Этот вопрос поставил меня поначалу в тупик. Схема, которую я получил в готовом виде вместе с вопросом, на первый взгляд выглядела привычно, а симуляция процесса явно демонстрировала отсутствие выпрямления. И схема и симуляция были сделаны в другой программе, но как это выглядело, я проиллюстрирую в программе Proteus. Верхняя схема относится к тому, как я представлял себе схему и результат симуляции, нижняя к тому, что получалось в действительности.
Рис. 2.1. Симуляция выпрямления переменного напряжения 100 Гц
Что поучительного в этих двух схемах? Первая, как можно понять из рисунка, работает от генератора напряжения, тогда как вторая от генератора тока. Разница между этими двумя источниками в том, что первый призван поддерживать напряжение, которое не зависит от сопротивления нагрузки, то есть, иметь очень малое внутреннее сопротивление, а второй должен поддерживать ток, независящий от нагрузки, то есть иметь очень большое внутреннее сопротивление. При этом его напряжение при обратном включении диода (для обратной полу-волны) будет расти так, чтобы обеспечить необходимый ток в нагрузке.
Мне не приходилось собирать стабилизаторы тока для каких-либо своих нужд, и редко приходилось пользоваться стабилизатором в режиме стабилизатора тока, но схемы стабилизатора тока есть, а мне было бы интересно посмотреть, как работает такая схема в Proteus.
Поиск схемы стабилизатора несколько затянулся, мне не хотелось использовать микросхему стабилизатора напряжения, но через несколько минут я нахожу подходящую схему, рисую ее в Proteus, добавляю два прибора для измерения напряжения и тока на выходе, и начинаю эксперименты.
Рис. 2.2. Эксперименты со схемой стабилизатора тока
Опорное напряжение, формируемое стабилитроном D1 и снимаемое с делителя напряжения на потенциометре RV1 на прямой вход операционного усилителя, сравнивается с падением напряжения на резисторе R1 от тока, практически, равного току в нагрузке R3. Если сопротивление нагрузки изменяется, операционный усилитель изменяет напряжение на выходе так, чтобы вернуть ток в нагрузке к заданному значению.
Сейчас сопротивление нагрузки 10 Ом. Используя возможности программы Proteus, тот факт, что потенциометр интерактивный, я могу задать ток, который мне представляется удобным для последующих опытов. При наведении курсора на точки управления рядом с потенциометром он превращается в плюс в одной из них и в минус в другой. Щелчком по этим точкам можно регулировать положение выходного вывода потенциометра.
Отображение значений на дисплее вольтметра и амперметра при желании можно сделать крупнее. Это приводит к общему укрупнению схемы, но позволяет лучше разобрать детали. Достаточно щелкнуть левой клавишей мышки в нужном месте чертежа, а затем колесиком увеличить или уменьшить масштаб отображения.
Если при этом не получается вернуть общий вид схемы к первоначальному, можно использовать окно панорамирования, слева вверху. Щелчком левой клавиши мышки по этому окну можно вызвать рамку привязки, перемещая эту рамку по общему виду выбрать нужный ракурс, что отображается в окне редактирования схемы, а повторным щелчком зафиксировать это положение.
Рис. 2.3. Выбор тока в нагрузке
Теперь можно увеличить значение резистора нагрузки до 100 Ом или 1 кОм. Я догадываюсь, что никакая программа не отменяет законов электротехники, и возможности регулирующих элементов при питании от 12 вольт отнюдь не безграничны, но попробую сразу увеличить сопротивление нагрузки до 10 кОм. Первое, что приходится при этом сделать, милливольтметр, который показывал напряжение 3.29 мВ, оказывается перегружен, это изменить в свойствах вольтметра его пределы, выбрав Volts. Повторный запуск показывает напряжение на выходе 3.29 В, а ток, как и прежде 0.33 мА.
Как и положено стабилизатору тока, он поддерживает ток в нагрузке заданной величины, хотя сопротивление нагрузки изменилось в 1000 раз. Совсем неплохо.
