In questo progetto, mostreremo come costruire un buffer con un transistor. con pochi resistori e condensatori.
Un buffer è un dispositivo che emette la stessa tensione che viene immessa in esso. può servire una miriade di usi come consentire il massimo trasferimento di tensione e causare un basso carico di corrente da un alimentatore.
Questo circuito non usa un circuito integrato come un buffer IC.
Utilizza solo componenti semplici.
Il tipo di transistor che usiamo è un transistor a giunzione bipolare, del tipo NPN.Qualsiasi può essere usato; quelli popolari sono il 2N3904 e il 2N2222.
Il circuito del transistor sarà configurato come un inseguitore di emettitore (un altro nome è circuito a collettore comune).
Un circuito emitter follower è un circuito a transistor in cui la tensione all’emettitore segue la tensione d’ingresso. È un’immagine speculare, per così dire, della tensione d’ingresso. Pertanto, la tensione in uscita è la stessa della tensione in ingresso.
Siccome la tensione di uscita è un’immagine speculare della tensione di ingresso e l’impedenza di ingresso è grande e l’impedenza di uscita è piccola, l’inseguitore di emettitore funziona come un buffer.
Pertanto, se una linea di tensione deve essere tamponata può essere collegata all’ingresso di questo circuito e il carico che deve essere alimentato si collega all’uscita di questo circuito.
Questo è ottimo quando non si ha a disposizione un chip buffer o un chip logico che si può convertire in un buffer.
Nel nostro circuito, in particolare, l’impedenza d’ingresso sarà più di 50KΩ e l’impedenza di uscita sarà di circa 5Ω. Questo crea un effetto buffer abbastanza buono su qualsiasi tensione che deve essere tamponata.
Costruiremo questo tipo di circuito a transistor per agire come un buffer.
Per progettare correttamente un circuito a inseguitore di emettitore, si devono prendere in considerazione diversi fattori, tra cui quanta tensione continua viene fornita al collettore del transistor, quanta corrente si vuole far passare attraverso il transistor, e la frequenza di taglio dei segnali AC che entrano in ingresso.
Di seguito approfondiremo tutti questi concetti. Mostreremo in questo circuito come configurarlo e come scegliere i valori delle resistenze e dei condensatori, che si chiama bias del transistor.
Componenti necessari
- 2N3904 transistor NPN
- resistenza 1KΩ
- 1.Resistenza da 1KΩ
- Resistenza da 500Ω
- Condensatore elettrolitico da 16μF
- Condensatore elettrolitico da 1600μF
Il transistor che viene scelto può essere davvero qualsiasi transistor BJT NPN. Per questo circuito, abbiamo scelto il transistor 2N3904.
Per molti dei valori dei componenti che calcoliamo effettivamente, non sarete in grado di trovare quei valori precisi. Per esempio, qui sotto calcoliamo che una delle resistenze sia 565Ω. Questa resistenza non esiste. Quindi approssimiamo. È possibile trovare una resistenza da 500Ω e anche se non ci riuscite potete mettere 2 resistenze da 1KΩ in parallelo per ottenere una resistenza equivalente di 500Ω.
Anche una resistenza da 1,1KΩ non si trova. Quindi potete o approssimare fino a 1KΩ o mettere una resistenza da 1KΩ in serie con una resistenza da 100Ω. Per tutti gli scopi di base, questo non è necessario. Potete semplicemente collegare una resistenza da 1KΩ invece di 1.1KΩ. Si ottengono risultati simili.
Le stesse approssimazioni dovrebbero essere usate per i valori dei condensatori. Trovate un valore il più vicino possibile ai valori dei condensatori calcolati e usate quelli.
Circuito buffer a transistor
Il circuito buffer che costruiremo con un singolo transistor NPN BJT e alcune resistenze e condensatori è mostrato qui sotto.
Il circuito breadboard del circuito sopra è mostrato qui sotto. 
Quindi il circuito qui sopra agisce come un buffer. La linea che vuoi bufferizzare viene collegata all’ingresso e il carico che vuoi alimentare viene collegato all’uscita del circuito.
Ora entreremo nei dettagli del perché i vari componenti sono necessari per il circuito e come scegliere i valori per loro.
