Усилитель напряжения своими руками схема

ВРемонт.su — ремонт фото видео аппаратуры, бытовой техники, обзор и анализ рынка сферы услуг

Home Радиотехника Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Усилитель напряжения на биполярном транзисторе

Рис. 1. Использование транзистора в усилителе напряжения: (а) простейшая схема, (б) схема со смешением.

Сигналами в электронных схемах обычно являются постоянные или переменные напряжения. Такие устройства, как например микрофон, создают переменное напряжение, которое должно быть усилено прежде, чем им можно будет воспользоваться. Некоторые источники сигналов, такие как фототранзистор и некоторые детекторы, могут быть источниками тока, который, как правило, еще до усиления преобразуется в напряжение.

Поэтому наиболее важны усилители напряжения и, несмотря на то, что биполярный транзистор работает как устройство, усиливающее ток, основное применение он находит в усилителях напряжения. Рассмотрим основные принципы работы усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

Резистор нагрузки

На рис. 1.(a) показан очень простой усилитель напряжения; выходное напряжение V_out возникает на выходе в результате протекания коллекторного тока по резистору нагрузки R_L. Этот пример иллюстрирует одно из наиболее важных применений резисторов в электронных цепях: преобразование тока в напряжение. Входное напряжение V_in, приложенное к переходу база-эмиттер, приводит к увеличению тока базы, зависящего от сопротивления перехода база-эмиттер. Ток базы вызывает намного больший ток коллектора I_c, создающий падение напряжения I_cR_L на резисторе R_L. Эта разность потенциалов пропорциональна V_in, но намного больше по величине.

Важной деталью таких схем является земляная шина, называемая также землей, «нулем вольт» (0 В) или общей шиной и обозначаемая символом, показанным на рисунке. Земляная шина является общей для входного сигнала, выходного сигнала и источника постоянного напряжения, и обычно является точкой, относительно которой отсчитываются все напряжения в схеме.

Рабочая точка и смещение транзистора в схеме усилителя напряжения

Схема, приведенная на рис. 1.(a), как можно догадаться, является сильно упрощенной схемой усилителя напряжения. Она будет давать отклик только на положительное входное напряжение и, кроме того, только на напряжение, большее чем 0,5 В; последнее значение является той э.д.с., которая необходима для смещения перехода база-эмиттер в прямом направлении. Ясно, что если схема предназначена для усиления малых сигналов без искажения, переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении даже в отсутствие сигнала. Обычно напряжение переменного сигнала принимает как положительное, так и отрицательное значение, так что выходное напряжение на коллекторе должно иметь возможность двигаться вверх к напряжению источника питания (при отрицательном входном напряжении) и вниз к потенциалу земляной шины (при положительном входном напряжении). Из этого следует, что при равном нулю входном сигнале (это состояние обычно называется режимом покоя) в транзисторе должен протекать такой ток коллектора, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между землей и напряжением источника питания, готовое изменяться в любом направлении в соответствии с полярностью входного сигнала.

На рис. 1.(б) показана схема, в которой достигается требуемый результат. Маломощный кремниевый транзистор, такой как ВС 107, будет очень хорошо работать с коллекторным током в режиме покоя 1 мА. В этом случае при правильном выборе рабочей (начальной) точки требуется, чтобы напряжение на коллекторе находилось посредине между 0 В и +9 В, то есть на резисторе R_L должно падать 4,5 В. Таким образом, согласно закону Ома, R_L = 4,5 В / 1 мА = 4500 Ом. Ближайшее номинальное значение R_L равно 4,7 кОм. Для рассматриваемой схемы имеем:

где Vcc — напряжение питания.

Если мы примем для транзистора ВС 107 коэффициент усиления постоянного тока h_FE равным 200, то для тока коллектора 1 мА требуется ток базы I_B = 1/200 мА = 5 мкА. Сопротивление базового резистора R_B, задающего ток базы, снова находится согласно закону Ома:

Напряжением база-эмиттер V_BE (приблизительно равным 0,6 В) здесь пренебрегаем по сравнению с намного большим напряжением питания V_cc.

