Биполярный транзистор. Расчет усилителя с ОЭ. Часть 3
В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от коэффициента бета, а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть гуд. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.
Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку резисторов и в результате получается схема с 4-мя резисторами:
Резистор между базой и эмиттером назовем Rбэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем Rэ. Теперь, конечно же, главный вопрос: "Зачем они нужны в схеме?"
Начнем, пожалуй, с Rэ.
Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит---->Rк -----> коллектор---> эмиттер--->Rэ ----> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиАмпер (если не учитывать крохотный ток базы, так как Iэ = Iк + Iб ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:
Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.
Чуток упростим схемку:
Rкэ - это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.
В результате, у нас получается простой делитель напряжения, где
Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе Rэ .
А чему равняется падение напряжения на Rэ ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:
Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора Rэ . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.
Какую же функцию выполняют резисторы Rб и Rбэ ?
Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения. Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит, что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.
Вернемся к Rэ .
Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.
Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.
Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.
а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе Rэ .
б) падение напряжения на резисторе Rэ - это и есть напряжение на эмиттере Uэ. Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи Uэ стало чуток больше.
в) на базе у нас фиксированное напряжение Uб , образованное делителем из резисторов Rб и Rбэ
г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле Uбэ = Uб - Uэ . Следовательно, Uбэ станет меньше, так как Uэ увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.
д) Раз Uбэ уменьшилось, значит и сила тока Iб , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.
е) Выводим из формулы ниже Iк
Iк =β х Iб
Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток ;-) Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор Rэ . Забегая вперед, скажу, что Отрицательная Обратная Связь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.
Ладно, ближе к делу. Наше техническое задание звучит так:
Рассчитать каскад на биполярном транзисторе КТ315Б с коэффициентом усиления равным KU =10, Uпит = 12 Вольт.
1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:
Pрас = 150х0,8=120 миллиВатт.
2) Определим напряжение на Uкэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.
Uкэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.
3) Определяем ток коллектора:
Iк = Pрас / Uкэ = 120x10-3 / 6 = 20 миллиАмпер.
4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере Uкэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах Rк и Rэ . То есть получаем:
Rк + Rэ = (Uпит / 2) / Iк = 6 / 20х10-3 = 300 Ом.
Rк + Rэ = 300, а Rк =10Rэ , так как KU = Rк / Rэ , а мы взяли KU =10 ,
то составляем небольшое уравнение:
10Rэ + Rэ = 300
11Rэ = 300
Rэ = 300 / 11 = 27 Ом
Rк = 27х10=270 Ом
5) Определим ток базы Iбазы из формулы:
Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.
Значит,
Iб = Iк / β = 20х10-3 /140 = 0,14 миллиАмпер
6) Ток делителя напряжения Iдел , образованный резисторами Rб и Rбэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток Iб :
Iдел = 10Iб = 10х0,14=1,4 миллиАмпер.
7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:
Uэ= Iк Rэ= 20х10-3 х 27 = 0,54 Вольта
8) Определяем напряжение на базе:
Uб = Uбэ + Uэ
Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер Uбэ = 0,66 Вольт. Как вы помните - это падение напряжения на P-N переходе.
Следовательно, Uб =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта. Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.
9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.
Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:
Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.
Для удобства пусть у нас падение напряжения на Rб называется U1 , а падение напряжения на Rбэ будет U2 .
Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.
Rб = U1 / Iдел = 10,8 / 1,4х10-3 = 7,7 КилоОм. Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма
Rбэ = U2 / Iдел = 1,2 / 1,4х10-3 = 860 Ом. Берем из ряда 820 Ом.
В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:
Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:
Итак, беру свой цифровой осциллограф и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма - это входной сигнал, желтая осциллограмма - это выходной усиленный сигнал.
Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты:
Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.
Давайте подадим еще треугольный сигнал:
Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Дешевый китайский генератор частоты дает о себе знать).
Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами
то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала
Что же можно еще сказать о схеме усилителя с ОЭ и с 4-мя резисторами?
Выходное сопротивление такой схемы в основном определяется номиналом резистора Rк . В данном случае это 270 Ом. Входное сопротивление Rвх примерно равняется: Rвх = Rэβ. В данном случае Rвх = 27х140=3780 Ом.
Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:
Во-первых, эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI.
Во-вторых, ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.
Ну а теперь немного минусов:
1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.
2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе мощный и простой усилок.
Читайте также