Рис. 55. К пояснению усилительного эффекта транзистора.

1н

напряжения И^, то оно будет в это время падать, достигнув под конец величины (4эоО,5В.

Во втором опыте установим с помощью потенциометра К) ток базы таким, чтобы Ц^э ~2 В. Изменяя слегка /д, а значит, и t/gg ( покачиванием оси потенциометра) , видим, что одновременно, но точно в противофазе, изменяется и Цсз. С ростом t/бэ напряжение 1Укэ падает, и наоборот. Базовый ток называют управляющим,

В третьем опыте припаяем вместо R3 проволочную перемычку и снова будем менять Щ. с помощью потенциометра ftj. Следует соблюдать осторожность: ток не должен превышать 20 мА, иначе транзистору грозит опасность выйти из строя! С увеличением Lfeg коллекторный ток /к тоже растет от значения, равного остаточному току, до предельного значения (режим насыщения), а 173 остается постоянным,равным 4,5 В.

Из этих трех опытов можно сделать следующие выводы:

1. Желая усилить переменное напряжение, мы должны выбирать рабочую точку по возможности посередине нагрузочной характеристики (это соответствует примерно напряжению Кк12) . В противном случае одна полуволна напряжения оказалась бы усиленной не полностью.

2. С уменьшением Lfeg растет {У^э- Напряжения t/gg и Ц<.э связаны, таким образом, обратной зависимостью. Для усиливаемого переменного напряжения это означает, что между Lfeg и (Укэ возникает фазовый сдвиг, равный 180°.

3. Если R. = О, то изменяется 1, а (4э остается постоянным. Следовательно, для усиления переменного напряжения в цепь коллектора необходимо включать нагрузочное сопротивление.

Еще несколько слов относительно выбора R. Увеличив его значение вдвое и построив в той же координатной системе новую нагрузочную характеристику, мы сразу увидим, что она пойдет значительно более полого, чем прежняя. При этом оказывается, что тем же самым отклонениям напряжения на теперь соответствуют меньшие значения тока /к значит, и меньшие затраты мощности. Возникает вопрос: почему быв таком случае нам не выбирать R как можно большим? Во-первых, потому, что коллекторный ток при R = °° вообще не потечет, а следовательно, не будет и падения напряжения (7- Во-вторых, нам известно, что транзистор управляется базовым током. Один усилительный каскад (рис. 56) в большинстве случаев требуемого усиления не обеспечивает, поэтому к нему приходится подключать последующие усилительные каскады, а это означает, что коллекторный ток /к любого каскада должен быть по меньшей мере таким, чтобы им можно было управлять работой последующего каскада. Нам уже известно, что транзистор способен вьшол-

Рис. 56. Транзистор как усилитель переменного напряжения (схема с общим

эмиттером).

нять самые разнообразные задачи (например, усиление слабых и сильных сигналов), а от характера задачи зависит, естественно, и выбор рабочей точки.

Итак, с помощью элементов схемы Kg и мы усанавливаем нужный режим работы (выбираем рабочую точку и динамический диапазон по постоянному току). Но ведь мы намфены усиливать переменное напряжение и переменный ток. Поэтому отдельные усилительные каскады раз д е ляются по постоянному току конденсаторами (Сд и Ск на рис. 56), оставаясь связанными по переменному току.

Разделение по постоянному току требуется еще и потому, что рабочая точка для любого усилительного каскада должна выбираться независимо от других каскадов.

Рассматривая процесс усиления, мы совсем бьшо упустили из виду одну очень важную проблему: зависимость остаточного тока коллектора от температуры (особенно у германиевых транзисторов). С помощью схемы, приведенной на рис. 53, можно показать, что установленный в начале опыта коллекторный ток при нагревании существенно возрастает. В экстремальном случае это может привести к разрушению транзистора, откуда следует, что в схеме необходимо предусмотреть меры, позволяющие сохранять ток неизменным даже при значительном перепаде темпера-

<з-ь

\-оивых

Рис. 57. К пояснению стабилизации положения рабочей точки: а -3 счет изменения напряжения на базе; б - с помощью делителя базового напряжения и резистора в цепи эмиттера.