Quindi la prima cosa è decidere quanta tensione vogliamo fornire a questo circuito. Questa è la tensione, VCC, applicata al collettore del transistor. Si può davvero scegliere qualsiasi valore da sopra VB, la tensione di base, al valore massimo che il transistor può gestire sul collettore. Questo è tipicamente 40-60V sulla maggior parte dei transistor. Per il nostro circuito, sceglieremo un valore di tensione ragionevole di 12 per VCC.Quindi questa è la prima considerazione.
Prossimo, ora conoscendo VCC, abbiamo polarizzato la tensione di base del circuito, che significa che selezioniamo la tensione che vogliamo cadere attraverso la base del transistor. quale valore vogliamo attraverso la base? Per rispondere a questo, guardiamo il quadro completo. La quantità di tensione AC che può essere presente all’uscita del transistor dipende dalla gamma di tensione DC che il circuito ha. Da un lato dello spettro, il transistor può oscillare fino a 12V, che è VCC. All’altra estremità dello spettro, il transistor può oscillare fino a quasi terra, circa 0.7V. La ragione per cui il transistor non può oscillare completamente verso terra è perché il transistor non si accende a meno che il diodo non sia acceso e questo accade a circa 0.7V, la tensione di barriera per il diodo interno. Pertanto, 0,7V è il piano del circuito, e non la terra o 0V. Quindi, con un’alimentazione di 12V e una massa di 0.7V, il transistor può oscillare da 0.7V fino a 12V. Il motivo per cui questo è importante per quanto riguarda la tensione che forniamo alla base è che qualsiasi tensione entri nel circuito ha un pavimento di 0.7V e un soffitto di 12V. Pertanto, vogliamo polarizzare la tensione di base che cade tra questi valori. Questo dà un’escursione massima da picco a picco per il segnale e gli dà il massimo spazio per operare senza clipping. Se la tensione di base è polarizzata in modo errato o ben al di fuori della via di mezzo, il transistor può avere un clipping significativo che produce un’uscita scadente. Per un soffitto di 12V e un pavimento di 0.7V, il valore medio sarebbe (12 – 0.7V)/2 +0.7V= 6.35V. Dobbiamo prendere in considerazione la caduta di tensione del diodo perché il valore alla base è 0,7V più alto di quello in uscita. Biasando la tensione di base proprio nel mezzo del soffitto e del pavimento, permette la massima oscillazione del segnale AC, chiamata massima escursione picco-picco. Quando si polarizza un circuito a transistor che tratta segnali AC, il segnale AC che potrà apparire all’uscita senza clipping è equivalente alla polarizzazioneDC. Il segnale AC potrà oscillare solo fino a quanto la tensione DC di polarizzazione lo permette. Se l’alimentazione è 20V e il pavimento è 0.7V, il transistor può oscillare da un valore di picco di 20V a un pavimento di 0.7V. Posizionare il transistor nel punto medio di queste tensioni permette la massima oscillazione del segnale AC dal soffitto al pavimento. Questo è il punto operativo DC ottimale per il circuito, chiamato punto Q o punto di quiescenza. Se si seleziona un valore DC troppo basso, si causerà il clip del segnale prima nella parte inferiore della forma d’onda. Se scegliete una tensione di funzionamento DC troppo alta, farete sì che il segnale si fermi nella parte superiore della forma d’onda.
Quindi, basandoci su questo punto, vogliamo che la tensione alla base sia a metà strada tra 12V, la tensione di alimentazione, e 0.7V, che rappresenta il pavimento. Così che il VB= 0,7V + (12V-0,7V)/2, che è 6,35V. Quindi, per ottenere questa tensione, dobbiamo scegliere le nostre resistenze che permettono di far apparire questa tensione alla base. La tensione alla base è polarizzata attraverso 2 resistenze. Le resistenze formano un divisore di tensione e dividono la tensione di alimentazione. Possiamo dividere la nostra tensione di alimentazione in qualsiasi tensione inferiore a quella di alimentazione scegliendo le resistenze di valore corretto. La tensione di base, VB= VCC * (R2/R1+R2). Per risolvere questa equazione, scegliamo il valore di un resistore e poi in base al valore di quel resistore calcoliamo il valore dell’altro resistore in base a questa formula. Così per il resistore R2, si sceglie un valore di 1KΩ, come punto di riferimento per l’altro resistore. Inserendo questi valori nella formula, otteniamoVB= VCC * (R2/R1+R2)= 6,35V (12V) (1KΩ). /(R1+1KΩ). Facendo i calcoli, questo porta a un valore di R1= 1.1KΩ. Quindi, per ottenere un valore di 6,35V alla base, i valori delle resistenze sono R1 uguale a 1,1KΩ e R2=1KΩ.
