Генератор тока на транзисторе – Простейшие схемы источников питания для различной аппаратуры

Генератор тока на полевом транзисторе.

14

Генератор тока на полевом транзисторе.

     Простой генератор тока на полевом транзисторе. Применение генератора тока на полевом транзисторе на практике. Дополнительный материал к статье «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения»

     ***

     Часто на мою предыдущую статью о генераторах тока посетители приходят по запросу «генератор тока на полевом транзисторе». Так как там ничего об этом не говорится я решил восполнить этот пробел данной статьёй.

     Здесь расскажу об одной, но очень привлекательной схеме генератора тока на полевом транзисторе КП303. Но сначала рассмотрим, что из себя представляет этот транзистор.

     Полевые транзисторы серии КП303(А-И) это кремниевые эпитаксиально-планарные полевые транзисторы с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа. Или их ещё называют полевыми транзисторами со встроенным n-каналом.

     Буква n означает что управление током через канал, то есть током протекающем

от стока к истоку, осуществляется подачей отрицательного напряжения на затвор относительно истока, Рис. 1(а).


Рис. 1

     В этом смысле принцип работы эпитаксиально-планарных полевых транзисторов, т.е. полевых транзисторов со встроенным каналом аналогично работе электронной (радио) лампе, Рис. 1(б)

     Приблизительная зависимость тока стока () от Uзи для транзистора КП303И показана на графике, Рис. 2.


Рис. 2

     Для простоты ток Iси буду обозначать как ток стока , так как это одно и тоже.

     Из графика видно, что при Uзи = 0, Iс = max.

     Минимума ток стока достигает при Uзи равном приблизительно минус 1,4В. На самом деле из-за большого разброса характеристик график лишь приблизительно отображает зависимость Ic от Uзи.

     Подавать положительный потенциал на затвор бессмысленно так как при Uзи = 0 транзистор, итак, открыт полностью.

     Вообще эквивалентную схему транзистора КП303 можно представить так как это показано на Рис. 3. Сопротивление переменного резистора R1 — десятки МОм, резистора R2 около 1кОм,.


Рис. 3

     Тогда, когда напряжение Uзи = 0 ползунок резистора R1 находится в нижнем положении, ток Iс будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / R2.

     То есть ток будет максимальным, но не бесконечным.

     Тогда, когда отрицательное напряжение на затворе достигнет некоторого максимума, ползунок резистора R1 окажется в верхнем положении и ток стока будет определяться по формуле:

     Ic = Uси / (R1 + R2).

     То есть ток будет минимальным, но не нулевым.

     Такая зависимость тока стока от напряжения на затворе позволяет сделать очень простой генератор тока на полевом транзисторе КП303. Соберём такую схему, Рис. 4.


Рис. 4

     Подключим к клеммам 1-2 регулируемый источник напряжения. Начнём увеличивать напряжение от нуля. Изначально ток стока и ток через резистор равны нулю. Падение напряжения на резисторе также равно нулю, Uзи = 0. Транзистор полностью открыт.

     Повышение напряжения на клеммах приведёт к протеканию тока через транзистор и резистор. Появится некоторое падение напряжения на резисторе, при этом минус этого напряжения приложен к затвору, а плюс к истоку. Чем больше ток будет протекать через резистор, тем больший запирающий потенциал будет на затворе.

     В конце концов схема войдёт в режим стабилизации тока так как попытка увеличения тока приводит к увеличению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к уменьшению тока. А попытка уменьшения тока к уменьшению запирающего потенциала на затворе, а следовательно, к увеличению тока. Изменяя величину резистора, можно изменять величину стабилизируемого тока.

     Схема собранная на транзисторе КП303И имеет максимальное рабочее напряжение 30В. Ток стабилизации единицы миллиампер. Недостаток схемы в том, что из-за большого разброса характеристик транзисторов невозможен какой-либо осмысленный расчёт.

     Но в этом нет большой беды. Зачастую расчёт и не нужен. Там, где нужен просто простой и стабильный источник тока, генератор тока. К тому же такой генератор тока не требует дополнительного источника питания. Такая схема очень хороша в генераторах пилообразного напряжения для получения высокой линейности пилы.

     Дело в том, что в обычных, не лабораторных генераторах пилообразного или треугольного напряжения используется принцип заряда-разряда конденсатора. Если этот самый заряд-разряд производить через резистор, то напряжение на конденсаторе будет изменяться по экспоненте. Если вместо резистора включить источник (генератор) тока, то напряжение будет изменяться строго по прямой линии.

     Есть у этой схемы ещё одно достоинство. Её можно использовать для стабилизации тока в цепи переменного напряжения, для этого схему изображённую на Рис. 4 нужно включить в диагональ диодного моста, Рис 5.


Рис. 5

     В этой схеме полярность приложенного напряжения не важна. Именно такую схему генератора тока я применил в двухканальном прецизионном генераторе треугольного напряжения ШИМ-модулятора электронной нагрузки, описанной в статье «Импульсная электронная нагрузка».


b-valery.ru

2.06. Транзисторный источник тока

ГЛАВА 2. ТРАНЗИСТОРЫ

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ



Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Рис. 2.20.

Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20. При условии что Rн » R (иными словами, Uн » U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U/R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что Uконд

» U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RC-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока который бы обеспечивал точность 1% в диапазоне изменения напряжения на нагрузке от 0 до +10 В. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?

Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?

Рис. 2.21. Транзисторный источник тока: основная идея.

Какая мощность передается нагрузке? Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21). Работает он следующим образом: напряжение на базе U

б > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: Uэ = Uб - 0,6 В. В связи с этим Iэ = Uэ/Rэ = (Uэ - 0,6/Rэ. Так как для больших значений коэффициента h21эIэ ≈ Iк, то Iк ≅ (Uб - 0,6 В)/Rэ независимо от напряжения Uк до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (Uк > Uэ + 0.2 В).

Смешение в источнике тока. Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h21эRэ. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания Uкк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22,6) транзистор p-n-p - типа питает током заземленную нагрузку (он - источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n-р-n - типа.) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую-либо точку схемы, то это источник, и наоборот]. В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ≅100кОм (для h

21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, - этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно + 5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем. чтобы не возник пробой транзистора (напряжение Uкэ не должно превышать значение Uкэпроб - напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения I

кUкэ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n-р-n - типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения Uб, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала uвх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения, т.е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (R

экв

1. При заданном токе коллектора и напряжение Uбэ, и коэффициент h21э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении напряжения коллектор-эмиттер. Изменение напряжения Uбэ, связанное с изменением напряжения на нагрузке, вызывает изменение выходного тока, так как напряжение на эмиттере (а следовательно, и эмиттерный ток) изменяется, даже если напряжение на базе фиксировано. Изменение значения коэффициента h21э приводит к небольшим изменениям выходного (коллекторного) тока при фиксированном токе эмиттера, так как Iк = Iэ - Iб; кроме того, немного изменяется напряжение на базе в связи с возможным изменением сопротивления источника смешения, обусловленного изменениями коэффициента h21э (а следовательно, и тока базы). Эти изменения незначительны. Например, изменение выходного тока для схемы, представленной на рис. 2.22, a, составляет приблизительно 0,5% для транзистора типа 2N3565. В частности, при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В эффект Эрли обусловливает изменение тока на 0,5%, а нагрев транзистора - на 0,2%. Изменение коэффициента вносит дополнительный вклад в изменение выходного тока - 0,05% (для жесткого делителя напряжения). Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от напряжения и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. В дальнейшем вы узнаете, что есть методы, которые позволяют преодолеть этот недостаток.

