В предыдущей статье мы разбирались с основами усилителей, немного было сказано о том, что такое обратная связь и коэффициент усиления. Был приведен расчет схемы на операционном усилителе. Теперь мы готовы заглянуть чуть глубже, чтобы понять основы основ.
Транзистор можно представить в виде переменного сопротивления. Положение регулятора зависит от тока подаваемого на базу. Если ток не подается, сопротивление перехода коллектор-эмиттер очень большое. При подаче на базу небольшого тока, сопротивление переменного резистора уменьшится, и по цепи К-Э потечет ток в h21 раз больше тока базы. H21 это величина коэффициента усиления транзистора, находится по справочнику.
Если ток базы постепенно увеличивать, то сопротивление перехода будет постепенно уменьшаться, до тех пор пока не станет близким к нулю. В этот момент транзистор будет полностью открыт, именно этот режим мы и рассматривали в статье про подключение нагрузки при помощи транзистора.
На этот раз нас интересует промежуточное состояние, так как вход и выход взаимосвязаны, то сигнал на выходе будет являться копией входного, но усиленный в несколько раз. Теперь разберемся с усилением. Дело в том, что h21, имеет довольно большой разброс для одного типа транзистора может находиться в пределах от 400 до 1000. Так же, он зависит от температуры. Поэтому, существует типовая схема усиления, которая учитывает все эти недостатки. Но для общего развития стоит рассказать какие они вообще бывают.
Вспомним что мы представляли усилитель, как черный ящик — две ножки вход и две выход. В случае с транзистором, одна из ножек будет постоянно общей для входа и для выхода. В зависимости от этого транзистор может быть включен по схеме с общем базой, с общим коллектором и общим эмиттером.
Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки. Наша цель рассмотреть включение по схеме с общим эмиттером, потому что данная схема позволяет усилить и ток, и напряжение.
На самом деле, информации с расчетом схемы с общим эмиттером в интернете полно, но на мой взгляд, она не годится для человека, который с трудом представляет себе как выглядит транзистор. Здесь мы будет рассматривать максимально упрощенный вариант, который позволит получить весьма приближенный, но, нам мой взгляд, понятный результат. Поэтому постараемся шаг за шагом разложить все по полочкам.
Реальный транзистор имеет несколько особенностей, которые нужно учитывать при разработке схемы. Например, если сигнал маленькой амплитуды подать на базу, то на выходе ничего не будет — транзистор просто напросто не откроется. Для того, чтобы на выходе появился сигнал, его нужно приоткрыть, т.е. подать на базу напряжение смещения, порядка 0,7В. Обычно это напряжение подается при помощи делителя напряжения. На номиналы резисторов пока не обращаем внимание, расчет будет чуть дальше.
Следующий момент, когда транзистор будет открываться, то по цепи коллектор-эмиттер потечет ток, причем когда транзистор будет полностью открыт, то ток будет ограничен только источником питания. Поэтому транзистор может сгореть. Величина максимального тока приводится в справочнике, поэтому для ограничения тока в цепь коллектора ставится токоограничивающий резистор (как для светодиода).
Осталось добавить резистор в цепь эмиттера. Смысл его в том, что когда под влиянием окружающей температуры напряжение на выходе изменяется, изменяется и ток коллектора. Так как ток коллектора и эмиттера одинаков, то и на эмиттерном резисторе изменяется напряжение. Напряжение базы и эмиттера связаны формулой Uбэ = Uб – Uэ. получается, что если на выходе напряжение увеличилось, то на базе оно уменьшится, при этом транзистор призакроется и наоборот. Таким образом транзистор сам себя регулирует, не давая напряжению изменяться под действием внешних факторов, т.е. эмиттерный резистор играет роль отрицательной обратной связи.
Вспомним, что коэффициент усиления находится в довольно большом диапазоне. Поэтому эмиттерный резистор, кроме того, за счет обратной связи, позволяет контролировать величину коэффициента усиления схемы. Отношение сопротивления коллекторного резистора к эмиттерному, примерно, является коэффициентом усиления Ku.
Любой источник сигнала имеет свое внутреннее сопротивление, поэтому для того чтобы ток от внешнего источника VCC не протекал через источник V1 ставят блокировочный конденсатор С1. В итоге мы получили схему усилителя с общим эмиттером.
Теперь, задача рассчитать его. Пусть дан источник сигнала 50mV, который нужно усилить примерно в 10 раз.
Чтобы не было искажения сигнала, на базу необходимо подавать напряжение смещения, т.е. транзистор должен быть постоянно приоткрыт, поэтому даже при отсутствии сигнала на входе, по цепи коллектор-эмиттер постоянно будет протекать ток. Этот ток называется ток покоя, его рекомендуемая величина 1-2мА. Остановимся на 1мА.
