Podstawowe pytania dotyczące wzmocnienia tranzystora

Czy ktoś może wyjaśnić, w jaki sposób tranzystor może wzmacniać napięcie lub prąd? Według mnie wzmocnienie oznacza - wysyłasz coś małego, wychodzi większy. Powiedzmy na przykład, że chcę wzmocnić falę dźwiękową. Szepczę do wzmacniacza dźwięku i wychodzi, powiedzmy, 5 razy większy (w zależności od współczynnika wzmocnienia)

Ale kiedy czytam o działaniu wzmacniającym tranzystor , wszystkie podręczniki mówią, że od niewielkiej zmiany prądu podstawowego IIb, ale odpowiadającej dużej zmiany prądu emiterowego IIe, następuje wzmocnienie. Ale gdzie jest wzmocnienie? Co jest wzmacniane, jak to zdefiniowałem? Czy moje rozumienie pojęcia amplifikacja jest błędne? I w jaki sposób prąd jest przenoszony z obszaru o niskiej rezystancji do obszaru o wysokiej rezystancji?

Myślę, że zrozumiałem, jak zbudowany jest tranzystor i jak płyną prądy. Czy ktoś może więc jasno wyjaśnić działanie wzmacniacza tranzystorowego i odnieść go do tego, co rozumiem na temat wzmocnienia.

Zacznę od definicji wzmocnienia. W najbardziej ogólny sposób wzmocnienie to tylko stosunek dwóch wartości. Nie oznacza to, że wartość wyjściowa jest większa niż wartość wejściowa (chociaż jest to najczęściej stosowana metoda). Nie ma również znaczenia, czy obecna zmiana jest duża czy mała.

Przejdźmy teraz do kilku powszechnie stosowanych wartości wzmocnienia:

Najważniejszym (i tym, o którym mówi twoje pytanie) jest . Jest zdefiniowany jako β = I $\beta$ , gdzieIcto prąd idący do kolektora, aIbto prąd do podstawy. Jeśli zmienimy nieco formułę, otrzymamyIc=βIb,która jest najczęściej stosowaną formułą. Z powodu tej formuły niektórzy twierdzą, że tranzystor „wzmacnia” prąd podstawowy.$\beta= \frac {I_c} {I_b}$$I_c$$I_b$$I_c=\beta I_b$

Jak to się ma do prądu emitera? Mamy też wzór Po połączeniu tego wzoru z drugim wzorem otrzymujemy β I b + I b + I e = 0 . Z tego możemy uzyskać prąd emitera jako - I e = β I b + I b = I b ( β + 1 ) (zauważ, że I $I_c+I_b+I_e=0$$\beta I_b + I_b + I_e=0$$-I_e=\beta I_b + I_b= I_b (\beta + 1)$$I_e$ pobiera prąd do emitera, więc jest ujemny).

Z tego widać, że używając jako poręcznego narzędzia w obliczeniach, możemy zobaczyć zależność między prądem bazowym tranzystora a prądem emitera tranzystora. Ponieważ w praktyce β jest w zakresie od setek do tysięcy, możemy powiedzieć, że „mały” prąd podstawowy jest „wzmacniany” do „dużego” prądu kolektora (co z kolei wytwarza „duży” prąd emitera). Zauważ, że do tej pory nie mówiłem o żadnych deltach. Jest tak, ponieważ tranzystor jako element nie wymaga zmiany prądu. Możesz po prostu podłączyć bazę do stałego prądu stałego, a tranzystor będzie działał dobrze. Jeśli wymagana jest zmiana prądu, „$\beta$$\beta$

Jest też inna wartość, a jej nazwa to . Oto, co to jest: α = I $\alpha$ . Kiedy to zmieniamy, widzimy, żeIc=αIe. Zatemαjest wartością, o którą prąd emitera jest wzmacniany w celu wytworzenia prądu kolektora. W tym przypadku wzmocnienie faktycznie daje nam mniejszą moc wyjściową (chociaż w praktyceαjest bliskie 1, około 0,98 lub więcej), ponieważ, jak wiemy, prąd emitera wychodzący z tranzystora jest sumą prądu podstawowego i prąd kolektora, który trafia do tranzystora.$\alpha = \frac {I_c} {I_e}$$I_c= \alpha I_e$$\alpha$$\alpha$

