W tym projekcie, pokażemy jak zbudować bufor z tranzystorem. z kilkuresistors and capacitors.
Bufor jest urządzeniem, które wyprowadza to samo napięcie, które jest do niego doprowadzone. Może on służyć do niezliczonych zastosowań, takich jak umożliwienie maksymalnego transferu napięcia i spowodowanie niskiego obciążenia prądowego z zasilacza.
Ten obwód nie używa układu scalonego jak bufor IC.
Używa tylko prostych komponentów.
Typem tranzystora, którego używamy jest tranzystor bipolarny, typu NPN. Można użyć dowolnego; popularne to 2N3904 i 2N2222.
Obwód tranzystorowy będzie skonfigurowany jako emiter follower (inna nazwa tocommon collector circuit).
Obwód podążający za emiterem jest obwodem tranzystorowym, w którym napięcie na emiterze podąża za napięciem wejściowym. Jest to lustrzane odbicie, że tak powiem, napięcia wejściowego. Dlatego napięcie na wyjściu jest takie samo jak napięcie na wejściu.
Skoro napięcie wyjściowe jest lustrzanym odbiciem napięcia wejściowego i impedancja wejściowa jest duża, a impedancja wyjściowa mała, wtórnik emiterowy funkcjonuje jako bufor.
Therefore, if a voltage line needs to be buffer it can be connected to the input of this circuit and the load that needsto be powered connects to the output of this circuit.
To jest świetne rozwiązanie, gdy nie masz dostępnego układu buforującego lub układu logicznego, który możesz przekształcić w bufor.
W naszym układzie impedancja wejściowa będzie wynosić ponad 50KΩ, a impedancja wyjściowa około 5Ω. To tworzy całkiem niezły efekt buforowy na każdym napięciu, które musi być buforowane.
Będziemy konstruować ten typ obwodu tranzystorowego, aby działał jako bufor.
Aby poprawnie zaprojektować obwód wtórnika emiterowego, należy wziąć pod uwagę kilka czynników, w tym jak duże napięcie stałe jest dostarczane do kolektora tranzystora, jak duży prąd jest pożądany do przepuszczenia przez tranzystor oraz częstotliwość odcięcia sygnałów AC wchodzących na wejście.
Poniżej omówimy wszystkie te koncepcje w sposób bardzo szczegółowy. W tym układzie pokażemy, jak go skonfigurować i jak dobrać wartości rezystorów i kondensatorów, co nazywamy biasowaniem tranzystora.
Potrzebne komponenty
- 2N3904 tranzystor NPN
- 1KΩ rezystor
- 1.1KΩ rezystor
- 500Ω rezystor
- 16μF kondensator elektrolityczny
- 1600μF kondensator elektrolityczny
Wybrany tranzystor może być tak naprawdę dowolnym tranzystorem BJT NPN. Dla tego układu wybieramy tranzystor 2N3904.
W przypadku wielu wartości elementów, które faktycznie obliczamy, nie będziesz w stanie znaleźć tych dokładnych wartości. Na przykład, poniżej obliczamy, że jeden z rezystorów ma wartość 565Ω. Ten rezystor nie istnieje. Więc dokonujemy przybliżenia. Możliwe jest znalezienie rezystora 500Ω, a nawet jeśli nie jest to możliwe, można połączyć równolegle 2 rezystory 1KΩ, aby uzyskać rezystancję równoważną 500Ω.
Opornika 1,1KΩ również nie znajdziemy. Możesz więc albo zmniejszyć go w przybliżeniu do 1KΩ, albo umieścić rezystor 1KΩ w szeregu z rezystorem 100Ω. Dla wszystkich podstawowych celów nie jest to konieczne. Możesz po prostu podłączyć rezystor 1KΩ zamiast 1,1KΩ. Daje to podobne wyniki.
Te same przybliżenia powinny być użyte dla wartości kondensatorów. Znajdź wartości jak najbardziej zbliżone do obliczonych wartości kondensatorów i użyj tych.
Obwód buforowy tranzystora
Obwód buforowy, który zbudujemy przy użyciu pojedynczego tranzystora NPN BJT oraz kilku rezystorów i kondensatorów, jest pokazany poniżej.
Obwód powyższego obwodu na desce do chleba jest pokazany poniżej. 
Więc powyższy układ działa jak bufor. Linia, która ma być buforowana, jest podłączona do wejścia, a obciążenie, które ma być włączone, jest podłączone do wyjścia układu.
Zajmiemy się teraz szczegółami, dlaczego różne elementy są potrzebne w obwodzie i jak dobrać dla nich wartości.
Więc pierwszą rzeczą jest decyzja, jak duże napięcie zamierzamy dostarczyć do tego obwodu. Jest to napięcie, VCC, przyłożone do kolektora tranzystora. Możesz naprawdę wybrać dowolną wartość od powyżej VB, napięcia bazy, do maksymalnej wartości, którą tranzystor może obsłużyć na kolektorze. W przypadku większości tranzystorów jest to zwykle 40-60V. Dla naszego obwodu, wybierzemy rozsądną wartość napięcia 12 dla VCC.Więc to jest pierwsze rozważanie.
Następnie, teraz znając VCC, ustalamy napięcie bazy obwodu, co oznacza, że wybieramy napięcie, które ma spaść na bazę tranzystora. jaką wartość chcemy mieć na bazie? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy spojrzeć na cały obraz. Ilość napięcia AC, które może być obecne na wyjściu tranzystora zależy od zakresu napięcia DC, które posiada obwód. Na jednym końcu spektrum, tranzystor może wychylić się do 12V, czyli VCC. Na drugim końcu spektrum, tranzystor może wychylać się w dół do poziomu bliskiego ziemi, około 0,7V. Powodem, dla którego tranzystor nie może wychylić się całkowicie do masy jest to, że tranzystor nie włączy się dopóki dioda nie zostanie włączona, a to dzieje się przy około 0.7V, napięciu zaporowym dla wewnętrznej diody. Dlatego 0,7V jest podłogą obwodu, a nie masą czy 0V. Dlatego przy zasilaniu 12V i masie 0,7V, tranzystor może się kołysać od 0,7V do 12V. Dlaczego to ma znaczenie w odniesieniu do napięcia, które dostarczamy do bazy, jest to, że niezależnie od napięcia, które przychodzi do obwodu ma podłogę 0,7V i sufit 12V. Dlatego chcemy tak ustawić napięcie bazy, aby mieściło się ono pomiędzy tymi wartościami. To daje maksymalny skok międzyszczytowy dla sygnału i daje najwięcej miejsca do działania bez obcinania. Jeśli napięcie bazy jest podawane nieprawidłowo lub poza środkiem, tranzystor może mieć znaczące przycięcia, które dają słabą moc wyjściową. Dla sufitu 12V i podłogi 0,7V, wartość środkowa wynosiłaby (12 – 0,7V)/2 +0,7V= 6,35V. Musimy wziąć pod uwagę spadek napięcia diody, ponieważ wartość na bazie jest o 0,7V wyższa niż na wyjściu. Dzięki biasowaniu napięcia bazy dokładnie pośrodku sufitu i podłogi, pozwala to na maksymalne wychylenie sygnału AC, zwane maksymalnym skokiem międzyszczytowym. Przy biasowaniu obwodu tranzystorowego, który ma do czynienia z sygnałami AC, sygnał AC, który będzie mógł pojawić się na wyjściu bez przycinania, jest równoważny biasowaniuDC. Sygnał AC będzie w stanie wychylić się tylko tak daleko, jak pozwala na to napięcie DC. Jeśli zasilanie wynosi 20V, a podłoga 0,7V, tranzystor może wychylać się od wartości szczytowej 20V do podłogi 0,7V. Umieszczenie tranzystora w punkcie środkowym tych napięć pozwala na maksymalne wychylenie sygnału AC od sufitu do podłogi. Jest to optymalny punkt pracy DC dla układu, zwany punktem Q lub quiescent point.Jeśli wybierzesz zbyt niską wartość DC, spowodujesz, że sygnał będzie się ścinał wcześniej na dole fali. If you choose a DC operating voltage too high, you will cause the singal to clip at the top of the waveform.
So based on this point, we want the voltage at the base to be midway between 12V, the supply voltage, and 0.7V, which represents the floor. Tak, że VB= 0.7V + (12V-0.7V)/2, co daje 6.35V. Aby więc uzyskać to napięcie, musimy tak dobrać nasze rezystory, aby to napięcie pojawiło się na bazie. Napięcie na bazie jest biasowane przez 2 rezystory. Rezystory te tworzą dzielnik napięcia i dzielą napięcie zasilające. Możemy podzielić nasze napięcie zasilające na dowolne napięcie mniejsze od napięcia zasilania, dobierając rezystory o odpowiedniej wartości. Napięcie bazy, VB= VCC * (R2/R1+R2). Aby rozwiązać to równanie, wybieramy wartość jednego rezystora, a następnie na podstawie tej wartości obliczamy wartość drugiego rezystora na podstawie tego wzoru. Tak więc dla rezystora R2 wybieramy wartość 1KΩ, jako punkt odniesienia dla drugiego rezystora. Wstawiając te wartości do wzoru otrzymujemyVB= VCC * (R2/R1+R2)= 6.35V (12V) (1KΩ). /(R1+1KΩ). Z obliczeń wynika, że wartość R1= 1,1KΩ. Tak więc, aby uzyskać wartość 6,35V na bazie, wartości rezystorów to R1 równe 1,1KΩ i R2=1KΩ.
Następnie musimy zdecydować o wartości rezystora RE. Wartość, którą wybierzemy jest integralna, abyśmy nie przegrzali i ewentualnie nie zniszczyli tranzystora. To jak wybierzemy RE zależy od wartości prądu, IE, który chcemy aby płynął przez tranzystor i jaki jest bezpieczny prąd płynący przez tranzystor. Więc po prostu wybierzemy zakres, który jest bezpiecznym prądem, który może przepłynąć przez tranzystor, który go nie spali. Bezpieczny prąd to 10mA. Jest to przyzwoita wartość prądu i taka, która nie spali tranzystora. Tak więc rezystor emitera, RE= VE/IE, gdzie VE to napięcie na emiterze, a IE to prąd płynący przez emiter. VE=VB-0,7V = 5,65V. Jedyną różnicą w napięciu pomiędzy napięciem bazy a napięciem emitera jest spadek napięcia diody pomiędzy tymi dwoma złączami. Ponieważ tranzystor ma w sobie diodę od bazy do emitera, tranzystor ma wewnętrzny spadek napięcia. Dlatego napięcie emitera jest równe napięciu bazy minus spadek napięcia na diodzie. A więc wzór, RE= VE/IE= 5,65V/10mA= 565Ω. Tak więc rezystor RE o wartości około 500Ω będzie wystarczający dla tego układu.
Na koniec musimy dobrać wartość kondensatorów w tym obwodzie. Oba kondensatory pełnią tę samą funkcję. Pozwalają one tylko sygnał AC przejść i zablokować DC od przechodzenia przez. Tak więc działają one jako kondensatory sprzęgające.
Pokażemy najpierw, jak obliczyć wartość kondensatora na wejściu.
Aby prawidłowo dobrać odpowiednią wartość kondensatora, musimy wziąć pod uwagę wiele rzeczy, które teraz omówimy.
Po pierwsze, musimy zdecydować o częstotliwości odcięcia obwodu. Jest to częstotliwość, którą chcemy odfiltrować. Jeśli masz do czynienia z sygnałami dźwiękowymi, zakres częstotliwości, który jest słyszalny dla ludzi to 20Hz do 20,000Hz. Jeśli budujemy nasz tranzystor tak, aby przepuszczał tylko słyszalne sygnały, 20Hz jest dobrą częstotliwością odcięcia. Oznacza to, że każda częstotliwość w tym zakresie lub niższa zostanie odfiltrowana do masy. Więc wybierzemy 20Hz jako naszą częstotliwość odcięcia. Jeśli weźmiemy 20Hz i zastosujemy to do częstotliwości kątowej, ω=2πf, otrzymamy ω=2πf≈125s-1. To jest jedna część równania.
Kolejną rzeczą, którą musimy rozważyć jest wartość rezystancji, którą widzi kondensator. Pierwsza część tego obwodu od kondensatora i rezystora, który widzi do masy tworzy filtr górnoprzepustowy, filtr górnoprzepustowy RC. Filtr górnoprzepustowy RC to obwód składający się z kondensatora z rezystorem podłączonym do masy.
Jeśli wizualizowałeś prąd płynący do obwodu, prąd może iść albo 1 z 3 sposobów. Prąd może przejść przez kondensator i przez rezystor R2 i w dół do ziemi. Prąd może płynąć przez kondensator i przez rezystor R1. Lub prąd może przepływać przez tranzystor i płynąć przez rezystor RE aż do masy. Może się to wydawać dziwne, że prąd może płynąć przez rezystor R1, ale sygnały AC postrzegają poziomy napięcia stałego jako masę. Więc nawet jeśli jest na poziomie DC 12V (przez R1), do sygnałów AC, może być również masa, dlatego może to być ścieżka w dół do ziemi, jak również.
