2.2. Задание для расчета

1. Дайте схему однополупериодного выпрямителя положительного напряжения.

2. По справочнику выберите тип диода.

3. Дайте в масштабе диаграмму работы выпрямителя.

4. Определите амплитуды входного напряжения, входного тока, прямого и обратного напряжений.

5. Дайте в масштабе временную диаграмму работы выпрямителя: эпюры входного напряжения, напряжения на диоде и выходного напряжения, обращая внимания на фазы. (Эпюру входного напряжения расположите сверху).

Рисунок 2.3 – Временная диаграмма работы однополупериодного выпрямителя

2.3. Исходные данные

1. Амплитуда выходного напряжения U_{m вых} = (5+ N) В.

2. Сопротивление нагрузки R_н = (200+10М) Ом.

(N – последняя, M – предпоследняя цифры номера зачетной книжки).

2.4. Выполнение расчета

1. На рис. 2.4 показана схема однополупериодного выпрямителя положительного выпрямленного напряжения.

U_вх1

U_вых

І_н

U_твх

Рисунок 2.4 – Схема однополупериодного выпрямителя положительного выпрямленного напряжения

2. По заданным значениям амплитуды выходного напряжения U_{m вых} и сопротивления нагрузки R_н определяем значение амплитуды прямого тока I_{m пр}, протекающего через диод

I_{m пр}= .

3. Приняв прямое падение напряжения на диоде U_пр = 1 В, определим амплитуду обратного напряжения, приложенного к диоду

U_{m обр} = U_{m вых} + U_пр.

4. Диод выбираем по справочнику с запасом по предельным параметрам, для этого значения I_{m пр} и U_{m обр} увеличим на 20%:

I_пр = 1,2I_{m пр},

U_обр = 1,2U_{m обр}.

5. По рассчитанным значения I_пр и U_обр по справочнику выбираем диод, для параметров которого выполняются следующие неравенства:

I_{пр max} ≥ I_пр и U_{обр max} ≥ U_обр.

6. Для выбранного диода по справочнику определяем падение напряжения U_{пр VD}.

7. Определяем входное напряжение U_{m вх} выпрямителя

U_{m вх} = U_{m вых} + U_{пр VD}.

8. Строим временную диаграмму работы выпрямителя (рис. 2.3) в масштабе. Длительность периода при этом выбирается произвольно

2.5. Контрольные вопросы

1. Поясните принцип работы выпрямителя.

2. Покажите соотношение амплитуд входного и выходного напряжений выпрямителя.

3. Дайте схемы выпрямителей для получения положительного и отрицательного выпрямленного напряжений.

4. Поясните, чему равны прямое и обратное напряжения на диоде.

2.6. Рекомендованная литература

1. Воробйова О.М. Основи схемотехніки: підручник / О.М. Воробйова, В.Д. Іванченко. – [2-ге вид.]. – Одеса: Фенікс, 2009. – С. 41 – 51.

2. Воробйова О.М. Основи схемотехніки: У 2-х частинах: навч. посіб. / О.М. Воробйова, В.Д. Іванченко. – Одеса: ОНАЗ ім. О.С. Попова, 2004. – Частина І. – С. 26 – 42.

3. Воробьёва Е.М.. Основы схемотехники: конспект лекций в 2-х частях / Е.М. Воробьёва, В.Д Иванченко. – Одесса: ОНАС им. А.С. Попова, 2011. –Часть 1. – С. 41 – 44.

Тема 3. Биполярные транзисторы. Расчет усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером

3.1. Ключевые положения

Транзистор имеет три электрода (эмиттер, базу и коллектор) и содержит два p-n-перехода (эмиттерный и коллекторный), которые взаимодействуют между собой.

Термин «транзистор» переводится на русский язык как «управляемое сопротивление».

В схеме с общим эмиттером эмиттерный переход транзистора является входной цепью усилителя, а коллекторный – выходной. Если источник входного сигнала затрачивает меньшую мощность, чем полученная мощность в нагрузке усилителя, то входной сигнал усиливается.

Принципиальные схемы усилителей с общим эмиттером на транзисторах п-р-п-типа и р-п-р-типа показаны на рис. 3.1. Как видно из рис. 3.1, схемы отличаются типом транзисторов, а также полярностью напряжения питания Е_К. Усилитель на п-р-п-транзисторе питается положительным напряжением (+ Е_К) относительно корпуса, а на р-п-р-транзисторе – отрицательным (– Е_К).

