11 усилительный каскад с общим коллектором

Содержание

Базовая схема

Рисунок 2: A усилитель отрицательной обратной связи

Схема может быть объяснена, если рассматривать транзистор как находящийся под управлением отрицательной обратной связи. С этой точки зрения общий коллекторный каскад (рис.1) представляет собой усилитель с полной последовательностью . В этой конфигурации (рис.2 с β = 1) все выходное напряжение V_ИЗ размещен напротив и последовательно с входным напряжением V_В. Таким образом, два напряжения вычитаются согласно Закон напряжения Кирхгофа (KVL) (вычитатель из функциональной блок-схемы реализуется только входным контуром) и их необычайной разностью V_{разница} = V_В — V_ИЗ применяется к переходу база-эмиттер. Транзистор постоянно контролирует V_{разница} и регулирует его напряжение эмиттера почти равным (меньше V_BEO) к входному напряжению, пропуская соответствующий ток коллектора через резистор эмиттера R_E. В результате выходное напряжение следует изменения входного напряжения от V_BEO до V₊; отсюда и название, эмиттер-повторитель.

Интуитивно это поведение можно также понять, поняв, что напряжение база-эмиттер в биполярном транзисторе очень нечувствительно к изменениям смещения, поэтому любое изменение напряжения базы передается (с хорошим приближением) непосредственно на эмиттер. Это немного зависит от различных нарушений (допуски транзистора, колебания температуры, сопротивление нагрузки, резистор коллектора, если он добавлен и т. Д.), Поскольку транзистор реагирует на эти нарушения и восстанавливает равновесие. Он никогда не насыщается, даже если входное напряжение достигает положительной шины.

Математически можно показать, что схема общего коллектора имеет почти единства:

Аv=vотытvяп≈1{ displaystyle {A _ { mathrm {v}}} = {v _ { mathrm {out}} over v _ { mathrm {in}}} приблизительно 1}

Рисунок 3: Версия PNP схемы эмиттерного повторителя, все полярности поменяны местами.

Небольшое изменение напряжения на входной клемме будет воспроизведено на выходе (немного в зависимости от коэффициента усиления транзистора и значения сопротивление нагрузки; см. формулу усиления ниже). Эта схема полезна, потому что у нее большой входное сопротивление, поэтому он не загрузит предыдущую схему:

ряп≈βрE{ displaystyle r _ { mathrm {in}} приблизительно beta _ {0} R _ { mathrm {E}}}

и небольшой выходное сопротивление, поэтому он может управлять низкоомными нагрузками:

ротыт≈рE‖рsотырcеβ{ displaystyle r _ { mathrm {out}} приблизительно {R _ { mathrm {E}}} | {R _ { mathrm {source}} over beta _ {0}}}

Как правило, эмиттерный резистор значительно больше и его можно исключить из уравнения:

ротыт≈рsотырcеβ{ displaystyle r _ { mathrm {out}} приблизительно {R _ { mathrm {source}} over beta _ {0}}}

Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1

включим высокоомный электромагнитный телефонBF2 , между базой и минусом источника питанияGB установим резисторRб , и развязывающий конденсаторCсв , включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1

его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум сдвумя-тремя транзисторами или так называемыйдвухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе илиоднокаскадном усилителе.

Усилительным каскадом

принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

Принцип работы

Выяснив, что такое канализационный коллектор,
рассмотрим принцип его работы. Сточные воды от сантехнических приборов
поступают в горизонтальные дворовые сети. Они соединяются в квартальные и в
конце концов присоединяются к основной магистрали. По ней стоки
транспортируются до очистных сооружения. Таким образом, коллектор канализации — это общий
трубопровод, который объединяет все мелкие линии вместе. Сам он никогда не
разветвляется на части.

В автономных системах частных
домов роль основного элемента канализации
выполняет горизонтальная труба, соединяющая выход системы из дома с приемной
секцией септика. Ее длина, как правило, невелика, но выполняемая функция ничем
не отличается от задач крупных канализационных
трубопроводов.