Теперь нужно выбрать резисторы R3 и R4, Их величина будет определять ток покоя, но необходимо учесть, что транзистор не сможет усиливать напряжение ниже 0,7В, поэтому сигнал на выходе обычно колеблется относительно некоторой точки, в качестве которой обычно выбирают половину напряжения питания. Поэтому половина напряжения должна падать на этих резисторах, а вторая половина будет падать на транзисторе.
R3+R4 = (Uпит/2)/Iк = 2,5В/0,001 = 2,5кОм.
Требуемый коэффициент усиления 10, т.е. R3 должен быть больше R4 в 10 раз. Исходя из этого есть два условия:
R3+R4=2500
R3=10*R4
Подставим в первую формулу второе выражение
10R4+R4=2500
11R4=2500
R4=227 Ом ближайший реально существующий номинал 220 Ом
R3=10*R4=2270 ближайший номинал 2,2кОм
Пересчитаем напряжение средней точки на выходе, с учетом выбранных резисторов:
Uк=Uпит-(Rк*Iк)=5-2,2*0,001=2,8В
Теперь нужно вычислить ток базы, для транзистора BC547C h21min=420
Iб=(Uпит/(Rк+Rэ))/h21=(5/(2200+220))/420=0,00000492А
Ток делителя R1,R2 должен быть в 5-10раз больше тока базы, для того, чтобы не оказывать на него влияния
Iд=Iб*10=0,0000492А
Рассчитаем общее сопротивление делителя R1,R2
R12=Uпит/Iд=5/0,0000492=101 692 Ом
Резистор R2 можно рассчитать зная напряжение на базе, для начала определим напряжение эмиттера:
Uэ=Iк0*Rэ= 0,001*220=0,22В
Напряжение Uбэ типовое для всех транзисторов, находится в пределах 0,55-0,7В. По знакомой формуле вычисляем напряжение на базе:
Uб=Uэ+Uбэ=0,22+0,66=0,88В
Отсюда вычислим сопротивление R2:
Rб2= (Rб1+Rб2)*Uб/Eп=(101*0,88)/5=17 776 или 18кОм по номинальному ряду
Из их суммы R1,R2 можно найти R1
R1=R12-R2=101-18=83кОм или 82кОм из существующих
Остался только блокировочный конденсатор, его величина должна быть больше
C>>1/2*pi*f*R2||R1 f — нижняя граница усиливаемой частоты, возьмем 20Гц
С=1/(6,28*20*((82000*18000)/82000+18000))=0,53мкФ, можно поставить 0.47мкФ
В результате мы получили следующую схему:
Как видно выходной вольтметр показывает 432мВ, т.е. коэффициент усиления схемы получился Кu=432/50~8,5. Чуть меньше ожидаемого, но в целом неплохо. И еще один момент, на графиках видно, что сигнал, как уже говорилось, смещен относительно нуля, убрать постоянную составляющую можно поставив на выход конденсатор. Так же обратите внимание, что усиленный сигнал смещен относительно входного на 180 градусов.
Добавить комментарий
Будьте любезны,подскажите пожалуйста,как скинуть сюда какое либо изображение?Мог бы скинуть фото или рисунок своей схемы,для понятия обоих сторон.
Вот эту ссылку выделить,потом посмотреть можно в Яндексе,там обсуждалась эта схема.Только без понижающего трансформатора,пытаюсь собрать,параметры конечно тоже другие,как ранее описал.
Вставлять обычными html тегами.
По поводу самой схемы уровень сигнала подстраивается r2, r4, r6, но вопрос скорее не в этом.
Так в чем тогда?В этой схеме транзисторы прямой проводимости,а D13009 обратной.А сопротивления база коллектор,пока еще нет.Вот и пытаюсь у Вас как у специалиста спросить,возможен ли он там?Быть может собрать эту схему на кт315,с нее выход подать на D13009.Пробовал кт 972,это составной транзистор,но почему то не пошло ничего.
Тут нет места гаданиям. По Вашим фразам можно понять, что Вы не представляете, что есть на входе и что должно получиться на выходе, отсюда и все проблемы. Составьте для себя максимально подробное тз, какой сигнал должен быть на входе, какой сигнал должен быть на выходе, какие частоты должны проходить, какие не должны. Ответы на эти вопросы, кроме Вас никто не знает. Когда Вы самостоятельно дадите ответы, тогда еще раз прочитайте статью и все остальные вопросы отвалятся. Останется практическая часть. Берёте генератор, подаете на вход сигналы нужной частоты, смотрите осциллографом уровень сигнала до и после транзистора. Подстраиваете уровни. И наверняка не нужно сразу лепить 220В, заведите сначала на каких нибудь лампочках для фонарика, это существенно облегчит задачу.