Teraz powiem trochę o tym, jak tranzystor wzmacnia napięcie i prąd. Sekret polega na tym, że nie. Wzmacniacz napięciowy lub prądowy działa! Sam wzmacniacz jest nieco bardziej złożonym obwodem, który wykorzystuje właściwości tranzystora. Ma również węzeł wejściowy i wyjściowy. Amplifikacja napięcia stosunek napięć między tymi węzłami . Obecny amplifikacji stosunek prądów między tymi dwoma węzłami:I=IOu$A_v = \frac {V_{out}}{V_{in}}$ . Mamy również wzmocnienie mocy, które jest produktem wzmocnienia prądu i napięcia. Pamiętaj, że wzmocnienie może się zmieniać w zależności od węzłów, które wybraliśmy jako węzeł wejściowy i wyjściowy!$A_i=\frac {I_{out}}{I_{in}}$

Istnieje kilka innych interesujących wartości związanych z tranzystorami, które można znaleźć tutaj

Podsumowując: mamy tranzystor, który coś robi. Aby bezpiecznie korzystać z tranzystora, musimy być w stanie przedstawić, co robi tranzystor. Jednym ze sposobów reprezentowania procesów zachodzących w tranzystorze jest użycie terminu „wzmocnienie”. Używając wzmocnienia, możemy uniknąć faktycznego zrozumienia tego, co dzieje się w tranzystorze (jeśli masz jakieś zajęcia z fizyki półprzewodników, dowiesz się, że tam) i po prostu masz kilka równań, które będą przydatne dla wielu praktycznych problemów.

Tranzystor nie wzmacnia się. Wyobraź sobie fale dźwiękowe uderzające w mikrofon: tak naprawdę dzieje się tak, że sygnał dźwiękowy nie przechodzi do mikrofonu, ale mikrofon wytwarza sygnał odpowiadający sygnałowi dźwiękowemu; To nie jest faktyczny sygnał.

Pamiętaj, że rzeczywistych sygnałów w prawdziwym świecie nie można wzmocnić ani osłabić. Czy możesz złapać dźwięk lub inny sygnał z prawdziwego świata? Nie. Są takie, jakie są, możemy stworzyć system, który będzie działał na efekt sygnału ze świata rzeczywistego; fale dźwiękowe uderzone w mikrofon, lekkie uderzenia w obiektyw aparatu itp.

Ale jeśli chodzi o tranzystor, przykładasz sygnał wejściowy do bazy i otrzymujesz nowy sygnał odpowiadający sygnałowi wejściowemu o większej amplitudzie w kolektorze. Należy pamiętać, że dzieje się tak, ponieważ niewielka zmiana po stronie wejściowej będzie odpowiadać dużej zmianie po stronie wyjściowej z powodu zmian rezystancji. To tylko efekt jeden do jednego. Sygnał wyjściowy jest całkowicie nowym sygnałem o większej amplitudzie, a nie rzeczywistym sygnałem.

Sygnał jest wzmocniony. W zależności od konstrukcji wzmacniacza tranzystorowego rzeczywisty prąd podstawowy może, ale nie musi, stanowić część prądu wyjściowego. Nie przejmuj się definicją wzmocnienia, która wymaga, aby każdy elektron wejściowy był większy, a następnie przekazywany na wyjście ...

Zasada działania BJT (Bipolar Junction Transistor), która czyni go użytecznym, polega na tym, że wzmacnia prąd . Wrzuć mały prąd, a większy. Współczynnik wzmocnienia jest ważnym parametrem tranzystora i nazywa . Tranzystor ogólnego przeznaczenia może mieć h F E wynoszącą na przykład 100, czasem wyższą. Tranzystory mocy muszą to robić z mniejszą ilością , na przykład od 20 do 30. Więc jeśli wstrzyknę prąd 1 mA do podstawy mojego tranzystora NPN ogólnego przeznaczenia, otrzymam 100 mA prądu kolektora. To jest wzmocnienie, prawda? Wzmocnienie prądu . $h_{FE}$$h_{FE}$

Co powiesz na wzmocnienie napięcia? Dodajmy kilka oporników. Rezystory są tanie, ale jeśli chcesz zarabiać, możesz spróbować je sprzedać, nazywając je „przetwornikami napięcia na prąd” :-).

Dodaliśmy rezystor bazowy, który spowoduje prąd bazowy o wartości

$I_B = \dfrac{V_B - 0.7 V}{R_B}$

I wiemy, że prąd kolektora jest wyższy o współczynnik h F E , więc $I_C$$h_{FE}$

$I_C = \dfrac{h_{FE} \cdot (V_B - 0.7 V)}{R_B}$

Rezystory są naprawdę świetnymi rzeczami, ponieważ oprócz „przetworników napięcia na prąd” można również używać ich jako „przetworników prądu na napięcie” ! (możemy za nie naliczyć jeszcze więcej!) Zgodnie z prawem Ohma:

