Биполярный конденсатор что это простыми словами

Биполярный конденсатор что это простыми словами

Вопрос по конденсаторам. Nihicon ES — биполярные, Mundorf E-Cap. AS — полярные. В чем отличие биполярных от неполярных. Заранее благодарюэ

20 января 2018, 11:17
Владимир Лобков (Аудиомания)

Полярные конденсаторы без повреждения могут работать лишь при определённой приложенной к пластинам конденсатора полярности напряжении, К одной пластине (выводу) конденсатора «плюс», ко второй «минус».
Неполярные конденсаторы могут работать при изменении полярности на выводах.
Спасибо

22 января 2018, 09:46
Владимир (Гость)

Про полярные конденсаторы все понятно но на фото биполярного конденсатора не видно обозначения минуса как на полярных или они так лежат, что минуса не видно. Тогда вопрос такой биполярные и полярные это одно и тоже или нет?

22 января 2018, 13:51
Ирина Кербникова (Аудиомания)

Здравствуйте, Владимир! Нет, это разные конденсаторы. И обозначений (+) и (-) на биполярных конденсаторах нет. Для электролитического конденсатора требуется строгое соблюдение полярности подключения выводов. Если на плюсовом выводе окажется минус напряжения, конденсатор будет плохо работать, а то и вовсе выйдет из строя. Для тех же случаев, когда конденсатор должен стоять в цепи с изменяющейся полярностью напряжения,
выпускаются специальные неполярные (биполярные) конденсаторы .

Компоненты достоверного звука: разбираемся в сериях конденсаторов Mundorf

Перед любым инженером-разработчиком на этапе завершения принципиальной схемы встаёт задача выбора оптимальных радиоэлектронных комплектующих. При анализе компонентной базы для аудиоустройств особенно сложно определиться с наиболее подходящими конденсаторами, так как они могут оказывать значительное влияние на звук, при этом элементы данного типа с практически идентичными техническими характеристиками могут по-разному влиять на конечный результат.

Продукция Mundorf уже более 20 лет пользуется почётом у производителей аудиоаппаратуры самого высокого класса. За годы своего существования компания выпустила в широком ассортименте компоненты для применения в кроссоверах и аудиотрактах звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры. Цель данной статьи – внести некоторую ясность в отношении используемых технологий и материалов, применяемых для производства плёночных полипропиленовых и электролитических конденсаторов.

Структура конденсатора и используемый диэлектрик в дополнение к примененному материалу обкладок (см. раздел «Материал проводников») оказывают критическое влияние на его физические свойства и, следовательно, на звук. С тем чтобы предложить для каждого конкретного применения оптимальный конденсатор, Mundorf использует наилучшие диэлектрические материалы и собственную изобретённую и запатентованную технологию намотки.

1.0 Электролитические конденсаторы

Оксид алюминия (Al₂O₃) применяется в качестве диэлектрика во всех электролитических конденсаторах, в компании его называет клеем или электрокорундом. Это соединение также может образовывать с различными примесями драгоценные камни: с хромом – рубин или сапфир – с железом и титаном. Оксид алюминия – чрезвычайно твёрдый материал с высоким электрическим сопротивлением, а также отличной теплопроводностью. В частности, он характеризуется очень высокой диэлектрической прочностью и покрывает алюминиевую плёнку обкладок ультратонким слоем, что позволяет производить максимально компактные конденсаторы с великолепным соотношением ёмкость Х напряжение/цена.

1.1 Полярные электролитические конденсаторы характеризуются наиболее компактными среди всех типов размерами, и поэтому они производятся с самыми высокими показателями ёмкости, которая требуется, например, в схемах питания усилителей. Однако из-за того, что они являются полярными, их невозможно применять в цепях переменного тока или использовать в качестве разделительных.