Начинающий вполне может, используя возможности программы, исследовать эту схему, чтобы понять, как она работает, как влияет каждый из элементов схемы на результаты ее работы. Наиболее очевидное применение схемы — измерение величины сопротивления. Если вместо сопротивления нагрузки R3 включать неизвестное сопротивление, а выходной ток задать удобным образом, например, 1 мА, то измеряя падение напряжения с помощью вольтметра, как это показано на схеме выше, можно по его показаниям прочитать величину измеряемого сопротивления. Для удобства подобного рода измерений можно сделать несколько пределов измерений с помощью переключателя, обеспечивающего разные выходные токи. Программа позволяет провести все предварительные эксперименты, получить, практически, готовое решение, которое останется проверить на макетной плате, при необходимости провести коррекцию элементов схемы, при применении отечественных аналогов может возникнуть необходимость в подобной коррекции, а затем либо собрать схему в окончательном виде, либо развести печатную плату для схемы во второй части системы с названием Ares.
Такой, вот, пример применения Proteus в любительской практике. Но кроме практического применения программа позволяет ответить на многие вопросы, больше подходящие цели обучения, что несомненно поможет любителю в освоении электроники, особенно если будет сочетаться с проверкой наиболее значимых экспериментов на реальной макетной плате с использованием реальных приборов. Конечно, можно и не использовать программу, но проведение очень большого количества реальных испытаний может привести в уныние даже очень увлеченного и упорного любителя. Всегда полезно разнообразить подходы, поскольку смена обстановки благотворно сказывается на поддержании интереса к предмету.
Особую пользу любитель может извлечь, когда он пытается решить свои задачи при использовании элементов электрической схемы в предельных или близких к ним режимах. Реальные пробы в этом случае требуют либо очень тщательного продумывания, либо способны привести к значительным тратам на покупку деталей, раз за разом выходящих из строя. Обычно схожая ситуация возникает в такие моменты, когда, собрав готовую схему, любитель обнаруживает, что, например, транзистор сильно греется. Это может обнаружиться случайно и не сразу после первых испытаний. Первые быстрые испытания схемы могут обнадеживать: схема хорошо работает, не потребовала настройки. Любитель принимает решение сделать печатную плату, вкладывая много труда и упорства в эту работу. Но, перенеся схему на печатную плату, он включает ее надолго и обнаруживает тревожащие его обстоятельства. Тот факт, что транзистор греется, может не иметь особого значения, если это не сказывается роковым образом на выходных параметрах схемы, если это не приводит к выходу транзистора из строя. Оценить возможные последствия удобнее в программе, где можно не только измерить рассеиваемую транзистором мощность, но и оценить влияние температуры на окружающие его элементы схемы без риска окончательно «доконать» транзистор. Хотя сам транзистор в выбранном режиме может «безболезненно» греться, увеличение, скажем, сопротивления рядом расположенного резистора может приводить в определенных условиях к увеличению мощности рассеивания на транзисторе, а этот лавинообразно происходящий процесс не только расстроить работу схемы, но и вывести ее из строя.
Иногда подобные процесс происходят настолько быстро, что наблюдение их в реальных условиях сопряжено с большими трудностями. Особенно это касается переходных процессов, начинающихся при включении схемы. Сейчас достаточно много устройств с бестрансформаторным питанием. Даже исключая сложности налаживания подобных устройств, связанные с опасностью поражения электрическим током, трудно наблюдать переходные процессы при подключении к сети. Даже в профессиональной разработке учет самых неблагоприятных обстоятельств в этом случае оценивается вероятностью проявления этих самых неблагоприятных обстоятельств, положим, когда при включении схемы напряжение в сети равно амплитудному значению, к которому добавляется импульс помехи. Программа позволяет растянуть время, добавить источник помех и тщательней рассмотреть процесс.
Но даже вне таких случаев, с которыми любитель, видимо, никогда не столкнется, программа позволяет задавать множество вопросов из разряда «А если...», вопросов, которые обычно не приходят в голову или требуют трудоемкого ответа, тогда как многие вопросы, подобные тому, что послужил названием этой главы, позволяют лучше понять многие аспекты работы реальных устройств, а порой становятся базой для новых решений, для создания новых полезных устройств.