Кроме этого, есть ливневые системы водоотведения. Они отличаются от бытовых или промышленных сетей сезонным режимом работы и сравнительно малой глубиной погружения в грунт. Коллектор ливневой канализации — это канал, по которому дождевые стоки направляются к системам очистки. Он может быть реализован в виде подземной трубы или в форме открытого желоба.

Существуют две разновидности
каналов, отличающихся способом перемещения стоков:

самотечный тип. Трубопровод, установленный с небольшим уклоном. Сточные жидкости перемещаются по нему самостоятельно, под действием силы тяжести;
напорный канализационный коллектор. Предназначен для принудительной подачи стоков с нижней отметки на более высокий уровень.

Самотечные линии преобладают,
поскольку они выгоднее и проще. Однако, иногда приходится использовать напорный тип канализации,
если того требует рельеф местности, присутствие на пути прокладки труб зданий,
сооружений, автострад.

Напорный коллектор канализации — это герметичный
трубопровод, рассчитанный на определенное давление жидкости. Перемещение стоков
по нему происходит при помощи специального насоса. Для снижения нагрузок и
экономии энергии напорные участки коллекторов делают небольшими. Обычно
устанавливают канализационную напорную станцию (КНС), которая под давлением
подает стоки на определенную высоту. Затем жидкость следует самотеком.

Подъем сточных вод может
происходить как под уклоном, так и с помощью вертикального трубопровода. Выбор
подходящего способа производится исходя из местных условий — рельеф,
наличие сооружений или построек, особенности грунта.

рабочая область

Исторические биполярные транзисторы, построенные примерно в 1959 году. Корпус из стекла, черное лаковое покрытие частично удалено, чтобы сделать полупроводниковый кристалл видимым.

Биполярный транзистор состоит из двух pn-переходов. При подаче соответствующего напряжения оба перехода могут быть заблокированы или переключены независимо друг от друга. Это приводит к четырем возможным рабочим областям, в которых транзистор показывает свое поведение.

Запретная зона

В полосе запрета (англ. Cut-off region ) или операции блокировки для блокировки обоих переходов, d. ЧАС. коллекторный и эмиттерный диоды. В этом рабочем состоянии транзистор теоретически не проводит ток. Таким образом, транзистор соответствует разомкнутому ключу. На практике небольшой ток также течет в режиме блокировки, поэтому транзистор в режиме блокировки является неидеальным переключателем.

Площадь армирования

Вперед-активная область происходит в так называемой нормальной работе . Эмиттерный диод работает в прямом направлении, а коллекторный диод — в обратном. В диапазоне усиления приблизительно применяется следующая формула , где β — коэффициент усиления тока. Поскольку β относительно велико, небольшие изменения тока базы приводят к большим изменениям тока коллектора . В этой области работают транзисторы для усиления сигналов. При нормальной работе транзистор обычно работает только в диапазоне, в котором усиление приблизительно линейно согласно приведенной выше формуле.
Я.С.знак равноβ⋅Я.Б.{\ Displaystyle I _ {\ rm {C}} = \ beta \ cdot I _ {\ rm {B}}}Я.Б.{\ displaystyle I _ {\ rm {B}}}Я.С.{\ displaystyle I _ {\ rm {C}}}

Быстрые цифровые схемы, такие как LVPECL , LVDS , CML, работают в режиме усиления, также известном как линейный диапазон, чтобы избежать задержек, вызванных насыщением.

Диапазон насыщенности

Диапазон насыщенности также называется режимом насыщения или насыщением . Оба pn перехода проводят, но носителей заряда в базовой зоне больше, чем требуется для тока коллектора. Ток коллектора не зависит от тока базы . Транзистор соответствует замкнутому ключу с постоянным объемным сопротивлением (левая область в поле выходной характеристики). Если рабочая точка линейного усилителя находится недостаточно далеко от диапазона насыщения или амплитуда сигнала слишком высока, возникает перемодуляция, усилитель ограничивает сигнал и возникают искажения. Блокировка секции база-коллектор откладывается, потому что все избыточные носители заряда должны сначала вытекать из базовой зоны.
Я.С.{\ displaystyle I _ {\ rm {C}}}Я.Б.{\ displaystyle I _ {\ rm {B}}}

В качестве альтернативы в коммутационных приложениях используются полевые транзисторы (например, MOSFET ).