Poi dobbiamo decidere il valore della resistenza RE. Il valore che scegliamo è integrale in modo da non surriscaldare ed eventualmente distruggere il transistor. Come scegliamo RE è basato sul valore della corrente, IE che vogliamo seguire attraverso il transistor e qual è una corrente sicura per scorrere attraverso il transistor. Quindi sceglieremo un intervallo che è una corrente sicura che può scorrere attraverso il transistor e che non lo brucerà. Una corrente sicura è 10mA. Questa è una quantità decente di corrente che non brucerà il transistor. Quindi la resistenza di emettitore, RE= VE/IE, dove VE è la tensione attraverso l’emettitore e IE è la corrente che scorre attraverso l’emettitore. VE=VB-0.7V = 5.65V. L’unica differenza di tensione tra la tensione di base e quella di emettitore è la caduta di tensione del diodo tra le 2 giunzioni. Poiché il transistor ha un diodo dalla base all’emettitore, il transistor ha una caduta di tensione interna. Pertanto, la tensione di emettitore è uguale alla tensione di base meno la caduta di tensione attraverso il diodo. Quindi la formula, RE= VE/IE= 5,65V/10mA= 565Ω. Quindi una resistenza RE di circa 500Ω sarebbe sufficiente per questo circuito.
Ora dobbiamo scegliere il valore dei condensatori in questo circuito. Entrambi i condensatori hanno la stessa funzione. Permettono solo il passaggio del segnale AC e bloccano il passaggio della DC. Quindi funzionano come condensatori di accoppiamento.
Prima mostreremo come calcolare il valore del condensatore all’ingresso.
Per scegliere correttamente un valore appropriato del condensatore, dobbiamo prendere in considerazione molte cose, che ora discuteremo.
In primo luogo, dobbiamo decidere la frequenza di taglio del circuito. Questa è la frequenza che vogliamo filtrare. Se avete a che fare con segnali sonori, la gamma di frequenze udibili dall’uomo va da 20Hz a 20.000Hz. Se stiamo costruendo il nostro transistor in modo da far passare solo segnali udibili, 20Hz è una buona frequenza di cutoff da scegliere. Questo significa che qualsiasi frequenza a quella gamma o inferiore sarà filtrata a terra. Quindi sceglieremo 20Hz come frequenza di taglio. Se prendiamo 20Hz e lo applichiamo alla frequenza angolare, ω=2πf, otteniamo ω=2πf≈125s-1. Questa è una parte dell’equazione.
La prossima cosa che dobbiamo considerare è il valore della resistenza che il condensatore vede. La prima parte di questo circuito dal condensatore e la resistenza che vede fino a terra forma un filtro passa-alto, un filtro passa-alto RC. Un filtro passa-alto RC è un circuito composto da un condensatore con una resistenza collegata a terra.
Se avete visualizzato la corrente che scorre nel circuito, la corrente può andare in 1 o 3 modi. La corrente può passare attraverso il condensatore e attraverso la resistenza R2 e scendere a terra. La corrente può passare attraverso il condensatore e attraverso la resistenza R1. Oppure la corrente può fluire attraverso il transistor e attraverso la resistenza RE fino a terra. Può sembrare strano che la corrente possa fluire attraverso il resistore R1, ma i segnali AC vedono anche i livelli di tensione DC come terra. Quindi anche se è al livello DC di 12V (attraverso R1), per i segnali AC, può anche essere una terra; ecco perché anche questo può essere un percorso fino a terra.