UBx о-If

Рис. 58. Схемы включения транзисторов: а - с общей базой; б - с общим

коллектором.

тур. Одна из таких возможностей связана с изменением базового тока. При тенденции коллекторного тока к возрастанию вследствие повышения температуры базовый, управляющий ток должен соответственно уменьшаться. Достичь этого удается путем подключения резистора ftg между базой и коллектором (рис. 57, я). С повышением температуры и вызванным этим ростом коллекторного тока напряжение уменьшается, а значит, становится меньше и базовый ток /д, вследствие чего коллекторный ток вновь возвращается к прежнему, заранее выбранному значению (стабилизируется).

Подобный эффект получается и при регулировке базового тока с помощью делителя fig 1/62 и включения в цепь эмиттера резистора Дэ (рис. 57, б). С ростом /к .вызванным нагреванием транзистора, увеличивается падение напряжения на Яд и напряжение 14:э становится меньше значения, определяемого отношением /igi/ftg2. В той же мере падает и базовый ток /g, стабилизируя таким образом /к. Следует отметить, что кремниевые транзисторы отличаются значительно более высокой температурной стабильностью и в большинстве случаев не требуют особых мероприятий по ее повышению.

Таблица 4. Параметры усилительных каскадов для схем с различным включением транзисторов

Итак, путем соответствующего подбора элементов схемы можно в широких пределах влиять на усилительные свойства транзисторного каскада.

Введем в отличие от коэффициента усиления транзистора по току при коротком замыкании Б понятие коэффициента усиления каскада. Различают:

- коэффициент усиления по напряжению - отношение выходного напряжения к входному

- коэффициент усиления по току - отношение выходного тока к входному

- коэффициент усиления по мощности - отношение мощности на выходе к мощности на входе

Р

. вых л =--

Р

Обращаясь снова к схеме усилительного каскада (см. рис. 56), видим что вход транзистора образован базовым и эмиттерным, а выход коллекторным и эмиттерным выводами. Таким образом, эмиттерный вывод является общим как для входа, так и для выхода, в силу чего эт\ схему так и называют схемой с общим эмиттером (ОЭ). Аналогичным образом можно было бы использовать транзистор в схеме с общей базой (ОБ) или в схеме с общим коллектором (ОК) (рис 58) . В обеих этих схемах выбор рабочей точки и рабочей области, а также разделение каска дов осуществляются, как и в схеме с ОЭ, с помощью резисторов и конденсаторов. Все три схемы имеют свои специфические особенности. Для дальнейшей работы с этими схемами ограничимся приведением их основных параметров (табл. 4).

Параметры наиболее широко применяемых транзисторов приведены в приложении 5.

Итак, мы познакомились с важнейшими свойствами транзистора как элемента схемы. Теперь необходимо научиться выбирать тип транзистора, наиболее пригодный для применения в той или иной схеме. Большинство схем, описанных в данной книге, составлено с таким расчетом, чтобы входящие в них транзисторы и диоды были тех типов, которые имеются в продаже.

Несмотря на все многообразие типов транзисторов, выпускаемых различными изготовителями, технические данные многих из них оказываются довольно близкими. Нередко транзисторы (как и диоды) различаются только по наименованию, расположению выводов и форме корпу-

са. В подобных случаях мы не будем указывать в схеме конкретный тип транзистора или диода, а приведем только общее их обозначение:

TUP - транзистор универсальный типа р-п-р;

TUN - транзистор универсальный типй п-р-п;

DUG - диод универсальный германиевый;

DUS - диод универсальный кремниевый.