1.1.1 MLytic Power Capacitors – силовые конденсаторы широкого спектра ёмкостей и напряжений, каждый из которых имеет только одно главное предназначение: применение в электрических цепях, где недопустимы искажения звукового сигнала. Основным фактором достижения этой цели является минимизация нежелательных потерь, обусловленных эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) и эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL), которые негативно влияют на аудиосигналы. Использование для производства сырья высочайшей степени очистки и прецизионного технологического оборудования позволяет изготавливать алюминиевую фольгу, покрытую плёнкой оксида алюминия Al₂O₃ с гомогенной кристаллической структурой. Это позволяет добиться максимальной детализации и тональной сбалансированности на всём слышимом частотном диапазоне. Также для катодной обкладки используется специальное дополнительное покрытие из титана, благодаря которому конденсаторы имеют более низкое эквивалентное сопротивление (ESR), которое делает музыкальные образы на сцене более сфокусированными и объёмными. Между электродами из тонкой алюминиевой фольги Mundorf использует высокотекучий долговечный электролит с очень мягкой специальной бумагой, состоящей в основном из волокон дерева абака, которые характеризуются очень высокими механической стабильностью и абсорбцией электролита, а также великолепными демпфирующими свойствами. Кроме того, Mundorf не применяет намагничивающиеся, негибкие, плохо проводящие стальные выводы (которые почти повсеместно используются в конденсаторах с типом выводов snap-in), вместо них в ход идут пластичные медные, покрытые оловом с отличной проводимостью, необходимой для больших токов. Выводы конденсаторов круглого сечения выполнены также из чистой, покрытой оловом меди. Для конденсаторов с винтовыми выводами используется твёрдый дюралюминий.

1.1.2 MLytic+® 4-pole Filter Capacitors – в четырехвыводных конденсаторах также используются вышеперечисленные передовые технологии. Данная серия не наделена способностью работать с большими импульсными токами, поскольку она специально предназначена для фильтрации сетевых помех. Конденсаторы MLytic+ оптимально подойдут для применения в схемах питания предусилителей, усилителей для наушников, цифроаналоговых преобразователей и прочих аудиоустройств относительно небольшой мощности.

1.2 Bipolar Electrolytic Capacitors – серия биполярных электролитических конденсаторов, часто называемых неполярными или NP-конденсаторами, анодная фольга которых имеет покрытие, устойчивое к переменному току, что делает их пригодными для пропускания звуковых сигналов. Обкладки биполярных конденсаторов ECap Raw изготавливаются из специальной фольги, поверхности которой с помощью особого процесса травления придана шероховатость. Это увеличивает эффективную площадь поверхности обкладок конденсатора, и тем самым позволяет увеличить их ёмкость при том же размере корпуса. Биполярные конденсаторы ECap Plain имеют электроды без травления, и поэтому при той же ёмкости и номинальном напряжении, что и у ECap Raw, имеют больший размер. Однако тангенс угла диэлектрических потерь σ у ECap выше и составляет 0,05 против σ = 0,025 у ECap Plain на частоте 1 кГц.

2.0 Плёночные конденсаторы Mundorf

Полипропиленовые конденсаторы по совокупности характеристик являются номером один в мире аудио. Полипропилен (PP) используется абсолютно во всех плёночных конденсаторах Mundorf. Это полимер углеводорода (85,7% углерод и 14,3% водород), сформировавшийся путём полимеризации пропилена. Данный диэлектрик по сравнению другими материалами, применяемыми в плёночных конденсаторах с диэлектриками (PET – полиэтилентерефталатными, полистирольными, лавсановыми (майларовыми)), выделяется большей долговечностью, самой лучшей термостабильностью, диэлектрической прочностью и пр. Частотная и температурная стабильность полипропиленовых конденсаторов сочетается с ультранизким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), высокой удельной ёмкостью, возможностью изготавливать очень тонкую плёнку диэлектрика со стабильными механическими параметрами и отсутствием микрофонного эффекта. Всё это делает их практически идеальными «музыкальными» конденсаторами.

В течение последних десятилетий специалисты Mundorf регулярно проводили сравнительные тесты и прослушивания аппаратуры с конденсаторами различных типов (полифенилентерефталатными, полиэтиленнафталатными, полифиниленсульфидными, политетрафторэтиленовыми, бумажными и пр.). Хотя эти материалы порой были по некоторым техническим параметрам предпочтительнее и даже иногда лучше «звучали» в некоторых музыкальных аспектах, итогом накопленного опыта стало убеждение, что самым приятным и увлекательным исполнение любимой музыки было с полипропиленовыми плёночными конденсаторами.