Область квазинасыщения

Этот диапазон находится между диапазон усиления и диапазон насыщения

Транзистор не работает в режиме насыщения, в результате чего время выключения и, следовательно, потери мощности при выключении значительно сокращаются по сравнению с работой в режиме полного насыщения, что важно для коммутационных приложений. Однако это преимущество компенсируется более высокими прямыми потерями, поскольку прямое напряжение примерно на 0,4 В

Одно из приложений — это, например, Schottky TTL .

Область обратного усиления

Область обратного усиления (англ. Reverse region ) также называется обратной операцией . Переход база-коллектор работает в прямом направлении, а переход база-эмиттер — в обратном. Эта область работает аналогично области нормального усиления, но с противоположным знаком напряжений. Коэффициент усиления тока значительно меньше. Максимальное обратное напряжение диода база-эмиттер составляет всего несколько вольт.

Одним из преимуществ инверсной операции является более точное и быстрое переключение. При полном управлении прямое напряжение падает ниже 10 мВ, аналогично механическому контакту, но без скачков.

Устройство и принцип работы

Чтобы впускной коллектор выполнял все возложенные на него задачи, он должен иметь строго рассчитанную геометрическую форму. Например, для того, чтобы поток внутри не замедлялся, коллектор проектируется без углов и прямых линий. Плавные изгибы, округлая форма способствуют более мощному воздушному потоку.

Устройство впускного коллектора

На входе во впускной коллектор находится карбюратор или дроссельная заслонка, если речь идет об инжекторном двигателе. Центральный канал разделяется на отдельные рукава – раннеры, которые подходят к цилиндрам, а точнее, к впускным клапанам.

Топливные форсунки размещаются возле впускных клапанов (в системе распределенного впрыска) или в центральном канале, если установлен моновпрыск.

По форме впускного канала различают одноплоскостные и двухплоскостные:

Одноплоскостные – только с одним каналом для прохождения воздуха или топливно-воздушной смеси. Эти коллекторы пропускают за единицу времени большое количество воздуха, а значит, позволяют двигателю развить максимально возможную мощность на высоких оборотах;
Двухплоскостные – те, в которых канал разделен на две части. Они дают возможность получить больше отдачи мощности на низких и средних оборотах двигателя.

Материалы. Изначально впускные коллекторы делались металлическими: из чугуна, стали, алюминия. Проблема таких конструкций не только в достаточно высокой цене, но и в значительном нагреве от цилиндров двигателя. Сегодня их в основном делают из специального термостойкого пластика, который обладает меньшей теплопроводностью, а значит, и меньше нагревает воздух внутри.

Принцип работы. Основной принцип работы коллектора – подача воздуха на фазе впуска. Инициатором движения воздуха является сам двигатель. Когда поршень опускается, в камере сгорания над ним создается зона низкого давления. На фазе впуска, когда клапан открыт, опускающийся поршень затягивает воздух, как хороший насос. Таким образом, от центрального канала воздух поступает в нужный раннер, а из него – в камеру сгорания. На видео-3д анимации, ниже, наглядно показан принцип работы впускного коллектора с вихревыми клапанами.

Если на автомобиле установлен карбюратор или центральная форсунка, при втягивании воздуха в раннер, поток топлива (или топливно-воздушной смеси) поступает в нужный цилиндр. Благодаря тому, что поток внутри коллектора турбулентный, топливо лучше перемешивается с воздухом и, следовательно, лучше сгорает. Турбулентный воздушный поток проектируется в коллекторе специально: он быстрее движется и лучше наполняет цилиндры.

В автомобилях с распределенным впрыском форсунки установлены в раннерах коллектора перед впускными клапанами. В этом случае по коллектору движется только воздух, который смешивается с распыленным топливом перед самым входом в цилиндр двигателя. Здесь скорость и структура воздушного потока также важны, поскольку для качественного приготовления топливно-воздушной смеси остается меньше времени и места.

