой шкалу зависимости напряжения от тока (сколько напряжения требуется, чтобы удвоить ток; соответствующим образом масштабированная величина, обратная той величине 18 мВ, которую я упомянул) и b - постоянное смещение, описывающее, какой ток проходит транзистор при некотором фиксированном входном напряжении.

Конечно, есть пределы. Если вы увеличите напряжение база-эмиттер на 180 мВ, то ток увеличится в 2 10 раз, что примерно в 1000 раз.Увеличьте базовое напряжение на 360 мВ, что все равно не очень много, и ток возрастет более чем в миллион раз. Слишком большое напряжение без внешнего ограничения тока, и транзистор взрывается. А при более низких, чем обычно, базовых напряжениях могут возникать крошечные токи утечки, которые не исчезают с дальнейшим уменьшением базового напряжения, так что соответствие выходного тока теоретической экспоненциальной кривой перестает быть точным.

Но вот что интересно о транзисторах с биполярным переходом, что в широких пределах они подчиняются экспоненциальному закону с впечатляющей точностью.Обычные недорогие транзисторы общего назначения часто соответствуют теоретически идеальной экспоненциальной кривой с точностью до небольшой доли процента в более чем 1000-кратном диапазоне уровней тока. Таким образом, конструкция экспоненциального преобразователя почти всегда сводится к масштабированию входного управляющего напряжения в соответствующем диапазоне, приложению его к базе транзистора, а затем использованию тока коллектора транзистора в качестве выхода. Это все, что нужно сделать.

Один транзистор, без компенсации

Вот простейший экспоненциальный преобразователь V / oct, который я могу разработать.Обратите внимание, что он не работает, и я не рекомендую его использовать; эта схема предназначена только для иллюстрации простого принципа, лежащего в основе более сложных экспоненциальных преобразователей.

Управляющее напряжение подается на «IN». Три резистора образуют делитель напряжения, который масштабирует входное напряжение так, что изменение примерно на 1 В на входе вызывает изменение примерно на 18 мВ на базе транзистора. Резистор R3 3,6 кОм к положительной мощности смещает базовое напряжение так, что оно будет примерно равно 0.7 В при входном напряжении 0 В. Затем транзистор просто делает свое дело, пропуская ток, который является экспоненциальной функцией от базового напряжения, примерно удваиваясь на каждый 1В входного напряжения. Вот результат моделирования, где «X» - входное напряжение, а «Pr1.I» - выходной ток.

Сравнивая ток при входных значениях полного вольта, становится ясно, что он приближается к удвоению с каждым дополнительным входным вольтом. Мы могли бы улучшить его, возможно, сделав один из резисторов регулируемым и подрезав его, чтобы он соответствовал наклону как можно точнее до 1 В / окт.И обратите внимание, что это уже довольно хорошо отслеживает более пяти октав, и это даже не сложная схема. Большая часть волшебства заключается в естественном поведении транзисторов.

Так почему бы просто не использовать эту схему? Зачем нужен более сложный экспоненциальный преобразователь? В некоторых схемах синтезаторов, которым не нужна большая точность экспоненциального преобразования, на самом деле используется что-то вроде этой схемы, но большинство из них, по крайней мере, буферизует входное напряжение через операционный усилитель. Простой резисторный делитель, управляющий транзистором, как показано здесь, обязательно имеет низкий входной импеданс, и поэтому без буфера его отслеживание будет чувствительно к тому, как источник управляющего напряжения управляет им.Однако более важная причина дополнительной сложности сводится к «константам» a и b в этом уравнении тока транзистора I = exp ( aV + b ).

Значения a и b на самом деле не являются константами. На самом деле, они оба сильно зависят от температуры. Если мы построим и настроим такой простой некомпенсированный экспоненциальный преобразователь для точного отслеживания в один момент, как только температура транзистора изменится, даже на долю градуса, его реакция на базовое напряжение изменится.Выходной ток почти всегда будет подчиняться некоторой точной экспоненциальной функции от базового напряжения, но , которая экспоненциальная функция зависит от температуры. Осциллятор, построенный на макете с таким преобразователем, буквально расстраивается на полтона или более, когда вы дышите им. И даже если он хранится в среде с тщательно контролируемой температурой, ток, проходящий через транзистор (особенно при более высоких уровнях тока), может сам нагреть транзистор на небольшую, но важную величину, вызывая колебания температуры, которые мешают отслеживанию.Итак, чтобы ответ был точным и оставался точным, нам нужно как-то справиться с последствиями изменения температуры.

Температурная компенсация нулевого порядка

На практике самая большая проблема с температурой возникает из-за величины b в уравнении тока транзистора, представляющей общий масштаб тока, проходящего через транзистор. Изменения в b приводят к сдвигу всех выходных токов (таким образом, частот, когда экспоненциальный преобразователь контролирует частоту чего-либо) вверх или вниз на мультипликативный коэффициент.В схеме, которая расстраивается, когда вы дышите на ней, на практике большая часть этого изменения высоты звука происходит из-за изменения в b .

Таким образом, стандартный метод, используемый во всех, кроме простейших транзисторных экспоненциальных преобразователях, - это попытка косвенно измерить значение тока b и отрегулировать напряжение, подаваемое на выходной транзистор, чтобы компенсировать любые изменения. Помните, что экспоненциально-токовая характеристика транзистора работает в обоих направлениях.Мы можем подать на базу напряжение и увидеть экспоненциальный ток на выходе, но мы также можем заставить транзистор принимать фиксированный ток и измерить напряжение на базе; и в любом случае действует одна и та же экспоненциальная кривая, зависящая от температуры.