Разделительные конденсаторы С1 и С2 используются для изоляции внешних цепей от постоянных напряжений, имеющихся на базе и коллекторе в режиме покоя. Свойство конденсатора не пропускать постоянное напряжение и в то же время пропускать переменное очень ценно в электронике; оно является результатом стремления конденсатора сохранять свой заряд и поэтому разность потенциалов на его обкладках остается постоянной. Следовательно, увеличение потенциала на одной обкладке вызывает соответствующее увеличение потенциала на другой. Поданный на одну из обкладок, переменный сигнал изменяет ее потенциал много раз в секунду и, таким образом, передается с одной обкладки на другую. В то же время постоянное напряжение дает возможность конденсатору накопить заряд, соответствующий новой разности потенциалов на его обкладках, и поэтому оно не передается. Время, необходимое для установления новой разности потенциалов, зависит от постоянной времени цепи, которая должна быть больше периода передаваемого переменного напряжения самой низкой частоты. Более подробно этот вопрос обсуждается в главе 8. В рассматриваемом простом усилителе напряжения постоянные времени цепей с разделительными конденсаторами емкостью 10 мкФ обеспечивают передачу переменного напряжения без ослабления вплоть до 10 Гц.

Знак плюс на рисунке у одной из обкладок конденсатора является указанием, как подключать электролитические конденсаторы, у которых изолирующий диэлектрический слой представляет собой чрезвычайно тонкую пленку окиси алюминия, полученную электролитическим осаждением. Такие конденсаторы имеют большие емкости при малых размерах и низкой цене, но должны включаться в схему с учетом полярности, за исключением конденсаторов специального типа — неполярных конденсаторов.

Стабилизация рабочей точки транзистора

Серьезный недостаток схемы на рис. 1.(б) состоит в том, что напряжение коллектора в режиме покоя целиком зависит от величины h_FE транзистора, в то время как численные значения этого параметра имеют большой разброс у различных экземпляров транзисторов одного типа. Например, при типичном значении h_FE для транзистора ВС 107, равном 200, изготовители указывают, что оно может изменяться в пределах от 90 до 450. Изменение h_FE сдвигает рабочую точку по постоянному току. Например, если коэффициент h_FE равен 100 вместо 200, то при этом потечет ток коллектора, равный 0,5 мА, а не 1 мА, и падение напряжения на R_L составит только 2,35 В вместо 4,7 В. Увеличение напряжения на коллекторе в режиме покоя означает, что выходное напряжение в схеме может изменяться в сторону увеличения только на 2 В, а не на 4 В (возможно изменение выходного напряжения в сторону уменьшения до 6 В, но от этого мало пользы, когда положительные приращения ограничены).

Последствия использования транзистора с h_FE = 400 еще более серьезны. В этом случае ток коллектора удвоится до 2 мА. Простое вычисление показывает, что все 9 В питания будут падать на резисторе R_L. Говорят, что транзистор находится в насыщении. Практически между коллектором и эмиттером остается небольшое напряжение порядка 0,2 В. Любое дальнейшее увеличение тока базы почти ни к чему не приводит; действительно, падение напряжения на R_L не может превышать V_cc Поскольку при насыщении транзистора потенциал коллектора фактически равен потенциалу земли, схема теперь не пригодна для линейного усиления: невозможны изменения выходного напряжения в сторону уменьшения.