Резонансные колебания. Чтобы усилить поток поступающего воздуха, внутренняя геометрия впускного коллектора рассчитывается так, чтобы образовался так называемый резонанс Гельмгольца. Примерная схема, как это работает:

На фазе всасывания поршень мотора опускается вниз, создавая зону разрежения, и через открывшийся клапан в камеру сгорания на большой скорости заходит воздух;
Однако объем раннера намного больше, чем объем цилиндра, поэтому весь воздух, который “взял разгон” в коллекторе, в камеру сгорания не попадает;
Перед закрывшимся впускным клапаном создается зона повышенного давления, когда воздух по инерции продолжает движение вперед;
Клапан всё еще закрыт, так что давление в раннере выравнивается, то есть происходит “откат”, а после него перед впускным клапаном опять образуется зона повышенного давления. Эти резонансные колебания воздуха зависят от формы и размера коллектора и рассчитываются под каждый двигатель отдельно.

Схема эмиттерного повторителя

Давайте разберемся, что значит словосочетание “эмиттерный повторитель”? Если досконально разобрать эту фразу, то она означает, что на эмиттере что-то должно повторяться.

Упрощенная схема эмиттерного повторителя выглядит вот так:

На первый взгляд вроде бы схема как схема, но она обладает 4 важными свойствами:

1) Напряжение U_выхменьше U_вхна каких-то 0,6-0,7 Вольт (падение напряжения на базе-эмиттере)

2)U_выхв точности повторяет по форме и фазе U_вх

3) Сопротивление со стороны входа (входное сопротивление) большое

4) Сопротивление со стороны выхода (выходное сопротивление) маленькое

Биполярный транзистор в схеме с ОБ

1.
Цель и содержание работы

Целью работы является изучение принципа действия,
основных параметров и статических вольтамперных характеристик (ВАХ) биполярного
транзистора в схеме с общей базой (ОБ). В работе снимаются входные, выходные и
передаточные ВАХ германиевых и кремниевых транзисторов. По характеристикам определяется
основные параметры.

1.
Характеристики и параметры биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трёхэлектродный полупроводниковый
прибор на основе p-n-p или n-p-n структуры, предназначенный для усиления и генерации
электрических сигналов. Процессы в p-n-p и n-p-n структурах протекают аналогично. Например, в р-п-р
структуре n-область, разделяющая p-области,
называется базой, одна из p-областей – эмиттером, а другая – коллектором
(рис. 3.1).

В основном рабочем режиме – активном, эмиттерный переход
смещен в прямом направлении, коллекторный – обратном. Полярности внешних напряжений
в схеме с ОБ для p-n-p или n-p-n транзисторов показаны на рис. 3.2. Эмиттер легирован
значительно сильнее, чем база, поэтому при включении его в прямом направлении
ток эмиттера в p-n-p- транзисторе представляет собой ток инжекции дырок в базу.
Инжектированные дырки диффундируют к коллектору. Так как ширина базы много меньше диффузионной длины дырок , то большая часть дырок доходит до обратно
смещенного коллектора, захватывается его полем и переносится в коллектор,
образуя коллекторный ток.

Рис. 3.1. Структура биполярного p-n-p транзистора

а)
б)

Рис.
3.2. Полярности
на p-n-p (а) и n-p-n (б) транзисторах
для нормального включения

Поскольку коллектор включен в обратном направлении, то его
ток определяется только дырками, дошедшими из эмиттера, и почти не зависят от
напряжения на коллекторе. Коллектор обладает большим выходным сопротивлением и
по отношению к внешней цепи является генератором тока .
Высокое выходное сопротивление коллекторного перехода позволяет включить в его
цепь достаточно большое сопротивление нагрузки, на котором выделяется мощность,
значительно больше мощности, затраченной во входной цепи. Энергия источника
питания с помощью транзистора преобразуется в энергию электрического сигнала.

2.1. Коэффициент передачи тока

При = 0 через коллекторный переход
идет некоторый начальный обратный ток ,
обусловленный тепловой генерацией электронно-дырочных пар.

