Биполярный транзистор. Работа в режиме усиления. Часть 1

07.09.2016 21:42

В прошлых статьях про транзисторы мы касались такого понятия, как "усиление сигнала". Так как многие из вас не читали или подзабыли что значит это словосочетание, давайте припомним.

 

Усилить сигнал - это значит создать его копию, которая будет либо больше, чем этот сигнал, либо мощнее.

 

Давайте рассмотрим на примере человека. Как же его усилить? Здесь я вижу два варианта:

 

Увеличить человека в размерах

 

 

Либо усилить его  с помощью экзоскелета:

 

Тут уже даже и ежу понятно, что мощности каждого из этих персонажей хватит для того, чтобы размотать целую роту вояк в рукопашном бою. В первом случае их проще будет давить либо пяточкой, а если попадется воспитанный великан с хорошими манерами - то пальчиками :-). Во втором случае, с экзоскелетом - хуком справа и слева.

 

Значит, для того, чтобы сделать сигнал мощнее, мы должны либо увеличить его амплитуду, либо увеличить его...Хм... Зачем наш Тони Старк сделал себе костюм? Чтобы он защищал его тело, то есть чтобы оказывать сопротивление ударам, пулям и тд. Какая-бы пулька или удар не влетали в него, он бы стоял колом (разумеется в разумных пределах) То есть его экзоскелет защищает его от разного рода сопротивления.

 

Получается,  для нашего сигнала какое бы сопротивление он не встретил на своем пути, он будет таким же "бодрым и энергичным", каким был и до встречи с нагрузкой. Если Тони Старк брал энергию из своей фиговины на груди, то сигнал должен брать энергию от какого-либо мощного источника ;-)  Сравнение, конечно, так себе, но думаю, суть вы уловили.

 

Увеличивая амплитуду сигнала, мы меняем его напряжение, а делая сигнал "неуязвимым", мы добавляем ему силу. Силу тока. Поэтому, увеличивая или напряжение, или силу тока, либо сразу два этих параметра, мы сделаем сигнал мощнее.

 

Для тех, кто позабыл:

P=IxU

где

P - это мощность, измеряется в Ваттах

I - сила тока, в Амперах

U - напряжение, в Вольтах

ну и значок "х"  - это знак умножения (мало ли)

 

В своих электронных разработках вы должны точно решить для себя, что именно собираетесь делать с сигналом:

- увеличить его амплитуду напряжения, при этом силу тока оставить неизменной

- оставить амплитуду напряжение такой же, но прибавить мощности с помощью силы тока

- увеличить и напряжение и силу тока

 

В основном применяют усиление сразу по обоим параметрам.  Поэтому в электронике чаще всего используется схема с ОЭ (Общим Эмиттером), которая увеличивает сигнал и по силе тока, и по напряжению одновременно.

 

Для транзистора PNP проводимости подключение транзистора  с ОЭ выглядит так:

 

 

А для NPN транзистора вот так:

 

Но вы также должны иметь ввиду, что в электронике нам не просто надо усилить сигнал, а усилить его правильно, чтобы он не потерял свой первозданный вид. Мощная копия сигнала должна пропорционально усиливаться по амплитуде. По времени мы не должны ее трогать, иначе изменится частота сигнала. Но тогда это уже будет совсем другой сигнал.

 

 

На рисунке ниже мы можем увидеть входной слабенький сигнал, а на выходе усиленный сигнал после транзисторного каскада.

Как мы видим, сигнал по амплитуде изменился линейно и пропорционально, но период сигнала не изменился. То есть T1=T2. Это пример идеального усилителя.

 

Итак, как же это все реализовать?

Усилители в электронике в большинстве случаев усиливают именно напряжение. То есть на вход загоняем какой-либо маленький сигнал напряжения, а на выходе мы должны уже получить точную копию сигнала, но бОльшего напряжения. Но как это сделать с практической точки зрения?

 

А почему бы нам не использовать делитель напряжения, у которого один резистор будет постоянным, а другой - переменным:

Что будет, если мы на переменном резисторе будем менять сопротивление? Правильно! Будем меняться напряжение на выходе U. А теперь представьте, что мы не ручками меняли бы сопротивление, а за нас это бы делало напряжение? Чем больше меняем напряжение, тем больше меняется сопротивление. То есть сопротивление переменного резистора менялось бы прямо пропорционально напряжению. Было бы круто, так ведь?

