Электроника:Эксперименты/Дискретные полупроводниковые схемы/Повторитель напряжения

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Повторитель напряжения[1]

Оборудование и материалы

  • Один NPN-транзистор – рекомендуемые модели 2N2222 или 2N3403 (каталог Radio Shack №276-1617 – это набор из пятнадцати NPN-транзисторов, идеально подходящий для этого и других экспериментов)
  • Две 6-вольтовые батареи
  • Два резистора по 1 кОм
  • Один потенциометр на 10 кОм, однооборотный, с линейным конусом (каталог Radio Shack №271-1715)

Имейте в виду, что не все транзисторы имеют одинаковые обозначения выводов, даже если они имеют одинаковый внешний вид. Это будет определять, как вы будете соединять транзисторы вместе и с другими компонентами, поэтому обязательно ознакомьтесь со спецификацией (техническим описанием компонента), которые легко получить на веб-сайте производителя.

Имейте в виду, что на упаковке транзистора и даже в техническом паспорте могут быть указаны неправильные схемы идентификации клемм! Настоятельно рекомендуется дважды проверить идентичность контактов с помощью функции проверки диодов вашего мультиметра.

Для получения подробной информации о том, как идентифицировать выводы полевых транзисторов с помощью мультиметра, обратитесь к главе 4 «Биполярные транзисторы» тома «Полупроводники» (том III) этой серии книг.

Ссылки по теме

Цели эксперимента

  • Назначение «земли» в цепи, когда отсутствует фактическое соединение с настоящей землёй
  • Использование шунтирующего резистора для измерения тока вольтметром
  • Измерение коэффициента усиления по напряжению усилителя
  • Измерение коэффициента усиления по току усилителя
  • Преобразование импеданса усилителя

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: повторитель напряжения.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: повторитель напряжения.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: повторитель напряжения.
Рис. 2. Иллюстрация: повторитель напряжения.

Ход эксперимента

Опять же, имейте в виду, что транзистор, который вы выбрали для этого эксперимента, может иметь не те обозначения выводов, которые показаны здесь, и поэтому макет беспаечной макетной платы, показанный на иллюстрации, может вам не подойти. На своих иллюстрациях я показываю слева направо все транзисторы в корпусе ТО-92 с выводами, помеченными «КБЭ»: коллектор, база и эмиттер.

Это верно для транзистора модели 2N2222 и некоторых других, но не для всех; даже не для всех транзисторов типа NPN! Как обычно, уточняйте у производителя детали о конкретных компонентах, которые вы выбираете для проекта.

С биполярными транзисторами достаточно легко проверить назначение клемм с помощью мультиметра. Повторитель напряжения – это самая безопасная и простая в сборке схема транзисторного усилителя.

Его цель состоит в том, чтобы подавать на нагрузку примерно то же напряжение, что и на входе усилителя, но при гораздо большем токе. Другими словами, у него нет усиления по напряжению, но есть усиление по току.

Обратите внимание, что отрицательная (-) сторона источника питания показана на схеме как заземлённая, как показано символом в левом нижнем углу схемы. Это не обязательно означает связь с реальной землёй.

Это означает, что эта точка в цепи и все электрически общие с ней точки составляют исходную точку по умолчанию для всех измерений напряжения в цепи. Поскольку напряжение по необходимости является величиной, относительной между двумя точками, «общая» точка отсчёта, обозначенная в цепи, даёт нам возможность осмысленно говорить о напряжении в конкретных, отдельных точках этой цепи.

Рис. 3. Схема повторителя напряжения с указанием точек «земли».
Рис. 3. Схема повторителя напряжения с указанием точек «земли».

Например, если бы я говорил о напряжении на базе транзистора (VБ), я бы имел в виду напряжение, измеренное между клеммой базы транзистора и отрицательной стороной источника питания («землёй»), когда красный щуп касается вывода базы и чёрный щуп касаются «земли». Обычно бессмысленно говорить о напряжении в одной точке, но наличие неявной точки отсчёта для измерения напряжения делает такие утверждения осмысленными:

Рис. 4. Измерение напряжении на базе транзистора (VБ).
Рис. 4. Измерение напряжении на базе транзистора (VБ).