2.1 Фольговые конденсаторы (KP) изготавливаются из плотной металлической фольги. Её высочайшая проводимость обеспечивает великолепные импульсные характеристики, а механическая инертность гарантирует полное отсутствие микрофонного эффекта и предотвращает резонансы. Это способствует живому воспроизведению музыкального материала. Недостатками таких конденсаторов является высокая стоимость используемых для производства материалов, повышенный процент брака на производстве вследствие механической напряжённости диэлектрической плёнки и отсутствие возможности самовосстановления (в случаях пробоя изоляции между обкладками они замыкаются накоротко). Поэтому Mundorf реализовала технологию фольговых конденсаторов только в серии ZN Classic. Комплектующие этого типа, изготовленные из других материалов, она не рекомендует использовать в аудиоэлектронике или где-либо ещё.

2.2 Металлизированные конденсаторы (MKP) изготавливаются из плёнки со слоем металлизации, полученным методом вакуумного напыления. Такая высокотехнологичная структура более компактна, более надёжна, чем у фольговых конденсаторов. Также MKP имеют свойство самовосстановления после пробоев диэлектрика практически без изменения рабочих свойств.

2.2.1 MCap® EVO – линейка металлизированных полипропиленовых плёночных конденсаторов, изготовленных по инновационной технологии намотки обкладок, которая впервые появилась в RXF-серии (Radial eXtra Flat) в 2005 году. Ее преимущество заключается в том, что обкладки наматываются более узкой лентой, из-за этого конденсатор увеличивается в поперечной плоскости. Такая геометрия приводит к акустически чётко различимым преимуществам по сравнению с традиционной, более простой с точки зрения технологического процесса структуре MKP. Первое из них заключается в том, что сигнал проходит более короткое расстояние, и затухание минимально в силу предельно малого нежелательного эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Второе – в том, что значительно большее количество параллельно соединённых слоёв намотки обкладок минимизирует эквивалентную последовательную индуктивность (ESL) конденсатора. В дополнение к этому нужно отметить, что они корпусируются и заливаются компаундом вручную после прецизионного процесса намотки в специально разработанные для этой серии компактные корпуса. Это позволяет полностью предотвратить появление микрофонного эффекта, исключая вибрации намотанных обкладок конденсатора. Все вышеперечисленные технические особенности отражаются на качестве прорисовки музыкальных образов, чёткой и прозрачной стереофонии, живой динамике и первозданности музыкального материала.

2.2.2 MCap® SUPREME – металлизированные полипропиленовые плёночные конденсаторы, изготовленные по аудиофильской технологии намотки обкладок. Специальный слой плёнки делает возможным чередовать соединение противоположно намотанных обкладок таким образом, что их суммарная индуктивность становится нулевой. Две намотки обкладок соединены последовательно, с ними – ещё две противоположно намотанные. Например, ёмкость каждой намотки обкладок 2 мкФ, если бы они были подсоединены, как в обычных конденсаторах параллельно, то суммарная ёмкость была бы 4 мкФ, но в Supreme получается всего 1 мкФ. Таким образом, материалов используется в четыре раза больше, чем для производства плёночных конденсаторов традиционной структуры той же ёмкости. Этот новаторский процесс производства в 1992 году стал настоящим технологическим вызовом. В заботе о высочайшем качестве многие этапы производства осуществлялись вручную. Чтобы исключить окрашивание музыкального сигнала из-за микрофонного эффекта, конденсаторы корпусировались и заливались компаундом вручную в специальные корпуса. Все эти огромные усилия абсолютно оправдывались очаровательным реалистичным музыкальным звучанием, представляя виртуальную голографическую сцену всего, что воспроизводится акустической системой, наделенным кристально чёткими контурами и выдающейся глубиной.