В этом моделировании источник постоянного тока потребляет 1 мА через транзистор с фиксированной базой на уровне земли. Транзистор позволит своему эмиттеру упасть до любого (отрицательного) напряжения, необходимого для того, чтобы 1 мА был величиной проходящего тока.Нас обычно интересует ток коллектора, а не ток эмиттера, но из-за значительного усиления по току транзистора ток эмиттера будет в основном таким же, как ток коллектора (через базу теряется незначительный ток), и в любом случае, пока сохраняется коэффициент усиления. более или менее постоянными токи эмиттера и коллектора будут пропорциональными, что достаточно хорошо.

Если параметры транзистора изменяются, что обычно вызывается только изменением температуры, то напряжение эмиттера изменяется, чтобы не отставать.Вот результат моделирования, показывающий, как напряжение эмиттера в этой цепи («Ve.V» на графике) реагирует на температуру (градусы C, обозначены «X» на графике).

Как видно на графике, напряжение база-эмиттер, необходимое для фиксированного тока 1 мА, довольно сильно изменяется в диапазоне от -20 ° C до + 150 ° C. На самом деле не ожидается, что настоящие синтезаторные схемы будут работать в таком широком диапазоне температур (и в любом случае будут повреждены другими эффектами на верхнем пределе этого диапазона), но даже в более практичном диапазоне, таком как от 10 ° C до 50 ° C, изменение является значительным.

Но эта схема обеспечивает план атаки для компенсации изменений параметров транзистора. Вместо того, чтобы иметь один транзистор для экспоненциального преобразования и рисковать изменением его параметров, мы будем использовать два. Это будут два транзистора одного и того же типа, подобранные настолько близко, насколько это возможно. Мы постараемся поддерживать их при одинаковой температуре и работать таким же образом. Идея состоит в том, что два транзистора должны реагировать на напряжение и ток как можно более похожими друг на друга.Затем мы пропустим фиксированный ток через один, измерим напряжение, необходимое для этого, и будем использовать это напряжение для компенсации масштабированного управляющего напряжения, которое мы прикладываем ко второму. Изменения параметров транзистора, в частности, количества b , будут отменены.

Вот более узкий клип схемы Томаса Генри, показывающий только двухтранзисторную часть компенсации температуры.

Обратите внимание, что это транзисторы PNP; они хотят, чтобы их эмиттеры находились под небольшим положительным напряжением относительно их баз, в отличие от того, как работают NPN-транзисторы в других моих примерах.Основная причина использования их здесь заключается в том, что разработчик хотел, чтобы это был источник тока , подающий ток на остальную часть генератора, который имеет вход с отрицательным напряжением.

Транзистор слева называется «эталонным» транзистором. Его база связана с потенциалом земли (0 В). Основное назначение операционного усилителя - поддерживать постоянным ток через эталонный транзистор. В этом приложении он называется "сервоусилителем". Если учесть, что операционные усилители пытаются заставить их входы равными, если мы предположим, что ОУ работает нормально, то потому, что его положительный вход 0В, поэтому должен быть его отрицательный вход, который является коллектором эталонного транзистора.Следовательно (учитывая, что ток через входы операционного усилителя и постоянный ток через C1 должны быть равны нулю), падение напряжения на R52 составляет 15 В, ток через него составляет 10 мкА по закону Ома, и это также (коллектор) ток через эталонный транзистор. Операционный усилитель будет управлять своим собственным выходом по мере необходимости, чтобы заставить эмиттеры двух транзисторов достигать любого напряжения база-эмиттер выше 0 В, необходимого для поддержания тока 10 мкА через транзистор этого типа. Когда параметры транзистора изменяются из-за температуры, напряжение автоматически регулируется.

Примечание R23. Частично его цель - ограничить ток через выход операционного усилителя TL074 и, следовательно, через транзисторы. Этот операционный усилитель может выдавать на выходе напряжение до 12 В с током в десятки миллиампер или более. Этого может быть достаточно, чтобы повредить транзисторы, а R23 не дает току выйти из-под контроля. Расчет того, что выходное напряжение и ток от TL074, как ожидается, будут меньше в нормальной рабочей точке , недостаточно для защиты транзисторов от переходных процессов во время запуска, условий смены фаз и так далее; R23 гарантирует безопасный ток при любом напряжении, которое TL074 может производить.Тем не менее, еще более важной причиной использования R23 является снижение коэффициента усиления по напряжению опорного транзистора. Эталонный транзистор фактически представляет собой усилитель с общей базой. Небольшие изменения в его эмиттерном напряжении преобразуются в большие изменения тока (посредством экспоненциальной зависимости напряжения от тока), которые создают большие изменения напряжения при умножении на резистор, задающий ток 1,5 МОм; таким образом, между эмиттером транзистора и отрицательным входом операционного усилителя может быть значительное усиление напряжения, а это плохо для стабильности.Добавление резистора R23 понижает изменения напряжения на выходе операционного усилителя до гораздо меньших изменений на эмиттере транзистора, уменьшая усиление вокруг контура. Конденсатор C1 также предназначен для повышения стабильности за счет обхода кратковременных выбросов, как обсуждалось в моей статье о конденсаторах стабильности операционного усилителя. Вместе резистор и конденсатор подавляют усиление операционного усилителя на высоких частотах, предотвращая его нежелательные колебания. Транзисторы внутри контуров обратной связи операционного усилителя часто являются источником проблем со стабильностью, и даже операционные усилители, которые совершенно стабильны в сетях с пассивными резисторами, обычно нуждаются в некоторой относительно агрессивной компенсации, когда внутри контура есть транзисторы.

Еще раз посмотрев на схему, предположим, что соединение, помеченное IN, переведено на 0 В остальной частью схемы. Тогда два транзистора будут в одинаковых рабочих точках (за исключением, возможно, разных напряжений коллектор-эмиттер в зависимости от того, к чему подключен выход; мы предположим, что это не имеет значения, а на практике это очень мало). У них одинаковое напряжение база-эмиттер, и мы предполагаем, что они подчиняются одному и тому же экспоненциальному закону зависимости напряжения от тока. Транзистор слева пропускает фиксированное значение 10 мкА, поэтому транзистор справа тоже должен пропускать 10 мкА выходного тока остальной части схемы (которая является ядром генератора).Если температура изменяется, то изменяется зависимость напряжения от тока, и поэтому операционный усилитель должен довести напряжения база-эмиттер на обоих транзисторах до нового значения. Но если транзисторы останутся согласованными и будут иметь одинаковую температуру, они будут продолжать передавать 10 мкА. Эффект от изменения температуры аннулируется!