2. Напряжение Uбэ и коэффициент h21э зависят от температуры. В связи с этим при изменении температуры окружающей среды возникает дрейф выходного тока. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении напряжения на нагрузке (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный. Изменение напряжения и Uбэ в зависимости от температуры окружающей среды можно скомпенсировать с помощью схемы, показанной на рис. 2.23. В этой схеме падение напряжения между базой и эмиттером транзистора Т2 компенсируется падением напряжения на эмиттерном переходе Т1 который имеет такие же температурные характеристики. Резистор R3 играет роль нагрузки для Т1, необходимой для задания втекающего тока базы транзистора Т2.

Рис. 2.23. Один из методов температурной компенсации источника тока.

Улучшение характеристик источника тока. Вообще говоря, изменение напряжения Uбэ, вызванное как влиянием температуры (относительное изменение составляет приблизительно -2 мВ/°С), так и зависимостью от напряжения Uбэ (эффект Эрли оценивается величиной ΔUбэ ≈ -0,001 ΔUкэ), можно свести к минимуму, если установить напряжение на эмиттере достаточно большим (по крайней мере 1 В), тогда изменение напряжения Uбэ на десятые доли милливольта не приведет к значительному изменению напряжения на эмиттерном резисторе (напомним, что схема поддерживает постоянное напряжение на базе). Например, если Uэ = 0,1В (т. е. к базе приложено напряжение 0,7 В), то изменение напряжения Uбэ на 10 мВ вызывает изменение выходного тока на 10%, если же Uэ = 1,0 В, то такое же изменение Uбэ вызывает изменение тока на 1%. Однако, не стоит заходить слишком далеко. Напомним, что нижняя граница рабочего диапазона определяется напряжением на эмиттере. Если в источнике тока, работающем от источника питания +10 В, напряжение на эмиттере сделать равным +5 В, то диапазон выхода будет равен немного менее 5 В (напряжение на коллекторе может изменяться от Uэ + 0,2 В до Uкк, т. е. от 5,2 до 10 В).


Рис. 2.24. Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

На рис. 2.24 показана схема, которая существенно улучшает характеристики источника тока. Источник тока Т1 работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Т2. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Т2) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения h21э). В этой схеме напряжение Uкэ (дая Т1) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения Uбэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. (Кстати, эту схему используют в высокочастотных усилителях, где она известна под названием «каскод»). В дальнейшем вы познакомитесь со схемами источников тока, в которых используются операционные усилители и обратная связь, и в которых также решена задача устранения влияния изменений Uбэ на выходной ток.

Влияние коэффициента h21э можно ослабить, если выбрать транзистор с большим значением h21э, тогда ток базы будет вносить незначительный вклад в ток эмиттера.

Рис. 2.25. Транзисторный источник тока с использованием напряжения Uбэ в качестве опорного.

На рис 2.25 показан еще один источник тока, в котором выходной ток не зависит от напряжения питания. В этой схеме напряжение Uбэ транзистора Т1, падая на резисторе R1, определяет выходной ток независимо от напряжения Uкк

Uвых = Uбэ/R2U2.

С помощью резистора R1 устанавливается смещение транзистора Т2 и потенциал коллектора Т1, причем этот потенциал меньше, чем напряжение Uкк, на удвоенную величину падения напряжения на переходе; тем самым уменьшается влияние эффекта Эрли. В этой схеме нет температурной компенсации; напряжение на R2 уменьшается приблизительно на 2,1 мВ/°С и вызывает соответствующее изменение выходного тока 0,3%/°С).


Модель Эберса-Молла для основных транзисторных схем


skilldiagram.com

Генератор на транзисторе. Автоколебания - Класс!ная физика

Генератор на транзисторе. Автоколебания

«Физика - 11 класс»

Вынужденные колебания возникают под действием переменного напряжения, вырабатываемого генераторами на электростанциях.
Такие генераторы не могут создавать колебания высокой частоты, необходимые для радиосвязи? т.к. для этого потребовалась бы очень большая скорость вращения ротора.
Колебания высокой частоты получают, например, с помощью генератора на транзисторе.

Автоколебательные системы

Обычно незатухающие вынужденные колебания поддерживаются в цепи действием внешнего периодического напряжения.
Но возможны и другие способы получения незатухающих колебаний.

Например, есть система, в которой могут существовать свободные электромагнитные колебания, с источником энергии.
Если сама система будет регулировать поступление энергии в колебательный контур для компенсации потерь энергии на резисторе, то в ней могут возникнуть незатухающие колебания.

Системы, в которых генерируются незатухающие колебания за счет поступления энергии от источника внутри самой системы, называются автоколебательными. Незатухающие колебания, существующие в системе без воздействия на нее внешних периодических сил, называются автоколебаниями.

Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы.
Он состоит из колебательного контура с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источника энергии и транзистора.

Как создать незатухающие колебания в контуре?

Чтобы электромагнитные колебания в контуре не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор.
Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения.

Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно.
Только в этом случае источник будет подзаряжать конденсатор, пополняя его энергию.

Если же ключ замкнуть в момент, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина имеет отрицательный заряд, а присоединенная к отрицательному полюсу — положительный, то конденсатор будет разряжаться через источник. Энергия конденсатора при этом будет убывать.

Источник постоянного напряжения, постоянно подключенный к конденсатору контура, не может поддерживать в нем незатухающие колебания, так же как постоянная сила не может поддерживать механические колебания.
В течение половины периода энергия поступает в контур, а в течение следующей половины периода возвращается в источник.


В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору.
Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа.
При высокой частоте колебаний ключ должен обладать надежным быстродействием. В качестве такого практически безынерционного ключа и используется транзистор.

Транзистор состоит из эмиттера, базы и коллектора.
Эмиттер и коллектор имеют одинаковые основные носители заряда, например дырки (полупроводник p-типа).
База имеет основные носители противоположного знака, например электроны (полупроводник n-типа).

