In dit project laten we zien hoe je een buffer kunt bouwen met een transistor. met een paar weerstanden en condensatoren.
Een buffer is een apparaat dat dezelfde spanning afgeeft als die welke erin wordt ingevoerd. Het kan voor talloze doeleinden worden gebruikt, zoals maximale spanningsoverdracht en lage stroombelasting van een stroombron.
Deze schakeling maakt geen gebruik van een geïntegreerde schakeling zoals een IC-buffer.
Het gebruikt slechts eenvoudige componenten.
Het type transistor dat we gebruiken is een bipolaire junctietransistor, van het NPN-type. Elke transistor kan worden gebruikt; populaire zijn de 2N3904 en de 2N2222.
De transistorschakeling zal worden geconfigureerd als een emittervolger (een andere naam is gewone collectorschakeling).
Een emittervolger-schakeling is een transistorschakeling waarbij de spanning aan de emitter de ingangsspanning volgt. Het is als het ware een spiegelbeeld van de ingangsspanning. De spanning aan de uitgang is dus gelijk aan de spanning aan de ingang.
Omdat de uitgangsspanning een spiegelbeeld is van de ingangsspanning en de ingangsimpedantie groot is en de uitgangsimpedantie klein, functioneert de emittervolger als een buffer.
Daarom kan, als een spanningslijn moet worden gebufferd, deze worden aangesloten op de ingang van deze schakeling en de belasting die van stroom moet worden voorzien, worden aangesloten op de uitgang van deze schakeling.
Dit is geweldig als je geen bufferchip beschikbaar hebt of een logische chip die je kunt omzetten in een buffer.
In onze schakeling zal de ingangsimpedantie meer dan 50KΩ zijn en de uitgangsimpedantie ongeveer 5Ω. Dit creëert een vrij goed buffereffect op elke spanning die gebufferd moet worden.
We zullen dit type transistorschakeling construeren om als buffer te fungeren.
Om een emittervolger-schakeling correct te ontwerpen, moet met verschillende factoren rekening worden gehouden, waaronder hoeveel gelijkspanning aan de collector van de transistor wordt geleverd, hoeveel stroom door de transistor moet worden geleid, en de frequentieafsnijding van de AC-signalen die de ingang binnenkomen.
Wij zullen al deze concepten hieronder uitvoerig bespreken. We zullen in deze schakeling laten zien hoe deze moet worden geconfigureerd en hoe de waarden van de weerstanden en condensatoren moeten worden gekozen, hetgeen transistor biasing wordt genoemd.
Nodige componenten
- 2N3904 NPN transistor
- 1KΩ weerstand
- 1.1KΩ weerstand
- 500Ω weerstand
- 16μF elco
- 1600μF elco
De transistor die wordt gekozen kan in feite elke BJT NPN transistor zijn. Voor deze schakeling kiezen we de 2N3904-transistor.
Voor veel van de waarden van de componenten die we daadwerkelijk berekenen, zult u die precieze waarden niet kunnen vinden. Bijvoorbeeld, hieronder berekenen we een van de weerstanden op 565Ω. Deze weerstand bestaat niet. Dus benaderen we. Het is mogelijk om een weerstand van 500Ω te vinden en zelfs als dat niet lukt, kun je 2 weerstanden van 1KΩ parallel schakelen om een equivalente weerstand van 500Ω te krijgen.
Een weerstand van 1.1KΩ zul je ook niet vinden. U kunt dus ofwel de weerstand benaderen tot 1KΩ of een 1KΩ-weerstand in serie zetten met een 100Ω-weerstand. Voor alle basisdoeleinden is dit niet nodig. U kunt gewoon een weerstand van 1KΩ aansluiten in plaats van 1,1KΩ. Het resultaat is vergelijkbaar.
Dezelfde benaderingen moeten worden gebruikt voor de waarden van de condensatoren. Zoek een waarde die zo dicht mogelijk bij de berekende condensatorwaarden ligt en gebruik die.
Transistor Bufferschakeling
De bufferschakeling die we gaan bouwen met een enkele NPN BJT-transistor en een paar weerstanden en condensatoren staat hieronder afgebeeld.
De breadboardschakeling van de bovenstaande schakeling staat hieronder afgebeeld. 
Dus de bovenstaande schakeling werkt als een buffer. De lijn die u wilt bufferen wordt aangesloten op de ingang en de belasting die u van stroom wilt voorzien wordt aangesloten op de uitgang van de schakeling.