Первое, что приходит в голову, когда слышишь подобный вопрос, это рассказать об устройстве транзистора: p-n переходах, их объединении в трехслойную конструкцию и т.д. Физика полупроводников, если подходить к вопросу серьезно, достаточно сложна и требует хотя бы начальных знаний о квантовой физике. И это касается только вопроса методичности изложения, тогда как и сама квантовая физика, как, впрочем, и классическая теория электричества, порою не в состоянии ответить на все возникающие вопросы. В итоге, чаще приходится просить принять что-то на веру после обширных математических выкладок и многочисленных поясняющих рисунков, а это никак не способствует пониманию существа вопроса.
Но действительно ли спрашивающего интересует физика полупроводников? Кого-то, может быть, и интересует, но большая часть вопрошающих, как мне кажется, больше склонна получить ответ на другой вопрос: как осмысленно использовать транзистор в схемах?
Транзистор — один из наиболее употребительных активных элементов электронных схем. В последнее время схемы часто строятся с использованием микросхем, а подход к их созданию требует только знания свойств и функциональных возможностей микросхемы, но следует забывать, что и свойства и функциональные возможности микросхемы обусловлены свойствами скрытых в ней компонент, где транзисторы продолжают играть значительную роль. Так что вопрос о работе транзистора не утратил актуальности. Но с учетом «микросхемного» подхода к созданию устройств рассмотрение свойств и функциональных возможностей транзисторов мне кажется более актуальным, чем физических принципов, лежащих в основе их работы, особенно для любителей.
Чаще всего транзистор используется для усиления сигнала. И хотя сигналы бывают разные, наиболее простые эксперименты можно осуществить с усилением синусоидального сигнала. А Proteus предоставляет все необходимое для этого.
В одном из весьма аргументированных сообщений, встреченных мною на форуме, где обсуждалась работа с Proteus, говорилось, что эта среда разработки предназначена для работы с цифровой техникой и микроконтроллерами, поэтому аналоговые схемы в ней исследовать нет резона. Меня заинтересовало, можно ли рассказать о применении транзисторов с помощью программы Proteus? Попробую это сделать.
Итак. Усиление сигнала можно рассматривать как усиление сигнала по току, усиление по напряжению и усиление по мощности. Усиление сигнала по току у транзистора обусловлено его свойством — ток коллектора и ток базы связаны соотношением Iк = К*Iб. При этом, если ток базы изменяется по какому-то закону, то ток коллектора изменяется по тому же закону, то есть, соотношение выше можно рассматривать для каждого момента времени. Вот, собственно, что я посчитал бы необходимым ответить на вопрос о том, как работает транзистор.
При работе с симметричными сигналами транзистор, как правило, включают так, чтобы напряжение на коллекторе было равно половине напряжения питания. В простейшем случае это достигается подбором резистора в цепи базы.
Рис. 3.1. Задание рабочего режима транзистора
Если в такой схеме менять величину сопротивления R1, что в Proteus достигается щелчком правой клавиши мышки по этому компоненту с последующим выбором из выпадающего меню пункта Edit Properties, открывающего, в свою очередь, диалоговое окно свойств резистора, где и задается величина сопротивления, так вот, если менять R1 то можно получить разное напряжение на коллекторе транзистора.
Однако гораздо полезнее подключить к схеме предыдущего рисунка генератор синусоидального напряжения, используя клавишу Generator Mode (иконка на левой инструментальной панели в виде кружка с синусоидой). Если теперь с помощью клавиши Graph Mode нарисовать график, можно выбрать ANALOGUE из представленных возможностей, добавить пробник напряжения, обозначив его метку как output, то после настройки графика, в его свойствах я задаю время 10 мС (10m), так как я задал для генератора синусоиды 10 мВ (10m RMS) и частоту 1 кГц (1k), добавить кривую для графика, используя пункт выпадающего меню Add Traces..., то теперь можно наблюдать выходной сигнал после запуска симуляции в пункте выпадающего меню Simulate Graph при разных значениях сопротивления, чтобы оценить, как влияет выбор рабочей точки на получающийся результат.