Работа генератора на транзисторе

Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором так, что на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный.
При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, а переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет.
Это соответствует разомкнутому ключу.

Чтобы в цепи контура возникал ток и подзаряжал конденсатор контура в ходе колебаний, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно.
Это соответствует замкнутому ключу.

В интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена отрицательно, а нижняя — положительно, ток в цепи контура должен отсутствовать. Для этого база должна иметь положительный потенциал относительно эмиттера.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом соответствии с колебаниями напряжения на контуре.
Необходима обратная связь.

Здесь обратная связь — индуктивная.
К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью LCB, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура.
Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах катушки, а тем самым и на эмиттерном переходе.
Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени, и колебания не затухают.
Напротив, амплитуда колебаний в контуре возрастает до тех пор, пока потери энергии в контуре не станут точно компенсироваться поступлением энергии от источника.
Эта амплитуда тем больше, чем больше напряжение источника.
Увеличение напряжения приводит к усилению «толчков» тока, подзаряжающего конденсатор.

Генераторы на транзисторах широко применяются не только во многих радиотехнических устройствах: радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях, ЭВМ.

Основные элементы автоколебательной системы

На примере генератора на транзисторе можно выделить основные элементы, характерные для многих автоколебательных систем.

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система — та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему - клапан (в рассмотренном генераторе - транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе - индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

Примеры автоколебательных систем

Автоколебания в механических системах: часы с маятником или балансиром (колесиком с пружинкой, совершающим крутильные колебания). Источником энергии в часах служит потенциальная энергия поднятой гири или сжатой пружины.

К автоколебательным системам относятся электрический звонок с прерывателем, свисток, органные трубы и многое другое. Наше сердце и легкие также можно рассматривать как автоколебательные системы.

Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Электромагнитные колебания. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях --- Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями --- Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре. Период свободных электрических колебаний --- Переменный электрический ток --- Активное сопротивление. Действующие значения силы тока и напряжения --- Конденсатор в цепи переменного тока --- Катушка индуктивности в цепи переменного тока --- Резонанс в электрической цепи --- Генератор на транзисторе. Автоколебания --- Краткие итоги главы

class-fizika.ru

Генератор тока повышенной мощности | Сабвуфер своими руками

Для проверки работоспособности и настройки источников питания, стабилизаторов напряжения постоянного тока, измерения ёмкости аккумуляторных батарей, зарядки аккумуляторов стабильным током и в других случаях необходим мощный генератор стабильного тока.

Схема мощного генератора стабильного тока, собранного на биполярных транзисторах, с использованием отечественных комплектующих, показана на сайте смотрите рис.1. Устройство для своей работы не требует дополнительного источника питания, имеет защиту от перегрузки и переполюсовки входного напряжения. Диапазон входных напряжений устройства 3…75В постоянного тока, максимальная рассеиваемая мощность 150 Вт, максимальный рабочий ток 10 А. Такой генератор пригодится также для регулировки тока осветительных или нагревательных устройств.

Конструкция содержит встроенные аналоговые амперметр и вольтметр. Вход устройства подключают к источнику напряжения постоянного тока в соответствии с указанной полярностью. Плавкий предохранитель FU1 защищает конструкцию и источник питания от перегрузки. Диод VD1 защищает генератор тока нагрузки от переполюсовки напряжения питания. На высоковольтных транзисторах VT1, VT2, резисторах R4, R5, R6 и светодиоде HL2 собран индикатор наличия входного напряжения. Транзисторы этого узла включены как генератор стабильного тока около 1.5 мА, который будет протекать через светодиод HL2, практически не изменяясь от изменения входного напряжения в несколько раз.

Регулируемый генератор стабильного тока собран на транзисторах VT3-VT8. Регулируют ток переменным резистором R13. Генератор тока имеет два диапазона регулировки потребляемого тока: при разомкнутых контактах SA1 ток можно регулировать в диапазоне 0.2…1.5А; при замкнутых контактах SA1 потребляемый ток регулируется в диапазоне 1.5…10 А. Транзисторы VT3, VT5, VT6-VT8 включены как мощный составной транзистор с большим коэффициентом усиления по току. Маломощный транзистор VT4 управляет величиной тока, потребляемого устройством. При перемещении движка переменного резистора R13 вверх по схеме, протекающий через транзисторы VT3, VT5, VT6-VT8 ток увеличивается.

Транзисторы VT6-VT8 для увеличения нагрузочной способности включены параллельно, их выводы эмиттеров подключены к минусовому проводу питания через мощные токовыравнивающие резисторы R15-R17. Стабилизация тока осуществляется следующим образом: например, при увеличении входного напряжения, ток через транзисторы VT6-VT8, резисторы R15-R17, резистор R14 и, при замкнутых контактах SA1, через резисторы R18-R20 стремится увеличиться. Следовательно, увеличивается падение напряжения на выводах резистора R14.

Это ведёт к тому, что также возрастает ток база- эмиттер VT4, этот транзистор открывается сильнее и шунтирует переход база-эмиттер транзистора VT3. Ток коллектор-эмиттер VT3 уменьшается, следовательно, будет уменьшаться ток через переходы транзисторов VT5-VT8.

Конденсатор С1 и резистор R8 предотвращают самовозбуждение узла на транзисторах VT3-VT8. Резистор R10 защитный для транзистора VT4. РА1 – стрелочный амперметр со встроенным шунтом. Если на его месте будет применён миллиамперметр без встроенного шунта, то дополнительно устанавливают мощный резистор R2.

РА1 – вольтметр со встроенным токоограничительным резистором. Если на его месте будет применён микроамперметр без встроенного резистора, то устанавливают дополнительный резистор R3. На резисторе R1, диодах VD1-VD4 и светодиоде HL1 собран индикатор перегорания плавкого предохранителя FU1. При зарядке аккумулятора последний включается последовательно с амперметром РА 1, т.е. в разрыв провода «+» от внешнего источника питания.

Конструкция и детали. Большинство деталей конструкции смонтировано на плате размерами 150×95 мм навесным монтажом (рис.2). Все сильноточные цепи должны быть выполнены медным монтажным проводом с сечением по меди не менее 1.5 мм². Все детали устройства смонтированы в корпусе размерами 255x150x110 мм (рис.3). Маломощные постоянные резисторы типов МЛТ, РПМ, С1-4, С2-23, С2-33. Переменный резистор R13 проволочный ППБ-ЗА, ППБ-1А сопротивлением 100…220 Ом. Качество переменного резистора должно быть безупречным, поскольку при плохом контакте подвижного контакта ток через генератор тока неконтролируемо увеличится.