We gaan nu in op de details van waarom de verschillende componenten nodig zijn voor de schakeling en hoe we de waarden daarvoor moeten kiezen.
Het eerste wat we moeten doen is besluiten hoeveel spanning we aan deze schakeling gaan leveren. Dit is de spanning, VCC, toegepast op de collector van de transistor. U kunt elke waarde kiezen van boven VB, de basisspanning, tot de maximale waarde die de transistor op de collector aankan. Dit is typisch 40-60V bij de meeste transistors. Voor onze schakeling kiezen we een redelijke spanningswaarde van 12 voor VCC. Dit is dus de eerste overweging.
Nu we VCC kennen, gaan we de basisspanning van de schakeling bepalen, wat betekent dat we de spanning kiezen die we over de basis van de transistor willen laten vallen. welke waarde willen we over de basis? Om dit te beantwoorden, kijken we naar het complete plaatje. De hoeveelheid wisselspanning die aan de uitgang van de transistor kan staan, is afhankelijk van het gelijkspanningsbereik dat de schakeling heeft. Aan de ene kant van het spectrum kan de transistor tot 12V zwenken, dat is VCC. Aan de andere kant van het spectrum kan de transistor omlaag zwenken tot dicht bij de grond, ongeveer 0,7 V. De reden waarom de transistor niet volledig naar massa kan zwenken, is dat de transistor niet aan zal gaan tenzij de diode wordt ingeschakeld en dat gebeurt bij ongeveer 0,7 V, de sperspanning voor de interne diode. Daarom is 0,7V de bodem van de schakeling, en niet de aarde of 0V. Met een voeding van 12V en een grondspanning van 0,7V kan de transistor dus van 0,7V tot 12V schommelen. Waarom dit van belang is met betrekking tot de spanning die we aan de basis leveren, is dat welke spanning er ook in de schakeling komt, deze een bodem van 0,7 V en een plafond van 12 V heeft. Daarom willen we de basisspanning zodanig beïnvloeden dat deze tussen deze waarden valt. Dit geeft een maximale piek-tot-piek-excursie voor het signaal en geeft het de meeste ruimte om te werken zonder clippen. Als de basisspanning verkeerd of ver van het midden wordt voorspeld, kan de transistor aanzienlijk clippen, wat een slechte output oplevert. Voor een plafond van 12V en een bodem van 0,7V zou de middenwaarde (12 – 0,7V)/2 +0,7V= 6,35V zijn. We moeten rekening houden met de spanningsval van de diode omdat de waarde aan de basis 0,7V hoger is dan aan de uitgang. Door de basisspanning precies in het midden van het plafond en de vloer te biaseren, wordt een maximale schommeling van het AC-signaal mogelijk, de zogenaamde maximale piek-tot-piek-excursie. Bij het biasen van een transistorschakeling die met AC-signalen werkt, is het AC-signaal dat aan de uitgang zal kunnen verschijnen zonder clipping gelijk aan deDC biasing. Het wisselspanningssignaal zal slechts zo ver kunnen zwaaien als de gelijkstroomvoeding het toelaat. Als de voedingsspanning 20 V is en de ondergrens 0,7 V, kan de transistor van een piekwaarde van 20 V naar een ondergrens van 0,7 V zwenken. Door de transistor op het midden van deze spanningen te plaatsen, kan het AC-signaal maximaal van het plafond naar de vloer zwaaien. Dit is het optimale DC-bedrijfspunt voor de schakeling, het Q-punt of rustpunt genoemd. Als u een te lage DC-waarde kiest, zal het signaal eerder aan de onderkant van de golfvorm afbreken. Als u een te hoge DC bedrijfsspanning kiest, zal het signaal aan de top van de golfvorm afbreken.