2.2.3 MCap® SUPREME EVO – великолепное сочетание двух вышеописанных технологий, применяемых в производстве плёночных полипропиленовых конденсаторов Mundorf MKP, призванное удовлетворить ужесточившиеся требования любителей достоверного звука и возросшие возможности колонок последнего поколения. В дополнение к возросшей эффективности, богатству деталей и передаваемому диапазону, эта структура характеризуется недостижимыми ранее взрывной динамикой, линейностью и шелковистостью.

2.2.4 Oil impregnation – технология вакуумной пропитки маслом полипропиленовых конденсаторов впервые была испытана Mundorf в 2002 году при выпуске MCap Supreme Silver. Oil. Во время этого процесса даже самые маленькие пузырьки воздуха удаляются из наиболее узких и закрытых микропустот обкладок, которые заполняются маслом. Как известно, газы легко сжимаются (а воздух – это смесь газов). При вибрации корпуса конденсатора расстояние между отдельными участками слоёв обкладок конденсаторов, где есть воздух, меняется. Так как ёмкость конденсатора находится в обратно пропорциональной зависимости от расстояния между обкладками, то это приводит к колебаниям ёмкости, а, следовательно, и к искажениям звукового сигнала. Это явление используется в микрофонах, и поэтому его часто называют микрофонным эффектом. Пропитка позволяет уменьшить диэлектрические потери и свести на нет вибрацию обкладок. Конденсаторы Mundorf, пропитанные маслом, обеспечивают чрезвычайно утончённый и отлично детализированный динамичный звук, с большими скоростью и точностью по сравнению с полученным посредством их сухих аналогов. Стоит отметить, что для вакуумной пропитки конденсатора требуется совсем мало масла. Среди аудиоэнтузиастов появился слух о том, что в моделях Oil impregnated его нет совсем. Чтобы развеять его, в Mundorf провели наглядную демонстрацию и распотрошили новенький Mundorf MCAP EVO Aluminium. Oil 33 мкФ на 450 В (Рис. 1).

Рис. 1
В маркировке конденсаторов с вакуумной пропиткой маслом обязательно присутствует слово «Oil».

Для того чтобы добраться до внутренностей конденсатора, его пришлось зажать в тисках и распилить толстую поверхностную структуру, состоящую из алюминиевой внешней оболочки, пластикового корпуса и слоя эпоксидного компаунда, Рис. 2.

Рис. 2

Как видно из фотографий, масло не стекает с намотанных обкладок конденсатора. Однако если отслоить обкладку от распиленного мотка (Рис. 3), то можно тактильно ощутить тонкую масляную плёнку, которая присутствует на её поверхности.

Рис. 3

Для того чтобы можно было явственно показать на фотографии наличие масляной плёнки, была использована ткань (Рис. 4).

Рис. 4

Рис. 5
RIP MCap EVO Aluminium. Oil

Токопроводящий материал электрода в дополнение к его конструктивным особенностям и веществу диэлектрика имеет огромное значение для характеристик конденсатора и его влияния на звук. В зависимости от того, какой именно будет для вас оптимален, Mundorf предлагает четыре различных материала электродов, которые кардинально влияют на тональную насыщенность, акустическую окраску, обертоны и ширину сцены.

3.1 Олово ZN (Zinn – по-немецки олово) как металл для электрода обладает мягкостью и эластичностью и поэтому отлично подходит для изготовления фольги в KP-конденсаторах. Механические напряжения в диэлектрической плёнке и выход из строя при максимальном внутреннем демпфировании минимальны для конденсаторов с оловянными обкладками. Mundorf выпускает серию MCap ZN Classic, которая позволяет достичь в аудиотракте великолепной динамики и детальности.

3.2 Медь*– отличный металл для обкладок конденсатора, но в нарушение общего правила намного лучше работает не с полипропиленовым диэлектриком, а с вощёной бумагой. Великолепная проводимость меди обеспечивает динамичный и детализированный звуковой почерк с правильной тональностью и натуральностью в некоторых частотных поддиапазонах. Однако она, по мнению Mundorf, проигрывает в прозрачности и воздушности высоких частот, общем балансе и в точности в целом другим металлам.
*Вследствие этого Mundorf не производит конденсаторов с медными обкладками.