Мощный резистор R14 типа С5-37 мощностью 10 Вт, под корпусом этого резистора в монтажной плате просверлены вентиляционные отверстия диаметром 5 мм. Вместо такого резистора подойдут другие проволочные мощностью 10 или 15 Вт, например, С5-35В-10, ПЭВ-10, 1ПЭВ-10. Резисторы R18-R20 самодельные проволочные, намотаны высокоомным проводом диаметром 0.68 мм на керамических трубках длиной 45 мм и диаметром 8 мм, можно использовать керамические трубки большего размера.

Для уменьшения количества межвитковых замыканий самодельные проволочные резисторы промазаны силикатным клеем. Вместо этих резисторов можно установить проволочные резисторы промышленного изготовления мощностью 15…25Вт, например, ПЭВ-20, ПЭВ-25 или удвоенное количество резисторов С5-37-10 сопротивлением 2.4 Ом. Под этими резисторами в монтажной плате также просверливают вентиляционные отверстия.

Регистры R15-R17 самодельные проволочные с одинаковым сопротивлением 0.1…0.25 Ом, по конструкции аналогичны резисторам R18-R20, установлены рядом с мощными транзисторами на дополнительной монтажной планке. Явно избыточная мощность постоянных проволочных резисторов необходима для того, чтобы уменьшить их нагрев, тем самым, повысив стабильность их сопротивления.

Конденсатор С1 плёночный импортный на рабочее напряжение не менее 100 В, можно заменить конденсатором типа К73-15, К73-16. К73-17, К73-24, К73-9. Маломощные диоды КД522А можно заменить любыми из серий КД503, КД510, КД521, 1 N914, 1N4148. Диод Д215 можно заменить любым из Д214, Д231А, Д232, Д242, Д242А, Д243, Д243А, серий КД203, 2Д203, КД206, 2Д213, КД213, 2Д231, HFA15PB60, HFA16TA60C и другими выпрямительными на обратное рабочее напряжение не менее 100 В и прямой рабочий ток не менее 10 А.

Светодиоды любого типа общего применения, желательно с повышенной светоотдачей, например, из серий КИПД21, КИПД36, КИПД40, КИПД66. Транзисторы КТ940Б можно заменить любыми из серий КТ940, КТ969, КТ9179, 2SC2330, 2SC2383, 2SC2310. Вместо транзистора КТ851А можно установив КТ851Б, КТ851В. КТ816Г, КТ8167А, КТ8167Г, 2SA1249, 2SA1306 с коэффициентом передачи тока базы не менее 100 при токе коллектора 50 мА. Этот транзистор установлен на дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждения 6 см² (одна сторона).

Транзистор КТ850А можно заменить КТ850Б. КТ850В, КТ863В, КТ817Г, 2SD1407, 2SD1474, 2SD669A с коэффициентом передачи тока базы не менее 80 при токе коллектора 1 А. Этот транзистор установлен на дюралюминиевый теплоотвод размерами 50x45x3 мм. Транзисторы КТ808АМ можно заменить другими аналогичными, выполненными в металлостеклянном корпусе КТ-9 (ТО-3), например, тремя однотипными КТ808БМ, КТ808ВМ, КТ808А, КТ819ГМ, КТ864А, 2N3442, 2N3773, MJ3281 с коэффициентом передачи тока базы не менее 40 при токе коллектора 3 А.

Эти транзисторы установлены на общий массивный ребристый дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности около 800 см² (одна сторона). Корпуса транзисторов изолированы от теплоотвода тонкими слюдяными прокладками. С таким теплоотводом генератор тока может рассеивать непрерывно до 60 Вт мощности при пассивном воздушном охлаждении или до 150 Вт кратковременно или при принудительном воздушном охлаждении с помощью вентилятора. Из этого следует, например, что при входном напряжении 37В максимальный постоянный ток не должен превышать 4А.

Этот теплоотвод также выполняет функцию задней стенки корпуса. Лучшим выбором в качестве мощных транзисторов VT6-VT8 будут транзисторы типа MJ3281A, которые имеют максимальную рассеиваемую мощность до 250 Вт каждый и гарантированный минимальный коэффициент передачи тока базы не менее 45 при токе коллектора 8 А.

Транзистор КТ3107Г можно заменить любым из серий КТ502, КТ3107, КТ361, SS9015, 2SB1116. Амперметр и вольтметр применены готовые типа М4200 со встроенными резисторами и готовыми шкалами. Кнопка SA1 типа KDC-A04-1 с зависимой фиксацией положения, можно заменить аналогичной с переключаемыми контактами, рассчитанными на коммутацию тока 10 А или более.

Свободные группы контактов соединяют параллельно. От сопротивления резистора R12 зависит максимальная величина тока, который можно установить переменным резистором. Внешний вид устройства показан на фото в начале статьи. Верхняя и нижняя крышки корпуса – металлические с вентиляционными отверстиями, с электрическими цепями устройства не соединены.

При проверке работоспособности следует учитывать, что измерительные щупы цифровых мультиметров, несмотря на значительную внешнюю толщину проводов, могут иметь крайне малое сечение провода по меди и значительно влиять на результаты измерений при токе более 1 А и низком выходном напряжении источника питания.

www.radiochipi.ru

3. Источник тока и токовое зеркало

В современной схемотехнике, особенно в интегральном исполнении, в качестве нагрузок широко используют источники тока или, как их ещё называют, генераторы стабильного тока (ГСТ). Для получения активных источников тока в качестве динамической нагрузки чаще всего используют отражатели тока (ОТ) -токовое зеркало.

Простейший генератор тока представлен на рис.46. Ток нагрузки равен:

Iн-(Uст-Uбэ)/R2

Выходное сопротивление такого источника равно выходному со противлению каскада с общим эмиттером. Недостаток такого источника - в относительно низком выходном сопротивлении и наличии эффекта модуляции h2lэ под действием Uк из-за изменения нагрузки.

Усовершенствованные в этом отношении генераторы тока показаны на рис.47 и 48. В первом случае - за счёт применения каскада, во-втором - усовершенствованного составного транзистора (рис.4) ("Азбука...", ч.1).

Однако наиболее простые двуполярные генераторы тока можно получить с применением полевых транзисторов (рис.49 и 50).

Характерная особенность ГСТ (рис.51) - отсутствие стабилитрона как источника опорного напряжения. Выходной ток рассчитывают по формуле:

Iн=0.66/R2

При токах нагрузки свыше 3 мА в качестве VT2 следует применять составной транзистор. Основной недостаток такого ГСТ - низкая температурная стабильность.

Двуполярный ГСТ (рис.52) получен в результате встречного включения двух зеркальных ГСТ (рис.51).

Простейший отражатель тока (ОТ) показан на рис.53. Выходное сопротивление Rвых=rКэ, а выходной ток Iн=Ion*h21э/(h21э+2) при условии равенства параметров транзисторов. Введение в эмиттеры транзисторов резисторов 1...2кОм практически сводит на нет эффект Эрли (изменение коллекторного тока до - 25% в зависимости от изменения напряжения на коллекторе).

