Опыты с транзисторами – для новичков в радиоделе

July 15, 2014 by admin Комментировать »

В первом опыте мы определим коэффициент усиления по напряжению простейшего каскада усиления на транзисторе

Транзистор 2N2222A я выбрал, как говорил выше, только потому, что многие программы симуляции имеют модель этого транзистора

Возможно, для экспериментов потребуется другая модель транзистора, тогда мы определимся и с ней

Рис 1813 Схема первого опыта с транзистором

Прежде, чем перепаивать макетную плату, рассчитаем значения резисторов R1 и R2, определимся с ёмкостью конденсатора C1

Расчёт (ориентировочный) мы начнём с задания сопротивления резистора R2 Я выбрал значение 1 кОм (можно взять 2 или 3 кОм, какое есть сопротивление) Из соображения максимального (без больших искажений) выходного сигнала ток коллектора я выбираю таким, чтобы падение напряжения на коллекторе было, примерно, равно половине напряжения питания То есть, ток коллектора выбираем равным 25 мА (по закону Ома 25*1 = 25 В, ток я взял в мА, а сопротивление в килоомах) Типовое значение статического коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером 200 Но я измеряю его с помощью мультиметра, мой мультиметр измеряет hFE, и получаю коэффициент усиления равный 177 Теперь определяем ток базы, разделив ток коллектора на это значение: 25/177 = 14 мкА Ток базы протекает по резистору R1 и цепи база-эмиттер Падение напряжения на переходе база-эмиттер такое же, как и у диода Будем считать, что это 05 В Тогда на резисторе R1 будет падать напряжение (закон Кирхгофа) 45В : (5 – 05)/14 (мкА) = 320 (кОм) Под рукой у меня есть резистор 300 кОм, его я и использую Входное  сопротивление  каскада  усиления,  я  подозреваю,  небольшое  Поэтому конденсатор

ёмкостью 100 мкФ вполне подходящий кандидат на проведение экспериментов В итоге схема выглядит так:

Рис 1814 Схема первого эксперимента с номиналами деталей Для монтажа потребуется цоколёвка транзистора

Рис 1815 Цоколёвка транзистора 2N2222A

И макетная плата может выглядеть как-то так:

Рис 1816 Макетная плата для проведения первого эксперимента с транзистором

Генератор в моём случае может воспроизвести минимальный сигнал (от пика до пика) 100 мВ Есть опасения, что этот сигнал «великоват» Поэтому добавим ещё и делитель напряжения из резисторов 10 кОм и 100 Ом перед входом каскада на транзисторе В вашем случае тоже следует принять меры к тому, чтобы сигнал на входе был порядка 1 мВ (эффективное или от пика до пика)

Окончательно схема будет выглядеть следующим образом:

Рис 1817 Окончательная схема для проведения первого эксперимента И результат эксперимента

Рис 1818 Эксперимент по измерению коэффициента усиления по напряжению

На рисунке отмечено напряжение, подаваемое с генератора, то есть, 01 В (100 мВ) С учётом делителя (делитель делит входное напряжение в 100 раз) входное напряжение 1 мВ И выходное напряжение, измеренное в эффективном значении 01 В (100 мВ) Таким образом, коэффициент усиления каскада по напряжению равен 100 Но нас интересует, скажем, полоса пропускания

Рис 1819 Эксперимент по определению полосы пропускания каскада

Верхняя частота среза по уровню – 3 дБ, как это видно из рисунка, около 700 кГц Можно сейчас посмотреть и спектр сигнала, оценив нелинейные искажения

Рис 1820 Спектр сигнала на частоте 500 Гц при входном сигнале 1 мВ

Чтобы   посмотреть,  как  меняется   спектр  сигнала  (как  возрастают   нелинейные   искажения), увеличим напряжение входного сигнала с генератора в 10 раз

Рис 1821 Спектр сигнала при входном сигнале 10 мВ

Разница весьма заметна – кроме того, что амплитуда второй гармоники (1 кГц) увеличилась, стала заметна и третья гармоника

Этого, впрочем, и следовало ожидать Перед проведением опыта, прежде чем включить свою испытательную лабораторию, я проверил мультиметром напряжение на коллекторе транзистора Оно оказалось равно 256 В (собственно, как и планировалось, напряжение равное половине питающего напряжения) Сигнал на выходе при входном напряжении 10 мВ становится равен (усиление, напомню, мы получили 100) приблизительно 1 В А это вполне соизмеримо с выбранным напряжением на коллекторе в рабочей точке

Вот как выглядит в этом случае выходной сигнал

Рис 1822 Выходной сигнал при входном напряжении 10 мВ

Верхняя часть синусоиды явно «завалена» Если у вас есть, чем проверить, то попробуйте изменить положение рабочей точки так, чтобы улучшить вид синусоиды, и сравните спектр сигнала с предыдущим

