2.6. Практикум: разбираем схемы

Палец замыкает площадки: от +9 В через кожу и 10 кОм в базу $T_1$ течёт ток $(9-1,3)/1\text{МОм}\approx 8$ мкА (1,3 В — два перехода составного транзистора). Пара $T_1{T}_2$ — схема ДарлингтонаСхема Дарлингтона — два транзистора, эмиттер первого питает базу второго: коэффициент усиления по току перемножается ($\approx h_{21Э1}{h}_{21Э2}$). с $\beta \approx 150\cdot 150=22500$, так что она способна пропустить $8\text{мкА}\cdot 22500\approx 170$ мА. Светодиоду с резистором 470 Ом нужно около $(9-2-0,9)/470\approx 13$ мА — запас больше чем десятикратный, $T_2$ насыщается (с поправкой: составной транзистор не насыщается глубже одного диодного падения, поэтому в расчёте 0,9 В). Во влажную погоду сопротивление кожи меньше, ток больше — работа только надёжнее. Резистор 10 кОм нужен на случай, если площадки замкнуть металлом: без него ток базы ограничивало бы лишь сопротивление переходов, и $T_1$ мог бы сгореть. Минус схемы — она реагирует и на влажную грязь между площадками и на наводки; на практике между базой и эмиттером $T_1$ ставят резистор в несколько мегаом.

В обычном режиме ток нагрузки мал, напряжение на $R_{д}$ меньше 0,6 В, $T_2$ закрыт, и $T_1$ — обычный насыщенный ключ с током базы около $(12-0,6-0,6)/1\text{кОм}\approx 11$ мА. Как только ток нагрузки дорастает до $0,6\text{В}/1\text{Ом}=0,6$ А, $T_2$ приоткрывается и забирает часть тока $R_1$, база $T_1$ получает меньше, и ток перестаёт расти — получается источник тока на 0,6 А. Это та же отрицательная обратная связьОтрицательная обратная связь (ООС) — часть выхода подаётся на вход так, что вычитается из входного сигнала. Усиление падает, зато схема становится линейной и предсказуемой., что в стабилизаторе, только по току. При коротком замыкании нагрузки на $T_1$ падают почти все 12 В: $P=12\cdot 0,6\approx 7$ Вт — без радиатора транзистор перегреется за секунды. Поэтому настоящие защиты либо ограничивают ток сильнее при большом напряжении на ключе («с обратным загибом»), либо отключают нагрузку совсем.

Диоды держат базу $T_1$ на $12-1,3=10,7$ В, эмиттер на 0,65 В выше — 11,35 В, и на $R_{Э}$ одно диодное падение: $I=0,65/1,3\text{кОм}=0,5$ мА. Этот ток почти не зависит от напряжения на конденсаторе, поэтому $dU/dt=I/C=0,5\text{мА}/0,1\text{мкФ}=5$ В/мс — пила линейна. Источник работает, пока $T_1$ не насытится: до $11,35-0,2\approx 11,1$ В. Если сброса нет, напряжение упрётся в этот уровень и застынет. Нагрузка 10 кОм отбирала бы ток $U/10\text{кОм}$ — до 1,1 мА, больше зарядного, и пила стала бы экспонентой; выход нужно буферизовать повторителем (лучше на полевом транзистореПолевой транзистор (ПТ) — затвор управляет током канала сток — исток напряжением; ток затвора — лишь утечка (пикоамперы). или ОУ). Заметьте ещё: диоды и $T_1$ имеют похожие температурные коэффициентыТемпературный коэффициент напряжения (ТКН) — на сколько меняется напряжение при нагреве на 1 °С: в мВ/°С или в относительных единицах ($10^{-6}$/°С = 1 ppm/°С)., поэтому ток при нагреве меняется слабо, около −0,3 %/°C.

а. В положительной полуволне всё в порядке: ток базы ограничен резистором 4,7 кОм. Но при −12 В на входе к переходу база–эмиттер прикладывается почти всё это напряжение в обратном направлении, а он выдерживает лишь около 6 В. Переход пробивается, течёт обратный ток, и $\beta$ транзистора необратимо падает; со временем ключ отказывает. Нужен диод встречно-параллельно переходу (катодом к базе) или последовательно с базой.

б. Диод включён анодом к +12 В, катодом к коллектору. Пока транзистор закрыт, ничего не заметно. Но стоит ему открыться, и диод оказывается в прямом направлении между +12 В и почти нулевым коллектором: через диод и транзистор течёт ток, ограниченный лишь их сопротивлениями, — сгорят оба. Диод должен смотреть катодом к плюсу питания, анодом к коллектору; тогда в работе он заперт и проводит только выброс обмотки при выключении.

в. Эмиттер p-n-p на +12 В. Чтобы транзистор закрылся, база должна подняться почти до 12 В, а вывод микроконтроллера даёт не больше 3,3 В. Значит, транзистор открыт всегда — и при «нуле», и при «единице» на выводе, а через базовый резистор в вывод течёт ток от 12-вольтовой цепи, что может испортить микроконтроллер. Правильно — управлять p-n-p через дополнительный n-p-n-ключ, который тянет базу p-n-p вниз, плюс резистор база–эмиттер у p-n-p.

г. Лампа включена в эмиттер, т. е. транзистор работает повторителем, а не ключом. Эмиттер не поднимется выше $5-0,6=4,4$ В, лампа на 12 В еле тлеет, а остальные 7,6 В падают на транзисторе, который при этом греется. Лампу надо перенести в коллектор (между +12 В и коллектором), эмиттер — на общий провод; тогда транзистор насыщается и лампа получает почти всё напряжение.

д. Как источник тока схема устроена верно, но опорное напряжениеОпорное напряжение — точное и стабильное напряжение, с которым схема сравнивает выход (стабилизатор, АЦП, ЦАП, вольтметр). Его стабильность ограничивает точность всего прибора. берётся с делителя прямо от батареи. Напряжение на базе пропорционально напряжению батареи, а ток — разности $U_{Б}-0,6$ В, которая меняется ещё сильнее: при разряде с 9 до 7 В база опускается на 22 %, а ток — примерно на 30 %. Источник тока перестаёт быть источником тока. Базу надо питать от стабилизированного напряжения: стабилитронаСтабилитрон (диод Зенера) — диод, работающий в обратном пробое: в широком диапазоне токов напряжение на нём почти постоянно., двух диодов (как в генераторе пилы) или использовать источник с опорой на $U_{БЭ}$.

е. Транзисторы никогда не бывают одинаковыми: при одном и том же $U_{БЭ}$ их токи могут различаться в разы, и тот, что проводит больше, сильнее греется, его $U_{БЭ}$ падает, и он забирает ещё больше тока. Это тепловой разгонТепловой разгон — положительная тепловая обратная связь: ток греет транзистор, $U_{БЭ}$ падает, ток растёт ещё сильнее — вплоть до гибели транзистора., только между двумя транзисторами, — в итоге один из них берёт почти весь ток и сгорает. Нужны выравнивающие резисторы в эмиттерах (обычно 0,1–0,5 Ом, чтобы на них при номинальном токе падало 0,2–0,5 В): они работают как в выходных каскадах — гасят различия $U_{БЭ}$.

ж. Ёмкость выбрали по $R_{Э}$: на 100 Гц импеданс 4,7 мкФ — 340 Ом, «намного меньше килоома», казалось бы, достаточно. Но сравнивать надо с $r_{э}=25/2=12,5$ Ом — именно оно вместе с конденсатором определяет усиление. Конденсатор перестаёт «заземлять» эмиттер на частотах ниже $f=1/(2\pi \cdot 4,7\text{мкФ}\cdot 12,5\text{Ом})\approx 2,7$ кГц: весь низ и середина звукового диапазона усиливаются слабее, звук получается «тонким». Нужно 470 мкФ и больше или — лучше — часть эмиттерного сопротивления оставить незашунтированной, чтобы усиление задавалось резистором.

з. Входы подключены через конденсаторы, а цепи для постоянного тока баз нет. Конденсатор постоянный ток не пропускает, базы «висят», потенциал на них определяется утечками; пара либо заперта, либо уходит в насыщениеНасыщение — внешняя цепь не может пропустить ток $\beta I_{Б}$; коллектор опускается почти до эмиттера ($U_{КЭнас}$ = 0,05–0,2 В), и ток задаёт нагрузка, а не база., и режим непредсказуем. Нужны резисторы от каждой базы на общий провод (или к источнику смещения), выбранные так, чтобы падение от тока базы на них было мало, и, желательно, одинаковые для обоих входов.

и. Зеркало работает только на одинаковых транзисторах: при одном $U_{БЭ}$ токи пропорциональны токам насыщенияТок насыщения $I_{нас}$ перехода — масштабный множитель в уравнении Эберса — Молла; очень мал ($\sim 10^{-14}$ А) и сильно растёт с температурой. $I_{нас}$, а те зависят от площади перехода. У мощного транзистора $I_{нас}$ в десятки раз больше, так что выходной ток окажется в десятки раз больше программирующего и вдобавок будет по-разному зависеть от температуры, если транзисторы на разных радиаторах. Для отношения токов, отличного от единицы, есть правильные приёмы: несколько одинаковых транзисторов параллельно или резистор в эмиттере.

к. Составной транзистор не насыщается глубже одного диодного падения: на ключе остаётся 0,8–1 В. Мотору достаётся не 5, а около 4 В — на 20 % меньше, а ключ рассеивает $3\text{А}\cdot 0,9\text{В}\approx 2,7$ Вт, нужен радиатор. При низком питании и большом токе лучше одиночный мощный транзистор с большим током базы (от промежуточного ключа) или полевой транзистор с малым сопротивлением канала (раздел 3.3). Диод на моторе, кстати, стоит правильно.

л. Повторитель класса А с током покоя $(12-0,6)/1\text{кОм}\approx 11$ мА. На положительной полуволне транзистор отдаст в динамик сколько угодно, но на отрицательной ток в динамик может прийти только через $R_{Э}$ — не больше 11 мА, т. е. пик $11\text{мА}\cdot 8\text{Ом}\approx 0,09$ В. Нижние полуволны срезаны почти полностью. Нужен двухтактный выход или ток покоя не меньше пикового тока динамика (с соответствующим нагревом).