В результате замены резистора R2 в схеме (рис.51) на транзистор VT3 получим токовое зеркало Уилсона (рис.54). Опорный ток Iоп=const, т.к. Iб2 вычитается, а Iб1 вновь добавляется. Динамическое выходное сопротивление такого ОТ значительно выше: Rвых=I21э*rкэ, отклонения тока значительно меньше и имеют величину 1/h21э2. Меньше и критичность к разбросу параметров ЭРЭ.

На рис.55 показан каскадный отражатель тока. Динамическое внутреннее сопротивление такого ОТ больше нескольких МОм, эффект Эрли значительно ослаблен.

Прецизионный отражатель тока (рис.56) [5] имеет повышенную точность за счёт добавления базового тока транзистора VT3 (равного базовому току VT2) к выходному току транзистора VT4.

Отражатель тока на несколько нагрузок сразу показан на рис.57. Эта схема требует высокой идентичности транзисторов VT1, VT3, VT4...VTn. Недостаток такого ОТ - сравнительно малое выходное сопротивление источников тока.

Встречное включение двух отражателей тока (рис.53) [6,7] даёт двуполярный преобразователь напряжение-ток (ПНТ) (рис.58).

1. Простейший генератор тока.

Ток нагрузки равен: Iн-(Uст-Uбэ)/R2. Выходное сопротивление такого источника равно выходному сопротивлению каскада с общим эмиттером. Недостаток - относительно низкое выходное сопротивление и наличие эффекта модуляции h21э под действием Uк из-за изменения нагрузки.

Рис. 46.

2. Усовершенствованные генераторы тока.

С каскодным включением.

С усовершенствованным составным транзистором.

Рис. 47, 48.

3. Простые двуполюсные генераторы тока на ПТ.

Рис. 49, 50.

4. ГСТ без стабилитрона.

Выходной ток равен: Iн=0.66/R2; При токах нагрузки более 3 мА в качестве VT2 нужно применять составной транзистор. Недостаток - низкая температурная стабильность.

Рис. 51.

5. Двуполюсный ГСТ.

Рис. 52.

6. Простейший отражатель тока.

Выходное сопротивление Rвых=Rкэ, выходной ток Iн=Ion*h21э/(h21э+2) при условии равенства параметров транзисторов. Введение в эмиттеры транзисторов резисторов 1..2 к практически подавляет эффект Эрли (изменение коллекторного тока - 25% в зависимости от изменения напряжения на коллекторе).

Рис. 53.

7. Токовое зеркало Уилсона.

Опорный ток Iоп=const , т.к. Iб2 вычитается, а Iб1 вновь добавляется. Динамическое выходное сопротивление такого отражателя тока значительно выше: Rвых=rКэ, отклонения тока значительно меньше и имеют величину 1/h21э2. Меньше и критичность к разбросу параметров радиоэлементов.

Рис. 54.

8. Каскодный отражатель тока.

Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает несколько МОм, эффект Эрли значительно ослаблен.

Рис. 55.

9. Прецизионный отражатель тока.

Имеет повышенную точность за счёт добавления базового тока транзистора VT3 (равного базовому току VT2) к выходному току транзистора VT4.

Рис. 56.

10. Отражатель тока на несколько нагрузок.

Эта схема требует высокой идентичности VT1, VT3, VT4...VTn. Недостаток - такого отражателя тока - сравнительно малое выходное сопротивление источников тока.

Рис. 57.

11. Преобразователь напряжение - ток.

Рис. 58.

zpostbox.ru

Однопереходные транзисторы

Однопереходный транзистор или, как его еще называют, двухбазовый диод, представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-n переходом. Структура его условно показана на рис. 1, а, условное графическое обозначение в схемах — на рис. 1, б.

Основой однопереходного транзистора является кристалл полупроводника (например, с проводимостью n-типа), называемый базой. На концах кристалла имеются омические контакты Б1 и БЗ, между которыми расположена область, имеющая выпрямляющий контакт с полупроводником р-типа, выполняющим роль эмиттера.

Принцип действия однопероходного транзистора удобно рассмотреть, пользуясь простейшей эквивалентной схемой (рис. 1, в), где RБ1 и RБ2 — сопротивления между соответствующими выводами базы и эмиттером, а Д1— эмиттерный р-п переход. Ток, протекающий через сопротивления RБ1 и RБ2, создает на первом из них падение напряжения, смещающее диод Д1 в обратном направлении. Если напряжение на змиттере Uэ меньше падения напряжения на сопротивлении RБ1, диод Д1 закрыт, и через него течет только ток утечки. Когда же напряжение UЭ становится выше напряжения на сопротивлении RБ1, диод начинает пропускать ток в прямом направлении. При этом сопротивление RБ1 уменьшается, что приводит к увеличению тока в цепи Д1 RБ1, а это, в свою очередь, вызывает дальнейшее уменьшение сопротивления RБ1. Этот процесс протекает лавинообразно. Сопротивление RБ1 уменьшается быстрее, чем увеличивается ток через р-п переход, в результате на вольт-амперной характеристике однопереходного транзистора (рис. 2), появляется область отрицательного сопротивления (кривая 1). При дальнейшем увеличении тока зависимость сопротивления RБ1 от тока через р-п переход уменьшается, и при значениях, больших некоторой величины ( Iвыкл) оно не зависит от тока (область насыщения).

При уменьшении напряжения смещения Uсм вольт-амперпая характеристика смещается влево (кривая 2) и при отсутствии его обращается в характеристику открытого р-п перехода (кривая 3).

Основными параметрами однопереходных транзисторов, характеризующими их как элементы схем, являются:
межбазовое сопротивление RБ1Б2 — сопротивление между выводами баз при отключенном эмиттере;
коэффициент передачи


характеризующий напряжение переключения;
напряжение срабатывания Ucp— минимальное напряжение на эмиттерном переходе, необходимое для перевода прибора из состояния с большим сопротивлением в состояние с отрицательным сопротивлением;
ток включения Iвкл — минимальный ток, необходимый для включения однопереходного транзистора, то есть перевода его в область отрицательного сопротивления;
ток выключения Iвыкл —наименьший эмиттерный ток, удерживающий транзистор во включенном состоянии;
напряжение выключения Uвыкл— напряжение на эмиттерном переходе при токе через него, равном Iвыкл;
обратный ток эмиттера Iэо — ток утечки закрытого эмиттерного перехода.

Эквивалент однопереходного транзистора может быть построен из двух обычных транзисторов с разным типом проводимости, как показано на рис. 3.