Соберите эту схему и измерьте выходное напряжение в зависимости от входного напряжения для нескольких различных настроек потенциометра. Входное напряжение – это напряжение на движителе потенциометра (напряжение между ползунком и «землёй» цепи), а выходное напряжение – это напряжение нагрузочного резистора (напряжение на нагрузочном резисторе или напряжение эмиттера: между эмиттером и «землёй» цепи).

Вы должны увидеть плотную корреляцию между этими двумя напряжениями: одно немного больше другого (разница составляет около 0,6 вольта или около того?), но изменение входного напряжения даёт почти одинаковое изменение выходного. Поскольку соотношение между изменением входного сигнала и изменением выходного составляет почти 1:1, можно утверждать, что коэффициент усиления по переменному напряжению этого усилителя почти равен 1.

Не очень впечатляет, не так ли? Теперь измерьте ток, проходящий через базу транзистора (входной ток) в зависимости от тока, проходящего через нагрузочный резистор (выходной ток). Прежде чем разорвать цепь и вставить амперметр для проведения этих измерений, рассмотрите альтернативный метод: измерьте напряжение на базовом и нагрузочном резисторах, значения сопротивления которых известны.

Используя закон Ома, можно легко рассчитать силу тока, проходящего через каждый резистор: разделите измеренное напряжение на известное сопротивление (I = E/R). Этот расчёт особенно прост для резисторов номиналом 1 кОм: на каждый вольт падения на них будет приходиться 1 миллиампер тока.

Для большей точности вы можете измерить сопротивление каждого резистора, а не принимать точное значение 1 кОм, но это не имеет большого значения для целей этого эксперимента. Когда резисторы используются для измерения тока путём «преобразования» тока в соответствующее напряжение, их часто называют шунтирующими резисторами.

Ожидаются огромные различия между входным и выходным током для этой схемы усилителя. На самом деле, нередки случаи усиления тока, значительно превышающие коэффициент 200 для транзистора со слабым сигналом, работающего при низких уровнях тока.

Это основная цель схемы повторителя напряжения: увеличить токовую мощность «слабого» сигнала без изменения его напряжения. Другой способ представить функцию этой схемы – это пояснить через импеданс.

Входная сторона этого усилителя принимает сигнал напряжения, не потребляя большого тока. Выходная сторона этого усилителя обеспечивает такое же напряжение, но с током, ограниченным только сопротивлением нагрузки и пропускной способностью транзистора. С точки зрения импеданса можно сказать, что этот усилитель имеет высокий входной импеданс (падение напряжения при очень небольшом потребляемом токе) и низкий выходной импеданс (падение напряжения при почти неограниченной мощности источника тока).

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 5. Схема повторителя напряжения с номерами узлов SPICE.
Рис. 5. Схема повторителя напряжения с номерами узлов SPICE.

Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

Voltage follower * Повторитель напряжения
v1 1 0
rpot1 1 2 5k
rpot2 2 0 5k
rbase 2 3 1k
rload 4 0 1k
q1 1 3 4 mod1
.model mod1 npn bf=200
.dc v1 12 12 1
.print dc v(2,0) v(4,0) v(2,3)
.end

Когда эта симуляция выполняется в программе SPICE, она показывает входное напряжение 5,937 вольт и выходное напряжение 5,095 вольт с входным током 25,35 мкА (2,535E-02 вольта, падающего на базовый резистор 1 кОм). Выходной ток составляет, конечно, 5,095 мА, исходя из выходного напряжения 5,095 В, падающего на сопротивление нагрузки ровно 1 кОм.

Вы можете изменить настройку «потенциометра» в этой схеме, отрегулировав значения RПот.1 и RПот.2, всегда сохраняя их сумму на уровне 10 кОм.

См.также

Внешние ссылки