In diesem Projekt werden wir zeigen, wie man einen Puffer mit einem Transistor baut. mit ein paarWiderständen und Kondensatoren.
Ein Puffer ist ein Gerät, das die gleiche Spannung ausgibt, mit der es gespeist wird, und das für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt werden kann, z. B. um eine maximale Spannungsübertragung zu ermöglichen und eine geringe Strombelastung durch eine Stromversorgung zu verursachen.
Dieser Schaltkreis verwendet keinen integrierten Schaltkreis wie ein IC-Puffer.
Sie verwendet nur einfache Bauteile.
Der von uns verwendete Transistortyp ist ein bipolarer Sperrschichttransistor des NPN-Typs; es können beliebige Transistoren verwendet werden; beliebte sind der 2N3904 und der 2N2222.
Die Transistorschaltung wird als Emitterfolger konfiguriert (eine andere Bezeichnung ist „Kollektorschaltung“).
Eine Emitterfolgerschaltung ist eine Transistorschaltung, bei der die Spannung am Emitter der Eingangsspannung folgt. Sie ist sozusagen ein Spiegelbild der Eingangsspannung. Daher ist die Spannung am Ausgang die gleiche wie die Spannung am Eingang.
Da die Ausgangsspannung ein Spiegelbild der Eingangsspannung ist und dieEingangsimpedanz groß und die Ausgangsimpedanz klein ist, funktioniert der Emitterfolger wie ein Puffer.
Wenn also eine Spannungsleitung gepuffert werden muss, kann sie an den Eingang dieser Schaltung angeschlossen werden, und die Last, die gespeist werden muss, wird an den Ausgang dieser Schaltung angeschlossen.
Dies ist ideal, wenn man keinen Pufferchip zur Verfügung hat oder einen Logikchip, den man in einen Puffer umwandeln kann.
In unserer Schaltung wird die Eingangsimpedanz über 50KΩ und die Ausgangsimpedanz etwa 5Ω betragen. Das erzeugt eine ziemlich gute Pufferwirkung auf jede Spannung, die gepuffert werden muss.
Wir werden diese Art von Transistorschaltung so konstruieren, dass sie als Puffer fungiert.
Um eine Emitterfolgerschaltung korrekt zu entwerfen, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, darunter die Höhe der Gleichspannung am Kollektor des Transistors, die Höhe des Stroms, der durch den Transistor fließen soll, und die Grenzfrequenz der Wechselstromsignale am Eingang.
Auf all diese Konzepte werden wir im Folgenden noch genauer eingehen. Wir werden in dieser Schaltung zeigen, wie man sie konfiguriert und wie man die Werte der Widerstände und Kondensatoren wählt, was als Transistorvorspannung bezeichnet wird.
Benötigte Komponenten
- 2N3904 NPN-Transistor
- 1KΩ-Widerstand
- 1.1KΩ-Widerstand
- 500Ω-Widerstand
- 16μF-Elektrolytkondensator
- 1600μF-Elektrolytkondensator
Der gewählte Transistor kann wirklich jeder BJT-NPN-Transistor sein. Für diese Schaltung wählen wir den Transistor 2N3904.
Für viele der Werte der Komponenten, die wir tatsächlich berechnen, werden Sie nicht in der Lage sein, die genauen Werte zu finden. Zum Beispiel berechnen wir unten einen der Widerstände mit 565Ω. Dieser Widerstand existiert jedoch nicht. Wir nähern uns also an. Es ist möglich, einen 500Ω-Widerstand zu finden, und selbst wenn nicht, kann man 2 1KΩ-Widerstände parallel schalten, um einen äquivalenten Widerstand von 500Ω zu erhalten.
Einen 1,1KΩ-Widerstand wirst du auch nicht finden. Also kann man entweder auf 1KΩ herunterrechnen oder einen 1KΩ-Widerstand in Reihe mit einem 100Ω-Widerstand schalten. Für alle grundlegenden Zwecke ist dies jedoch nicht erforderlich. Sie können einfach einen 1KΩ-Widerstand anstelle von 1,1KΩ anschließen. Dies führt zu ähnlichen Ergebnissen.