И, наконец, если вы помните, мы говорили о том, что сигналы на входе и выходе транзистора находятся в противофазе Посмотрим, так ли это

Рис 1823 Входной и выходной сигналы транзисторного усилителя

Сигналы действительно противофазны Таким образом, если резистор, задающий смещение, R1 перенести с плюса питания на коллектор транзистора (изменив его сопротивление соответствующим образом), то мы получим отрицательную обратную связь Этот резистор подаст на вход транзистора часть противофазного выходного сигнала, определяемую делителем R1 и входным сопротивлением каскада

Очень интересным мне кажется вопрос о том, что изменится, если мы изменим сопротивление нагрузки каскада (R2 на схеме проведения эксперимента)

Новое значения я выбрал 62 кОм, что потребовало изменения резистора смещения R1 до 2 Мом

Рис 1824 Измерение коэффициента усиления по напряжению

Как вы видите, практически усиление по напряжению не изменилось, оставаясь в пределах погрешностей измерения Но есть и ещё один вопрос, а что с амплитудно-частотной характеристикой Вы помните, мы говорили, что каскад усиления похож на интегрирующую RC цепь Сопротивление мы изменили, что с верхней граничной частотой

Рис 1825 АЧХ каскада с изменённым сопротивлением нагрузки

А вот АЧХ изменилась, верхняя граничная частота уменьшилась раза в 3

Об изменении верхней граничной частоты интегрирующей RC цепи мы могли судить, проведя расчёт, при котором рассматривали бы RC цепь как делитель переменного напряжения, составленный из резистора и конденсатора Сопротивление конденсатора уменьшается с ростом частоты, и мы можем определить частоту, на которой напряжение уменьшится на 3 дБ

Напряжение генератора U, а напряжение на конденсаторе Uc и составляет часть всего напряжения Верхняя граничная частота измеряется по уровню – 3 дБ (а это по отношению напряжений будет 141) Это можно рассчитать по формуле Кдб = 20 log(U1/U2), но я сам, признаться пользуюсь таблицей, взятой из старенького справочника

Рис 1826 Таблица перевода децибелов в отношения

Рис 1827 RC цепь как делитель напряжения

Запишем отношение напряжений: U/Uс = 141 Поскольку ток никуда не ответвляется, он одинаков и для резистора и для конденсатора

Поэтому записанное выше отношение можно переписать в терминах сопротивлений:

(R1 + Xc)/Xc = 141, где Xc = 1/2πfC или R1/Xc +1 = 141 или R1/Xc = 041 или R1=041Xc

Определим частоту из выражения R1 = 041(1/2πfC1) 2πfC1R1 = 041 f = 041/2πC1R1 Величину резистора R1 мы знаем, это 10000 Ом, ёмкость конденсатора C1 тоже знаем, это 01*10-6 Ф Подставив значения, получаем… 65 Гц

Стоп Мы же измеряли частоту прибором, получив значение 144 Гц Конечно, номиналы резистора и конденсатора при вычислениях брались без учёта разброса реальных значений, точность элементов не учитывалась Но ошибка не могла быть столь велика

Хорошо, проверим с помощью программы симуляции Qucs проведённый эксперимент по определению верхней граничной частоты

Рис 1828 Повторение эксперимента по определению частоты среза в Qucs

Выделенная маркером частота 159 Гц гораздо ближе к той, что получена с помощью приборов, чем результат приведённого выше расчёта Где ошибка

Вспомним, что когда мы говорили о реактивном сопротивлении, мы отмечали – между током и напряжением есть фазовый сдвиг

Вспомним, что когда мы говорили о верхней граничной частоте фильтра низких частот (интегрирующей RC цепи), мы даже измеряли сдвиг фаз на этой частоте, который, как ему и положено, оказался равным 45 градусов

Этого мы не учитывали в рассуждениях о делителе напряжения Попробуем учесть сдвиг фаз При наличии конденсатора полное сопротивление цепи определяется не простым сложением активного и реактивного сопротивления, а иначе: Z2 = R2 + Xc2

Определим сопротивление конденсатора на частоте 160 Гц, взяв эту частоту из опыта в Qucs В этом случае сопротивление равно 10 кОм Вычислим полное сопротивление как корень квадратный из суммы квадратов сопротивления резистора 10 кОм и полученного значения ёмкостного сопротивления Оно будет равно 141 кОм При напряжении генератора 1 В, ток в цепи равен 007 мА А падение напряжения на конденсаторе Uc = 007*10-3*104 или Uc = 07 В

Отношение всего напряжения к напряжению на конденсаторе составит: 1/07 = 141 или 3 дБ

Я привёл пример того, как вычисления «на вскидку» могут дать неверный результат Прежде, чем принимать его, следует всё хорошо обдумать, проверить, измерить И ещё раз обдумать

Источник: Гололобов ВН,- Самоучитель игры на паяльнике (Об электронике для школьников и не только), – Москва 2012

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты