Схемотехника: Типовые схемы включения Биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК)

Я новичок в схемотехнике, сейчас вдумчиво изучаю цикл статей «Основы на пальцах». И мне также хочется разобраться с особенностями разных каскадов включения биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК). Поэтому, для прояснения, решил промоделировать их в Proteus: «Bipolar transistor cascades modelling (Proteus 7.7).zip»

Тут 4 листа, на каждом рассмотрено по одной модели, снабжены графиками…
Прошу прощения, что надписи на листах на английском. Когда редактировал, то где-то вылезли кракозяблы — и мне показалось, что мой Proteus не принимает русскую кодовую страницу…

Уважаемые Знатоки, прошу обратить внимание на эти модели, проверить их на правильность, и возможно приложить к основному курсу / посту «Основы на пальцах. Часть 3» (в качестве «наглядных примеров»).

(Примечание: картинки кликабельны и ведут на полноразмерное изображение…)

Bipolar transistor cascade: Common Emitter circuit

Bipolar transistor cascade: Common Collector circuit (emitter follower)

Bipolar transistor cascade: Common Base (opposite polarity in circuits)

Bipolar transistor cascade: mixed Common Emitter and Common Collector circuit (experiment)

Читая статьи, встретил чей-то вопрос в комментариях:
>>> Пытаюсь разобраться со схемами включения биполярного транзистора: Существует 3 схемы включения транзистора — ОК, ОЭ, ОБ… Представим, что транзистор не соединен ни одним из своих выводов с землей… Вопрос: Каким образом при таком включении понять по какой схеме включен транзистор?

Отличный вопрос! Меня это тоже волнует и интересует. Ведь чтобы понять суть метода, границы и условия его применения — нужно выйти за рамки этого правила, и осознать его место и положение в общем Знании… Поэтому четвёртой моделью в Proteus я рассмотрел некий гибридный каскад: смесь ОК и ОЭ (т.е. подключил нагрузку и в цепь коллектора, и к эмиттору).

Примечание: Такой каскад иногда используется в усилителях для получения одинаковых противофазных сигналов (для раскачки выходного каскада, например). В этом варианте нагрузочные резисторы в коллекторе и эмиттере одинаковы.

 

Что у меня из этого вышло? Если вкратце, то в плане задачи «усиления мощности» — неудача, и это очень поучительно рассмотреть. Далее, мои размышления поподробнее (поправляйте/дополняйте меня, если что)…

Полученная схема вобрала недостатки обоих исходных усилительных каскадов (с ОК и ОЭ), но при этом не демонстрировала их достоинств! Получившийся каскад также давал значительное усиление по току (усиливал мощность в 100 раз, равное «коэффициенту усиления по току» транзистора), но получившаяся мощность распределялась между потребителями в выходной цепи (Нагрузка1-ТранзисторКЭ-Нагрузка2), пропорционально их сопротивлению (поскольку они соединены последовательно). С одной стороны, это немного похоже на обычный каскад (ОК или ОЭ), к выходу которого последовательных подключено несколько потребителей… Но это не совсем так: тут ключевой момент в том, что сам транзистор также входит в эту цепочку!

Минус 1: Транзистор всегда работает в линейном режиме и никогда не переходит в насышение — наследие схемы с ОК: очень сильна отрицательная обратная связь. А ток то течёт одинаковый через всех — и на транзисторе высаживается очень большая мощность (сравнимая с потреблением самой нагрузки), которая расходуется только на паразитный перегрев. Таким образом, большой ток в выходной цепи через эту схему не прогонишь — тогда спрашивается зачем было пихать дополнительную нагрузку в цепь коллектора? А обычно в коллекторную цепь ставят СИЛОВУЮ нагрузку, которой надо как можно большая мощность (т.е. ей повышение и напряжения, и тока — одинаково выгодны). А тут ВЫХОДНАЯ МОЩНОСТЬ НА НАГРУЗКЕ СИЛЬНО ОГРАНИЧЕНА.