Возвращаясь к линейному усилителю на рис. 1.(б), можно сказать, что необходимо некоторое усовершенствование схемы, чтобы повысить ее устойчивость к изменениям h_FE. Даже если бы у нас была возможность отбирать транзисторы с h_FE = 200, а это очень дорого при массовом выпуске схем, h_FE увеличивается с ростом температуры, так что схема все равно не была бы надежной. На рис. 2. показано очень простое, но эффективное улучшение. Вместо того, чтобы подключать резистор R_B непосредственно к V_cc, мы, уменьшив сопротивление вдвое, подключим его к коллектору (V_CE≈V_cc/2). Теперь, благодаря этому, ток базы в режиме покоя зависит от коллекторного напряжения в режиме покоя. Даже при увеличении h_FE транзистор не может попасть в насыщение: если коллекторное напряжение падает, то также падает ток базы, «придерживая» коллекторный ток. И наоборот, если h_FE уменьшается, коллекторное напряжение в режиме покоя возрастает, увеличивая ток I_B.

Ток базы определяется теперь соотношением

Объединяя эти равенства, получим

Если R_L и R_B имеют значения, указанные на рис. 2, и h_FE = 100, то V_CE≈6 В; если h_FE = 400, то V_CE≈3 В. Хотя здесь все еще положение рабочей точки меняется, это не существенно, пока для получения больших сигналов не требуется иметь возможно большие пределы изменения выходного напряжения. Схема, приведенная на рис. 2., будет работать при изменении параметров транзисторов в очень широком диапазоне и является полезным усилителем напряжения общего назначения. Принцип построения схемы с автокомпенсацией изменений h_FE является просто примером отрицательной обратной связи, которая представляет собой одно из самых важных понятий в электронике.

Усилитель напряжения на транзисторе со стабилизацией рабочей точки

Рис. 2. Усилитель напряжения со стабилизацией рабочей точки.

Для некоторых применений даже относительно небольшие изменения положения рабочей точки, имеющиеся в схеме на рис. 2, недопустимы. Если режим по постоянному току должен практически не зависеть от h_FE можно использовать схему стабилизированного усилителя, показанную на рис. 3. Первым характерным признаком этой схемы является наличие резистора R3 в цепи эмиттера, а это означает, что потенциал эмиттера больше не равняется потенциалу земли, а немного выше его и равен I_ER₃ где I_E — ток эмиттера. Второе отличие состоит в том, что вместо единственного резистора для задания базового тока определенной величины применен делитель напряжения R1 R2 фиксирующий потенциал базы относительно земли. Ток делителя напряжения на порядок выше тока базы, так что последний слабо влияет на потенциал базы. Так как переход база — эмиттер смещен в прямом направлении, на нем падает небольшое напряжение (у кремниевого транзистора приблизительно 0,6 В), так что потенциал эмиттера ниже потенциала базы на 0,6 В.

Итак, если V_B — потенциал базы относительно земли, а V_E — потенциал эмиттера относительно земли, то

Рис. 3. Стабилизированный усилитель с эмиттерным резистором.

Следовательно, ток эмиттера I_E определяется выбором величин V_B и R₃. При сопротивлениях резисторов R1 и R2, указанных на рис. 3., потенциал базы зафиксирован на уровне 1,6 В; поэтому потенциал эмиттера равен приблизительно 1,0 В, обеспечивая требуемый ток эмиттера 1 мА при сопротивлении эмиттерного резистора 1 кОм.

Источник

Как сделать усилитель постоянного тока своими руками

Усилитель постоянного напряжения – это устройство, увеличивающее напряжение в определенное число раз. Такое устройство может быть незаменимым, в частности, для усиления сигнала от разного рода датчиков (например, термопар), равно как и для любых других случаев, когда требуется измерить очень малое напряжение (порядка 1 милливольта и менее).

Конечно, для такой цели можно приобрести соответствующий милливольтметр (или даже микровольтметр). Однако, его стоимость на дату написания статьи (2019 г.) составляет от 5 тыс. руб. (и то при условии, что если он совсем уж Алиэкспрессный). А так, мало-мальски точные приборы стоят 20, 30 тыс. руб., а то и более. Правда, они, в дополнение, зачастую имеют множество разных других функций – например, сохранение результатов, передача их на компьютер через USB-интерфейс и др. Что, впрочем, нужно не всегда. Да и, как правило, такие приборы являются достаточно объемными, занимают немало места.

Есть, конечно, недорогие мультиметры со шкалой измерения напряжений 200 мВ. Но, и они неспособны достаточно точно измерить малые напряжения в диапазоне единиц и долей милливольта.

В этой статье мы с Вами посмотрим, каким образом можно собрать самодельный простой (но, достаточно точный) усилитель постоянного напряжения.

Конечно, в самом простом случае в качестве такого усилителя может фигурировать обычный транзисторный каскад (один или несколько). Но, там придется выполнять стабилизацию (чтобы параметры усилителя не изменялись в зависимости от температуры), защиту от короткого замыкания и т.п. Поэтому, конечно, не все так просто.

Вот схема, основанная на операционных усилителях (из книги Алексеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение.- М.: Радио и связь, 1989.-120с.):

Эта схема – достаточно стабилизированная, путем отрицательной обратной связи. Впрочем, прецизионной ее назвать, все-таки, нельзя. Так как сами по себе операционные усилители К140УД7 не являются прецизионными (в отличие от К140УД13). Поэтому, если требуется высокая точность усилителя, нужно заменить К140УД7 на что-нибудь более точное. Так можно выполнить уже вполне профессиональный прибор.

Основываясь на ней, выполнена схема усилителя напряжения (в виде готовой печатной платы):

Для наглядности, схема выполнена на двух печатных платах одинакового размера.

Примечание 1 : разработка печатных плат выполнялась вручную, без использования программного обеспечения. Кроме того, не ставилась цель достижения особой компактности. Поэтому размеры плат получились несколько большими. Видится, что при оптимизации вполне возможно снизить их площади раза в два. Правда, при этом возрастет трудоемкость монтажа.

Примечание 2 : Так как схема дорабатывалась в процессе ее монтажа, обозначения ее элементов (например, резисторов) не везде идут последовательно. Например, после R1 сразу идет R15, ну, и т.д.

На первой (выше по схеме) реализован, собственно, усилитель, а также защиту выходного каскада ОУ D3 (на всякий случай). Вторая плата содержит вспомогательные схемы, как то:

Несущая частота операционного усилителя D1 выбирается равной 1 кГц, что достигается при С₁ = 1000 пФ. Полоса пропускания D1 не превышает 50. 100 Гц, коэффициент усиления равен 7, а₀=0,5 мкВ/°С, а максимальное выходное напряжение примерно равно ±0,5 В.

Для повышения коэффициента усиления и выходного напряжения с тем же значением уровня дрейфа, т.е. температурного коэффициента a₀ к ОУ К140УД13 добавлены два обычных ОУ — типа К140УД7 (D2, D3).

Оба этих ОУ способствуют увеличению коэффициента усиления, а третий по схеме, кроме того, позволяет получить амплитуду выходного напряжения около 12 В. Из-за общей ОС коэффициент усиления K_F= R2/R1 не превышает нескольких сотен или тысяч (об этом – см. ниже).

Конденсаторы С2 и СЗ являются разделительными, а С4 обеспечивает сглаживание пульсаций преобразованного напряжения, т.е. относится к ФНЧ.

К выводам 1 и 5 усилителей D2 и D3 присоединены потенциометры балансировки нуля R6, R7, на движки которых подается напряжение U_п = -15 В.

Судя по фактическим параметрам схемы, коэффициент усиления напряжения получился равным K_F = 107*10 3 /900 = 119. Если требуется иное значение коэффициента усиления, его можно получить, подбирая значения резисторов R1 и R2. Есть рекомендации, согласно которым R2 целесообразно выбирать не выше 100…150…200 кОм, а R1 – не ниже 200…400 Ом. Таким образом, максимальное значение коэффициента усиления предлагаемой схемы может составить, ориентировочно, 200*10 3 /200 = 1000. Правда, чем ниже R1, тем ниже будет экономичность усилителя, что является актуальным в случае питания его от комплекта батареек (типа «Крона»).