Коэффициент передачи тока показывает
отношение коллекторного тока (без ) к эмиттерному.

, так как обычно (3.1)

Величина зависит от параметров
базы и эмиттера, она обычно близка к единице и составляет около 0,95…..0,98.

Закон Кирхгофа для токов в транзисторе выражается соотношением

, что позволяет, используя (3.1),
представить ток базы и в виде:

= (3.2)

(3.3)

Основную долю базового тока составляет ток рекомбинации,
пропорциональный общему избыточному заряду дырок в базе

, (3.4)

где – время
жизни дырок в базе.

На рис. 3.3 показано распределение дырок в базе для двух
напряжений на коллекторном переходе. Распределение дырок в базе подчиняется
уравнению непрерывности и граничным условиям Шокли у эмиттерного перехода

, (3.5)

где — равновесная концентрация
дырок в n-базе;

– собственная
концентрация;

–
концентрация доноров в базе.

На коллекторном переходе

Так как в нормальном режиме и , то , а . Ток дырок в базе имеет
диффузионный характер, поэтому

, (3.6)

где –
площадь эмиттерного перехода.

Так как рекомбинация в тонкой
базе незначительна, то

Распределение дырок в базе имеет
почти линейный вид (рис.3.3)

, (3.7)

а заряд дырок , проходящих сквозь базу, пропорционален
заштрихованной на рис. 3.3 площади

(3.8)

Рис. 3.3. Распределение дырок в базе p-n-p транзистора

в активном нормальном режиме

Коэффициент передачи тока с
учетом (4.3) и (4.4) принимает вид

, поскольку (3.9)

Это выражение правильно передаёт зависимость коэффициента передачи
от толщины базы и времени жизни дырок в ней, но не учитывает вкладов электронных
токов эмиттерного и коллекторного переходов.

2.2. Вольтамперные характеристики транзистора

При включении транзистора по схеме с ОБ входным током будет
ток эмиттера , выходным — ток коллектора , входным напряжением — напряжение на
эмиттерном переходе , выходным — напряжение на
коллекторном переходе (рис. 3.2).

Входные ВАХ показаны на рис. 3.4.а. Они почти повторяют ВАХ
прямосмещенного эмиттерного перехода

где —
обратный ток эмиттерного перехода.

Выходные характеристики показаны
на рис. 3.4б.

а) б)

Рис. 3.4. Вольтамперные характеристики
транзистора в схеме с ОБ:

а) – входные; б) — выходные

При выходная ВАХ представляет собой
перевернутую характеристику коллекторного перехода с током насыщения . При к нему прибавляется ток
. Полный ток коллектора составляет

(3.10)

Какие бывают транзисторы

Мы не будем вводить вас в далекий экскурс с чего все начиналось, что электронные лампы были дедушками и бабушками современных транзисторов. Не будем рассказывать об электронной эмиссии. О том, что процесс в этих самых лампах схож с транзисторами. Не будем описывать и различия между ними. Мы сразу приступим к главному. Надеясь на то, что все мы пропустили хотя и останется темным пятном, но не станет обременяющим обстоятельством препятствующим пониманию того, как же все-таки работает транзистор. Итак, транзисторы бывают биполярные и полевые. Суть работы тех и других одинакова, разве что их кристаллы, вернее то как сращены разные типы кристаллов, различны.

Еще транзисторы бывают низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные. А также могут работать с различными токами, но это все нюансы…

Самые востребованные модели

1. Oventrop Multidis SF.

Дюймовая гребенка отопления предназначена для организации обогрева водяным теплым полом. Изготавливается из инструментальной стали, отличающейся высокой износостойкостью. Основные характеристики:

допустимое давление в контуре – 6 бар;
температура теплоносителя – +70 °С.

Серия выпускается с вентильными вставками М30х1.5, а также может оснащаться расходомером для подключения контуров, расположенных в разных помещениях. Бонус от производителя – шумоизолированные хомуты крепления. Количество одновременно обслуживаемых веток – от 2 до 12. Цена, соответственно – 5650-18800 рублей.