Здесь ток, протекающий через делитель, состоящий из резисторов R1 и R2, создает на втором из них падение напряжения, закрывающее эмиттерныи переход транзистора Т1. При увеличении напряжения на эмиттере транзистор Т1 начинает пропускать ток в базу транзистора Т2, в результате чего он также открывается. Это приводит к снижению напряжения на базе транзистора Т1, что, в свою очередь, вызывает еще большее открывание его и т. д. Другими словами, процесс открывания транзисторов в таком устройстве также протекает лавинообразно и вольтамперная характеристика устройства имеет вид, аналогичный характеристике однопереходного транзистора.

Устройства на однопереходных транзисторах

Однопереходные транзисторы (двухбазовые диоды) широко применяются в различных устройствах автоматики, импульсной и измерительной техники — генераторах, пороговых устройствах, делителях частоты, реле времени и т. д.

Одним из основных типов устройств на однопереходных транзисторах является релаксационный генератор, схема которого показана на рис. 1.

При включении питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Как только напряжение на конденсаторе становится равным напряжению включения однопереходного транзистора Т1, его эмиттерный переход открывается и конденсатор быстро разряжается. По мере разряда конденсатора эмиттерный ток уменьшается и при достижении величины, равной току выключения, транзистор закрывается, после чего процесс повторяется снова. В результате на базах Б1 и Б2 возникают короткие разнополярные импульсы, которые и являются выходными сигналами генератора.

Частоту колебаний f генератора можно рассчитать по приближенной формуле:

где R — сопротивление резистора R1, Ом;

С—емкость конденсатора С1, Ф;

η— коэффициент передачи однопереходного транзистора.

При заданной частоте колебаний емкость конденсатора следует выбрать возможно большей с тем, чтобы получить на нагрузке (R2 или R3) сигнал с нужной амплитудой. Важным достоинством генератора на однопереходном транзисторе является то, что частота его колебаний незначительно зависит от величины питающего напряжения. Практически изменение напряжения от 10 до 20 В приводит к изменению частоты всего на 0,5%.

Если вместо резистора R1 в зарядную цепь включить фотодиод, фоторезистор, терморезистор или другой элемент, изменяющий свое сопротивление под действием внешних факторов (света, температуры, давления и т. д.), то генератор превращается в аналоговый преобразователь соответствующего физического параметра в частоту следования импульсов.

Несколько изменив схему, как показано на рис. 2, этот же генератор можно превратить в устройство сравнения напряжений. В этом случае базовые цепи транзистора подключают к источнику эталонного напряжения, а зарядную цепь — к исследуемому источнику. Когда напряжение последнего превысит напряжение включения, устройство начнет генерировать импульсы положительной полярности.

В устройстве, схема которого показана на рис. 3, конденсатор заряжается через резистор R4 и сопротивление участка эмиттер — коллектор биполярного транзистора Т1. В остальном работа этого генератора не отличается от описанного ранее. Зарядный ток, а, следовательно, и частоту пилообразного напряжения, снимаемого в этом случае с эмиттера однопереходного транзистора Т2, регулируют изменением напряжения смещения на базе транзистора Т1 с помощью подстроечного резистора R2. Отклонение линейности формы колебаний, вырабатываемых таким устройством, не превышает 1%

Моментом включения однопереходного транзистора можно управлять, подавая импульс положительной полярности в цепь эмиттера или отрицательной полярности в цепь базы Б2. На этом принципе основана работа ждущего мультивибратора, схема которого приведена на рис. 4. Для получения нужного режима работы максимальное напряжение на конденсаторе С1, зависящее от соотношения сопротивлений резисторов делителя R1R2, устанавливают меньшим напряжения включения транзистора. Разность этих напряжений выбирают с учетом возможных помех в цепи запуска, которые могут привести к ложным срабатываниям устройства. При подаче импульса отрицательной полярности в цепь базы Б2 межбазовое напряжение UБ1Б2 уменьшается (модулируется), в результате транзистор Т1 открывается и на базе Б1 возникает импульс положительной полярности.

Однопереходные транзисторы применяют и в генераторах напряжения ступенчатой формы. На вход такого устройства (см. рис. 5) подают сигнал симметричной (синусоидальной, прямоугольной и т, д.) формы. При положительной полуволне сигнала конденсатор С1 заряжается через резистор R2 и сопротивление участка эмиттер-коллектор транзистора Т1 до некоторого напряжения, значительно меньшего напряжения включения однопереходного транзистора Т2. За время действия следующей положительной полуволны напряжение на конденсаторе ступенчато возрастает на такую же величину и так до тех пор, пока не станет равным напряжению включения транзистора Т2.

Напряжение ступенчатой формы снимается с его эмиттера. На использовании этого принципа основана работа делителей частоты. Один каскад на однопереходном транзисторе способен обеспечить коэффициент деления до 5. Объединив в единое целое несколько таких устройств, можно получить делитель с гораздо большим коэффициентом деления. Для примера на рис. 6 приведена схема делителя частоты на 100. Первый каскад устройства делит частоту поступающих на его вход импульсов положительной полярности на 4, два других - на 5.

Как видно из схемы, каскады делителя частоты отличаются друг от друга только сопротивлениями резисторов в цепях заряда конденсаторов С1—СЗ. Постоянная времени заряда конденсатора С1 определяется резисторами Rl, R2. R4 и R6; С2 — резисторами R3. R4 и R6; C3—R5 и R6. При включении питания конденсаторы С1—СЗ начинают заряжаться. Импульсы напряжения положительной полярности, поступающие на вход устройства, складываются с напряжением на конденсаторе С1 и как только их сумма достигает величины, равной напряжению включения, однопереходный транзистор открывается и конденсатор разряжается через его эмиттерный переход. В результате скачком увеличивается падение напряжения на резисторах R4 и R6, а это приводит к уменьшению межбазовых напряжений транзисторов Т2 и ТЗ. Однако транзистор Т2 откроется только тогда, когда напряжение на конденсаторе С2 станет достаточным для его включения при пониженном межбазовом напряжении. Аналогично работает и третий каскад делителя.

Схема реле времени, отличающегося очень высокой экономичностью, приведена на рис. 7. В исходном состоянии тиристор ДЗ закрыт, поэтому устройство практически не потребляет энергии (токи утечки невелики и ими можно пренебречь). При подаче на управляющий электрод запускающего импульса положительной полярности тиристор открывается. В результате срабатывает реле Р1 и своими контактами (на схеме условно не показаны) включает исполнительное устройство. Одновременно через резисторы R1 и R2 начинают заряжаться конденсаторы С1 и С2. Поскольку сопротивление первого из этих резисторов во много раз больше второго, то первым зарядится конденсатор С2, а когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет величины напряжения включения, однопереходный транзистор откроется и конденсатор С1 разрядится через его эмиттерный переход. Возникший при этом на резисторе R2 импульс положительной полярности сложится с напряжением на конденсаторе С2, в результате чего тиристор ДЗ закроется и обесточит реле Р1 до прихода следующего запускающего импульса.