Предположим, что входная цепь (не показанная) подает на вход IN напряжение + 18 мВ. Напряжение база-эмиттер эталонного транзистора при неизвестной величине в диапазоне от около 0.7 В, какое бы напряжение ни управляло транзистором этого типа, чтобы получить 10 мкА. Напряжение база-эмиттер выходного транзистора теперь равно минус 18 мВ, потому что внешняя схема приближает базу к положительному напряжению эмиттера. Следовательно, напряжение база-эмиттер выходного транзистора таково, что в этих условиях транзистор этого типа генерирует половину тока коллектора, равного 10 мкА, то есть 5 мкА. Аналогичным образом, если соединение в приводится в действие для -18mV, напряжение база-эмиттер для выходного транзистора будет 18mV больше, чем у эталонного транзистора, и выходной ток будет 20мкА.

То, что на самом деле подключено к разъему IN, - это инвертирующий усилитель операционного усилителя с небольшим отрицательным усилением (-0,018). Каждый раз, когда входной сигнал V / oct для модуля увеличивается на 1 В, выход этого усилителя понижает базу транзистора на 18 мВ, удваивая выходной ток. И отклонения величины b в законе зависимости напряжения от тока транзистора исключаются. Результирующий экспоненциальный преобразователь V / oct намного менее чувствителен к изменениям температуры, чем однотранзисторный вариант.

Надо разобраться с некоторыми морщинами. Во-первых, важно поддерживать одинаковую температуру двух транзисторов. В идеале это должны быть два транзистора, построенные бок о бок на одной ИС. Кристаллы кремния, из которых обычно изготавливаются ИС, обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью (они химически подобны алмазу, другому материалу с очень высокой теплопроводностью), поэтому транзисторы на одном кристалле остаются хорошо согласованными по температуре. Между прочим, это одна из причин, по которой "дискретные операционные усилители" в значительной степени чепуха.В операционных усилителях используются токовые зеркала, которым нужны согласованные транзисторы при согласованных температурах, и просто невозможно точно поддерживать транзисторы при одной и той же температуре, когда они представляют собой дискретные транзисторы в отдельных корпусах. «Дискретные операционные усилители», несмотря на то, что они продаются по высокой цене неосторожным, почти никогда не смогут достичь производительности лучших операционных усилителей на IC. Мои собственные коммерческие разработки с дискретными транзисторами, такие как Transistor ADSR, используют транзисторы по-разному, которые не зависят от согласования, как это было бы в конструкции операционного усилителя.Тем не менее, может быть трудно найти интегрированные согласованные пары транзисторов, подходящие для использования в синтезаторных экспоненциальных преобразователях, особенно при балансировании других целей, и поэтому мы иногда вынуждены обходиться парами дискретных транзисторов в этом приложении. Мне нравится связывать их вместе с помощью кабельной стяжки, как на этой детальной фотографии сборки Leapfrog VCF. В некоторых из моих последних сборок Leapfrog я также добавлял сверху каплю клея, чтобы кабельная стяжка не соскальзывала вбок, поскольку есть пределы того, насколько сильно я могу натянуть ее, не рискуя повредить компоненты.

Другая проблема связана с тем, как именно управляющее напряжение прикладывается к паре транзисторов. Я сознательно выбрал для своего примера конструкцию VCO Thomas Henry 555, потому что он использует инвертирующий усилитель на входе (что является популярной конструкцией и имеет большой смысл как относительно надежный способ применения операционного усилителя), а также применяет управляющее напряжение на выходе транзистора , что, как мне кажется, легче понять при объяснении базового уровня. Но если у нас есть выбор, на самом деле может быть лучше связать базу выходного транзистора непосредственно с землей и подавать (правильно масштабированное и, возможно, инвертированное) управляющее напряжение на базу эталонного транзистора .Это меняет смысл управляющего напряжения - это означает, что управляющее напряжение должно двигаться в противоположном направлении, чтобы произвести такое же изменение конечного выходного тока. В зависимости от типа схемы на входе, типа схемы, потребляющей выход, и от того, являются ли транзисторы типом NPN или PNP, это может быть преимуществом. Это также может означать необходимость более или менее одной инверсии во входной схеме, чтобы вход всей схемы шел в правильном направлении.

Как описывает Рене Шмитц в своей широко цитируемой статье об экспоненциальных преобразователях, приложение управляющего напряжения к эталонному транзистору означает, что входной импеданс выше и более предсказуем; входная цепь должна обеспечивать постоянную долю тока через любой транзистор, который она управляет, который в основном является постоянным и, вероятно, небольшим для эталонного транзистора, но может быть намного больше для выходного транзистора, когда выходной ток высокий и изменяется в зависимости от выходной ток.Я не уверен, что это действительно имеет значение для наиболее типичного приложения, где схема, управляющая транзистором, представляет собой усилитель на операционном усилителе с большим запасом мощности по току.

Шкала эталонного тока должна быть по возможности сопоставима со шкалой выходного тока. Хотя температура является основной причиной изменения параметров транзистора, параметры также немного зависят от общего уровня тока, поэтому, если один транзистор работает при токе, сильно отличающемся от другого, транзисторы не будут согласованы, поэтому внимательно.Ток, особенно на более высоких уровнях, также влияет на температуру из-за самонагрева, поэтому, если ток в двух транзисторах можно поддерживать примерно одинаковым, их легче поддерживать при одинаковой температуре. По этим причинам я обычно проектирую свой эталонный ток примерно таким, как я ожидаю, что выходной ток будет на (логарифмической) середине частотного диапазона или, может быть, немного выше этого. Микросхемы LM13700, используемые как в этом ГУН, так и во многих моих собственных разработках, допускают абсолютный максимальный управляющий ток 2 мА, и я обычно стремлюсь к примерно 100 мкА эталонного тока.Я действительно удивлен, увидев, что эталонный ток в 555 VCO выбран таким низким, как 10 мкА. Я не уверен, каковы были причины этого решения.