3.3 Алюминий – самый распространённый материал для изготовления обкладок конденсаторов, ставший де-факто стандартом в силу своей высокой проводимости, низкой плотности и отличному соотношению цена/качество. Алюминиевые плёночные конденсаторы MKP характеризуются богатой детализацией, живым и гармоничным музыкальным звуковоспроизведением. Также этот металл просто незаменим при производстве алюминиевых электролитических конденсаторов.

3.4 Серебро самой высокой степени очистки (обычно 99,99%) является наиболее ценным и предпочтительным металлом для аудиоэнтузиастов как материал для электрода в силу его непревзойдённой способности репродуцировать голос и инструменты с живой динамикой, богатейшей детализацией и широкой палитрой музыкальных красок.

3.5 SilverGold – сплав серебра и золота, самый совершенный металл, по мнению компании Mundorf. Он состоит из 99% серебра и 1% золота. Добавление золота самой высокой степени очистки (99,99%) изменяет кристаллическую структуру серебра и увеличивает его проводимость. Специалисты компании Mundorf во время аудиальных тестов конденсаторов, изготовленных с применением данного сплава, заметили значительные изменения в звуке: инструменты и голоса приобретали очень живой характер, сцена расширялась, а сфокусированные источники звука приобретали чёткую локализацию. Компания Mundorf считает, что ею был получен самый лучший сплав для использования в конденсаторах.

Эту статью прочитали 11 693 раза
Статья входит в разделы: «Сделай сам»

Поделиться материалом:

Применение биполярных транзисторов с микроконтроллерами

В современном цифровом мире микроконтроллерам часто требуется выполнять какие-то действия в физическом мире людей с помощью различных механических, оптических, акустических и других внешних устройств. Транзисторы призваны согласовать микроконтроллер с исполнительными устройствами. В статье рассмотрим применение биполярных транзисторов в ключевых режимах.

Биполярный транзистор является по сути токовым прибором, током управляется и током управляет. По типу проводимости биполярные транзисторы бывают pnp и npn типа.

Наиболее часто используется схема включения с общим эмиттером. В этой схеме управление подается на базу через токоограничивающий резистор относительно эмиттера. Нагрузка подключается в цепь коллектора.

Схема управления светодиодом с рабочим током 50 мА

Светодиодом с рабочим током 50 мА нельзя управлять непосредственно от микроконтроллера, так как допустимый выходной ток с ножки обычно ограничен значением 10 мА – 20 мА.

Например, нам нужно включать/выключать инфракрасный светодиод BL-L513IRBC которым мы планируем управлять кондиционером.

Резистор R1 задает ток базы транзистора при включении и при выключении. Транзистор BC847C довольно маломощный и при токе 50 мА на коллекторе в режиме насыщения будет падать около 200 мВ. Падение на светодиоде составит 2.0 В. Резистор R2 нужно выбрать таким, чтобы ток через светодиод был равен 50 мА. При питании 12 В, и суммарном падении напряжения на транзисторе и светодиоде 2.2 В на резисторе будет напряжение 9.8 В. Чтобы получить ток 50 мА сопротивление резистора R2 должно быть 196 Ом.

Если взять более мощный транзистор, например, BC817-25, то напряжение насыщения коллектора у него будет меньше, около 40 мВ при токе коллектора 50 мА, но у более мощных транзисторов, как правило, меньше коэффициент усиления.

При питании коллекторной цепи от 12 В мы можем соединить несколько светодиодов последовательно и управлять ими одновременно (например, чтобы увеличить дальность работы нашего пульта управления) соответственным образом пересчитав токоограничивающий резистор R2.