E_K

R_к

U_кэ

U_бэ

R_б

І_0б

І_к

І_б

E_K

R_к

R_б

U_кэ

І_к

І_0б

І_б

U_бэ

Рисунок 3.1 – Принципиальные схемы усилителей с общим эмиттером:

а) на транзисторе n-p-n; б) на транзисторе p-n-p

На схемах рис. 3.1 обозначены:

U_вх – входное усиливаемое напряжение;

U_вых – выходное усиленное напряжение;

VT – биполярный транзистор;

Е_К – напряжение питания;

U_бэ – напряжение между базой и эмиттером;

U_кэ – напряжение между коллектором и эмиттером;

I_0б – ток смещения в цепи базы;

І_б – ток базы;

І_к – ток коллектора;

І_вх – входной ток;

R_б – резистор в цепи базы;

R_к – сопротивление нагрузки;

С_р1 и С_р2 – разделительные конденсаторы.

Усилитель с общим эмиттером (ОЭ), принципиальная схема которого показана на рис. 3.1,а, является делителем напряжения питания Е_К, в верхнем плече которого включено сопротивление нагрузки R_к, а в нижнем – транзистор VT. Аналогичное утверждение справедливо для схемы усилителя на рис. 3.1, б.

В этом случае коэффициент передачи делителя напряжения питания K_п будет равен

,

где R_VT – эквивалентное сопротивление коллектор–эмиттер транзистора.

Тогда напряжение между коллектором и эмиттером транзистора будет равно

U_кэ = E_K . (3.2)

Из формулы (3.2) получаем следующее:

– напряжение U_кэ между коллектором и эмиттером является частью напряжения питания Е_К;

– напряжение U_кэ между коллектором и эмиттером тем больше, чем больше напряжение питания Е_К;

– напряжение U_кэ никогда не может быть больше напряжения питания:

U_кэ < Е_К. (3.3)

Поясняя принцип действия усилителя, не следует представлять себе, что входное напряжение U_вх как-то поступает к выходу, увеличиваясь в тракте. Это не так.

Входное усиливаемое напряжение U_вх управляет изменением сопротивления транзистора R_VT по своему закону и, как следует из формулы (3.1), тем самым управляет коэффициентом передачи напряжения питания K_п. Таким образом, в основу принципа действия усилителя положено то, что часть напряжения питания Е_К поступает к выходу через делитель напряжения из R_к и сопротивления между коллектором и эмиттером транзистора R_VT, а входной усиливаемый сигнал U_вх управляет коэффициентом передачи K_п этого делителя.

Для рассмотрения работы усилителя найдём уравнение линии нагрузки.

Напряжение питания Е_К по закону Кирхгофа делится на падение напряжения на сопротивлении нагрузки І_кR_к и напряжение коллектор-эмиттер U_кэ:

Е_К = І_кR_к + U_кэ. (3.4)

Из уравнения (3.4), поделив его на R_к, получаем уравнение линии нагрузки

І_к = – . (3.5)

E_К

R_к

U_кэ

Е_К

U_к

U_0к

І_кR_к

І_к

І_б

І_б

І_б

Рисунок 3.2 – Линия нагрузки и режим транзистора

Уравнение (3.5) в системе координат (I_к, U_кэ) первой степени. Поэтому линия нагрузки является прямой линией (нагрузочная прямая), и её можно построить по двум точкам на осях координат (рис. 3.2).

Точка 1: І_к = 0; из уравнения (3.5) получаем: U_кэ = Е_К.

Точка 2: U_кэ = 0; из уравнения (3.5) получаем: І_к = .

Отрезок прямой 1 – 2 является линией нагрузки.

Пересечение линии нагрузки с заданной характеристикой определяет рабочую точку. Если, например, задана характеристика для тока смещения I_0б = І_б^", то рабочей будет точка РТ.

Рабочая точка однозначно определяет режим работы транзистора, т.е. совокупность напряжений и токов. Она как бы разделяет напряжение питания Е_К на напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке U_0кэ и падение напряжения І_0кR_к на сопротивлении нагрузки R_к, т.е. Е_К = U_0кэ + І_0кR_к.

Линия нагрузки полностью описывает режим работы транзистора и его изменение.

Так, с помощью линии нагрузки можно определить влияние изменения любого параметра режима. Если, например, изменить ток базы на І_б, то ток коллектора изменится на І_к = h_21э І_б и, как следствие, изменится напряжение между коллектором и эмиттером на U_кэ. Параметр h_21э – коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером, значение которого приводится в справочнике.

Усилитель работает следующим образом

Принцип действия усилителя поясняет диаграмма его работы (рис. 3.3).

На схеме рис. 3.3 обозначены:

U_{т вх} – амплитуда входного усиливаемого напряжения;

U_{т вых} – амплитуда выходного усиленного напряжения;

І_{т вх} – амплитуда входного тока;

І_{т к} – амплитуда тока коллектора.