Наконец, и самое главное: эта двухтранзисторная конструкция компенсирует изменения значения b (смещение функции напряжение-ток) с температурой, когда управляющее напряжение, приложенное к паре транзисторов, равно нулю, но не компенсирует вообще для изменений в на (шкала зависимости напряжения от тока, влияющая на шаг при других управляющих напряжениях).При таком уровне компенсации дыхание в контуре, вероятно, не приведет к его расстроению, но видимый размер октав и других интервалов - отношение вольт к октавам, которое люди называют «трекингом» - все еще может изменяться в зависимости от температуры; и слушатели чувствительны к этому. Для действительно серьезного использования музыки нам понадобится как минимум еще один слой температурной компенсации.

Температурная компенсация первого порядка

Помните, что управляющее напряжение V / oct проходит через усилитель с коэффициентом усиления (в данном случае) -0.018 для преобразования стандартных управляющих напряжений 1 В / октаву в 18 мВ / октаву, необходимых для транзисторов. Когда изменения температуры означают, что величина a изменяется, практическим следствием является изменение величины «18 мВ». Когда транзисторы холодные, им может потребоваться всего 17 мВ / окт. В тепле им может потребоваться 19 мВ. Изменение напряжения, необходимое для удвоения выходного тока, пропорционально абсолютной температуре (то есть температуре выше абсолютного нуля). Цепи синтезатора обычно работают при температуре около 300 К (300 К, приблизительно 27 ° С), что немного выше типичной комнатной температуры в помещении.Изменение температуры на 1 ° C на этом уровне означает изменение на 0,33%, или 3300 частей на миллион, как это обычно измеряется (частей на миллион) напряжения, необходимого для удвоения тока.

Мы уже смещаем управляющее напряжение с учетом изменений температуры с помощью операционного усилителя с сервоприводом. Можно было бы представить себе два эталонных транзистора с токами, скажем, 100 мкА и 200 мкА, измерять разницу в напряжении между ними и масштабировать управляющее напряжение в соответствии с этой разностью напряжений.Действительно, такие схемы построены. Но более распространенный способ сделать это немного проще: построить входной усилитель, коэффициент усиления которого также изменяется в зависимости от температуры, чтобы соответствовать изменяющимся температурным требованиям пары транзисторов. Вот усилитель входа CV от 555 VCO.

Левая сторона схемы может показаться сложной, но это только потому, что она имеет несколько входов: основное управляющее напряжение V / oct; вход «экспоненциальный FM», который представляет собой просто еще один разъем с потенциометром для ослабления; и две ручки ручного управления для грубого и точного начального тона.Интересно наличие резистора 2 кОм в цепи обратной связи. Важным сигнальным трактом здесь является путь от входа V / oct, который имеет резистор 100 кОм, сбалансированный с этим резистором 2 кОм, для усиления -0,020. Выходной сигнал операционного усилителя номинально составляет 20 мВ / октаву, уменьшенный регулируемым делителем напряжения на выходе до желаемого значения 18 мВ / октаву для пары транзисторов.

Но это не просто резистор; это чувствительный к температуре. В отличие от обычных резисторов, которые предназначены для поддержания постоянного сопротивления при различной температуре (и делают это более или менее хорошо в зависимости от того, сколько вы готовы заплатить за эту функцию), резистор R11 предназначен для изменения своего сопротивления в зависимости от температуры в предсказуемым образом.Как показано на диаграмме, он имеет температурный коэффициент + 3500 ppm на градус C. Когда температура повышается, сопротивление этого резистора должно увеличиваться с той же скоростью; когда он идет вниз, он должен уменьшаться. Коэффициент усиления схемы операционного усилителя пропорционален текущему значению этого резистора, поэтому он должен (насколько это разумно возможно) масштабироваться до напряжения, требуемого транзисторами.

Необходимо, чтобы термочувствительный резистор поддерживался при той же температуре, что и два транзистора.Если вы посмотрите на мою фотографию экспоненциального преобразователя Leapfrog, вы можете заметить маленький синий термистор в объятиях кабельной стяжки вместе с двумя транзисторами.

Почему на диаграмме указано + 3500ppm, когда я ранее сказал, что + 3300ppm было необходимо? Одна из причин может заключаться в том, что этот дизайнер рассчитывал на основе более низкой оценки комнатной температуры. Если бы контур работал при температуре около 12 ° C вместо 27 ° C, то необходимая поправка составила бы + 3500 частей на миллион на градус C. Это подчеркивает одно ограничение этого подхода: даже если мы получим правильный температурный коэффициент для компенсации колебаний около одной температуры, скорость Изменение также изменяется с температурой, и поэтому для коррекции может потребоваться дополнительная корректировка при расширении в широком диапазоне температур.

Но более важная проблема и, вероятно, настоящая причина, по которой диаграмма показывает + 3500ppm, заключается в том, что наложить на руки именно тот тип термокомпенсирующего резистора (или «tempco»), который вы рассчитали, вы хотите, жесткий , а иногда и невозможно. Возможно, вам не удастся просто пойти и купить термокомпенсирующий резистор + 3300ppm 2k, особенно если вы также хотите, чтобы он был подходящего физического размера и формы для вашей платы. Вполне возможно, что +3500 стр. / Мин было самым близким, что Томас Генри мог найти для продажи по разумной цене и удовлетворял другим его требованиям.В таких случаях мы используем лучшее совпадение, которое можем найти, и надеемся, что оно принесет неплохую компенсацию, даже если оно не идеально.