Рис. 3.2. Наблюдение синусоидального сигнала на коллекторе транзистора
Зачем на входе транзистора конденсатор? Чтобы сопротивление генератора, а генератор имеет некоторое внутреннее сопротивление, не меняло заданный режим. Конденсатор не пропускает постоянный ток, значит не изменит наших настроек. Можно включать разные источники сигнала, можно менять сопротивление в цепи коллектора, можно наблюдать многое в программе Proteus, и можно проверить, действительно ли между током базы и током коллектора есть соотношение, о котором было сказано в самом начале, и можно проверить, действительно ли ток (ток, а не напряжение, как у меня) коллектора повторяет закон изменения тока базы. Кстати, можно проверить и фазовые соотношения между напряжениями на базе транзистора и напряжением на его коллекторе. Это удобно сделать добавив второй график для сигнала input на рис.3.2.
Я же хочу проделать другие испытания. Если верить рассказам о Proteus, которые я нашел в Интернете, то работа усилителя не зависит от того, какой транзистор вы используете. Выбирая разные транзисторы из библиотеки компонентов, я хочу посмотреть на амплитудно-частотные характеристики получающихся усилителей. Для этой цели я использую ту же схему, добавлю в свой набор некоторое количество транзисторов, затем, меняя транзисторы, посмотрю, действительно ли их АЧХ одинаковы?
Рис. 3.3. Испытания разных транзисторов в Proteus
Для транзистора AC127, как это видно из графика, частота среза примерно 5 МГц. Похоже ли это на правду? Не хочу заниматься расчетами, но если современные транзисторы малой мощности имеют граничную частоту при включении с общей базой порядка 300 МГц, а усиление около 100, то граничная частота должна получиться около 3 МГц.
Когда рассказывают о строении биполярного транзистора, то обязательно упоминают о том, что он имеет две пограничные области на стыке полупроводников разных типов проводимости, очень напоминающие по свойствам заряженные конденсаторы. Этому свойству транзистор обязан своим поведением при усилении сигналов разных частот. Его поведение можно моделировать используя RC цепь. Амплитудно-частотная характеристика интегрирующей RC цепи и однокаскадного усилителя на транзисторе будут обладать одинаковыми свойствами. Можно сравнить графики рис. 1.14 и предыдущего, чтобы увидеть наличие верхней граничной частоты в обоих случаях и спада амплитудно-частотной характеристики со скоростью 20 дБ на декаду. Величина эквивалентного конденсатора зависит от конкретной модели транзистора. Если заменить одну модель транзистора другой, то можно ожидать, что амплитудно-частотная характеристика каскада изменится, если, конечно, у них различается такой параметр, как граничная частота усиления.
Поэтому я хочу заменить транзистор на TIP31.
Рис. 3.4. Амплитудно-частотная характеристика после замены транзистора
Не знаю, как у вас, а у меня верхняя граничная частота «улетела» за 10 МГц. Не уверен я теперь, что Proteus не годится для аналогового симулирования схем. Чтобы развеять свои сомнения я верну транзистор AC127, а в цепь эмиттера включу резистор. Этот резистор, удобнее рассмотреть его работу в схеме рис.3.1, приведет к тому, что напряжение база-эмиттер транзистора изменится. На нем будет падать напряжение, которое нужно вычесть из напряжения между базой и общим проводом, чтобы получить напряжение база-эмиттер. Входным напряжением для транзистора служит именно напряжение база-эмиттер. Таким образом, резистор в цепи эмиттера уменьшает входной сигнал для транзистора. Он, резистор, является резистором обратной связи — мы часть выходного сигнала (а на резисторе в цепи эмиттера в значительной мере сказывается именно выходной сигнал) сложили с учетом фазы со входным сигналом, дополнение «с учетом фазы» в данном случае указывает на то, что обратная связь будет отрицательной. А, насколько я знаю, отрицательная обратная связь должна расширить диапазон рабочих частот каскада усиления, то есть, верхняя граничная частота должна увеличится. Проверим, так ли это?
Рис. 3.5. Амплитудно-частотная характеристика с отрицательной обратной связью
Нисколько я не развеял сомнения, верхняя частота среза каскада вновь оказывается за 10 МГц, как и предписывает ей теория и практика. Видимо профессионалов не устраивает точность моделирования сравнительно с расчетами или практическим выполнением схем, но в любительской практике, если проверять результаты моделирования на макетной плате, программа окажется достойным помощником.
