V tomto projektu si ukážeme, jak sestavit vyrovnávací obvod s tranzistorem. s několika rezistory a kondenzátory.
Zbuffer je zařízení, které vyvede stejné napětí, jaké je do něj přivedeno. může sloužit k nesčetným účelům, například umožňuje maximální přenos napětí a způsobuje nízké proudové zatížení ze zdroje.
Tento obvod nepoužívá integrovaný obvod jako integrovaný buffer.
Používá pouze jednoduché součástky.
Typ tranzistoru, který používáme, je tranzistor s bipolárním přechodem typu NPN, lze použít jakýkoli; oblíbené jsou 2N3904 a 2N2222.
Tranzistorový obvod bude nakonfigurován jako emitorový sledovač (jiný název jespolečný kolektorový obvod).
Obvod emitorového sledovače je tranzistorový obvod, ve kterém napětí na emitoru sleduje vstupní napětí. Je takříkajíc zrcadlovým obrazem vstupního napětí. Napětí na výstupu je tedy stejné jako napětí na vstupu.
Protože výstupní napětí je zrcadlovým obrazem vstupního napětí a vstupní impedance je velká a výstupní impedance malá, funguje emitorový sledovač jako nárazník.
Pokud je tedy třeba bufferovat napěťovou linku, lze ji připojit na vstup tohoto obvodu a zátěž, kterou je třeba napájet, se připojí na výstup tohoto obvodu.
To je skvělé, když nemáte k dispozici vyrovnávací čip nebo logický čip, který můžete převést na vyrovnávací obvod.
V našem obvodu bude konkrétně vstupní impedance přes 50KΩ a výstupní impedance bude asi 5Ω. To vytváří docela dobrý buffer efekt na jakékoliv napětí, které je třeba bufferovat.
Zkonstruujeme tento typ tranzistorového obvodu, který bude fungovat jako vyrovnávací paměť.
Pro správný návrh obvodu emitorového sledovače je třeba vzít v úvahu několik faktorů, včetně toho, jaké stejnosměrné napětí je přiváděno na kolektor tranzistoru, jak velký proud má tranzistorem procházet a jaká je mezní frekvence střídavých signálů vstupujících na vstup.
Všechny tyto pojmy probereme mnohem podrobněji níže. Na tomto zapojení si ukážeme, jak jej konfigurovat a jak volit hodnoty rezistorů a kondenzátorů, což se nazývá předpětí tranzistoru.
Potřebné součástky
- 2N3904 NPN tranzistor
- 1KΩ rezistor
- 1.1KΩ rezistor
- 500Ω rezistor
- 16μF elektrolytický kondenzátor
- 1600μF elektrolytický kondenzátor
Zvolený tranzistor může být opravdu jakýkoliv BJT NPN tranzistor. Pro tento obvod zvolíme tranzistor 2N3904.
Pro spoustu hodnot součástek, které skutečně vypočítáme, nebudete schopni tyto přesné hodnoty najít. Například níže vypočítáme hodnotu jednoho z rezistorů na 565Ω. Tento rezistor však neexistuje. Proto jej aproximujeme. Je možné najít rezistor o hodnotě 500Ω, a i když se vám to nepodaří, můžete dát paralelně dva rezistory o hodnotě 1KΩ, čímž získáte ekvivalentní odpor 500Ω.
Odpor 1,1KΩ také nenajdete. Takže ho můžete buď aproximovat na 1KΩ, nebo dát rezistor 1KΩ do série s rezistorem 100Ω. Pro všechny základní účely to není nutné. Místo rezistoru 1,1KΩ můžete jednoduše připojit rezistor 1KΩ. Dá to podobné výsledky.
Stejné přibližné hodnoty je třeba použít i pro hodnoty kondenzátorů. Najděte hodnoty co nejbližší vypočteným hodnotám kondenzátorů a použijte je.
Obvod tranzistorového bufferu
Obvod bufferu, který sestavíme s jedním tranzistorem NPN BJTa několika rezistory a kondenzátory, je znázorněn níže.
Deskové zapojení výše uvedeného obvodu je znázorněno níže. 
Výše uvedený obvod tedy funguje jako vyrovnávací paměť. Vedení, které chcete bufferovat, se připojí na vstup a zátěž, kterou chcete napájet, se připojí na výstup obvodu.