Описание работы схемы усилителя

Кого это не интересует, могут сразу посмотреть его внешний вид. Начнем по порядку.

Стабилитроны VD1, VD2 предназначены для ограничения напряжения, поступающего на вход операционного усилителя D1 до 2,7В. Впрочем, их напряжение стабилизации не является критичным, так как они включены встречно друг к другу. При таком включении максимальный уровень напряжения на входе 3 операционного усилителя К140УД13 составит не более, чем доли вольта (примерно до 0,5 В – что ниже, чем максимально допустимое входное напряжение К140УД13). Т.е., по сути, в данном случае стабилитроны работают в качестве обычных диодов.

Защита входного каскада усилителя К140УД13

Резистор R14 служит для защиты входного каскада ОУ D1. Например, если сигнал датчика, подключенного к нему, резко превысит свое значение. Или если по ошибке туда будет подключен источник ЭДС или др. Проведем расчет максимального напряжения, при котором еще не произойдет повреждение К140УД13.

Повреждение произойдет, если в свою очередь, повредятся стабилитроны VD1, VD2. Они рассчитаны на максимальный ток, равный 200 мА. Следовательно, максимально допустимое напряжение на резисторе R14 составит 200*10 -3 *1*10 3 = 200 В.

Конечно, вполне можно довести максимально допустимое напряжение до 500…600 В, как это делается во многих современных мультиметрах. Например, установив R14 равным 3 кОм.

Ограничитель помех

В качестве ограничителя помех выступает резистор R15. Опытным путем подобрано его значение, равное 22 кОм. Да, его присутствие резко снижает входное сопротивление усилителя. Но, как показала практика, зато усилитель делается практически нечувствительным к разного рода помехам, наводимым «из воздуха». Без R15 усилитель может выдавать ненулевое напряжение, даже если просто коснуться рукой одного из его входных клемм. Поэтому – необходим компромисс – в зависимости от того, насколько критичным является высокое значение входного сопротивления. Если это критично, тогда R15 придется исключить из схемы; но, при этом следует подавать сигнал на вход усилителя через специальный защитный экранированный кабель (например, коаксиальный). При этом обычные клеммы уже не подойдут, потребуются специальные разъемы.

Защита выхода усилителя

Или защита выхода последнего по схеме операционного усилителя – D3. Опять-таки, ее можно не делать, но, как говорится, а вдруг. А вдруг кто-то подаст напряжение на выход… хотя бы по неосторожности. Поэтому предусмотрен делитель напряжения на резисторах R16, R17 и стабилитроны VD9, VD10, рассчитанные на максимальный ток 0,5А.

Максимально допустимое напряжение, которое можно подавать на выход D3, составляет, ориентировочно, 0,5*3*10 3 = 1500В.

Резистор R16 предусмотрен, строго говоря, на всякий случай, если по каким-то причинам напряжение на выходе D3 превысит 12В – с целью защиты стабилитронов VD9, VD10. Кроме того, этот резистор дополнительно защищает D3 от короткого замыкания на выходе.

Примечание: на самом деле, D3 (К140УД7) содержит в себе защиту от короткого замыкания, поэтому наличие R16 в данном случае – дополнительная мера предосторожности.

Источник опорного питания -15В

Этот источник собран на микросхеме L7915CV (аналог соответствующей КРЕН на -15В). На вход ее подается -18В (взятое от двух последовательно соединенных батареек типа «Крона», на схеме не показаны). Напряжение -15В подается на питание усилителей D1…D3, а также на схему индикации питания (R10, R11, VD4). Если замкнута цепь двухпозиционного выключателя (замыкающего сразу две цепи) «Вкл.-», то при замыкании контактов Кн.2 двухпозиционной кнопки (которая нажатии замыкает сразу две цепи), на R10, R11, VD4 подается напряжение -15В. При этом номиналы R10, R11 подобраны такими, чтобы они светились минимально, даже менее, чем в полнакала. При этом, как только это напряжение по модулю снизится до 13,5…14,5В, светодиод VD4 погаснет. Т.е. светиться он будет, в данном случае, только если отрицательное напряжение равно -15В или около этого. То же самое относится и к цепи R8, R9, VD3.