Как выбрать резистор в базе транзистора? Транзистор BC847C имеет коэффициент передачи по току h_FE = 400 – 800. В линейном режиме это будет означать что ток базы (управляющий ток) во столько раз меньше тока коллектора (управляемый ток). Так как схема у нас работает в ключевом режиме, то ток базы необходимо установить больше. Чем больше ток базы, тем быстрей транзистор включится. Коэффициент во сколько раз ток базы превышает минимальный называется коэффициентом насыщения. Минимальный ток базы (с коэффициентом насыщения единица) который полностью откроет транзистор будет 50 мА / 400 = 0.125 мА. Так как характеристики транзистора меняются со временем, при изменении температуры, при изменении тока коллектора, от партии к партии, у разных производителей, правильным решением будет задавать коэффициент насыщения больше единицы, иначе может возникнуть ситуация при которой транзистор будет открываться не полностью и схема будет работать при этом не верно. Верхнее значение тока базы ограничено либо максимальным током базы по документации на транзистор, либо максимально допустимым током который может выдать выход микроконтроллера. Пусть максимальный ток базы у нас будет 10 мА.

Рассчитаем базовый резистор для схемы на рисунке 1. Напряжение на базе при насыщении принято считать 0.7 В. При питании микроконтроллера 3.3 В на базовом резисторе будет напряжение 2.6 В. Минимальный базовый ток 0.125 мА будет обеспечен сопротивлением 20800 Ом. Максимальный базовый ток 10 мА будет обеспечен сопротивлением 260 Ом. В данном случае у нас довольно широкий диапазон выбора сопротивления, можем взять 1 кОм.

Рассмотрим схему с другой нагрузкой

Нам нужно включать мотор с рабочим током 0.7 А. Для включения нам потребуется более мощный транзистор. Возьмем транзистор SS8050 с максимально допустимым током коллектора 1.5 А. У этого транзистора минимальный коэффициент передачи тока 120. При токе коллектора 0.7 А, нам необходимо обеспечить минимальный ток базы 5.8 мА. С учетом того что необходимо реализовать коэффициент насыщения больше единицы, у нас остается рабочий вариант для тока базы 10 мА. При заданном токе коллектора 0.7 А напряжение насыщения базы этого транзистора составит около 1.2 В (по документации на транзистор). Напряжение на базовом резисторе получится 2.1 В, Минимальное сопротивление базового резистора получается 2.1 В / 0.010 А = 210 Ом. Максимальное сопротивление базового резистора получается 2.1 В / 0.0058 А = 360 Ом. Если мы поставим базовый резистор больше 360 Ом, транзистор заведомо не будет открываться полностью и не обеспечит ток на выходе в 0.7 А.

При токе коллектора 0.7 А напряжение насыщения коллектора составит около 0.2 В. Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора составит около 0.14 Вт, транзистор при этом будет заметно теплым.

Дополнительно отмечу, что электродвигатель постоянного тока является индуктивной нагрузкой и параллельно ему обязательно нужно ставить защитный диод который защитит транзистор от ЭДС самоиндукции при выключении транзистора. Номинальный ток этого диода должен быть равен или больше рабочего тока индуктивной нагрузки. Рабочее напряжение диода должно быть больше напряжения питания нагрузки.

Нужно указать на важный момент. Чем больше ток базы, тем быстрей включится транзистор, тем больше коэффициент насыщения. Чем больше коэффициент насыщения, там медленней транзистор будет выключаться. Задержка выключения может достигать нескольких сотен наносекунд. На первый взгляд эта величина кажется слишком маленькой чтобы обращать на нее внимание. Фактически, если вы станете управлять током через нагрузку с помощью ШИМ, или постараетесь увеличить скорость передачи данных через инфракрасный канал, вы увидите что задержка выключения транзистора будет очень сильно искажать сигнал.

Например, возьмем ШИМ частотой 20 кГц с разрешением 8 бит. Период ШИМ-а будет 50 микросекунд, разрешение одного шага составит около 200 наносекунд. Задержка выключения транзистора на 400 наносекунд поглотит разрешение двух младших бит и оставит от разрешения 8 бит всего 6 бит динамического диапазона.

Для увеличения скорости выключения транзистора есть способы которые мы рассмотрим позже.

Рассмотрим еще одну схему, которая обладает рядом интересных свойств

Эта схема также с общим эмиттером. В ней отсутствует резистор в цепи базы, и ток базы задается сопротивлением резистора в цепи эмиттера. Через этот резистор течет ток базы и ток коллектора (ток управления и ток нагрузки). Получается отрицательная обратная связь: при увеличении тока нагрузки, будет увеличиваться ток через эмиттерный резистор и при этом будет увеличиваться падение напряжения на эмиттерном резисторе. Так как напряжение на базе у нас фиксированное, 3.3 В, то при увеличении напряжения на эмиттерном резисторе напряжение на эмиттерном переходе транзистора будет уменьшаться, при этом будет уменьшаться ток базы и транзистор будет закрываться. Таким образом, будет стабилизироваться эмиттерный ток транзистора. Так как базовый ток в коэффициент усиления раз меньше коллекторного, то его влияние на напряжение эмиттерного резистора незначительное и, при первом приближении, его можно не учитывать при расчете и считать что ток эмиттера приблизительно равен току коллектора .

Сопротивление эмиттерного резистора рассчитать довольно просто. При управляющем напряжении 3.3 В, и падении на эмиттерном переходе 0.7 В напряжение на эмиттерном резисторе получается 2.6 В. При целевом токе в нагрузке 50 мА, сопротивление эмиттерного резистора должно быть около 52 Ом.

Эта схема позволяет стабилизировать ток нагрузки, то есть, при изменении напряжения питания нагрузки (или при изменении сопротивления нагрузки) ток через нагрузку останется постоянным. Мы можем поставить один светодиод, два или три при этом эмиттерный резистор менять не придется и ток через светодиоды будет один и тот же. При этом нужно отметить, что в этой схеме избыточное напряжение падает на транзисторе и нужно учитывать мощность рассеиваемую на транзисторе.

Транзистор в этой схеме работает в линейном режиме и не входит в насыщение. Это позволяет транзистору быстро открываться и быстро закрываться.

В этой схеме только один резистор вместо двух, что так же может иметь важное значение в практическом применении.

Важно чтобы напряжение управления базы было стабильным, так как оно является опорным для стабилизации тока.

Для питания коллекторной цепи этой схемы требуется напряжение большее чем напряжение управляющего сигнала.

Способы сократить время выключения транзистора

Если у нас стоит базовый резистор и мы управляем транзистором от вывода микроконтроллера с питанием 3.3 В, то получается что мы включаем транзистор током с 3.3 В , а выключаем транзистор током через тот же резистор, но током с напряжения 0.7 В, то есть ток базы на выключение транзистора получится меньше.

Это одна из причин почему выключается транзистор медленней. Для увеличения скорости выключения транзистора мы можем применить такую схему.

В схеме на рисунке 5, при выключении, когда выходной сигнал с микроконтроллера становится равным 0 В, получается что оба резистора 300 Ом и 200 Ом соединяются параллельно и суммарное сопротивление становится меньше, что приводит к увеличению тока базы транзистора при выключении. Это увеличивает скорость выключения транзистора.

Еще один способ увеличить скорость выключения транзистора, это сократить глубину насыщения транзистора при включении. Диод подключенный от базы на коллектор уменьшит глубину насыщения. Вначале включения на коллекторе высокое напряжение, диод закрыт и весь ток базового резистора течет через эмиттерный переход транзистора. Когда напряжение на коллекторе станет ниже напряжения базы, этот диод начнет шунтировать эмиттерный переход и часть тока базового резистора потечет через диод при этом ток через эмиттерный переход уменьшится и это сократит глубину насыщения транзистора.

Каскад увеличения выходного тока на биполярных транзисторах.

Эта схема позволяет увеличить ток на выходе. Это полумостовая схема. В ней используется два транзистора различной проводимости, комплементарная пара транзисторов. Оба транзистора, и верхний и нижний, в этой схеме включены по схеме с общим коллектором. Включение с общим коллектором обладает такой особенностью, что выходное напряжение не может быть больше входного напряжения, при этом происходит усиление тока.

При построении полумоста на полевых транзисторах нужно особым образом проектировать схему управления, и если оба транзистора управлять от одного сигнала, то в момент переключения будет течь сквозной ток с питания на землю, так как один транзистор уже включился, а другой еще не успел выключиться.