$V_{RL} = R_L \cdot I_C$

i odtąd $V_C = V_{CC} - V_{RL}$

dostajemy

$V_C = V_{CC} - R_L \cdot \dfrac{h_{FE} \cdot (V_B - 0.7 V)}{R_B}$

lub

$V_C = - \dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot V_B + \left(\dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot 0.7 V + V_{CC}\right)$

$V_C$$V_B$$h_{FE}$$R_B$$R_C$

$V_C = - \dfrac{h_{FE} \cdot R_L}{R_B} \cdot V_B = - \dfrac{100 \cdot 1k\Omega}{10 k\Omega} \cdot V_B = - 10 \cdot V_B$

Napięcie wyjściowe jest więc 10 razy większe niż napięcie wejściowe plus stałe obciążenie. Wygląda na to, że możemy również użyć tranzystora do wzmocnienia napięcia .

Wzmocnij dźwięk, a zwiększysz przepływ energii: waty wejściowe dźwięku stają się większe waty wyjściowe.

Zauważ, że transformator elektryczny nie wzmacnia się. Może zwiększyć napięcie, ale nie może zwiększyć watów.

Tranzystory (i każdy rodzaj zaworu lub przełącznika) mogą się wzmacniać. Robią to za pomocą niewielkiej mocy do sterowania zasilaczem, który może wytworzyć ogromną moc. Duża moc wyjściowa pochodzi z zasilacza, podczas gdy sygnał wejściowy włącza i wyłącza tranzystor.

Jeśli masz gigantyczną prasę hydrauliczną, możesz zmiażdżyć samochody, dotykając przełącznika zaworu małym palcem. Zawór się wzmocnił ruch palca, aby zacisnąć Chevysa. Ale tak naprawdę to była dostawa heudrauliczna o mocy setek KM, która zapewniła zwiększoną moc. W przypadku NPN ten sam pomysł. Tranzystory to zawory przepływającego ładunku zamiast płynnego płynu hydraulicznego.

Rozumiem, że aby wzmocnić tranzystor, musisz odpowiednio go polaryzować. Przesunięcie do przodu złącza BE powoduje, że jest to dioda przewodząca, więc rezystancja wejściowa jest mniejsza. Odwrotne odchylenie złącza CE sprawia, że ​​dioda nie przewodzi prądu, więc rezystancja wyjściowa jest wysoka. A jeśli Ic jest prawie równy Ie, wówczas prąd powoduje niski spadek napięcia na wejściu i duży na wyjściu. Dlatego nazywa się to Wzmacniaczem.

Dzięki tranzystorowi możesz to osiągnąć: Daj mały sygnał (ac) na wejściu i uzyskaj sygnał o wyższej wartości (wyższej amplitudzie) na wyjściu. Ale to nie wszystko. Musisz podać zasilanie DC na kolektorze i podstawie; emiter, jeśli jest wymagany. Nazywa się to odchylaniem punktu stałego. Moc skuteczna uzyskana na wyjściu będzie mniejsza niż dostarczona moc prądu stałego.

Jeśli chcesz przeprowadzić analizę, każdy obwód wymaga dwóch kroków.

1. Analiza DC: nie bierz pod uwagę żadnego sygnału AC. Sprawdź wartości wszystkich prądów diodowych na podstawie napięcia stałego w różnych węzłach (kolektor, baza, emiter). Odbywa się to za pomocą KVL wzdłuż różnych pętli.

2. Model AC: Wyjaśnia to bardzo: co rysujemy jako obwód v / s, jakie elementy są faktycznie obecne w środku. Idąc dalej, dioda ma opór do przodu. Rzeczywisty model będzie taki:
   

Na podstawie analizy prądu stałego musisz znaleźć wartość Ie. Zgodnie z teorią diod Re = (26mV / Ie). Naszym celem jest znalezienie Vout / Vin.
1. Vout będzie zależeć od Ic.
2. Ic będzie zależeć od Ib.
3. Ib będzie zależeć od Vin i Re.
4. Re znaleźliśmy z analizy DC.

W analizie prądu przemiennego wykonujemy całe zasilanie prądem stałym na 0 V. Patrząc na to, możesz stwierdzić, że sygnał wyjściowy będzie wzmocniony, prawda?

Uwaga: miało to na celu dać ci intuicyjny pogląd, że wzmocnienie ma miejsce. Ale to, czy dostaniesz wzmocnienie, czy nie, zależy od tego, czy tranzystor jest liniowy (wzmacniacz), nasycony, czy odcięty (przełącznik). Ponownie, to, co zostanie wzmocnione (prąd lub napięcie), zależy od rodzaju konfiguracji. Tak więc wszystko składa się z 3-4 rozdziałów dowolnej standardowej książki na temat teorii analogowej.