Также можно построить подобную схему, используя другой тип термочувствительного резистора, который уменьшает (а не увеличивает) свое сопротивление с повышением температуры. Это называется термистором NTC, что означает «отрицательный температурный коэффициент». Я использовал этот подход в Leapfrog VCF - синяя деталь на фотографии - это термистор NTC - и я написал об этом отдельную статью.Схема резисторов выглядит иначе, если термистор установлен в другом месте, но основная идея построения усилителя, коэффициент усиления которого изменяется с температурой в соответствии с требованиями транзисторов, остается прежней. Преимущества заключаются в том, что термисторы NTC могут быть дешевле, их легче найти или их температурные коэффициенты (которые, как и все параметры, зависят от производственных допусков) могут быть более жестко контролируемыми.

Подстройка высокочастотная

В экспоненциальном преобразователе 555 VCO есть еще один уровень компенсации, который также типичен для многих других подобных конструкций.До этого момента я предполагал, что цель состоит в том, чтобы обеспечить выходной ток, который точно отслеживает входное напряжение V / oct: то есть подчиняется экспоненциальной функции с удвоением выходного сигнала при каждом увеличении напряжения на входе. Транзисторы по своей природе точно подчиняются некоему экспоненциальному закону зависимости напряжения от тока, поэтому мы начнем с одного из них. Но тогда из-за температурной зависимости необходимо смещение, контролируемое температурой (применяемое с помощью сервооперационного усилителя после измерения его вторым идентичным транзистором), и масштабирование с контролируемым температурным режимом, применяемое с использованием чувствительного к температуре компонента на входе. усилитель звука.Получающееся преобразование напряжения в ток достаточно точное даже при изменении температуры и подходит для управления чем-то вроде ядра генератора, который линейно преобразует ток в частоту.

Но на практике ядро ​​генератора может быть не совсем линейным! Для типичных ГУН, которые работают, заполняя конденсатор и затем разряжая его, время разряда обычно не изменяется или не сильно изменяется в зависимости от рабочей частоты. По мере увеличения частоты время разряда увеличивается, составляя все большую и большую долю от общего времени цикла, и поскольку ток, подаваемый в сердечник во время разряда, обычно теряется, реакция сердечника на входной ток может быть нелинейной.Обычный паттерн состоит в том, что на самых высоких частотах трекинг идет немного ровно, а выходная частота меньше, чем мы могли бы предсказать, исходя из отношения тока к частоте, применимого на более низких частотах. Даже если не управлять ГУН, когда время сброса является проблемой, сам экспоненциальный преобразователь может иметь тенденцию создавать аналогичный эффект. «Объемное» сопротивление транзисторов, эквивалентное нескольким Ом, последовательно соединенным с каждым эмиттером, заставляет их отклоняться от идеального экспоненциального поведения при высоком токе, что в целом приводит к тому, что выходной ток становится равным. немного ниже, чем должно быть.Практическое влияние на отслеживание аналогично влиянию времени сброса ядра генератора: оно немного сглаживается в верхней части диапазона частот.

Принимая во внимание, что этот экспоненциальный преобразователь не просто стоит сам по себе, но существует для поддержки ядра генератора, имеет смысл использовать экспоненциальный преобразователь, чтобы улучшить производительность генератора. То, что сделано в 555 VCO, аналогично тому, что сделано во многих популярных конструкциях: есть дополнительный тракт обратной связи, который немного увеличивает усиление на самых высоких частотах.Этот дополнительный путь выделен ниже.

Напряжение на выходе сервоусилителя пропорционально входному управляющему напряжению, следовательно, логарифмически по выходному току и частоте. При низких рабочих частотах и, следовательно, низких выходных токах, напряжение база-эмиттер эталонного транзистора будет меньше, чем одно типичное «падение диода», и диод D1 не сможет пропускать ток. По мере увеличения рабочей частоты напряжение база-эмиттер будет увеличиваться логарифмически, и D1 начнет включаться, хотя фактически протекающий через него ток будет весьма ограничен падением напряжения на подстроечном элементе R36.Дело в том, что на вершине R36 будет напряжение практически нулевое, за исключением самой высокой части частотного диапазона, где оно начнет медленно увеличиваться с частотой. Регулируемая часть этого напряжения подается через резистор 1 МОм R51 обратно во входной усилитель . Итак: на низких частотах схема подстройки ВЧ работать не будет. На высоких частотах он поднимет частоту еще выше на небольшую и контролируемую величину. Это то, что нам нужно, чтобы противодействовать нелинейности токового отклика ядра генератора.Легко представить, что если увеличение частоты приводит к дальнейшему увеличению частоты, это может привести к тому, что все это выйдет из-под контроля и заблокируется на максимальной частоте; но на самом деле усиление этого пути обратной связи настолько низкое, что он не может этого сделать. Он лишь немного изгибает кривую вверх в высокочастотном диапазоне.

Для полноты я должен упомянуть линейную схему FM, которую я редактировал из большинства других моих диаграмм, но она показана на этой. Он работает путем подмены эталонного тока в паре транзисторов: напряжение на линейном входе FM протягивает дополнительный ток через эталонный транзистор или удаляет его, а поскольку выходной ток определяется как кратное эталонному току, это автоматически масштабирует выходной сигнал. ток по желанию.Этот вход связан по переменному току с конденсатором, чтобы смещения постоянного тока на нем не мешали калибровке остальной части преобразователя. Это довольно стандартный способ сделать это в схемах аналогового экспоненциального преобразователя, и его можно легко пропустить в конструкции, не требующей линейной функции FM. Обратите внимание, что этот базовый линейный FM-вход не может выполнять модуляцию «через нуль»; Если приложить достаточно напряжения, чтобы уменьшить опорный и, следовательно, выходные токи до нуля, они не упадут ниже нуля.Экспоненциальный преобразователь не начнет пропускать ток в обратном направлении, и ядро ​​VCO не будет работать в обратном направлении. Реализация линейной ЧМ через нуль требует более сложной конструкции как экспоненциального преобразователя, так и ядра генератора.