Проведем еще один эксперимент, который отчасти отвечает на вопрос о применимости Proteus к аналоговым схемам, отчасти на вопрос о том, как работает транзистор?
В самом начале я говорил, что ток базы и ток коллектора связаны соотношением, но никак не назвал это соотношение. Коэффициент «К» — это статический коэффициент усиления по току. Можно встретить его в виде Вст и в виде h21. Это связь между постоянным током базы и коллектора. Но при работе транзистора в схеме нас больше может заинтересовать динамическая связь этих токов. Посмотрим, может ли Proteus помочь нам в этом.
Но предварительно, поскольку мы этого не сделали, найдем этот самый статический коэффициент усиления по току, как отношение постоянного тока коллектора к току базы в выбранном режиме. В схеме рис.3.1 я добавлю два измерителя тока, амперметра, один в цепь базы, другой в цепь коллектора. В свойствах этих амперметров (правый щелчок, в выпадающем меню свойства, затем окошко Display Range) я заменю тот, что в цепи базы на микроамперметр, а в цепи коллектора на миллиамперметр.
Рис. 3.6. Измерение статического коэффициента усиления по току
Теперь можно разделить 5.67 мА на 22.6 мкА, что даст значение коэффициента, примерно, 250.
Мне хотелось бы проделать нечто подобное со входным и выходным током схемы на рис. 3.4. Токовый пробник к входной цепи добавляется и графика работает, а вот графика, если добавить токовый пробник в коллекторную цепь, работать не хочет. Но это не слишком огорчает меня, поскольку токовый пробник в общей цепи вполне меня устроит, ток в общей цепи — сумма токов базы и коллектора, но ток базы много меньше тока коллектора, так что для ориентировочных расчетов можно взять их сумму.
Можно, конечно, попытаться разобраться, отчего не хочет симулироваться график, если токовый пробник устанавливать в цепь коллектора. К этой проблеме можно вернуться позже, либо не рассматривать это в качестве проблемы до того момента, когда в таком измерении возникнет жестокая необходимость. Пока можно обойтись тем, что есть.
В общем рабочем поле графики немного маловаты, и если это, как мне в данном случае, мешает определить величины, можно выбрать из выпадающего меню после щелчка правой клавиши мышки по графику пункт Maximize (Show Window), что приведет к появлению окна просмотра с большим графиком.
Рис. 3.7. Токи во входной и выходной цепях усилителя
Самый верхний график показывает напряжение сигнала на коллекторе транзистора. В окне просмотра легко выясняется, что двойная амплитуда сигнала около 8.5 - 3.5 = 5 В. Соответственно амплитуда должна быть 2.5 В. Прав я или нет, но при сопротивлении нагрузки равном 1 кОм ток через это сопротивление должен быть 2.5 мА.
Следующий график показывает токовый сигнал базы транзистора, двойная амплитуда которого 24 мкА, а амплитуда 12 мкА.
Последний график — это общий токовый сигнал, как алгебраическая сумма базового и коллекторного токов, который я, ничтоже сумняшеся, принимаю за выходной ток с амплитудой 2.5 мА. В этом случае усиление по току, как простое отношение выходного тока ко входному, будет около 208. Это близко к статическому коэффициенту усиления по току. Кроме того, зная, что входной сигнал равен 10 мВ (RSM ) эффективного значения или 14 мВ амплитудного, а выходной сигнал 2.5 В, можно получить усиление по напряжению около 178. Это значение, выраженное в децибелах, дает величину 45 дБ. Это же значение присутствует на амплитудно-частотной характеристике этой схемы. Расчетное значение усиления по напряжению получается около 200. Пока похоже.
В одном из справочников приводится расчетное значение усиления по напряжению как отношение величины сопротивления в коллекторной и эмиттерной цепи для рис. 3.5. В данном случае это будет 1000/300 = 3.3 или в децибелах 20log(3.3) = 10.4. Это значение присутствует на амплитудно-частотной характеристике.
Что ж, был бы рад сказать, что убедился, с аналоговыми схемами работать нельзя, но не убедился пока. Увы!