Источник опорного питания +15В

Он собран на элементе КР142ЕН8Е. Индикация того, что он выдает напряжение не ниже +15В, выполняется цепью R8, R9, VD3 (при замкнутой цепи «Кн.1», т.е. при нажатой кнопке, естественно).

Таким образом, для проверки наличия напряжений -15В, +15В необходимо будет нажать кнопку и убедиться, что оба светодиода загорелись. Если так постоянно делать не хочется, то можно в схеме замкнуть накоротко выводы с « Кн.1», «Кн.2 ». При этом светодиоды будут загораться (при наличии требуемых напряжений) сразу после включения выключателя « Вкл.1, Вкл.2 ». Но, повторимся, это приведет к дополнительному расходу энергии, т.е. снизит экономичность усилителя.

Вход и защита входа усилителя

Вход находится там, где присутствует провод «К датчику». Второй вывод датчика подсоединяется к массе. Защиту входа образуют элементы R12, R13, VD5…VD8. Это – дополнительная цепь защиты входа операционного усилителя К140УД13. Так как стабилитроны VD5…VD8 рассчитаны на максимальное напряжение 3,6В, их максимальный ток равен 100 мА, получаем, что максимальное напряжение на проводе «К датчику» может составлять, ориентировочно,

100*10 -3 *1*10 3 = 100В.

Примечание 1 . Дублирующие стабилитроны VD7, VD8 введены в схему для надежности. Хотя, в общем, в них нет необходимости.

Примечание 2 . Конечно, так как после этой цепи идут R14, VD1, VD2, то напряжения стабилизации стабилитронов лучше бы выбрать не 3,6В, а гораздо выше, например, равным 200В. При этом защитные свойства входа усилителя существенно вырастут.

Внешний вид усилителя

Для усилителя был куплен соответствующий корпус (благо, в настоящее время с этим проблем нет – выпускаются корпуса самых разных размеров). Вот как выглядит собранный усилитель:

А вот так – снаружи, где вход:

Как видно, вверху слева имеется выключатель, под ним – та самая кнопка, которая при нажатии вызывает индикацию напряжений питания +/-15В (будут светиться светодиоды), если они не слишком ниже по абсолютной величине.

К клеммам можно подключать какой-нибудь датчик (например, термопару) или иной источник малой величины ЭДС, которую следует измерить.

Выходные клеммы находятся на задней стенке усилителя. К ним следует подключить обычный мультиметр, со шкалой на 2 В. При этом погрешность измерения такого мультиметра должна составлять, уж по крайней мере, не выше 5%. Это обеспечит возможность измерения ЭДС датчика от 1 мВ и даже ниже. А если мультиметр имеет шкалу в диапазоне до 200 мВ, то тогда усилитель даст возможность измерения постоянных напряжений уже в районе микровольт.

Где может быть полезен разработанный усилитель?

Например, при точном измерении:

Ранее мы приводили схему измерителя СВЧ-излучения (кстати, там же Вы можете почитать о влиянии СВЧ на живые организмы и др.). Однако, она имела недостатки:

В предлагаемой выше конструкции эти недостатки во многом устранены. Схема работала вполне корректно даже при таком напряжении батарей питания, когда индикаторные светодиоды еле-еле светились.

Бюджет конструкции

Стоимость деталей для конструкции, если руководствоваться розничными ценами в уфимских магазинах на середину 2019 г., составила где-то 3 тыс. руб. Конечно, если заказывать детали на том же Алиэкспресс, она будет ниже в разы. По-видимому, можно будет уложиться в 1000 руб.

Источник