😀 Пока общался с Вами,еще раз просмотрел много разных схем.Привлекла одна из них,это прометей-1.Выходит да,нужно спаять схему на более низкое напряжение,потом с нее подать на выходные транзисторы,которые задумал поставить.Низковольтные схемы цветомузыки чем не заинтересовали меня.У них для того чтобы осветить экран хотя бы по 4 лампочки на канал,нужен такой большой и мощный трансформатор.Вот и зародилась такая идея.Ведь технологии не стоят на месте.Сейчас стали более доступны мощные транзисторы.А светодиодная работа,тоже не подходит.У них режим работы не тот что у лампочек накаливания.Про тиристоры и не буду писать.Так что большое спасибо.А цветомузыка это всегда работа раздумий,а не изготовление шаблонов.Ведь творишь искусство,рисования музыки на экране.А не простые всполохи того или иного цвета.И еще на всякий случай,посоветуйте на Ваш вкус какую либо схему.Очень рад общению.
В таких вопросах я не советчик. Ищите, пробуйте, собирайте.
Как понять это 1/2*pi*f*R2||R1
Конденсатор и резисторы, по схеме находятся последовательно, поэтому образуют фильтр частот. R2||R1 это эквивалентное сопротивление цепочки делителя
Здравствуйте. а как зависит выходной сигнал от подключенной нагрузки? если к схеме, показанной в статье, добавить нагрузку в 32 Ом?
и еще вопрос — если две таких схемы подсоединить последовательно — усиление будет равно 100?
спасибо
если нужно подцепить нагрузку, то нужно добавить выходной каскад.
Отличная статья,не могли бы Вы добавили статью по расчету схемы для подключения низкоомной нагрузки(поряка 10-100 Ом).
Подскажите какой ток покоя транзистора надо задавать для усилителя(клас А) 10 Вт с сопротивлением нагрузки 32 Ом?
Зарание спасибо за ответ.
Имею ввиду выходной каскад с общим колектором.
Михайло, здесь я не советчик, так как не занимаюсь усилителями. На вскидку, кто то рекомендует делать его в 10-30 раз меньше тока нагрузки, кто то рекомендует находить его из графиков транзисторов.
Проверять схемы без пайки (эмулятором) можно и в Proteus’е. Отличная программа. За очень понятное описание на пальцах большое спасибо автору! 😆
Ребятки подскажите мне вот что. В протеусе что бы открыть транзистор биполярный, нужно на базу подавать столько же напряжения, сколько необходимо пропустить. Можно ли это как то исправить. Ведь на практике я могу пропускать от 0 до 12В , подавая на базу от 0 до 5.
тут есть два момента, биполярник таки открывается током. протеус не очень годится для симуляции аналоговых схем, однако то что вы пишите должно нормально работать.
Добрый день!
Подскажите, где я не прав?
«C>>1/2*pi*f*R2||R1 f — нижняя граница усиливаемой частоты, возьмем 20Гц
С=1/(6,28*20*82000)=0,09мкФ, можно поставить 0,47мкФ»
Интересует момент с R2||R1.
Это эквивалентное сопротивление, которое равно Rэкв = R2||R1 = R1*R2/(R1+R2)
R1 = 82K , R2 = 18К ( по расчетам из статьи)
Получаем: Rэкв = R2||R1 = 18*82/(18+82) = 14,76К .
У Вас в формуле 82К.
Не могу разобраться, почему 82К?
Подскажите, пожалуйста.
Вы правы, поправил
Большое спасибо за статью! Все предельно понятно даже мне! Наверное самое понятное описание которое мне удалось найти в интернете. Даже видеоуроки на ютубчике не внесли такого прояснения как пример с этим транзистором. Огромное спасибо!
Странно, но поисковик кроме этого обучающего материала ничего не выдаёт. Боюсь — не актуально, но всё-же:
Как можно пытаться понять объяснение схемы — если началось со схемы с одними обозначениями (резисторов), а закончилось другими…
Ничего не сказано о роли входящей цэпочки конденсатора и нижнего резистора — они делают из пульсирующего сигнала переменный. При этом сопротивление конденсатора рассчитывается исходя и тока проходящего через нижний резистор и база-эмиттер, а не как не через верхний и остальное.
Смещение задаётся именно током, то-есть нижний резистор для смещения не обязателен.
Резистор в эмиттере не обязателен, при нормальном температурном режиме он только вредит — уменьшает КПД.
Это слишком сложный пример для расчёта усилителя — хотелось-бы сначала иметь простой — без эмиттерного резистора и нижнего резистора и конденсатора в базе.
Как у тебя получается 0,53мкФ — если у меня по калькулятору 0,22мкФ…
Входной конденсатор это фильтр частот, чтобы не усиливать то что нам не нужно. Уж точно он не делает из пульсирующего тока переменный. Воспринимаемый ухом человека диапазон считается, от 20Гц до 20кГц. По факту этот диапазон сильно уже, и на слух разницу, что вы поставите 0.22мкФ что 0.47мкФ не ощутите. Почему в базе 2 резистора, а не один, можете почитать у хоровица.
Здорово. Очень полезная статья