Nyní se dostaneme k podrobnostem, proč jsou pro obvod potřeba různé součástky a jak pro ně zvolit hodnoty.
Nejprve se tedy rozhodneme, jak velké napětí budeme tomuto obvodu dodávat. Jedná se o napětí, VCC, přivedené na kolektor tranzistoru. Můžete zvolit opravdu jakoukoli hodnotu od hodnoty nad VB, tedy napětí báze, až po maximální hodnotu, kterou tranzistor na kolektoru zvládne. U většiny tranzistorů je to obvykle 40-60 V. Pro náš obvod zvolíme pro VCC rozumnou hodnotu napětí 12. To je tedy první úvaha.
Dále, nyní když známe VCC, předřadíme napětí báze obvodu, což znamená, že zvolíme napětí, které chceme, aby padalo na bázi tranzistoru. jakou hodnotu chceme na bázi? Abychom na tuto otázku odpověděli, podíváme se na celý obrázek. Velikost střídavého napětí, které může být na výstupu tranzistoru, závisí na rozsahu stejnosměrného napětí, které má obvod. Na jednom konci spektra může tranzistor kmitat až do 12V, což je VCC. Na druhém konci spektra může tranzistor kolísat až k hodnotě blízké zemi, tedy asi 0,7 V. Důvodem, proč tranzistor nemůže úplně kmitat k zemi, je to, že se tranzistor nezapne, pokud není sepnuta dioda, a to se stane při napětí asi 0,7 V, což je bariérové napětí pro vnitřní diodu. Proto je 0,7 V spodní hranicí obvodu, a ne zem nebo 0 V. Proto při napájení 12V a zemi 0,7V může tranzistor kolísat od 0,7V až po 12V. Proč je to důležité s ohledem na napětí, které přivádíme do báze, je to, že jakékoliv napětí přicházející do obvodu má podlahu 0,7V a strop 12V. Proto chceme napětí báze vychýlit tak, aby se pohybovalo mezi těmito hodnotami. Tím dosáhneme maximálního vybuzení signálu od špičky ke špičce a získáme co největší prostor pro práci bez ořezání. Pokud je napětí báze vychýleno nesprávně nebo daleko od středu, může dojít k výraznému oříznutí tranzistoru, které způsobí špatný výstup. Pro strop 12 V a dno 0,7 V by střední hodnota byla (12 – 0,7 V)/2 +0,7 V= 6,35 V. Musíme vzít v úvahu úbytek napětí na diodě, protože hodnota na bázi je o 0,7V vyšší než na výstupu. Předpětí na bázi přesně uprostřed stropu a podlahy umožňuje maximální výkyv střídavého signálu, tzv. maximální špičkové vybuzení. Při předpětí tranzistorového obvodu, který pracuje se střídavými signály, je střídavý signál, který se bude moci objevit na výstupu bez ořezání, ekvivalentní předpětíDC. Střídavý signál bude moci kmitat pouze tak daleko, jak mu to dovolí stejnosměrné předpětí. Pokud je napájecí napětí 20 V a dolní hranice je 0,7 V, může se tranzistor rozkmitat od špičkové hodnoty 20 V do dolní hranice 0,7 V. Umístění tranzistoru ve středu těchto napětí umožňuje maximální výkyv střídavého signálu od stropu k podlaze. To je optimální pracovní bod stejnosměrného proudu pro obvod, který se nazývá bod Q nebo klidový bod. pokud zvolítepříliš nízkou hodnotu stejnosměrného proudu, způsobíte dřívější oříznutí signálu ve spodní části křivky. Pokud zvolíte příliš vysoké stejnosměrné provozní napětí, způsobíte, že se singál ořízne v horní části křivky.