Параметры универсальных транзисторов и диодов любых типов должны соответствовать указанным в приложении 6. Именно этими параметрами и следует руководствоваться при выборе нужных полупроводниковых элементов. Такой важный параметр, как В, мы умеем уже определять сами, поэтому сможем выбрать подходящие экземпляры даже из некондиционных транзисторов. Некондиционные транзисторы, часто очень дешевые, вполне пригодны для наших целей.

При выборе диодов и транзисторов прежде всего следует обратить внимание на взаимное расположение их выводов. Цоколевку приборов можно найти в различных справочниках. Заметим, что цоколевки, приводимые в справочниках, всегда соответствуют виду на транзистор снизу (со стороны выводов). У диодов с аксиальными выводами (в стеклянном или пластмассовом исполнении) катод обозначается точкой или кольцом на корпусе. Обозначения TUN, TUP, DUG, DUS бьши введены несколько лет назад журналом Elektor и приняты в этой книге из-за несомненного удобства пользования ими.

Транзистор как электронный ключ

До сих пор транзистор был известен нам только в качестве усилительного элемента. Какие же процессы протекают в -нем, если он действует как ключ? Для всякого ключа характерны два состояния схемы. В первом состоянии ток не проходит, и к ключу оказывается приложенным все напряжение источника питания, во втором - ток течет беспрепятственно и на ключе падает лишь весьма незначительное остаточное напряжение. В подобном режиме можно заставить работать и транзистор. Рассмотрим с этой целью семейство характеристик, представленное на рис. 59, восстановив в памяти результаты опытов со схемой, собранной на рис. 55. Точке А на нагрузочной характеристике соответствует такой базовый ток, что транзистор полностью проводит (находится в режи-ме насыщения). На нем падает лишь незначительное остаточное напряжение, называемое также иногда напряжением в точке перегиба характеристики. Это состояние соответствует открытому ключу.

Точке В соответствует базовый ток /б = 0; через транзистор

течет только остаточный коллек- х: lg=0

Рис 59. Характеристики транзистора.

-икэ

5) ивл

Рис. 60. Изменение управляющего нащ>яжения и коллекторного тока при отпирании и запирании транзистора без насыщения (fl) и с насыщением (б).

торный ТОК. На нем падает практически все напряжение источника питания. Транзистор находится в режиме отсечки. Ключ заперт.

Для лучшего понимания процессов включения и выключения транзистора выделим три области: отсечки /, активного режима 11 и насыщения III. Прежде всего заметим, что включение транзистора происходит по направлению от В к А, а выключение - в обратном направлении. Если на базу подать идеально прямоугольный скачок напряжения, коллекторный ток будет более или менее круто нарастать по кривой, называемой экспонентой (рис. 60, а). Объясняется это распределением носителей зарядов в транзисторе и степенью их подвижности. Аналогичная картина наблюдается при включении транзистора.

С целью получения коллекторного тока прямоугольной формы выберем управляющее напряжение столь большим, чтобы точка Л на нагрузочной характеристике передвинулась в область насыщения. Коллекторный ток возрастает при этом до значения 1 (рис. 60,которое и будет сохранять в дальнейшем вследствие ограниченных значений и Кк- Невыгодным в режиме насыщения является, однако, то, что при этом появляется добавочный временной сдвиг между входным и выходным импульсами - так называемое время рассасывания t. Это не что иное, как время, необходимое для рассасывания накопленных в области базы носителей зарядов до некоторой граничной их концентрации, определяемой параметрами схемы.

У запертого транзистора мощность потерь невелика, поскольку через него протекает лишь незначительный остаточный ток. Мала она и у насыщенного транзистора, так как на нем падает только очень небольшое остаточное напряжение. В то же время при переходе от одного состояния к другому мощность потерь может стать весьма значительной. Однако время переключения очень невелико, поэтому вполне допустимо, если мощность потерь будет при этом превосходить значение Ртах. т. е. выйдет за пределы области, ограниченной гиперболой мощности потерь.

