Некоторые основные транзисторные схемы

Теоретические основы электроники
(Транзисторы)

2.2. Некоторые основные транзисторные схемы

Транзисторный переключатель

Рассмотрим схему, изображенную на рис. ниже. Эта схема, которая с помощью небольшого управляющего тока может создавать в другой схеме ток значительно большей величины, называется транзисторным переключателем. Его работу помогают понять правила, приведенные в предыдущем разделе. Когда контакт переключателя разомкнут, ток базы отсутствует. Значит, как следует из правила 4, отсутствует и ток коллектора. Лампа не горит.

Когда переключатель замкнут, напряжение на базе составляет 0,6 В (диод база-эмиттер открыт). Падение напряжения на резисторе базы составляет 9,4 В, следовательно, ток базы равен 9,4 мА. Если, не подумав, воспользоваться правилом 4, то можно получить неправильный результат: I_R = 940 мА (для типич- ного значения коэффициента усиления B = 100 ). В чем же ошибка? Дело в том, что правило 4 действует лишь в том случае, если соблюдено правило 1; если ток коллектора достиг 100 мА, то падение напряжения на лампе составляет 10 В. Для того чтобы ток был еще больше, нужно чтобы потенциал коллектора был меньше потенциала земли. Но транзистор не может перейти в такое состояние. Когда потенциал коллектора- приближается к потенциалу земли, транзистор переходит в режим насыщения (типичные значения напряжения насыщения лежат в диапазоне 0,05-0,2 В) и изменение потенциала коллектора прекращается. В нашем случае лампа загорается, когда падение напряжения на ней составляет 10 В.

Если на базу подается избыточный сигнал (мы использовали ток 9,4 мА, хотя достаточно было бы иметь 1,0 мА), то схема не тратит этот избыток; в нашем случае это очень выгодно, так как через лампу протекает большой ток, когда она находится в холодном состоянии (сопротивление лампы в холодном состоянии в 5-10 раз меньше, чем при протекании рабочего тока). Кроме того, при небольших напряжениях между коллектором-и базой уменьшается коэффициент B, а значит, для того чтобы перевести транзистор в режим насыщения, нужен дополнительный ток базы. Иногда к базе подключают резистор (с сопротивлением, например, 10 кОм), для того чтобы при разомкнутом переключателе потенциал базы наверняка был равен потенциалу земли. Этот резистор не влияет на работу схемы при замкнутом переключателе, так как через него протекает лишь малая доля тока (0,06 мА).

При разработке транзисторных переключателей вам пригодятся следующие рекомендации:

1. Сопротивление резистора в цепи базы лучше брать поменьше, тогда избыточный базовый ток будет больше. Эта рекомендация особенно полезна для схем, управляющих включением ламп; так как при низком значении икэ уменьшается и коэффициент B. О ней следует помнить и при разработке быстродействующих переключателей, так как на очень высоких частотах (порядка мегагерц) проявляются емкостные эффекты и уменьшается значение коэфициента B. Для увеличения быстродействия к базовому резистору параллельно подключают конденсатор.

2. Если потенциал нагрузки по какой- либо причине меньше потенциала земли (например, если на нагрузке действует напряжение переменного тока или она индуктивна), то параллельно коллекторному переходу следует подключить диод (можно также использовать диод, включенный в обратном направлении по отношению к положительному потенциалу питания), тогда цепь коллектор-база не будет проводить ток при отрицательном напряжении на нагрузке.

3. При использовании индуктивных нагрузок транзистор следует предохранять с помощью диода, подключенного к нагрузке (рис. ниже). Если переключатель разомкнут, то в отсутствие диода на коллекторе будет действовать большое положительное напряжение, скорее всего превышающее значение напряжения пробоя для цепи коллектор- эмиттер. Это связано с тем, что индуктивность стремится сохранить ток включенного состояния, протекающий от источника U_KK к коллектору.