Die gleichen Näherungswerte sollten für die Kondensatorwerte verwendet werden. Finden Sie einen Wert, der den berechneten Kondensatorwerten so nahe wie möglich kommt, und verwenden Sie diesen.
Transistor-Pufferschaltung
Die Pufferschaltung, die wir mit einem einzelnen NPN-BJT-Transistor und ein paar Widerständen und Kondensatoren bauen werden, ist unten abgebildet.
Die Breadboard-Schaltung der obigen Schaltung ist unten abgebildet. 
Die obige Schaltung dient also als Puffer. Die Leitung, die gepuffert werden soll, wird mit dem Eingang verbunden und die Last, die eingeschaltet werden soll, wird mit dem Ausgang der Schaltung verbunden.
Wir werden jetzt im Detail erklären, warum die verschiedenen Komponenten für die Schaltung benötigt werden und wie man die Werte für sie wählt.
Als Erstes müssen wir also entscheiden, wie viel Spannung wir der Schaltung zuführen wollen. Das ist die Spannung, VCC, die am Kollektor des Transistors anliegt. Man kann wirklich jeden Wert über VB, der Basisspannung, bis zum Maximalwert wählen, den der Transistor am Kollektor verarbeiten kann. Dieser Wert liegt bei den meisten Transistoren bei 40-60 V. Für unsere Schaltung werden wir einen vernünftigen Spannungswert von 12 für VCC wählen, das ist also die erste Überlegung.
Als Nächstes, nachdem wir nun VCC kennen, stellen wir die Basisspannung der Schaltung ein, d. h. wir wählen die Spannung aus, die an der Basis des Transistors anliegen soll. welchen Wert wollen wir an der Basis? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns das Gesamtbild ansehen. Die Höhe der Wechselspannung, die am Ausgang des Transistors anliegen kann, hängt von dem Gleichspannungsbereich ab, den die Schaltung hat. An einem Ende des Spektrums kann der Transistor bis zu 12 V, also VCC, ausgeben. Am anderen Ende des Spektrums kann der Transistor bis in die Nähe von Masse, etwa 0,7 V, ausschlagen. Der Grund dafür, dass der Transistor nicht vollständig nach Masse schwingen kann, ist, dass der Transistor nicht eingeschaltet wird, solange die Diode nicht eingeschaltet ist, und das geschieht bei etwa 0,7 V, der Sperrspannung für die interne Diode. Daher sind 0,7 V die Untergrenze der Schaltung und nicht Masse oder 0 V. Bei einer Versorgungsspannung von 12 V und einer Masse von 0,7 V kann der Transistor also von 0,7 V bis zu 12 V schwanken. Für die Spannung, die wir der Basis zuführen, ist dies deshalb von Bedeutung, weil die in den Schaltkreis eingespeiste Spannung eine Untergrenze von 0,7 V und eine Obergrenze von 12 V hat. Daher wollen wir die Basisspannung so vorspannen, dass sie zwischen diesen Werten liegt. Dadurch erhält das Signal eine maximale Auslenkung von Spitze zu Spitze und hat den größten Spielraum, um ohne Übersteuerung zu arbeiten. Wenn die Basisspannung falsch oder weit von der Mitte entfernt vorgespannt wird, kann der Transistor ein erhebliches Clipping aufweisen, das zu einer schlechten Ausgabe führt. Bei einer Obergrenze von 12 V und einer Untergrenze von 0,7 V wäre der Mittelwert (12 – 0,7 V)/2 + 0,7 V = 6,35 V. Wir müssen den Spannungsabfall der Diode berücksichtigen, da der Wert an der Basis 0,7 V höher ist als am Ausgang. Durch die Vorspannung der Basisspannung genau in der Mitte zwischen Ober- und Untergrenze wird eine maximale Auslenkung des Wechselstromsignals erreicht, die als maximale Spitze-Spitze-Auslenkung bezeichnet wird. Bei der Vorspannung einer Transistorschaltung, die