Я описал работу типичного реального экспоненциального преобразователя, начиная с упрощенной игрушечной схемы, а затем добавляя каждый слой с некоторой интуицией, зачем он нужен. Подобные схемы можно найти во многих конструкциях синтезаторов, и стоит иметь некоторое представление о том, как они работают.

Предыдущая запись: Повышение уровня упрощения схем || Следующая запись: Обновления и разработка нового модуля

Принцип работы ELCB и RCB

Принцип работы ELCB и RCB:

  • A n Автоматический выключатель утечки на землю (ELCB) - это устройство, используемое для непосредственного обнаружения токов, протекающих на землю от установки, и отключения питания и в основном используется в системах заземления TT.
  • Есть два типа ELCB:
  1. Автоматический выключатель утечки на землю (Voltage-ELCB)
  2. Прерыватель цепи тока утечки на землю по току утечки на землю (Current-ELCB).
  • Voltage-ELCB были впервые представлены около шестидесяти лет назад, а Current-ELCB были впервые представлены около сорока лет назад. В течение многих лет ELCB, управляемый напряжением, и ELCB, управляемый дифференциальным током, назывались ELCB, потому что это было более простое имя для запоминания. Но использование общего названия для двух разных устройств привело к значительной неразберихе в электротехнической промышленности. Если в установке был использован неправильный тип, уровень защиты может быть значительно ниже предполагаемого.Чтобы игнорировать эту путаницу, IEC решила применить термин «устройство остаточного тока» (RCD) к ELCB, управляемым дифференциальным током. Остаточный ток относится к любому току, превышающему ток нагрузки

База напряжения ELCB.

  • Voltage-ELCB - автоматический выключатель, работающий от напряжения. Устройство будет работать, когда ток проходит через ELCB. Voltage-ELCB содержит катушку реле, которая на одном конце соединена с металлическим корпусом нагрузки, а на другом конце - с проводом заземления.
  • Если напряжение на корпусе оборудования повышается (из-за прикосновения фазы к металлической части или нарушения изоляции оборудования), что может вызвать разницу между напряжением земли и нагрузки на корпусе, возникает опасность поражения электрическим током. Эта разница напряжений будет производить электрический ток от металлического тела нагрузки, проходящего через контур реле, и на землю. Когда напряжение на металлическом корпусе оборудования повышается до опасного уровня, превышающего 50 В, протекающий через петлю реле ток может переместить контакт реле, отключая ток питания, чтобы избежать опасности поражения электрическим током.
  • ELCB обнаруживает токи короткого замыкания от провода под напряжением к заземляющему проводу внутри установки, которую он защищает. Если на измерительной катушке ELCB появится достаточное напряжение, он отключит питание и останется выключенным до ручного сброса. ELCB с функцией измерения напряжения не распознает токи короткого замыкания, идущие от живого к любому другому заземленному телу.

  • Эти ELCB контролируют напряжение на заземляющем проводе и отключают питание, если напряжение на заземляющем проводе превышает 50 вольт.
  • Эти устройства больше не используются из-за их недостатков, например, если короткое замыкание происходит между током и землей цепи, они отключат питание. Однако, если короткое замыкание происходит между током и какой-либо другой землей (например, человеком или металлической водопроводной трубой), они НЕ отключатся, поскольку напряжение на заземлении цепи не изменится. Даже если короткое замыкание происходит между током и землей цепи, параллельные пути заземления, образованные через газовые или водопроводные трубы, могут привести к обходу ELCB. Большая часть тока короткого замыкания будет протекать по газовым или водопроводным трубам, поскольку одиночный стержень заземления неизбежно будет иметь гораздо более высокий импеданс, чем сотни метров металлических коммуникационных труб, закопанных в землю.

  • Способ определения ELCB - поиск зеленого или зеленого и желтого заземляющих проводов, входящих в устройство. Они полагаются на напряжение, возвращающееся к отключению через заземляющий провод во время короткого замыкания, и обеспечивают лишь ограниченную защиту установки и не обеспечивают никакой личной защиты. Вы должны использовать подключаемые к розетке УЗО на 30 мА для любых приборов и удлинителей, которые можно использовать как минимум на улице.

Преимущества

  • ELCB имеют одно преимущество перед УЗО: они менее чувствительны к условиям неисправности и, следовательно, имеют меньше ложных срабатываний.
  • Хотя напряжение и ток на линии заземления обычно представляют собой ток короткого замыкания от живого провода, это не всегда так, поэтому существуют ситуации, в которых ELCB может мешать срабатыванию.
  • Когда установка имеет два заземленных соединения, соседняя сильноточная молния вызовет градиент напряжения в почве, подавая на чувствительную катушку ELCB напряжение, достаточное для срабатывания.
  • Если заземляющий стержень установки расположен рядом с заземляющим стержнем соседнего здания, сильный ток утечки на землю в другом здании может повысить местный потенциал земли и вызвать разность напряжений на двух заземляющих устройствах, снова отключив ELCB.
  • Если существует накопление или нагрузка токов, вызванная предметами с пониженным сопротивлением изоляции из-за устаревшего оборудования, или с нагревательными элементами, или в условиях дождя, сопротивление изоляции может снизиться из-за отслеживания влажности. Если есть ток, равный номинальному значению ELCB, то ELCB может вызвать ложное отключение.
  • Если какой-либо из заземляющих проводов отсоединится от ELCB, он больше не сработает, или установка часто больше не будет должным образом заземлена.
  • Некоторые ELCB не реагируют на выпрямленный ток повреждения. Эта проблема характерна для ELCB и RCD, но ELCB в среднем намного старше, чем RCB, поэтому у старого ELCB с большей вероятностью будет какая-то необычная форма тока неисправности, на которую он не будет реагировать.
  • ELCB, управляемый напряжением, является требованием для второго подключения и возможностью того, что любое дополнительное заземление в защищаемой системе может вывести извещатель из строя.
  • Непредвиденное срабатывание, особенно во время грозы.