Два ключа замыкаются Включим два одинаковых усилительных кас-

друг на друга када таким образом, чтобы вход одного из

каскадов оказался соединенным через разделительный конденсатор с выходом другого, и наоборот (рис. 61, а). Схему соберем на экспериментальной плате (рис. 61, б). Для обоих транзисторов Г, и Т2 припаяем к плате панельки, чтобы при необходимости транзисторы легко можно было заменить. Сравнив временные диаграммы (рис. 62) со знакомыми уже нам для процессов заряда и разряда конденсаторов и переключения транзисторов, увидим, что в рассматриваемом случае также имеют место зарядно-разрядные процессы и переключения. Для доказательства, включив наушники между коллекторами транзисторов Ti и Г2 и плюсовой шиной (см. рис. 61, а), прослушаем звук частотой порядка 1000 Гц. Теперь становится понятным название, данное такой схеме: самовозбуждающийся мультивибратор. Мульти означает множество , мультивибратор - генератор множества колебаний, а слово самовозбуждающийся свидетельствует о том, что колебания возникают сами по себе, без какого-либо внешнего воздействия, и продолжаются до тех пор, пока не будет выключено питание.

Как же возникают эти релаксационные* колебания? Предположим, что в момент включения один из транзисторов откроется быстрее, чем другой! Это может произойти, например, из-за того, что коэффициенты усиления транзисторов неодинаковы или резисторы и конденсаторы в обоих плечах несколько различаются по сопротивлению и емкости. Даже если предположить, что все указанные величины абсолютно одинаковы, может оказаться неодинаковым нагрев двух симметричных элементов схемы, а это тоже означает неравновесие плеч. Итак, предположим, что Гг отпирается быстрее, чем Г благодаря чему напряжение в точке О получит положительное приращение. Этот положительный импульс поступает через (2 на базу транзистора Г) и подзапирает его. В результа-

0-I-

.-и,5В

Рис. 61. Автоколебательный мультивибратор: а - принципиальная схема; б - монтаж на экспериментальной плате. Г Гг - транзисторы TUP. На этой схеме и далее емкости конденсаторов приводятся без указания единиц в пикофарадах (целое число) либо в микрофарадах (десятичная дробь или целое число с нулем десятых) .

♦Релаксационные колебания - колебания, резко отличающиеся по форме от синусоидальных.

-ииэ Точка А

Точна В

Рис. 62. Напряжения в контрольных точках схемы автоколебательного мультивибратора.

те этого в точке А (коллектор транзистора Т{) возникает отрицательный импульс, который через Сх передается на базу транзистора T-i, еще сильнее отпирая его. Этот процесс повторяется многократно и заканчивается, когда Т\ окажется полностью запертым (в режиме отсечки), а 2 - полностью-открытым (в режиме насыщения). Теперь Ci будет разряжаться через R-i, так что точка В, а следовательно, и база транзистора спустя время tt 0,7 R2C окажется под г отрицательным потенциалом и Г,

начнет проводить ток. Отрицательный импульс, возникший в точке А, через конденсатор Ct поступит на базу транзистора и подзапрет его. Все процессы будут развиваться в обратном порядке по сравнению с первым полупериодом. В результате. Т2 окажется в режиме отсечки, а Г] - в режиме насыщения. Такое состояние будет продолжаться до тех пор, пока спустя время 2 0,7ЛзС1 конденсатор С, не разрядится через R3, чем и вызовет новый, очередной скачок. Из одного состояния в другое

схема переходит скачками с частотой / =-=-. Будем

предполагать, что самовозбуждающийся мультивибратор симметричен,

т. е.Л2 = Кз =R,Ct =С2=Си /=--

1,4ЛС

При указанных на рис. 61, а параметрах элементов схемы самовозбуждающийся мультивибратор колеблется или, как говорят, опрокидывается с частотой

l,4RC

1,4- 33- 10 Ом- 22- 10-9 Ф

1,4- 33- 22 с

1016 с

1000 Гц.