Устройство, схема которого приведена на рис, 8, предназначено для аналогового преобразования напряжения в частоту. Здесь транзистор Т2 использован в релаксационном генераторе, Т1 вместе с резисторами R1 и R2 включен в зарядную цепь конденсатора С1. При изменении напряжения на базе транзистора Т1 изменяется сопротивление его участка эмиттер—коллектор, а следовательно, в зависимости от величины входного напряжения однопереходный транзистор Т2 открывается с большей или меньшей частотой. По частоте следования импульсов, снимаемых с нагрузочного резистора R3 в цепи базы Б1 можно судить о напряжении на входе устройства.

cxem.net

Мощный генератор ВЧ на MOSFET-транзисторе — Gnativ.ru

Юным радиолюбителям посвящается…

Предисловие

Радиосигнал, однажды сгенерированный, уносится в глубь Вселенной со скоростью света… Эта фраза, прочитанная в журнале «Юный техник» в далеком детстве произвела на меня очень сильное впечатление и уже тогда я твердо решил, что обязательно пошлю свой сигнал нашим «братьям по разуму», чего бы мне это не стоило. Но путь, от желания до воплощения мечты долог и непредсказуем…

Когда я только начинал заниматься радиоделом,  мне очень хотелось построить  портативную радиостанцию. В то время я думал, что она состоит из динамика, антенны и батарейки. Стоит только соединить их в правильном порядке и можно будет разговаривать с друзьями где-бы они не находились… Я изрисовал не одну тетрадку возможными схемами, добавлял всевозможные лампочки, катушки и проводки. Сегодня эти воспоминания вызывают у меня лишь улыбку, но тогда мне казалось, что еще чуть-чуть и чудо-устройство будет у меня в руках…

Я помню свой первый радиопередатчик.  В 7 классе я ходил в кружок спортивной радиопеленгации (т.н. охоты на лис). В один из прекрасных  весенних  дней наша последняя «лиса» — приказала долго жить. Руководитель кружка, недолго думая, вручил мне её со словами — «… ну, ты там её почини…». Я наверное был страшно горд  и счастлив, что мне доверили столь почетную миссию, но мои знания электроники  на тот момент не дотягивали до «кандидатского минимума». Я умел отличать транзистор от диода и приблизительно представлял как они работают по отдельности, но как они работают вместе — для меня это было загадкой. Придя домой, я с благоговейным трепетом вскрыл небольшую металлическую коробочку. Внутри неё оказалась плата, состоящая  из мультивибратора и генератора РЧ на транзисторе П416. Для меня это была вершина схемотехники.  Самой загадочной деталью в данном устройстве была катушка задающего генератора (3,5МГц.), намотанная на броневом сердечнике. Детское любопытство пересилило здравый смысл и острая металлическая отвертка впилась в броневой кожух катушки. «Хрясь» — раздался хруст и кусок броневого корпуса катушки, со стуком упал на пол. Пока он падал, мое воображение уже нарисовало картину моего расстрела руководителем нашего кружка…

У этой истории был счастливый конец, правда случился он через месяц. «Лису» я все-таки починил, хотя точнее сказать — сделал её заново. Плата радиомаяка, сделанная из фольгированного гетинакса, не выдержала пыток моим 100 ваттным паяльником, дорожки отслоились от постоянной перепайки деталей… Пришлось плату делать заново. Спасибо моему папе, что принес  (достал где-то с большим трудом) фольгированный гетинакс, а маме — за дорогой французский красный лак для ногтей, который я использовал для рисования платы. Новый броневой сердечник мне достать не удалось, но зато удалось аккуратно склеить старый клеем БФ… Отремонтированный  радиомаяк радостно послал в эфир свое слабое «ПИ-ПИ-ПИ», но для меня это было сравни запуску первого искусственного спутника Земли, возвестившего человечеству о начале космической эры таким-же прерывистым сигналом на частоте 20 и 40 МГц. Вот такая история…

Схема устройства

В мире существует огромное количество схем генераторов, способных генерировать колебания различной частоты и мощности. Обычно, это достаточно сложные устройства на диодах, лампах, транзисторах или других активных элементах. Их сборка и настройка требует некоторого опыта и наличия дорогих приборов. И чем выше частота и мощность генератора, тем сложнее и дороже нужны приборы, тем опытнее должен быть радиолюбитель в данной теме.

Но сегодня, мне бы хотелось рассказать о достаточно мощном генераторе ВЧ, построенном всего на одном транзисторе. Причем работать этот генератор может на частотах до 2ГГц и выше и генерировать достаточно большую мощность — от единиц до десятков ватт, в зависимости от типа применяемого транзистора. Отличительной особенностью данного генератора, является использование симметричного дипольного резонатора, своеобразного открытого колебательного контура с индуктивной и емкостной связью.  Не стоит пугаться такого названия — резонатор представляет собой две параллельные металлические полоски, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга.

Свои первые опыты с генераторами подобного вида я проводил ещё в начале 2000-х годов, когда для меня стали доступны  мощные ВЧ-транзисторы.  С тех пор я периодически возвращался к этой теме, пока в середине лета на сайте VRTP.ru  не возникла тема по использованию мощного однотранзисторного генератора в качестве источника ВЧ-излучения для глушения бытовой техники (музыкальных центров, магнитол, телевизоров) за счет наведения модулированных ВЧ-токов в электронных схемах этих устройств. Накопленный материал и лег в основу данной статьи.

Схема мощного генератора ВЧ, достаточно проста и состоит из двух основных блоков:

  1. Непосредственно сам автогенератор ВЧ на транзисторе;
  2. Модулятор — устройство для периодической манипуляции (запуска) генератора ВЧ сигналом звуковой (любой другой) частоты.

Детали и конструкция

«Сердцем» нашего генератора является высокочастотный MOSFET-транзистор. Это достаточно дорогостоящий и мало распространенный элемент. Его можно купить за приемлемую цену в китайских интернет-магазинах или найти в высокочастотном радиооборудовании — усилителях/генераторах высокой частоты, а именно, в платах базовых станций сотовой связи различных стандартов. В своем большинстве эти транзисторы разрабатывались именно под данные устройства.
Такие транзисторы, визуально и конструктивно отличаются от привычных с детства многим радиолюбителям КТ315 или МП38 и представляют собой «кирпичики» с плоскими выводами на мощной металлической подложке. Они бывают маленькие и большие в зависимости от выходной мощности. Иногда, в одном корпусе располагаются два транзистора на одной подложке (истоке). Вот как они выглядят:


Линейка внизу, поможет вам оценить их размеры. Для создания генератора могут быть использованы любые MOSFET-транзисторы. Я пробовал в генераторе следующие транзисторы: MRF284, MRF19125, MRF6522-70, MRF9085, BLF1820E, PTFA211801E — все они работают. Вот как данные транзисторы выглядят внутри:

Внутренняя структура мощного MOSFET транзистора PTFA211801E


Вторым, необходимым материалом для изготовления данного устройства является медь. Необходимы две полоски данного металла шириной 1-1,5см. и длинной 15-20см (для частоты 400-500 МГц). Можно сделать резонаторы любой длинны, в зависимости от желаемой частоты генератора. Ориентировочно, она равна 1/4 длинны волны.
Я использовал медь, толщиной 0,4 и 1 мм. Менее тонкие полоски — будут плохо держать форму, но в принципе и они работоспособны. Вместо меди, можно использовать и латунь. Резонаторы из альпака (вид латуни) тоже успешно работают. В самом простом варианте, резонаторы можно сделать из двух кусочков проволоки, диаметром 0,8-1,5 мм.