Для работы с высокотемпературными приборами Oventrop предлагает использовать распределительный коллектор системы отопления из нержавейки Multidis SH с краном Маевского. Конструкция выдерживает уже 10 бар при +95-100 °С, пропускная способность гребенки – 1-4 л/мин. Впрочем, у изделий на 2 контура показатели немного слабее. Стоимость гидрораспределителей Oventrop SH колеблется в диапазоне 2780-9980 рублей.

Сантехники: Вы будете платить за воду до 50% МЕНЬШЕ, с этой насадкой на кран

HKV – латунный коллектор теплого пола. Держит напор в 6 бар в диапазоне +80-95 °С. Rehau в исполнении D дополнительно оснащается ротаметром и краном для заливки системы.
HLV – распределительная гребенка отопления, предназначенная для радиаторов, хотя ее характеристики идентичны описанию HKV. Разница лишь в комплектации: здесь уже предусмотрен евроконус и возможность резьбозажимного соединения с трубами.

Также производитель Rehau предлагает купить отдельные гребенки Rautitan с тремя выходами под монтаж трубопровода при помощи надвижных гильз.

Распределительный коллектор отопления из стали с антикоррозионным покрытием. Работает в системах с температурой до +110 °С при напоре 6 бар и прячется в специальный теплоизолирующий кожух. Пропускная способность каналов гребенки – 3 м3/ч. Здесь выбор конструкций не слишком богат: возможно подключение только от 3 до 7 контуров. Стоимость таких гидрораспределителей составит от 15 340 до 252 650 рублей.

Коллекторы из нержавейки выпускаются еще более скромным ассортиментом – на 2 или 3 контура. При тех же характеристиках их можно приобрести за 19670-24940 рублей. Самая функциональная линейка Meibes – это серия RW, где в комплекте уже идут различные соединительные элементы, термостаты и ручные вентили.

F – на подаче встраивается расходомер;
BV – имеет четвертные краны;
С – предусматривает наращивание гребенки через ниппельное соединение.

Каждый коллектор отопления Данфосс допускает давление в системе 10 атм при оптимальной температуре (+90 °С). Интересна конструкция кронштейнов – они фиксируют парные гребенки с небольшим смещением относительно друг друга для более удобного обслуживания. При этом все вентили оснащены пластиковыми головками с нанесенной разметкой, что позволяет выставлять их положение вручную без применения инструментов. Цена моделей Данфосс в зависимости от количества подключаемых контуров и дополнительных опций изменяется в пределах 5170 — 31 390.

Коллектор отопления можно выбрать под евроконус с отводами на 1/2″ или 3/4″ либо с метрическим резьбовым соединением. Гребенки Far выдерживают напор до 10 атм при температуре не выше +100 °С. А вот количество выходных патрубков невелико: от 2 до 4, но и цена самая низкая из всех товаров, рассмотренных в нашем обзоре (730-1700 рублей за непарный распределитель).

Советы по выбору

Несмотря на кажущуюся простоту гребенок, подбирать их нужно, опираясь сразу на несколько технических параметров:

1. Напор в системе – от этого значения зависит, из какого материала может изготавливаться распределительный коллектор.

2. Пропускная способность должна быть достаточной, чтобы подключенные контуры отопления не «голодали» от недостатка теплоносителя.

3. Энергопотребление узла смешивания – как правило, его определяет суммарная мощность циркуляционных насосов.

Возможность добавления контуров – на этот параметр стоит обращать внимание, только когда в будущем планируется строительство дополнительных объектов, нуждающихся в обогреве

Количество патрубков на гидрораспределителе должно соответствовать числу подключаемых веток (отопительных приборов). В некоторых случаях лучше установить несколько коллекторов, например, в двухэтажном доме – по одному блоку на каждом уровне. Также допускается монтаж непарных гребенок в разных точках: один на подаче, другой на обратке.

Напоследок специалисты и опытные монтажники в своих отзывах советуют не экономить на покупке хорошего коллектора. Чтобы он служил долго и не доставлял особых проблем, имя на коробке должно быть известным.