Na základě tohoto bodu tedy chceme, aby napětí na bázi bylo uprostřed mezi 12 V, napájecím napětím, a 0,7 V, které představuje podlahu. Takže VB= 0,7V + (12V-0,7V)/2, což je 6,35V. Abychom tedy získali toto napětí, musíme zvolit takové odpory, které umožní, aby se toto napětí objevilo na bázi. Napětí na bázi je zkresleno přes 2 rezistory. Rezistory tvoří dělič napětí a dělí napájecí napětí. Volbou rezistorů správné hodnoty můžeme naše napájecí napětí rozdělit na libovolné napětí menší než napájecí. Napětí na bázi VB= VCC * (R2/R1+R2). Abychom tuto rovnici vyřešili, zvolíme hodnotu jednoho rezistoru a na základě této hodnoty rezistoru vypočítáme hodnotu druhého rezistoru podle tohoto vzorce. Pro rezistor R2 je tedy zvolena hodnota 1KΩ jako referenční bod pro druhý rezistor. Dosazením těchto hodnot do vzorce dostanemeVB= VCC * (R2/R1+R2)= 6,35V (12V) (1KΩ). /(R1+1KΩ). Když to spočítáme, dostaneme hodnotu R1= 1,1KΩ. Abychom tedy získali hodnotu 6,35V na bázi, jsou hodnoty rezistorů R1 rovny 1,1KΩ a R2=1KΩ.
Dále musíme rozhodnout o hodnotě rezistoru RE. Hodnota, kterou zvolíme, je integrální, abychom tranzistor nepřehřáli a případně nezničili. To, jak zvolíme RE, vychází z hodnoty proudu, IE, který chceme tranzistorem sledovat, a z toho, jaký proud může tranzistorem bezpečně protékat. Takže prostě a zvolíme rozsah, který je bezpečným proudem, který může protékat tranzistorem a který ho nespálí. Bezpečný proud je 10 mA. To je slušná velikost proudua taková, která tranzistor nespálí. Takže emitorový odpor, RE= VE/IE, kde VE je napětí na emitoru a IE je proud protékající emitorem. VE=VB-0,7V = 5,65V. Jediný rozdíl napětí mezi napětím báze a emitoru je úbytek napětí na diodě mezi těmito dvěma přechody. Protože tranzistor má v sobě diodu od báze k emitoru, má tranzistor vnitřní úbytek napětí. Proto se emitorové napětí rovná napětí báze minus úbytek napětí na diodě. Takže vzorec RE= VE/IE= 5,65V/10mA= 565Ω. Pro tento obvod by tedy dobře stačil rezistor RE o hodnotě přibližně 500Ω.
Na závěr musíme zvolit hodnotu kondenzátorů v tomto obvodu. Oba kondenzátory mají stejnou funkci. Propouštějí pouze střídavý signál a blokují průchod stejnosměrného signálu. Fungují tedy jako vazební kondenzátory.
Nejprve si ukážeme, jak vypočítat hodnotu kondenzátoru na vstupu.
Pro správnou volbu vhodné hodnoty kondenzátoru musíme vzít v úvahu mnoho věcí, které nyní probereme.
Za prvé musíme rozhodnout o mezním kmitočtu obvodu. To je frekvence, kterou chceme odfiltrovat. Pokud se zabýváme zvukovými signály, frekvenční rozsah, který je pro člověka slyšitelný, je 20 Hz až 20 000 Hz. Pokud stavíme náš tranzistor tak, že chceme, aby jím procházely pouze slyšitelné signály, je 20 Hz vhodnou mezní frekvencí, kterou zvolíme. To znamená, že jakákoli frekvence v tomto rozsahu nebo nižší bude odfiltrována do země. Jako naši mezní frekvenci tedy zvolíme 20 Hz. Pokud vezmeme 20Hz a aplikujeme ji na úhlovou frekvenci, ω=2πf, dostaneme ω=2πf≈125s-1. To je jedna část rovnice.
Další věc, kterou musíme vzít v úvahu, je hodnota odporu, kterou kondenzátor vidí. První část tohoto obvodu od kondenzátoru a odporu, který vidí, až k zemi tvoří vysokofrekvenční filtr, RC vysokofrekvenční filtr. RC vysokofrekvenční filtr je obvod složený z kondenzátoru s rezistorem připojeným k zemi.
Pokud jste si představili proud tekoucí do obvodu, proud může jít buď 1 ze 3 cest. Proud může procházet kondenzátorem a přes rezistor R2 a dolů do země. Proud může procházet kondenzátorem a přes rezistor R1. Nebo může proud protékat tranzistorem a přes rezistor RE až na zem. Může se zdát zvláštní, že proud může protékat rezistorem R1, ale střídavé signály vnímají stejnosměrné úrovně napětí také jako zem. Takže i když je na něm stejnosměrná úroveň 12V (přes R1), pro střídavé signály,může být také zemí; to je důvod, proč to může být také cesta dolů k zemi.