Недостатки:

  • Они не обнаруживают замыкания, которые не пропускают ток через CPC к заземляющему стержню.
  • Они не позволяют легко разделить единую систему здания на несколько секций с независимой защитой от короткого замыкания, поскольку в системах заземления обычно используется общий заземляющий стержень.
  • Они могут быть отключены внешним напряжением от чего-либо, подключенного к системе заземления, например, металлических труб, заземления TN-S или комбинированной нейтрали и земли TN-C-S.
  • Поскольку электрически негерметичные приборы, такие как водонагреватели, стиральные машины и плиты, могут вызвать срабатывание ELCB.
  • ELCB
  • вносят дополнительное сопротивление и дополнительную точку отказа в систему заземления.

Можем ли мы предположить, защищена ли наша электрическая система от защиты от заземления, просто нажав на тестовый переключатель ELCB?

  • Проверить работоспособность ELCB просто, и это можно легко сделать, нажав кнопку TEST на кнопочном переключателе ELCB.Кнопка тестирования проверяет, правильно ли работает блок ELCB. Можно ли предположить, что если ELCB отключен после нажатия переключателя TEST ELCB, то ваша система защищена от заземления? Тогда ты ошибаешься.
  • Испытательная установка, предусмотренная на домашнем ELCB, только подтвердит исправность блока ELCB, но этот тест не подтверждает, что ELCB сработает при возникновении опасности поражения электрическим током. Это действительно печальный факт, что все это время это недоразумение оставило многие дома совершенно незащищенными от риска поражения электрическим током.
  • Это заставляет или тревожит нас задуматься над вторым основным требованием к защите земли. Второе требование для правильной работы домашней системы защиты от ударов - электрическое заземление.
  • Мы можем предположить, что ELCB - это мозг для защиты от ударов и заземление в качестве основы. Следовательно, без функционального заземления (надлежащего заземления электрической системы) в вашем доме не будет никакой защиты от поражения электрическим током, даже если вы установили ELCB и его переключатель TEST показывает правильный результат.Одного ухода за ELCB недостаточно. Электрическая система заземления также должна быть в хорошем рабочем состоянии, чтобы система защиты от ударов работала. В дополнение к обычным осмотрам, которые должен проводить квалифицированный электрик, это заземление желательно проверять регулярно с более короткими интервалами домовладельцем, и необходимо регулярно заливать воду в яму для заземления, чтобы минимизировать сопротивление заземления.

Текущий ELCB (RCB):

  • ELCB, работающие от тока, обычно известны как устройства дифференциального тока (УЗО).Они также защищают от утечки на землю. Оба проводника цепи (питающий и обратный) проходят через чувствительную катушку; любой дисбаланс токов означает, что магнитное поле не компенсируется полностью. Устройство обнаруживает дисбаланс и размыкает контакт.
  • Когда используется термин ELCB, он обычно означает устройство, работающее от напряжения. Подобные устройства, работающие от тока, называются устройствами остаточного тока. Однако некоторые компании используют термин ELCB, чтобы отличить высокочувствительные трехфазные устройства, работающие по току, которые срабатывают в миллиамперном диапазоне, от традиционных трехфазных устройств замыкания на землю, которые работают при гораздо более высоких токах.

  • Катушка питания, нейтраль и поисковая катушка намотаны на общий сердечник трансформатора.
  • В исправной цепи такой же ток проходит через фазную катушку, нагрузку и возвращается обратно через нейтраль. Как фазная, так и нейтральная катушки намотаны таким образом, что будут создавать встречный магнитный поток. При одинаковом токе, протекающем через обе катушки, их магнитный эффект будет нейтрализован при исправном состоянии цепи.
  • В ситуации, когда есть короткое замыкание или утечка на землю в цепи нагрузки или где-либо между цепью нагрузки и выходным соединением цепи RCB, ток, возвращающийся через нейтральную катушку, был уменьшен. Тогда магнитный поток внутри сердечника трансформатора больше не сбалансирован. Общая сумма встречного магнитного потока больше не равна нулю. Этот чистый остаточный поток мы называем остаточным потоком.
  • Периодически меняющийся остаточный поток внутри сердечника трансформатора пересекает путь с обмоткой поисковой катушки.Это действие создает электродвижущую силу (ЭДС) на поисковой катушке. Электродвижущая сила - это на самом деле переменное напряжение. Индуцированное напряжение на поисковой катушке создает ток внутри проводки цепи отключения. Именно этот ток приводит в действие катушку отключения выключателя. Поскольку ток отключения управляется остаточным магнитным потоком (результирующий поток, суммарное влияние между обоими потоками) между фазой и нейтралью , он называется устройством остаточного тока.
  • С автоматическим выключателем, встроенным в цепь, собранная система называется выключателем остаточного тока (RCCB) или устройством остаточного тока (RCD). Входящий ток должен сначала пройти через автоматический выключатель, прежде чем попасть в фазную катушку. Путь обратной нейтрали проходит через второй полюс выключателя. Во время отключения при обнаружении неисправности фаза и нейтраль изолированы.
    • Чувствительность УЗО выражается как номинальный остаточный рабочий ток, обозначенный IΔn .Предпочтительные значения были определены МЭК, что позволяет разделить УЗО на три группы в соответствии с их значением IΔn.
    • Высокая чувствительность ( HS ): 6-10-30 мА (для защиты от прямого контакта / травм)
    • Стандарт
    • IEC 60755 (Общие требования к устройствам защиты от остаточного тока) определяет три типа УЗО в зависимости от характеристик тока короткого замыкания.
    • Тип AC : УЗО, для которого обеспечивается отключение по остаточным синусоидальным переменным токам

Чувствительность RCB:

  • Средняя чувствительность ( MS ): 100-300-500-1000 мА (для противопожарной защиты)
  • Низкая чувствительность ( LS ): 3-10-30 А (обычно для защиты машины)

Тип RCB:

Тип A : УЗО, для которого обеспечивается отключение

  • для остаточных синусоидальных переменных токов
  • для остаточных пульсирующих постоянных токов
  • Для остаточных пульсирующих постоянных токов, на которые накладывается плавный постоянный ток 0.006 A, с регулировкой фазового угла или без нее, независимо от полярности.