Помимо ВЧ-транзистора и меди, для изготовления генератора понадобится микросхема 4093 — это 4 элемента 2И-НЕ с триггерами Шмитта на входе. Её можно заменить на микросхему 4011 (4 элемента 2И-НЕ) или её российский аналог — К561ЛА7. Также можно использовать другой генератор для модуляции, например, собранный на таймере 555. А можно вообще исключить из схемы модулирующую часть и получить просто ВЧ-генератор.

В качестве ключевого элемента применен составной p-n-p транзистор TIP126 (можно использовать TIP125 или TIP127, они отличаются только максимально допустимым напряжением). По паспорту он выдерживает 5А, но очень сильно греется. Поэтому необходим радиатор для его охлаждения. В дальнейшем, я использовал P-канальные полевые транзисторы типа IRF4095 или P80PF55.

Сборка устройства

Устройство может быть собрано как на печатной плате, так и навесным монтажом с соблюдением правил для ВЧ-монтажа. Топология и вид моей платы приведены ниже:

Эта плата рассчитана на транзистор типа MRF19125 или PTFA211801E. Для него прорезается отверстие в плате, соответствующее размеру истока (теплоотводящей пластины).
Одним из важных моментов сборки устройства является обеспечение теплоотвода от истока транзистора. Я применил различные радиаторы, подходящие по размеру. Для кратковременных экспериментов — таких радиаторов достаточно. Для долговременной работы — необходим радиатор достаточно большой площади или применение схемы обдува вентилятором.
Включение устройства без радиатора, чревато быстрым перегревом транзистора и выходом из строя этого дорогостоящего радиоэлемента.

Для экспериментов, мною были изготовлены несколько генераторов по разные транзисторы. Также я сделал фланцевые крепления полосковых резонаторов, чтобы можно было их менять без постоянного нагрева транзистора. Представленные ниже фотографии помогут вам разобраться в деталях монтажа.

Запуск устройства

Перед запуском генератора, необходимо еще раз проверить правильность его соединений, чтобы у вас не образовалась весьма не дешёвая кучка транзисторов с надписью «Сгорел».

Первый запуск, желательно производить с контролем потребляемого тока. Этот ток, можно ограничить до безопасного уровня использовав резистор на 2-10 Ом в цепи питания генератора (коллектор или сток модулирующего транзистора).
Работу генератора можно проверить различными приборами: поисковым приемником, сканером, частотомером или просто энергосберегающей лампой. ВЧ-излучение, мощностью более 3-5 Вт, заставляет её светиться.

ВЧ-токи легко нагревают некоторые материалы вступающие с ними в контакт в т. ч. и биологические ткани. Так, что будьте осторожны, можно получить термический ожог прикоснувшись к оголенным резонаторам (особенно при работе генераторов на мощных транзисторах). Даже небольшой генератор на транзисторе MRF284, при мощности всего около 2-х ватт — легко сжигает кожу рук, в чем вы можете убедиться на этом видео:

При некотором опыте и достаточной мощности генератора, на конце резонатора, можно зажечь т.н. «факел» — небольшой плазменный шарик, который будет подпитываться ВЧ-энергией генератора. Для этого достаточно просто поднести зажженную спичку к острию резонатора.

Т.н. «факел» на конце резонатора.

Помимо этого, можно зажечь ВЧ-разряд между резонаторами. В некоторых случаях, разряд напоминает крошечную шаровую молнию хаотично перемещающуюся по всей длине резонатора. Как это выглядит вы можете увидеть ниже. Несколько увеличивается потребляемый ток и во всем доме «гаснут» многие каналы эфирного телевидения))).

Плазменная дуга между резонаторами ВЧ-генератора на транзисторе MRF284

Применение устройства

Конечно, данный ВЧ-генератор — не отличается особой стабильностью частоты. Разница частот может достигать 100-200 МГц при использовании модулятора или без него. Но при желании, потратив время на настройку и подбор расстояния между резонаторами, можно добиться стабильности частоты +/- 2-10 МГц. Главная ценность данного генератора — получение достаточно высокой мощности ВЧ, при использовании минимума деталей. В зависимости от типа применяемого транзистора, устройство может генерировать достаточно значительную мощность. В команде TeslaCoilRu, подобное устройство применено для ионизации различных смесей газов в плазменных шарах. Это смотрится фантастично, посмотрите фотографии и видео на их сайте.

Помимо этого, наш генератор может быть применен для изучения воздействия ВЧ-излучения на различные устройства, бытовую аудио и радиоаппаратуру с целью изучения их помехоустойчивости. Ну и конечно, с помощью данного генератора можно послать сигнал в космос, но это уже другая история…

Все материалы по автогенератору ВЧ (схема, плата) вы можете взять здесь в формате Visio. Настоятельно рекомендую начинать эксперименты с небольшими транзисторами (типа MRF284 или MRF6522). Они легко возбуждаются на частотах до 1600-1800 МГц и не очень критичны к форме резонаторов. Большие транзисторы требуют значительной мощности на затворе для поддержания автогенерации, то есть резонатор должен быть достаточно крупным. Помните, что нельзя допускать КЗ резонаторов, это приведет к выходу транзистора из строя. В большей части случаев, подстроечный конденсатор можно не использовать — хватает паразитных емкостей на плате. Но при навесном монтаже этот конденсатор может понадобиться. Экспериментируйте и у вас все получится!

P.S. Не следует путать этот ВЧ-автогенератор с различными EMP-jammers. Там генерируются импульсы высокого напряжения, а наше устройство генерирует излучение высокой частоты.

P.P.S. Для тех экспериментаторов, у кого возникло желание создать подобное устройство и провести с ним опыты, но нет необходимых MOSFET транзисторов — обращайтесь на почту: [email protected]. У меня есть значительный запас, думаю по цене договоримся.

Часть 2. Небольшое дополнение, другие генераторы >>>
Экспериментальный качер Бровина >>>

gnativ.ru

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о