Toto jsou tedy 3 cesty, kterými může v obvodu protékat proud. Přestože proud může jít těmito cestami, je to nakonec to, co kondenzátor vidí, co určuje skutečný odpor, na který narazí. O tom si tedy nyní promluvíme. Odpory R1a R2 jsou zapojeny paralelně. Kondenzátor tedy vidí ekvivalentní odpor těchto dvou paralelních rezistorů. Kondenzátor tedy vidí 1KΩ paralelně s rezistorem 1,1KΩ. Ekvivalentní odpor těchto rezistorů je zhruba 500Ω. To je tedy odpor, který kondenzátor vidí na jedné cestě. Druhá cesta je, když proud prochází tranzistorem a přes rezistor RE. Tento odpor bude βRE. Při β rovném přibližně 100 se při této matematice tento odpor vypočítá na56KΩ.
Pamatujte, že proud jde vždy cestou nejmenšího odporu. Takže mezi možnostmi 500Ω nebo 56KΩ bude proud zřejmě volit cestu 500Ω.
Takže 500Ω je ekvivalentní odpor, který vidí síť RC horní propusti, a my víme, že chceme mezní frekvenci 20 Hz. A výpočet úhlové frekvence pro 20Hz nám dává: ω=2πf≈125s-1.
Přejdeme tedy k rovnici, REQC1= 1/125s-1= (500Ω)C1= 0,008s. Když to spočítáme, vyjde nám, že hodnota C1 je 16µF. Takže první kondenzátor je 16µF.
Nyní přejdeme k druhému kondenzátoru. A ten je zvolen podobně jako první kondenzátor.
Chceme, aby druhý kondenzátor reagoval podobně jako první, pokud jde o frekvenci, se kterou máme co do činění. Je to proto, že stejný frekvenční signál, který je na vstupu, je i na výstupu. Chcete tedy, aby frekvenční odezva obou kondenzátorů odpovídala. U výstupního kondenzátoru tedy také počítáme podle jeho frekvenční odezvy 20 Hz. Výpočtem úhlové frekvence opět dostaneme: ω=2πf≈125s-1.
Použijeme opět stejný vzorec, REQC2= 1/125s-1.
Co je v tomto případě REQ? REQ je odpor, který vidí výstupní kondenzátor v obvodu. Při pohledu od kondenzátoru zpět na vstupní stranu vidí kondenzátor odpor (R1 || R2)/β= (1,1KΩ || 1KΩ)/100= (523Ω/100) ≈ 5Ω. Výstupní kondenzátor má tedy při pohledu zpět na vstup obvodu ekvivalentní odpor 5Ω.
Při dosazení těchto hodnot do rovnice tedy dostaneme REQC2= 1/125s-1= (5Ω)C2= 0,008s. Řešením pro C2 získáme hodnotu 1600µF. To je tedy hodnota výstupního kondenzátoru.
A nyní jsme vyřešili všechny hodnoty součástek v obvodu.
Na základě výpočtů vidíte, že obvod má vysokou vstupní impedanci a nízkou výstupní impedanci. Jak jsme spočítali, vstupní impedance je βRE, kterou jsme vypočítali na hodnotu 56KΩ. Výstupní impedanci jsme vypočítali na hodnotu 5Ω. Vidíte tedy, že tento obvod má vysokou vstupní impedanci a nízkou výstupní impedanci.
Funguje tedy velmi dobře jako vyrovnávací paměť.
Tento obvod lze přidat k napěťovému vedení, které je třeba vyrovnat, což umožňuje přenést veškeré napětí a zároveň dát na výstup nízkou impedanci, aby bylo možné napájet zátěž.
Víte, že se jedná o základní vyrovnávací obvod. Není tak přesný jako skutečný vyrovnávací obvod. Za prvé, vyrovnávací čip má větší impedanci a nižší výstupní impedanci. Za další, není to zcela přesný obvod napěťového sledovače. Vzhledem k tomu, že tranzistor má vnitřní diodu, která má úbytek napětí zhruba odpovídající 0.7 V, ztrácí toto napětí na výstupu. Výstupní signál je tedy o 0,7 V nižší než vstupní signál. Je tedy vidět, že se nejedná o úplně napěťový sledovač.
Pro všechny základní účely však funguje velmi dobře jako buffer s nízkou přesností
.