mit Wechselstromsignalen arbeitet, entspricht das Wechselstromsignal, das ohne Übersteuerung am Ausgang erscheinen kann, der Gleichstromvorspannung. Das Wechselstromsignal kann nur so weit ausschlagen, wie es die Vorspannung der Gleichspannung zulässt. Bei einer Versorgungsspannung von 20 V und einer Untergrenze von 0,7 V kann der Transistor von einem Spitzenwert von 20 V bis zu einer Untergrenze von 0,7 V schwingen. Die Positionierung des Transistors in der Mitte dieser Spannungen ermöglicht den maximalen Ausschlag des Wechselstromsignals von der Ober- zur Untergrenze. Dies ist der optimale DC-Betriebspunkt für die Schaltung, der so genannte Q-Punkt oder Ruhepunkt.Wenn Sie einen zu niedrigen DC-Wert wählen, wird das Signal am unteren Ende der Wellenform früher abfallen. Wählt man eine zu hohe Betriebsgleichspannung, wird das Signal am oberen Ende der Wellenform abgeschnitten.
Ausgehend von diesem Punkt soll die Spannung an der Basis in der Mitte zwischen 12 V, der Versorgungsspannung, und 0,7 V liegen, was den Boden darstellt. Also VB= 0,7V + (12V-0,7V)/2, also 6,35V. Um diese Spannung zu erhalten, müssen wir also unsere Widerstände so wählen, dass diese Spannung an der Basis erscheint. Die Spannung an der Basis wird durch 2 Widerstände vorgespannt. Die Widerstände bilden einen Spannungsteiler und teilen die Versorgungsspannung. Wir können unsere Versorgungsspannung in eine beliebige Spannung unterteilen, die kleiner ist als die Versorgungsspannung, indem wir die Widerstände mit dem richtigen Wert wählen. Die Basisspannung, VB= VCC * (R2/R1+R2). Um diese Gleichung zu lösen, wählen wir den Wert eines Widerstands und berechnen dann auf der Grundlage dieses Werts den Wert des anderen Widerstands auf der Basis dieser Formel. Für den R2-Widerstand wird also ein Wert von 1KΩ gewählt, der als Bezugspunkt für den anderen Widerstand dient. Setzt man diese Werte in die Formel ein, erhält manVB= VCC * (R2/R1+R2)= 6,35V (12V) (1KΩ). /(R1+1KΩ). Nach der Berechnung ergibt dies einen Wert von R1= 1,1KΩ. Um also einen Wert von 6,35V an der Basis zu erhalten, sind die Werte der Widerstände R1 gleich 1,1KΩ und R2=1KΩ.
Als nächstes müssen wir den Wert des RE-Widerstands bestimmen. Der Wert, den wir wählen, ist wichtig, damit wir den Transistor nicht überhitzen und möglicherweise zerstören. Die Wahl des RE-Widerstands richtet sich nach dem Wert des Stroms, den wir durch den Transistor fließen lassen wollen, und danach, was ein sicherer Strom ist, der durch den Transistor fließt. Wir wählen also einen Bereich, der einen sicheren Strom darstellt, der durch den Transistor fließen kann, ohne dass dieser durchbrennt. Ein sicherer Strom ist 10 mA. Das ist eine anständige Strommenge, die den Transistor nicht durchbrennen lässt. Der Emitterwiderstand, RE= VE/IE, wobei VE die Spannung über dem Emitter und IE der durch den Emitter fließende Strom ist. VE=VB-0.7V = 5.65V. Der einzige Spannungsunterschied zwischen der Basisspannung und der Emitterspannung ist der Spannungsabfall der Diode zwischen den beiden Anschlüssen. Da der Transistor von der Basis zum Emitter eine Diode enthält, hat der Transistor einen internen Spannungsabfall. Daher ist die Emitterspannung gleich der Basisspannung abzüglich des Spannungsabfalls über der Diode. Die Formel lautet also: RE= VE/IE= 5,65V/10mA= 565Ω. Ein RE-Widerstand von etwa 500Ω würde also für diese Schaltung gut ausreichen.
Als letztes müssen wir den Wert der Kondensatoren in dieser Schaltung wählen. Beide Kondensatoren haben die gleiche Funktion. Sie lassen nur das Wechselstromsignal durch und sperren das Gleichstromsignal aus. Sie funktionieren also als Koppelkondensatoren.
Wir zeigen zunächst, wie man den Wert des Kondensators am Eingang berechnet.
Um einen geeigneten Wert des Kondensators richtig zu wählen, müssen wir viele Dinge berücksichtigen, die wir jetzt besprechen werden.
Zum einen müssen wir die Grenzfrequenz der Schaltung bestimmen. Das ist die Frequenz, die wir herausfiltern wollen. Bei Tonsignalen liegt der für den Menschen hörbare Frequenzbereich bei 20 Hz bis 20.000 Hz. Wenn wir unseren Transistor so konstruieren, dass nur hörbare Signale durchgelassen werden, ist 20 Hz eine gute Grenzfrequenz, die wir wählen sollten. Das bedeutet, dass alle Frequenzen in diesem Bereich oder darunter nach Masse herausgefiltert werden. Wir werden also 20 Hz als Grenzfrequenz wählen. Wenn wir 20 Hz auf die Kreisfrequenz ω=2πf anwenden, erhalten wir ω=2πf≈125s-1. Dies ist ein Teil der Gleichung.
Das nächste, was wir berücksichtigen müssen, ist der Wert des Widerstands, den der Kondensator sieht. Der erste Teil dieser Schaltung vom Kondensator und dem Widerstand, den er sieht, bis hinunter zur Masse bildet einen Hochpassfilter, einen RC-Hochpassfilter. Ein RC-Hochpassfilter ist eine Schaltung, die aus einem Kondensator und einem Widerstand besteht, der an Masse angeschlossen ist.
Wenn du dir vorstellst, dass Strom in die Schaltung fließt, kann der Strom einen von 3 Wegen nehmen. Der Strom kann durch den Kondensator und durch den R2-Widerstand bis zur Masse fließen. Der Strom kann durch den Kondensator und durch den R1-Widerstand fließen. Oder der Strom kann durch den Transistor und durch den RE-Widerstand nach unten zur Erde fließen. Es mag seltsam erscheinen, dass Strom durch den R1-Widerstand fließen kann, aber Wechselstromsignale sehen Gleichspannungspegel auch als Masse. Obwohl er also auf dem Gleichspannungspegel von 12 V (durch R1) liegt, kann er für Wechselstromsignale auch eine Masse sein; deshalb kann er auch ein Weg nach unten zur Masse sein.
Das sind also die 3 Wege, auf denen Strom in der Schaltung fließen kann. Auch wenn der Strom diese Wege nehmen kann, ist es letztendlich das, was ein Kondensator sieht, das den tatsächlichen Widerstand bestimmt, auf den er trifft. Wir werden also jetzt darüber sprechen. Die Widerstände R1 und R2 sind parallel geschaltet. Daher sieht der Kondensator den äquivalenten Widerstand dieser beiden parallelen Widerstände. Der Kondensator sieht also die 1KΩ parallel zu dem 1,1KΩ-Widerstand. Der äquivalente Widerstand dieser Widerstände beträgt etwa 500Ω. Dies ist also der Widerstand, den der Kondensator in einem Pfad sieht. Der andere Weg ist, wenn der Strom durch den Transistor und durch den Widerstand RE fließt. Dieser Widerstand ist dann βRE. Da β etwa 100 beträgt, ergibt sich bei dieser Rechnung ein Widerstand von 56 KΩ.