Quindi questi sono i 3 modi in cui la corrente può fluire nel circuito. Anche se la corrente può prendere questi percorsi, è in definitiva ciò che un condensatore vede che determina la resistenza reale che incontra. Quindi ora parleremo di questo. Le resistenze R1 e R2 sono in parallelo. Pertanto, il condensatore vede la resistenza equivalente di queste 2 resistenze in parallelo. Quindi il condensatore vede la resistenza 1KΩ in parallelo con la resistenza 1.1KΩ. La resistenza equivalente di queste resistenze è circa 500Ω. Quindi questa è la resistenza che il condensatore vede in un percorso. L’altro percorso è quando la corrente passa attraverso il transistor e attraverso la resistenza RE. Questa resistenza sarà βRE. Con β uguale a circa 100, facendo questo calcolo, questa resistenza si calcola a56KΩ.
Ricordate che la corrente prende sempre il percorso di minor resistenza. Quindi tra le opzioni di 500Ω o 56KΩ, la corrente prenderà ovviamente il percorso di 500Ω.
Quindi 500Ω è la resistenza equivalente che la rete di filtro passa alto RC vede e sappiamo che vogliamo una frequenza di taglio di 20Hz. E calcolando la frequenza angolare per 20Hz ci dà, ω=2πf≈125s-1.
Quindi andando all’equazione, REQC1= 1/125s-1= (500Ω)C1= 0.008s. Facendo i conti, questo si calcola in un valore di C1 di 16µF. Quindi il primo condensatore è 16µF.
Ora passiamo al secondo condensatore. Ed è scelto in modo simile al primo condensatore.
Vogliamo che il secondo condensatore reagisca in modo simile al primo, per quanto riguarda la frequenza che stiamo trattando. Questo è perché lo stesso segnale di frequenza che è in ingresso è in uscita. Quindi si vuole far corrispondere la risposta in frequenza per entrambi i condensatori. Quindi per il condensatore di uscita, lo calcoliamo anche in base alla sua risposta in frequenza a 20Hz. Calcolando la frequenza angolare, otteniamo di nuovo, ω=2πf≈125s-1.
Utilizziamo di nuovo la stessa formula, REQC2= 1/125s-1.
Che cos’è REQ in questo caso? REQ è la resistenza che il condensatore di uscita vede nel circuito. Guardando dal condensatore al lato dell’ingresso, il condensatore vede una resistenza di (R1 || R2)/β= (1.1KΩ || 1KΩ)/100= (523Ω/100) ≈ 5Ω. Quindi il condensatore di uscita vede una resistenza equivalente di 5Ω guardando all’ingresso del circuito.
Quindi, inserendo questi valori nell’equazione, REQC2= 1/125s-1= (5Ω)C2= 0,008s. Risolvendo per C2, otteniamo 1600µF. Quindi questo è il valore del condensatore di uscita.
E ora abbiamo risolto tutti i valori dei componenti del circuito.
Si può vedere in base ai calcoli che il circuito ha un’alta impedenza di ingresso e una bassa impedenza di uscita. Come abbiamo calcolato, l’impedenza d’ingresso è βRE, che abbiamo calcolato essere 56KΩ. L’impedenza di uscita abbiamo calcolato essere 5Ω. Così potete vedere come questo circuito ha un’alta impedenza d’ingresso e una bassa impedenza d’uscita.
Così funziona molto bene come un buffer.
Questo circuito può essere aggiunto alla linea di tensione che deve essere bufferizzata, che permette di trasferire tutta la tensione, mentre dà un’uscita a bassa impedenza in modo che un carico possa essere alimentato.
Si sappia che questo è un circuito buffer di base. Non è preciso come un vero chip buffer. Per prima cosa, un chip buffer ha un’impedenza maggiore e un’impedenza di uscita inferiore. Per un altro, non è un circuito inseguitore di tensione completamente accurato. Dato che il transistor ha un diodo interno che ha una caduta di tensione circa equivalente a 0.7V, perde questa tensione in uscita. Quindi il segnale di uscita è 0,7V più basso del segnale di ingresso. Quindi potete vedere che non è completamente un inseguitore di tensione.
Tuttavia, per tutti gli scopi di base, funziona molto bene come un buffer a bassa precisione.