Сквозной ток плох тем, что он будет увеличивать потребление, сквозной ток будет создавать мощную помеху и может вывести транзисторы из строя. Для устранения этого для управления полумостом полевых транзисторов используют два сигнала, на один транзистор подается сигнал отключения, затем пауза на время отключения транзистора (мертвое время, deadtime), затем подается сигнал на включение второго транзистора. Такой способ заметно усложняет схему управления и требует два различных сигнала управления. Полумостовая схема на биполярных транзисторах включенных с общим эмиттером тоже требует мертвое время при переключении для исключения сквозного тока.

Схема изображенная на рисунке 7 с биполярными транзисторами включенными по схеме с общим коллектором лишена такого недостатка, и полумост может управляться одним сигналом. То есть сквозной ток через оба транзистора при переключении в схеме на рисунке 7 отсутствует.

Дополнительным достоинством этой схемы, является отсутствие резисторов.

Так же, транзисторы в этой схеме работают без насыщения, то есть максимально быстро включаются и отключаются, что позволяет применять эту схему как усилитель ШИМ.

Недостатком этой схемы является падение на транзисторах. На примере нижнего транзистора. Когда мы переводим сигнал управления на базе с 3.3 В на 0 В, нижний транзистор начинает включаться. При этом напряжение на эмиттере транзистора не может стать равным нулю, так как в этом случае через эмиттерный переход будет отсутствовать ток открывающий транзистор. Таким образом минимальное напряжение на выходе этого каскада составит около 0.7 В. Аналогичная ситуация и с верхним транзистором, максимальное напряжение на выходе каскада не может быть больше чем напряжение питания минус 0.7 В.

Как можно использовать каскад усиления тока

Если взять два таких полумоста с питанием равным напряжению питания микроконтроллера, сделать сигнал ШИМ и его инверсию (либо отдельным инвертором, либо конфигурацией выходов в микроконтроллере) и подать каждый сигнал на свой полумост, то получится довольно мощный усилитель, например для генерации звука.

При питании усилителя от 3.3 В Размах напряжения на выходе составит 3.3 В — 2 * 0.7 В = 1.9 В. При использовании динамической головки сопротивлением 4 Ом ток через нее составит около 0.4 А и максимальная мощность на нагрузке получится чуть больше половины Ватта. Что довольно таки хорошо для такого простейшего усилителя ШИМ. Питание этой схемы усилителя нужно качественно фильтровать, так как любое изменение напряжения питания будет отражаться на изменении тока через нагрузку.

При применении микроконтроллера с питанием 5 В так же можно увеличить напряжение питания усилителя до 5 В, при этом выходная мощность на нагрузке сопротивлением 4 Ом получится около 3 Вт. При этом нужно взять транзисторы с большим допустимым током коллектора, например комплементарную пару SS8550 (pnp) и SS8050 (npn), они допускают ток коллектора до 1.5 А, транзисторы придется дополнительно охлаждать.

Эту же схему можно использовать для управления коллекторными моторами с применением ШИМ. Схема позволяет менять направление вращения электромотора. При использовании более высокого напряжения питания этого усилителя тока требуется также увеличить напряжение управляющего сигнала.

Для приведения уровня управляющего сигнала с 3.3 В до 15 В применен транзистор.

В этой схеме для управления каждым полумостом используется логическая микросхема 4069 (CD4069UB). В этой микросхеме шесть логических инверторов, питание микросхемы может осуществляться от 3 В до 18 В. Для управления мостом необходимо подать питание на эту микросхему от того же напряжения питания что и мост. Эта же микросхема используется для формирования инверсного сигнала для второго полумоста. Для того чтобы на нагрузку можно было подать максимальное напряжение 12 В с учетом падения на транзисторах, увеличено напряжение питания моста до 15 В. В этой схеме реализован режим управления током нагрузки fast decay. Для реализации режима slow decay потребуется отдельное управление для каждого полумоста.

Для упрощения понимания в статье рассматриваются только основные параметры, и характеристики реальных каскадов будут несколько отличаться. Все схемы приведенные в статье промоделированы в LTspice

Биполярные транзисторы. For dummies

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.