Denken Sie daran, dass der Strom immer den Weg des geringsten Widerstands nimmt. Zwischen den Optionen 500Ω oder 56KΩ wird der Strom also offensichtlich den 500Ω-Weg nehmen.
So 500Ω ist der äquivalente Widerstand, den das RC-Hochpassfilter-Netzwerk sieht, und wir wissen, dass wir eine Grenzfrequenz von 20Hz wollen. Und wenn wir die Kreisfrequenz für 20Hz berechnen, erhalten wir ω=2πf≈125s-1.
Die Gleichung lautet also: REQC1= 1/125s-1= (500Ω)C1= 0,008s. Das ergibt rechnerisch einen C1-Wert von 16µF. Der erste Kondensator ist also 16µF.
Nun kommen wir zum zweiten Kondensator. Er wird ähnlich wie der erste Kondensator gewählt.
Wir wollen, dass der zweite Kondensator in Bezug auf die Frequenz, mit der wir es zu tun haben, ähnlich reagiert wie der erste. Das liegt daran, dass das gleiche Frequenzsignal, das eingegeben wird, auch ausgegeben wird. Daher soll der Frequenzgang beider Kondensatoren gleich sein. Für den Ausgangskondensator berechnen wir also auch dessen 20Hz-Frequenzgang. Wenn wir die Kreisfrequenz berechnen, erhalten wir wiederum ω=2πf≈125s-1.
Wir verwenden wieder die gleiche Formel, REQC2= 1/125s-1.
Was ist REQ in diesem Fall? REQ ist der Widerstand, den der Ausgangskondensator in der Schaltung erfährt. Wenn man vom Kondensator zurück zur Eingangsseite schaut, sieht der Kondensator einen Widerstand von (R1 || R2)/β= (1,1KΩ || 1KΩ)/100= (523Ω/100) ≈ 5Ω. Der Ausgangskondensator hat also einen äquivalenten Widerstand von 5Ω, wenn man auf den Eingang der Schaltung zurückblickt.
Setzt man also diese Werte in die Gleichung ein, ergibt sich REQC2= 1/125s-1= (5Ω)C2= 0,008s. Wenn man C2 auflöst, erhält man 1600µF. Dies ist also der Wert des Ausgangskondensators.
Und jetzt haben wir alle Werte der Komponenten in der Schaltung gelöst.
Anhand der Berechnungen kann man sehen, dass die Schaltung eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz hat. Wie wir berechnet haben, ist die Eingangsimpedanz βRE, die wir auf 56KΩ berechnet haben. Die Ausgangsimpedanz haben wir auf 5Ω berechnet. Du siehst also, dass diese Schaltung eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz hat.
Sie funktioniert also sehr gut als Puffer.
Diese Schaltung kann zu einer Spannungsleitung hinzugefügt werden, die gepuffert werden muss, so dass die gesamte Spannung übertragen werden kann, während ein Ausgang mit niedriger Impedanz ausgegeben wird, so dass eine Last mit Strom versorgt werden kann.
Du musst wissen, dass dies eine einfache Pufferschaltung ist. Sie ist nicht so genau wie ein echter Pufferchip. Zum einen hat ein Pufferchip eine höhere Impedanz und eine niedrigere Ausgangsimpedanz. Zum anderen handelt es sich nicht um eine völlig genaue Spannungsfolgerschaltung. Da der Transistor eine interne Diode hat, die einen Spannungsabfall hat, der ungefähr 0 entspricht.7V, verliert er diese Spannung am Ausgang. Das Ausgangssignal ist also 0,7 V niedriger als das Eingangssignal. Sie sehen also, dass es sich nicht um einen vollständigen Spannungsfolger handelt.
Allerdings funktioniert er für alle grundlegenden Zwecke sehr gut als Puffer mit geringer Präzision.