Тип B : УЗО, для которого обеспечивается отключение

  • как для типа A
  • для остаточных синусоидальных токов до 1000 Гц
  • для остаточных синусоидальных токов, наложенных на чистый постоянный ток
  • для пульсирующих постоянных токов, наложенных на чистый постоянный ток
  • для остаточных токов, которые могут возникнуть в цепях выпрямления
    • трехимпульсное соединение звездой или шестиимпульсное мостовое соединение
    • двухимпульсное мостовое соединение между линиями с контролем фазового угла или без него, независимо от полярности
    • Есть две группы устройств:

Время перерыва RCB:

  1. G (общее использование) для УЗО мгновенного действия (т.е.е. без задержки)
  • Минимальное время перерыва: сразу
  • Максимальное время отключения: 200 мс для 1x IΔn, 150 мс для 2x IΔn и 40 мс для 5x IΔn
  1. S (селективный) или T (с выдержкой времени) для УЗО с коротким временем задержки (обычно используется в цепях, содержащих ограничители перенапряжения)
  • Минимальное время отключения: 130 мс для 1x IΔn, 60 мс для 2x IΔn и 50 мс для 5x IΔn
  • Максимальное время отключения: 500 мс для 1x IΔn, 200 мс для 2x IΔn и 150 мс для 5x IΔn

Нравится:

Нравится Загрузка...

Связанные

О компании Jignesh.Parmar (B.E, Mtech, MIE, FIE, CEng)
Джигнеш Пармар закончил M.Tech (Power System Control), B.E (Electric). Он является членом Института инженеров (MIE) и CEng, Индия. Членский номер: M-1473586. Он имеет более чем 16-летний опыт работы в сфере передачи, распределения, обнаружения кражи электроэнергии, технического обслуживания и электротехнических проектов (планирование-проектирование-технический обзор-координация-выполнение).В настоящее время он является сотрудником одной из ведущих бизнес-групп в качестве заместителя менеджера в Ахмедабаде, Индия. Он опубликовал ряд технических статей в журналах «Электрическое зеркало», «Электрическая Индия», «Освещение Индии», «Умная энергия», «Industrial Electrix» (Австралийские публикации в области энергетики). Он является внештатным программистом Advance Excel и разрабатывает полезные базовые электрические программы Excel в соответствии с кодами IS, NEC, IEC, IEEE. Он технический блоггер и знает английский, хинди, гуджарати, французский языки.Он хочет поделиться своим опытом и знаниями и помочь техническим энтузиастам найти подходящие решения и обновиться по различным инженерным темам.

Принцип работы фототранзистора

- Учебное пособие по проектированию

Фототранзистор похож на обычный BJT, за исключением того, что базовый ток вырабатывается и управляется светом, а не источником напряжения. Фототранзистор эффективно преобразует световую энергию в электрический сигнал.

В фототранзисторе базовый ток возникает, когда свет падает на базовую область светочувствительного полупроводника. Р-n переход коллектор-база освещается падающим светом через отверстие линзы в корпусе транзистора. Когда нет падающего света, есть только небольшой ток утечки коллектор-эмиттер, генерируемый термически, I CEO ; этот темновой ток обычно находится в диапазоне нА. Когда свет попадает на pn переход коллектор-база, создается базовый ток Iλ, который прямо пропорционален силе света.Это действие создает ток коллектора, который увеличивается с увеличением Iλ. За исключением способа генерации тока базы, фототранзистор ведет себя как обычный BJT. Во многих случаях электрическое соединение с базой отсутствует.

Соотношение между током коллектора и световым током базы в фототранзисторе составляет

Ic = β DC T λ

Схематический символ и некоторые типичные фототранзисторы показаны на рисунке ниже.

Поскольку фактическая фотогенерация тока базы происходит в области коллектор-база, чем больше физическая площадь этой области, тем больше ток базы генерируется. Таким образом, типичный фототранзистор спроектирован так, чтобы обеспечить большую площадь для падающего света, как показано на упрощенной структурной схеме на рисунке ниже.

Фототранзистор может быть двух- или трехпроводным. В конфигурации с тремя выводами основной вывод выведен так, что устройство можно использовать как обычный BJT с дополнительной функцией светочувствительности или без нее.В конфигурации с двумя выводами база электрически недоступна, и устройство можно использовать только со светом в качестве входа. Во многих приложениях фототранзистор используется в двухпроводном исполнении.

На рисунке ниже показан фототранзистор со схемой смещения и типичными характеристическими кривыми коллектора. Обратите внимание, что каждая отдельная кривая на графике соответствует определенному значению интенсивности света (в данном случае единицы измерения - мВт / см2) и что ток коллектора увеличивается с интенсивностью света.

Фототранзисторы чувствительны не ко всему свету, а только к свету в определенном диапазоне длин волн. Они наиболее чувствительны к определенным длинам волн в красной и инфракрасной части спектра.

Engineering Tutorial Ключевые слова:
  • Принцип работы фототранзистора
  • Принцип работы фототранзистора
  • Принцип работы фототранзистора
  • Принцип работы фототранзистора
  • Принцип работы фототранзистора
  • Принцип работы фототранзистора
  • Принцип работы фототранзистора
  • Принцип фототранзистора
  • фото транзистор рабочий
  • фототранзистор упражнение
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *