[sape_tizer]
Ср. Май 31st, 2023

Что и как строить на земельном участке или обо всем понемногу

Все о инструментах, строительстве, работах, АРДУИНО, электрика, электроника и многое другое

Усиление и инвертирование выходного сигнала

Внешний вид мощного транзистора

Я долго думал куда отнести данный материал- в Ардуино или в Радио так как в практике сборки поделок на Ардуино частенько приходится инвертировать сигнал для более корректной и правильной работы. Данная ситуация уже встречалась ТУТ на страницах моего сайта. Чтобы немного разобраться в данной теме я и решил написать данную статью. Она может пригодиться вам в дальнейшем построении поделок на Ардуино. Вы спросите где? Да вот например у меня на сайте есть самоделка Отпугиватель мышей, так вот там желательно бы использовать усилитель для открытия затвора полевого транзистора. Но если включить схему с общим эммитером то получится что в паузах полевой транзистор будет открываться и динамическая головка просто сгорит. Как раз на этих двух поделках мы и разберем схемотехнику построения усилителей и инверторов. Давайте сначала объясню немного принципы построения усилителей и инверторов.

Включение транзисторов n-p-n в режиме усилителя
Включение транзисторов n-p-n в режиме усилителя


На данном рисунке представлены 3 классические схемы включения усилителя на 1 транзисторе структуры N-P-N. Разберем первую схему. Это усилитель с общим эммитером (эммитер подключен напрямую к проводу Gnd).
С чем это можно сравнить. Например кран с водой. Вода в трубах это эммитер (вывод со стрелкой), кран- база, а сам выход смесителя- коллектор (вывод противоположный эммитеру). Если мы немного приоткроем кран- вода потечет несильно. Чем сильнее открываем- тем сильнее течет. Такой же принцип работа и у транзистора. При поступлении напряжения на базу (на схеме подписан Iб- ток базы, так вот этот провод и есть База, т.е. вывод, который управляет транзистором). При поступлении ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО напряжения, пускай даже небольшой величины, транзистор начинает открываться. И открывается он тем больше чем больше напряжение на базе. Это грубое объяснение но приблизительно это выглядит так. Единственное замечание- сигнал при таком включении инвертируется. Т.е. если мы подали положительное напряжение на вход (отрицательным n-p-n транзистор не откроется) то на выходе (коллекторе) получим отрицательный сигнал противоположный по фазе. Назначение деталей в таком усилителе следующее. Конденсатор на входе как и на выходе не позволяет проходить постоянной составляющей вместе с сигналом, т.е. проходит только частотные колебания. Если убрать оба конденсатора то схема становится зависимой от подаваемого на базу напряжения. Т.е. можем управлять транзистором как ключом! Резистор на базе- смещающий. Он вводит базу в режим близкий к открытию, вследствие чего даже небольшой по амплитуде сигнал уже может открыть транзистор. Резистор на коллекторе играет роль нагрузки и с него снимается собственно сигнал.

Вторая схема- общий коллектор (коллектор подключен напрямую к шине питания). Принцип работы абсолютно такой же только сигнал не инвертируется а просто усиливается. Назначение деталей абсолютно такое же.

И, наконец, третья схема- общая база. Здесь деталей побольше, схема посложнее но используется и встречается довольно редко и обычно такую схему применяют во входных каскадах различных микшеров и т.д. Назначение деталей. Резистор на входе определяет входное сопротивление усилителя. R2 и R3 задают жестко фиксированное смещение, которое всегда держит транзистор приоткрытым (такое включение резисторов и базы называют также термокомпенсацией т.к. при длительной работе транзистор, пусть и незначительно, нагревается. Из за чего возникает процесс «уплывания» характеристик транзистора. В таком включении на базу подается всегда одно и тоже напряжение и транзистор принудительно вводится в требуемый режим.). Резистор на выходе- нагрузка. Такие схемы обычно применяют для согласования каскадов по входному/ выходному сопротивлению. Сигнал в данной схеме не инвертируется. В Ардуино не используется вообще.

Можно конечно поставить и p-n-p транзистор вместо n-p-n. Для этого надо просто поменять коллекторы и эммитеры местами в схеме включения (я привожу пример для работы с Ардуино).

Включение транзисторов n-p-n в режиме ключа
Включение транзисторов n-p-n в режиме ключа

Данные схемы включения транзисторов являются электронными ключами. Принцип работы такой же как и у работы в режиме усилителя. Разница в отсутствии конденсаторов на входе/выходе схемы позволяет управлять транзистором уже ПОСТОЯННЫМ током. Т.е. если на базу транзистора подать напряжение то транзистор откроется и будет открытым до тех пор пока будет присутствовать напряжение на базе. Кроме того мощность выходного каскада значительно возрастает! Действительно, максимальный выходной ток Ардуино- 25мА, этого на самом деле мало. Но этим током можно открыть небольшой транзистор который позволит оперировать током уже в 250-300мА. А если следующий каскад на более мощном транзисторе то нагрузка уже может достигать нескольких ампер. Сразу мощный каскад подключить нельзя т.к. тока 25мА обычно не хватает на открытие мощных транзисторов (если эти транзисторы не составные). Принцип работы такой- же. Подаешь напряжение на базу- на выходе получаем напряжение. Пробегусь еще по схеме. В цифровой технике смещение на базу уже не так необходимо как в усилительной технике. Поэтому обычно резистор на базу не ставят вообще. Но, чтобы ограничить ток и исключить пульсации, ставят резистор между базой и общим проводом, т.е. принудительно закрывают транзистор небольшим сопротивлением в 1-10кОм. При появлении напряжения просадка напряжения незначительная и оставшегося напряжения вполне хватает на открытие транзистора.

Как же определить без запоминания какая схема инвертирует и какая неинвертирует сигнал. Давайте разбираться. Возьмем схему с общим эммитером. В закрытом состоянии (напряжение на базе отсутствует) транзистор не пропускает напряжение (по аналогии с водопроводным краном кран закрыт), значит можно грубо представить что транзистор вообще отсутствует. На выходе появляется напряжение проходящее с плюсового провода через резистор R2. Т.е. при отсутствии сигнала на входе- на выходе логическая 1. Теперь подадим напряжение на базу. Транзистор открылся и через него потек ток с общего провода на резистор R2. Т.е. резистор R2 является нагрузкой для транзистора. Теперь можно представить что появилась как бы перемычка между общим проводом и нижним концом резистора R2. На этом резисторе тоже происходит небольшое падение напряжения но все равно на выходе будет напряжение близкое к нулю (часть напряжения будет теряться на кристалле транзистора). Т.е. на выходе получили логический ноль. Теперь понятно что при подаче напряжения на вход (логическая 1) на выходе получим логический 0. Делаем вывод что схема включения транзистора с общим эммитером инвертирует сигнал или проще говоря меняет полярность. Для чего нужна такая схема спросите вы. Отвечаю. Все для того же усиления выходного сигнала. Т.е. если вы поставите два транзистора последовательно по схеме с общим эммитером то на выходе получите уже нормальный, неинвертированный сигнал. При этом ток коммутации нагрузки будет равен току коллектора второго транзистора! Ну а если ток не будет превышать 100-200мА то следует учитывать в скетче что сигнал после обработки и усилением одним транзистором будет проинвертирован. Если же вы не хотите инвертировать сигнал то можно воспользоваться схемой с общим коллектором. В данной схеме при поступлении напряжения на базу открывается транзистор и ток проходит на резистор R2 (представьте что появилась перемычка). Часть напряжения гасится на резисторе но основная часть напряжение поступает на выход. Т.е. подали на базу логическую 1- на выходе тоже логическая 1. Такая же ситуация и с нолем на базе. Транзистор закрыт и выход оказывается подключен через резистор на землю. Выходит что данное включение не инвертирует сигнал.

Для чего я постарался все это разжевать. Довольно часто приходится усиливать выходные сигналы напрямую с выводов. Можно конечно использовать оптроны и потом уже с выхода коммутировать нагрузку, особенно это актуально в высоковольтных схемах, дабы предотвратить попадание высокого напряжение в низковольтную часть. Но иногда нужно быстренько усилить амплитуду сигнала, например подключить 12В реле. Для этого смотрим какой ток потребляет реле. Выбираем транзистор. Собираем нужную схемы с учетом инвертирования сигнала. Подаем 12В на схему с транзистором, при этом Ардуино будет питаться от 5В. Все. Скоммутировали реле на 12В! Так же можно поступать и с любым другим напряжением но, как и написано выше, при высоких напряжениях лучше использовать оптроны для безопасности.

Добавить комментарий