Минус 2: «Эмитторный повторитель» (схема с ОК) хорош именно тем, что даёт на выходе напряжение практически равное тому что на входе усилительного каскада (т.е. усиливается только ток, причём значительно, в сотни раз) — этот каскад для специфических целевых применений.
Как например, для согласования низкоомного входа (мощного входа, которому требуется много тока для раскачки) <<== и сигнала снимаемого с высокоомного выхода (т.е. маломощного выхода, который может дать малый ток). Без усилительного каскада не обойтись — здесь «эмитторный повторитель» простое и дешёвое решение: ток усилит, а напряжение сохранит. Хотя конечно «эмитторный повторитель» при этом всё-таки немного уменьшит и напряжение сигнала (причём нелинейно, т.е. необратимо исказит) — поэтому в ответственных случаях используют другие схемы усилителей: на операционных усилителях…
А что я увидел на выходе этой гибридной схемы? Выходной сигнал снимаемый с эмиттера транзистора (output2 на модели Proteus) — уже нифига не повторяет входной сигнал, а стал меньше, пропорционально поделённый между сопротивлениями выходной цепи (Нагрузка1-ТранзисторКЭ-Нагрузка2). Таким образом, наличие нагрузки в коллекторной цепи убило «эмитторный повторитель» — ну и зачем тогда вообще нужна такая схема (риторический вопрос)?

Минус 3: Так как нагрузки в выходной цепи включены последовательно, то ток в них течёт одинаковый — следовательно, ОЧЕНЬ ЗАТРУДНЕНО ИХ СОГЛАСОВАНИЕ.
Нагрузки не могут слишком разниться по потребляемой мощности; и вообще, все должны быть рассчитаны на одинаковый рабочий ток; причём, изменения в потреблении одной из нагрузок (модуляции её сопротивления) радикально влияют на всю цепочку (помехи, вывод с режима)…
Короче, тут всё совсем плохо. Т.о. такая схема допустима только если все нагрузки статичны и одинаковые (например, гирлянда лампочек) — но тогда, вообще ВСЕ нагрузки гораздо лучше втулить только в одну цепь, либо коллектора (чаще всего), либо эмиттора.

 

Итак, вывод: смешивать схемы включения биполярных транзисторов (ОЭ, ОБ, ОК) никогда не стоит — иначе, получится нечто бестолковое и бесполезное.

Правило: Нужно всегда применять конкретную (одну из этих трёх) типовую схему, в зависимости от схемотехнической задачи. Поэтому и в практических (чужих) схемах иных случаев не встретится. Поэтому тут не стоит и голову ломать над вопросом: «а что если трензистор включён как-то странно?» — транзистор всегда включён в одну из типовых схем, реализующих конкретную идею, цель.

Однако не совсем так… На самом деле: «нечистые», комбинированные схемы есть и используются. Действительно, здесь каскады рассмотрены только со стороны усиления мощности, как единственной задачи. Но ещё ж бывают и другие задачи:

Встречаются каскады, работающие одновременно в нескольких режимах, обычно с несколькими сигналами. Например смесители, гетеродины-смесители, сверхрегенераторы, дифференциальные усилители, etc. Ну и классический ОЭ каскад имеет некоторые черты ОК и ОБ — на эмиттерном резисторе выделяется сигнал, выходной для ОК и входной для ОБ (сигнал ООС).

 

Замечание: Кстати, в схемах ОК, ОЭ, ОБ не обязательно одна из ножек транзистора должна непременно находится на нулевом потенциале — не это является характерным признаком каскадов. Признак, это отсутствие сопротивления (потребителя мощности) в цепи одной из ножек транзистора — где отсутствует, то и считается «Общим». Привязка какой-то точки схемы к «нулевому потенциалу» (соединение с «землёй») — это условность, для отсчёта напряжений и согласования разных частей «целевой схемы», в которой этот каскад будет использоваться.
Т.е. вообще говоря, вопрос «где будем делать талию (т.е. землю) ?» — трансцендентен, выходит за рамки самого каскада.
Сначала проектируют отдельный усилительный каскад («трёхполюсник»), который принимает некий диаппазон напряжений A..C вольт, и на выходе у него некий диаппазон напряжений B..C вольт (в точке C соединяются два контура «входной» и «выходной», сюда же напрямую без резисторов подключён один из выводов транзистора — что определяет название и тип схемы включения).
А уже потом этот каскад включают в некоторое место целевой схемы (для его подключения можно выделить три точки). И вот только теперь появляется привязка каскада к «земле», потому что «земля» присутствует только в целевой схеме…

 

Исключения из правила: На практике, в реальных схемах, в эти типовые каскады могут вноситься некоторые дополнительные элементы (резисторы или др.) — защитные цепи (от нештатных ситуаций), компенсирующие (температурный дрейф характеристик), или вызывающие какие-то «смещения» или «подпирания» напряжения (настройка контура на конкретные значения A,C,B вольт)…

В последнем примере явно видно как работает электронщик, усложняя схему поэтапно: сначала DI HALT взял уже совершенно рабочий каскад на биполярном транзисторе (схема с ОЭ), и затем привнёс в него дополнительные свойства, внеся дополнительные элементы…
Но глядя на конечную схему — эти дополнительные элементы будут усложнять вид схемы и смущать неопытных электронщиков. Разумеется, эти дополнительные элементы также будут влиять и на передаточную ВАХ схемы, но не принципиально (передаточные характеристики всякого реального каскада всегда будут похожи на характеристики одной из типовых моделей).
Совет: при разборе чужой схемы, чтобы узнать какой используется каскад — нужно сперва очистить схему от этих дополнительных вспомогательных элементов (отбросить, будто их и не было, принципиально на работу схемы это не повлияет). Тогда будет ясно виден сам каскад, а его свойства известны, и станет понятно как он работает в схеме…

Как узнать какие элементы являются «дополнительными», которые внесены поздже основных для улучшения характеристик, и которые можно отбросить?
Нужен опыт… Внесённые «дополнительные элементы» по своим характеристикам значительно отличаются от «основных» по влиянию на схему — это признаки:

  • Если вносимые элементы подключаются ПАРАЛЛЕЛЬНО к основным, то их сопротивление выбирается на порядок(!) больше — и т.о. ток через них протекает значительно меньший, которым можно даже пренебречь в большинстве случаев (обычно, их малое влияние сглаживает некоторые участки передаточной ВАХ каскада)… Такие элементы довольно заметны и их можно смело отбрасывать.
  • Если вносимые элементы подключаются ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО в цепь к основным, то их сопротивление выбирается, напротив, на порядок меньше — по тем же причинам, чтобы ОКАЗЫВАТЬ МАЛОЕ ВЛИЯНИЕ…
  • Есть вносимые элементы, которые работают не всегда, а только в некоторых режимах — это обычно «защитные цепи», и в них как правило ПРИСУТСТВУЕТ ДИОДный вентиль, чтобы различить эту самую «специфическую ситуацию», когда добавочная цепь включается в работу (самый простой критерий — это когда ток идёт в обратную сторону; и он же — самый опасный случай для электрических элементов: т.н. «переполюсовка»).
  • Если дополнительно вносятся вспомогательные ёмкость (КОНДЕНСАТОР) или индуктивность (ДРОССЕЛЬ) — то это наверняка для сглаживания помех по напряжению или по току. Номиналы таких «сглаживающих» C или L также на порядок меньше, чем у «основных» ёмкостей и индуктивностей. Подключаются: дополнительная ёмкость — параллельно; дополнительная индуктивность — последоватено (Причём не наоборот! Например, учтите: если маленький конденсатор включён наоборот ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ? то это уже никакой не «дополнительный», а самый что ни на есть «основной» — разделительный конденсатор, что исполняет совершенно другую функцию в цепи…)
  • Стабилитроны и Варисторы (используются в силовых цепях) — это однозначно защитные «дополнительные элементы» в цепи, ими как правило всегда можно пренебречь при анализе схемы. (Хотя в реальном устройстве ими пренебрегать конечно никак нельзя, потому что там есть стартовые токи и переходные процессы — паразитные скачки тока случаются огромные, сгорит…)

Приложения

Комментарии закрыты.