Op basis van dit punt willen we dus dat de spanning op de basis het midden houdt tussen 12V, de voedingsspanning, en 0,7V, die de ondergrens vertegenwoordigt. Dus dat de VB= 0.7V + (12V-0.7V)/2, dat is 6.35V. Om deze spanning te verkrijgen, moeten we dus onze weerstanden zodanig kiezen dat deze spanning aan de basis kan verschijnen. De spanning op de basis wordt door 2 weerstanden geleid. De weerstanden vormen een spanningsdeler en verdelen de voedingsspanning. We kunnen onze voedingsspanning verdelen in elke spanning die lager is dan de voedingsspanning door de juiste waarde van de weerstanden te kiezen. De basisspanning, VB= VCC * (R2/R1+R2). Om deze vergelijking op te lossen, kiezen we de waarde van één weerstand en berekenen dan op basis van die weerstandswaarde de waarde van de andere weerstand op basis van deze formule. Dus voor de weerstand R2 wordt een waarde van 1KΩ gekozen, als referentiepunt voor de andere weerstand. Door deze waarden in de formule te stoppen, krijgen weVB= VCC * (R2/R1+R2)= 6.35V (12V) (1KΩ). /(R1+1KΩ). Als we gaan rekenen, komt dit neer op een waarde van R1= 1.1KΩ. Dus om een waarde van 6.35V aan de basis te krijgen, zijn de waarden van de weerstanden R1 gelijk aan 1.1KΩ en R2=1KΩ.
Daarna moeten we de waarde van de RE-weerstand bepalen. De waarde die we kiezen is integraal, zodat we de transistor niet oververhitten en mogelijk vernielen. Hoe we RE kiezen is gebaseerd op de waarde van de stroom, IE die we door de transistor willen laten lopen en wat een veilige stroom is om door de transistor te laten lopen. We zullen dus een bereik kiezen dat een veilige stroom is die door de transistor kan vloeien en hem niet zal doorbranden. Een veilige stroom is 10 mA. Dat is een redelijke hoeveelheid stroom en een die de transistor niet zal doen doorbranden. Dus de emitterweerstand, RE= VE/IE, waarbij VE de spanning over de emitter is en IE de stroom die door de emitter loopt. VE=VB-0.7V = 5.65V. Het enige verschil in spanning tussen de basisspanning en de emitterspanning is de spanningsval van de diode tussen de 2 knooppunten. Omdat de transistor een diode heeft tussen de basis en de emitter, heeft de transistor een interne spanningsval. Daarom is de emitterspanning gelijk aan de basisspanning min de spanningsval over de diode. Dus de formule, RE= VE/IE= 5.65V/10mA= 565Ω. Dus een RE-weerstand van ongeveer 500Ω zou goed volstaan voor deze schakeling.
Nu moeten we als laatste de waarde van de condensatoren in deze schakeling kiezen. Beide condensatoren hebben dezelfde functie. Zij laten alleen het AC-signaal door en blokkeren de doorgang van de DC. Zij fungeren dus als koppelcondensatoren.
We zullen eerst laten zien hoe we de waarde van de condensator aan de ingang kunnen berekenen.
Om een juiste waarde van de condensator te kiezen, moeten we met veel dingen rekening houden, die we nu zullen bespreken.
Eén, we moeten de afsnijfrequentie van de schakeling bepalen. Dit is de frequentie die we uitgefilterd willen hebben. Als je te maken hebt met geluidssignalen, is het frequentiebereik dat hoorbaar is voor mensen 20Hz tot 20.000Hz. Als je onze transistor zo bouwt dat we alleen hoorbare signalen willen doorlaten, is 20Hz een goede kantelfrequentie om te kiezen. Dit betekent dat elke frequentie in dat bereik of lager zal worden weggefilterd naar massa. Dus kiezen we 20Hz als onze afsnijfrequentie. Als we 20Hz nemen en dit toepassen op de hoekfrequentie, ω=2πf, krijgen we ω=2πf≈125s-1. Dit is één deel van de vergelijking.
Het volgende waar we rekening mee moeten houden is de waarde van de weerstand die de condensator ziet. Het eerste deel van deze schakeling van de condensator en de weerstand die hij ziet tot aan de massa vormt een hoogdoorlaatfilter, een RC-hoogdoorlaatfilter. Een RC hoogdoorlaatfilter is een kring bestaande uit een condensator met een weerstand verbonden met massa.
Als je visualiseert dat er stroom in de kring vloeit, kan de stroom op 1 van de 3 manieren gaan. De stroom kan door de condensator en door de weerstand R2 naar massa lopen. De stroom kan door de condensator en door de weerstand R1 gaan. Of de stroom kan door de transistor lopen en door de RE-weerstand naar de massa lopen. Het lijkt misschien vreemd dat er stroom door de R1-weerstand kan lopen, maar AC-signalen zien DC-spanningsniveaus ook als massa. Dus ook al is het op het gelijkstroomniveau van 12V (door R1), voor wisselspanningssignalen kan het ook een aarde zijn; daarom kan dit ook een weg naar beneden naar de aarde zijn.