Как видно из рис. 3.3, в схеме усилителя напряжения и токи транзистора изменяются в следующих пределах относительно постоянных составляющих:

– напряжение база-эмиттер

U_бэ = U_0бэ U_{т вх}; (3.6)

– напряжение коллектор-эмиттер

U_кэ= U_0кэ U_{т вых}; (3.7)

E_К

R_к

U_кэ

Е_К

І_к

І_бmax

І_к

U_бэ

І_0к

І_кmax

І_кmin

U_кэmax

U_кэmin

U_0к

І_бmin

І_0б

І_бmax

І_б

І_0б

І_бmin

І_б

U_бmax

U_бmin

U_0б

Рисунок 3.3 – Диаграмма работы усилителя в схеме с общим эмиттером

– ток базы

І_б =І_0б І_{т вх}; (3.8)

– ток коллектора

І_к = І_0к І_{т к}. (3.9)

В схеме, приведенной на рис. 3.1,а, токи протекают по следующим цепям.

Ток базы І_б течёт по цепи: плюс источника питания (+Е_К), резистор R_б, переход база-эмиттер транзистора, нулевой провод, минус источника питания (–Е_К). Поскольку протекает ток базы І_б, то появляется и ток коллектора І_к = h_21эІ_б, протекающий по цепи: плюс источника питания (+Е_К), сопротивление нагрузки R_к, переход коллектор-эмиттер транзистора, нулевой провод, минус источника питания (– Е_К).

Эти цепи образуют замкнутые контуры, для которых согласно второму закону Кирхгофа справедливы следующие уравнения:

1) I_б R_б + U_бэ – E_К = 0 или I_б R_б + U_бэ = E_К;

2) I_к R_к + U_кэ – E_К = 0 или I_к R_к + U_кэ = E_К. (3.10)

В исходном состоянии до момента t₀, т.е. в отсутствии входного напряжения U_вх = 0, усилитель находится в состоянии покоя. В этом состоянии параметры режима определяются рабочей точкой и равны только первым слагаемым в формулах (3.6)…(3.9). В рабочей точке постоянные напряжения и токи равны:

– постоянное напряжение база-эмиттер: U_бэ = U_0бэ;

– постоянное напряжение коллектор-эмиттер: U_кэ = U_0кэ;

– постоянный ток базы: І_б = І_0б;

– постоянный ток коллектора: І_к = І_0к.

При подаче сигнала появляется входное напряжение U_вх. Оно вызывает появление переменных составляющих входного тока І_вх, тока коллектора І_к и выходного напряжения U_вых, мгновенные значения которых расположены вокруг рабочей точки (см. рис. 3.3).

Так, в момент t₁ на входе усилителя действует амплитуда U_т вх положительной полуволны, в результате напряжение база-эмиттер увеличивается до максимального значения: U_{бэ mах} = U_0бэ + U_{т вх}. Поэтому ток базы также будет максимальным: І_{б mах} = І_0б + І_{т б}. Так как ток коллектора прямо пропорционален току базы (І_к = h_21эІ_б), то он также будет иметь максимальное значение: І_{к mах} = І_0к + І_{т к}.

Напряжение коллектор-эмиттер найдем из выражения (3.4):

U_кэ = Е_К – І_к R_к, (3.11)

для момента t₁ найдем его минимальное значение, подставив в выражение (3.11) значение І_к = І_{к mах}, получим:

U_{кэ min} = Е_К – І_{к mах} R_к. (3.12)

В момент t₂ на входе усилителя действует амплитуда входного сигнала U_т вх отрицательной полуволны, поэтому напряжение база-эмиттер уменьшается до минимального значения: U_{бэ min} = U_0бэ – U_{т вх}. Ток базы также будет минимальным: І_{б min} = І_0б – І_тб. Тогда ток коллектора также будет минимальным: І_{к min} = І_0к – І_тк, так как І_к = h_21эІ_б.

Напряжение коллектор-эмиттер в момент t₂ определим, подставив в выражение (3.10) значение І_к = І_{к min}, получим

U_{кэ mах} = Е_К – І_{к min} R_к. (3.13)

Как видно из выражений (3.12) и (3.13), максимальный ток коллектора І_к mах обусловливает минимальное значение напряжения коллектор-эмиттер U_кэ min. Это объясняется тем, что максимальный ток коллектора І_{к mах} создаёт максимальное падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_к, которое равно: І_{к mах}R_к. Аналогично, минимальный ток коллектора І_{к min} обусловливает максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер U_{кэ mах}.

Из этого следует, что усилитель с общим эмиттером поворачивает фазу входного напряжения на 180.