Więc to są 3 drogi, którymi prąd może płynąć w obwodzie. EVen though current can take those paths, it’s ultimatelywhat a capacitor sees that determines the real resistance that it encounterers. Więc teraz o tym porozmawiamy. Oporniki R1 i R2 są połączone równolegle. Dlatego kondensator widzi równoważną rezystancję tych dwóch równoległych rezystorów. Tak więc kondensator widzi 1KΩ równolegle z rezystorem 1,1KΩ. Opór zastępczy tych oporników wynosi w przybliżeniu 500Ω. Jest to więc opór, który kondensator widzi w jednej ścieżce. Druga ścieżka jest wtedy, gdy prąd przechodzi przez tranzystor i przez rezystor RE. Opór ten będzie wynosił βRE. Przy β równym około 100, robiąc te obliczenia, ten opór oblicza się na56KΩ.
Pamiętaj, że prąd zawsze wybiera drogę najmniejszego oporu. Zatem pomiędzy opcjami 500Ω lub 56KΩ, prąd będzie oczywiście płynął ścieżką 500Ω.
Więc 500Ω jest równoważną rezystancją, którą widzi sieć filtru górnoprzepustowego RC i wiemy, że chcemy uzyskać częstotliwość odcięcia 20Hz. A obliczenie częstotliwości kątowej dla 20Hz daje nam, ω=2πf≈125s-1.
Więc przechodząc do równania, REQC1= 1/125s-1= (500Ω)C1= 0.008s. Wykonując obliczenia matematyczne, daje to wartość C1 równą 16µF. Tak więc pierwszy kondensator ma wartość 16µF.
Teraz przechodzimy do drugiego kondensatora. Jest on wybierany podobnie jak pierwszy kondensator.
Chcemy, aby drugi kondensator reagował podobnie do pierwszego, w odniesieniu do częstotliwości, z którą mamy do czynienia. Dzieje się tak, ponieważ sygnał o tej samej częstotliwości, który jest na wejściu, jest na wyjściu. Więc chcesz dopasować odpowiedź częstotliwościową dla obu kondensatorów. Tak więc dla kondensatora wyjściowego, również obliczamy go zgodnie z jego odpowiedzią częstotliwościową 20Hz. Obliczając częstotliwość kątową, ponownie otrzymujemy, ω=2πf≈125s-1.
Korzystamy ponownie z tego samego wzoru, REQC2= 1/125s-1.
Co to jest REQ w tym przypadku? REQ to opór, jaki kondensator wyjściowy widzi w obwodzie. Patrząc od kondensatora z powrotem na stronę wejściową, kondensator widzi opór (R1 || R2)/β= (1,1KΩ || 1KΩ)/100= (523Ω/100) ≈ 5Ω. Tak więc kondensator wyjściowy widzi ekwiwalentną rezystancję 5Ω patrząc z powrotem na wejście obwodu.
Więc wstawiając te wartości do równania, REQC2= 1/125s-1= (5Ω)C2= 0.008s. Rozwiązując równanie dla C2, otrzymujemy 1600µF. Jest to więc wartość kondensatora wyjściowego.
A teraz rozwiązaliśmy wszystkie wartości elementów w obwodzie.
Widzisz na podstawie obliczeń, że obwód ma wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową. Jak obliczyliśmy, impedancja wejściowa wynosi βRE, którą obliczyliśmy na 56KΩ. Impedancję wyjściową wyliczyliśmy na 5Ω. Możesz więc zobaczyć jak ten obwód ma wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową.
Więc funkcjonuje on bardzo dobrze jako bufor.
Obwód ten może być dodany do linii napięciowej, która wymaga buforowania, co pozwala na przeniesienie całego napięcia, jednocześnie dając na wyjściu niską impedancję, tak że obciążenie może być zasilane.
Pamiętaj, że jest to podstawowy obwód buforowy. Nie jest on tak dokładny jak rzeczywisty układ buforowy. Dla jednego, chip buforowy ma większą impedancję i niższą impedancję wyjściową. Z drugiej strony, nie jest to całkowicie dokładny układ wtórnika napięciowego. Ponieważ tranzystor ma wewnętrzną diodę, która ma spadek napięcia mniej więcej równy 0.7V, traci to napięcie na wyjściu. Tak więc sygnał wyjściowy jest o 0.7V niższy niż sygnał wejściowy. Jak więc widzisz, nie jest to całkowicie wtórnik napięciowy.
Jednakże, dla wszystkich podstawowych celów, działa on bardzo dobrze jako bufor o niskiej precyzji.
.