Dit zijn dus de 3 manieren waarop stroom in de schakeling kan lopen. Hoewel de stroom deze paden kan nemen, is het uiteindelijk wat een condensator ziet dat de werkelijke weerstand bepaalt die hij tegenkomt. Dus gaan we het daar nu over hebben. De weerstanden R1en R2 staan parallel. Daarom ziet de condensator de equivalente weerstand van deze 2 parallelle weerstanden. Dus de condensator ziet de 1KΩ parallel met de 1.1KΩ weerstand. De equivalente weerstand van deze weerstanden is ruwweg 500Ω. Dit is dus de weerstand die de condensator op het ene pad ziet. Het andere pad is wanneer de stroom door de transistor en door weerstand RE gaat. Deze weerstand is dan βRE. Met β gelijk aan ongeveer 100, komt deze weerstand bij deze rekensom uit op 56KΩ.
Bedenk dat stroom altijd de weg van de minste weerstand neemt. Dus tussen de mogelijkheden van 500Ω of 56KΩ, zal de stroom uiteraard de weg van 500Ω nemen.
Dus 500Ω is de equivalente weerstand die het RC high-pass filternetwerk ziet en we weten dat we een afsnijfrequentie van 20Hz willen. En berekening van de hoekfrequentie voor 20Hz geeft ons, ω=2πf≈125s-1.
Dus met de vergelijking, REQC1= 1/125s-1= (500Ω)C1= 0,008s. Als we rekenen, komt dit neer op een C1-waarde van 16µF. Dus de eerste condensator is 16µF.
Nu gaan we naar de tweede condensator. En die wordt op dezelfde manier gekozen als de eerste condensator.
We willen dat de tweede condensator net zo reageert als de eerste, met betrekking tot de frequentie waar we mee te maken hebben. Dit is omdat hetzelfde frequentiesignaal dat wordt ingevoerd ook wordt uitgevoerd. Dus je wilt de frequentierespons voor beide condensatoren gelijk hebben. Dus voor de uitgangscondensator berekenen we die ook volgens zijn frequentierespons van 20Hz. Berekenen we de hoekfrequentie, dan krijgen we weer, ω=2πf≈125s-1.
We gebruiken weer dezelfde formule, REQC2= 1/125s-1.
Wat is REQ in dit geval? REQ is de weerstand die de uitgangscondensator in het circuit ziet. Terugkijkend van de condensator naar de ingang, ziet de condensator een weerstand van (R1 || R2)/β= (1.1KΩ || 1KΩ)/100= (523Ω/100) ≈ 5Ω. De uitgangscondensator heeft dus een equivalente weerstand van 5Ω als hij terugkijkt naar de ingang van de schakeling.
Dus als we deze waarden in de vergelijking inpassen, wordt REQC2= 1/125s-1= (5Ω)C2= 0,008s. Als we C2 oplossen, krijgen we 1600µF. Dit is dus de waarde van de uitgangscondensator.
En nu hebben we alle waarden van de componenten in de schakeling opgelost.
U kunt op basis van de berekeningen zien dat de schakeling een hoge ingangsimpedantie en een lage uitgangsimpedantie heeft. Zoals we berekend hebben, is de ingangsimpedantie βRE, die we berekend hebben op 56KΩ. De uitgangsimpedantie hebben we berekend op 5Ω. U ziet dus dat deze schakeling een hoge ingangsimpedantie heeft en een lage uitgangsimpedantie.
Dus hij functioneert heel goed als buffer.
Deze schakeling kan worden toegevoegd aan spanningslijn die gebufferd moet worden, waardoor alle spanning kan worden overgebracht, terwijl er een uitgang met lage impedantie uitkomt, zodat een belasting kan worden gevoed.
Bedenk dat dit een basis bufferschakeling is. Het is niet zo nauwkeurig als een echte bufferchip. Ten eerste heeft een bufferchip een grotere impedantie en een lagere uitgangsimpedantie. Anderzijds is het geen volledig nauwkeurige spanningsvolgschakeling. Omdat de transistor een interne diode heeft met een spanningsval die ongeveer gelijk is aan 0.7V, verliest het deze spanning aan de uitgang. Dus het uitgangssignaal is 0.7V lager dan het ingangssignaal. U ziet dus dat het niet helemaal een spanningsvolger is.
Hoewel, voor alle basisdoeleinden, functioneert hij zeer goed als een lage precisie buffer.