Таким образом, самовозбуждающийся мультивибратор является не чем иным, как генератором релаксационных колебаний низкой частоты, значение которой однозначно определяется параметрами схемы.

Пропорциональное дистанционное управление с помощью цифровой техники

Что такое импульсная Нам Предстоит разобраться в некоторых

и цифровая техника? Проблемах, связанных с использованием стре-

мительно развивающейся в последние годы цифровой техники применительно к решению задач дистанционного управления. Исходным понятием в наших дальнейших рассуждениях является злектрический импульс. Под импульсом понимают кратковременное появление или пропадание какой-либо электрической величины (тока, напряжения) либо кратковременное отклонение какой-либо величины от ее исходного значения.

Наибольший интерес представляют для нас имульсы двух видов: прямоугольные и остроконечные (рис. 63).

В этой книге важная роль отведена разного рода импульсным схемам. Генерирование, формирование и преобразование импульсов составляют предмет изучения научной дисциплины, получившей название импульсной техники. Какая же взаимосвязь существует между импульсной и цифровой техникой? Прежде всего отметим, что импульсная техника является основой для цифровой. Информация, подвергшаяся цифровому кодированию, отображается как раз в виде импульсов. В приборах, работающих в цифровом варианте, информация представляется в бинарной, т. ё. двоичной, системе. Физические величины (ток, напряжение), являющиеся носителями информахщи, обрабатываются соответствующими схемами, которые могут иметь лишь два дискретных состояния. Оба эти состояния (включено-выключено или проводит-не проводит) обозначаются символами 1 и 0. В устройствах с цифровым дистанционным управлением мы будем кодировать сигнал в передатчике и декодировать в приемнике.

Для целей дистанционного управления, особенно пропорционального, последовательное внедрение цифровой техники означает гигантский шаг вперед. К существенным достоинствам цифровой техники относятся:

- возможность обойтись небольшим числом простых и надежных в эксплуатации основных схем;

- высокая эксплуатационная надежность за счет довольно значительных допусков в уровнях обоих сигналов (1 и 0) ;

- возможность использования свойств диодов и кремниевых транзисторов в ключевых схемах;

- возможность применения интегральных элементов с целью упрощения схемного решения.

и

Рис. 63. Виды импульсов.

1 - прямоугольный импульс; 2 - остроконечный импульс.

Прежде чем приступить к постройке цифрового устройства дисташщ-онного управления, проведем несколько несложнЬгх опытов, на примере которых познакомимся с особенностями импульсных схем. Результаты опытов будем иллюстрировать осциллограммами напряжений в важнейших контрольных точках схем.

Интересная схема - датчик проблесковых сигналов

ные электрические тюрные лампочки

С одной из главных схем импульсных генераторов мы уже познакомились - это самовозбуждающийся мультивибратор. Теперь попробуем получить с его помо1Цью длитель-импульсы, которые будем подавать на миниа-накаливания, заставляя их мигать (полученные сигналы будем называть проблесковыми). В дальнейшем такая схема найдет применение на моделях судов, автомашин, а также на летающих моделях. J

В соответствии с уравнением f =- желаемую низкую частоту

0,7КС

переключений можно ползать, подбирая значения Л и С.

Схема датчика проблесковых сигналов несколько отличается от рассмотренных нами ранее. Здесь в каждом плече применяется по два транзистора в каскодном включении (рис. 64). Такое включение обладает тем преимуществом, что можно использовать транзисторы с небольшим коэффициентом усиления по току. Схему следует опробовать сперва на экспериментальной плате и, варьируя значения R к С, подобрать желаемое время проблеска. Если необходимо, чтобы мигала лишь одна

0+6В

Рис. 64. Датчик проблесковых сигналов: а - принципиальная схема; 6- печатная плата; в - схема расположения элементов на плате. Tl, .. ,Тц - транзисторы TUN.