Транзистор в образе человека. Рис. ниже дает представление о некоторых ограничениях, свойственных транзистору. Представим себе, что задача человека на рис. состоит в том, чтобы обеспечивать выполнение соотношения I_K = BI_Б при этом он может управлять только переменным резистором. Итак, он может создать короткое замыкание в схеме (режим насыщения), или разомкнуть ее (транзистор в выключенном состоянии), или создать какое-то промежуточное состояние; он не имеет права использовать батареи, источники тока и т.п. Не следует, однако, думать, что коллектор транзистора на самом деле похож на резистор. Это не так. Человек старается сделать так, чтобы через него все время протекал постоянный неизменный ток (величина этого тока зависит от приложенного к базе напряжения). Следует помнить, что в любой заданный момент времени транзистор может: а) быть в режиме отсечки, т.е. выключиться (отсутствует ток коллектора); б) находиться в активном режиме (небольшой ток коллектора, напряжение на коллекторе выше, чем на эмиттере); в) перейти в режим насыщения (напряжение на коллекторе приблизительно равно напряжению на эмиттере).

Эмиттерный повторитель

На рис. ниже показан эмиттерный повторитель. Он назван так потому, что выходной сигнал снимается с эмиттера, напряжение на котором равно напряжению на входе (на базе) минус падение напряжения на диоде (на переходе база-эмиттер): U_Э = U_Б — 0,6 В. Выходной сигнал по форме повторяет входной, но уровень его напряжения на 0,6-0,7 В ниже. Для приведенной схемы входное напряжение UBX должно составлять по крайней мере 0,6 В, иначе выходное напряжение будет равно потенциалу земли. Если к эмиттер- ному резистору подключить источник отрицательного напряжения, то входной сигнал может быть отрицательным. Обратите внимание, что в эмиттерном повторителе отсутствует резистор в коллекторной цепи.

На первый взгляд эта схема может показаться бесполезной, но дело в том, что ее входной импеданс значительно больше, чем выходной. Из этого следует, что источник входного сигнала будет отдавать меньшую мощность, если нагрузку подключить к нему не непосредственно, а через эмиттерный повторитель. Поэтому обладающий внутренним импедансом источник (имеется в виду его эквивалентная схема) может через повторитель работать на нагрузку, которая обладает сравнимым или даже более низким импедансом, без потери амплитуды сигнала (эта потеря неизбежна при прямом включении из-за эффекта делителя напряжения). Иными словами, эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по току, хотя и не дает усиления по напряжению. Он также обеспечивает усиление по мощности.

Усилитель с общим эмиттером

Можно через емкость задать сигнал в цепь базы, тогда напряжение на коллекторе будет изменяться. Рассмотрим пример, представленный на рис. ниже. Конденсатор С выбран так, что фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами смещения базы, пропускает все нужные частоты (резисторы в цепи базы обычно выбирают так, чтобы импеданс со стороны базы, т.е. входное сопротивление транзистора, был гораздо больше и им можно было пренебречь).

Благодаря напряжению смещения, приложенному к базе, и наличию эмиттерного резистора сопротивлением 1,0 кОм ток покоя коллектора составляет 1,0 мА. Этот ток создает на коллекторе напряжение + 10В( + 20В минус падение напряжения на сопротивлении 10 кОм при протекании тока 1,0 мА). Допустим теперь, что на базу подан сигнал. Напряжение на эмиттере повторяет изменение напряжения на базе и вызывает изменение эмиттерного тока.

Схема расщепления фазы с единичным коэффициентом

Иногда полезно иметь сигнал и его инверсию, т.е. два однородных сигнала, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 180°. Получить такие сигналы нетрудно- нужно воспользоваться усилителем с общим эмиттером, коэффициент усиления которого равен — 1 (рис. ниже). Напряжение покоя на коллекторе устанавливают равным 0,75 U_KK вместо привычного значения 0,5 U_KK. Это делается с уже известной нам целью-получить симметричный выходной сигнал без срезов на любом из выходов. Напряжение на коллекторе может изменяться от 0,5 U_KK до U_KK, а на эмиттере-от потенциала земли до 0,5 U_KK. Обращаем ваше внимание на то, что для симметричного усиления выходы схемы следует нагружать одинаковыми (или очень большими) импедансами.

Недостатки однокаскадного усилителя с заземленным эмиттером. Дополнительное усиление, обусловленное отсутствием разистора в эмиттерной цепи R_Э = 0, мы получаем за счет ухудшения некоторых параметров усилителя. Как ни популярен усилитель с заземленным эмиттером в учебниках, на практике его следует использовать только в схемах, охваченных общей петлей отрицательной обратной связи.