 

Помните, как в одной из статей мы сравнивали транзистор с краником? Открываем чуток - напор воды слабый, открываем больше - сильнее. Открываем полностью - вода бежит полным потоком

 

 

 

В биполярном транзисторе происходят похожие процессы. Меняя значение напряжения на базе, а следовательно силу тока в цепи база-эмиттер, мы тем самым меняем сопротивление между коллектором и эмиттером ;-) Следовательно, наша схема из такого вида:

 

 

 

примет вот такой вид

Выглядеть должно все приблизительно так, но не совсем так... и далее вы поймете почему.

 

 

Итак, для того, чтобы все это показать нам понадобится:

1) Генератор частоты. Он у меня китайского происхождения.

 

 

2) Двухканальный цифровой осциллограф OWON

 

 

3) Блок питания постоянного напряжения

 

 

А также мелочевка... Транзистор и резистор. Собираем все это дело вот по такой схеме:

Осциллограммы будем снимать с красной и желтой точек на схеме.

 

 

Загоняю на базу сигнал с частотой в 1 КилоГерц и амплитудой в 1 Вольт. Смотрим, что у нас получилось:

На осциллограмме, снятой с желтой точки, мы видим только шумы.

 

 

Ладно, ставлю амплитуду в 2 Вольта:

Ничего не изменилось...

 

 

И только тогда, когда уже амплитуда стала больше, чем 2 Вольта, на желтой осциллограмме появился уже какой-то периодический сигнал

 

 

С увеличением амплитуды его импульсы просто стали шире.

 

 

 

Итак, теперь обо все по  порядку:

Первый косяк этой схемы в том, что мы не учли напряжение для открытия транзистора. Оно, как вы помните, составляет 0,6-0,7 Вольт.

 

Второй косяк. Для того, чтобы транзистор усиливал, мы его должны вогнать в активный режим. Это промежуточный режим между режимом насыщения и режимом отсечки транзистора.

 

Режим отсечки - это когда транзистор полностью закрытый, то есть нет напряжения смещения на базе-эмиттере 0,6-0,7. Вольт. В этом случае у нас сопротивление между коллектором и эмиттером очень большое.

 

Режим насыщения - это когда транзистор полностью открытый. В этом режиме смещение на базе-эмиттере более, чем 0,6-0,7 Вольт и сопротивление между коллектором и эмиттером равняется почти нулю.

 

В режиме отсечки и насыщения работает транзисторный ключ.

 

В активном режиме напряжение смещения более, чем 0,6-0,7 Вольт, но у нас сопротивление между коллектором и эмиттером не равняется ни нулю, ни бесконечности. В этом режиме мы можем регулировать сопротивление с помощью силы тока, проходящего между базой и эмиттером. А чтобы регулировать эту силу тока , мы можем подавать большее или меньшее напряжение на базу.

Если все объяснить заумной фразой получается так: небольшое изменение силы тока в цепи базы-эмиттер приводит к пропорциональному изменению силы тока в цепи коллектор-эмиттер. Коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается сила тока коллектор-эмиттер от силы тока базы-эмиттер называется коэффициентом усиления по току в схеме с ОЭ. Этот коэффициент часто называют h21э или просто  β.

 

 

Думаю, большинство из вас сидело за рулем авто. Может быть, вы когда-нибудь даже пользовались педалькой газа)

 

Допустим, мы поставили первую скорость и решили проехаться по трассе. Топим педальку в пол и едем на всей первой скорости, не переключая коробку скоростей. По аналогии с транзистором - это и есть режим насыщения.

 

Вообще убираем ногу от педальки - машина встает колом. Это режим отсечки (о понятии отсечки в самом авто мы с вами сейчас не говорим). В этом режиме мы вообще не касаемся педальки.

 

Ну а в активном режиме мы нажимаем педальку с такой силой, которая нам нужна ;-) В этом режиме мы сами регулируем скорость. Хотим - едем быстрее, а хотим медленнее ;-)  То есть мы управляем автомобилем между режимами отсечки и насыщения.

Именно в этом режиме работает транзистор в режиме усиления сигналов.

 

 

Честно говоря, усилитель на биполярном транзисторе - тот еще геморрой.

Во-первых, он управляется силой тока, а не напряжением.

Во-вторых, мы должны обязательно предусмотреть напряжение смещения.

В-третьих, схема каскада усилителя на биполярном транзисторе получается довольно таки громоздкая

В-четвертых, даже тогда, когда мы не подаем сигнал на такой транзисторный каскад, то схема все равно жрет ток.

 

Как тогда должны выглядеть схема, чтобы мы могли из слабого сигнала получать усиленную копию?

 

Придется учесть все замечания и построить каскад с нуля, что мы и сделаем в следующей статье...

Продолжение------->

 

<-------Предыдущая статья