Кт819 характеристики: 819, 2819, kt819, 2t819 , ,

Чтобы понять вклад отдельных LuxR-Qrr-опосредованных петель обратной связи в переход QS, мы сконструировали V.harveyi , несущие одну конкретную инактивирующую мутацию промотора qrr ^luxR-bs в штамме, несущем только этот конкретный интактный qrr . Наше обоснование состояло в том, чтобы изучить, как функционирует петля обратной связи в присутствии нескольких или только одной Qrr sRNA (18). Для сравнения мы показываем поведение WT V. harveyi (т.е. присутствуют все мРНК Qrr). У дикого типа максимальная Qrr-опосредованная репрессия экспрессии биолюминесценции происходит на LCD (светлые квадраты на всех панелях).У штамма qrr 2 ⁺ , в котором присутствует только qrr 2, клетки продуцируют от 10 до 100 раз больше света, чем WT на всех стадиях роста (закрашенные ромбы), а мутируя Сайт связывания LuxR ( qrr 2 ^{+ luxR-bs} ) вызывает дополнительное ~10-кратное увеличение биолюминесценции (открытые ромбы). Та же тенденция сохраняется для qrr 3 (сравните незамкнутые и незакрашенные треугольники) и qrr 4 (, сравните закрашенные и незаштрихованные кружки). Поэтому, когда в V.harveyi QS цепь, петля обратной связи LuxR-Qrr играет более важную роль, чем когда присутствуют все мРНК Qrr, предполагая, что наличие нескольких Qrrs буферирует цепь QS от возмущений, и это предотвращает преждевременное проникновение V. harveyi в HCD , состояние QS.

Множественные мРНК защищают цепь QS от возмущений. Петля обратной связи LuxR-sRNA была нарушена в штаммах V. harveyi , содержащих только один ген qrr , и была измерена биолюминесценция, зависящая от плотности.Были протестированы WT BB120 (светлые квадраты на всех панелях) и следующие штаммы V. harveyi : A. KT280 ( qrr 2 ⁺ , закрытые ромбы), KT381 ( qrr 2 ^+luxR-bs, открытые ромбы). Б. КТ300 ( qrr 3 ⁺ , незамкнутые треугольники), КТ548 ( qrr 3 ^+luxR-bs , незамкнутые треугольники). C. KT281 ( qrr 4 ⁺ , темные кружки), KT353 ( qrr 4 ^+luxR-bs , незаштрихованные кружки). RLU – это отсчет мин.

Обсуждение

Бактерии преодолевают трудности выживания в изменяющейся среде, отслеживая в своей среде колебания различных параметров, и в ответ на изменения этих внешних параметров вносят соответствующие изменения в экспрессию генов. QS позволяет морской бактерии V. harveyi отслеживать и реагировать на изменения плотности клеточной популяции и видового состава окружающего микробного сообщества. Здесь мы сообщаем о наличии петли отрицательной обратной связи в ядре V.harveyi QS, в которой LuxR, основной регулятор транскрипции генов, контролируемых QS, напрямую активирует экспрессию мРНК Qrr, что приводит к дестабилизации мРНК luxR . Петля обратной связи LuxR-sRNA влияет на скорость опосредованных QS изменений во время обоих переходов QS: от HCD к LCD и от LCD к HCD. Т.о., петля обратной связи LuxR-sRNA способствует правильному выбору времени программ экспрессии генов, которые лежат в основе как индивидуального, так и коллективного поведения.

Ранее мы сообщали о наличии петли обратной связи HapR-sRNA в цепи QS V. cholerae , которая, хотя и непрямая, тем не менее ускоряет переход бактерий из режима HCD в режим отдельных клеток (Svenningsen et al . , 2008). Поскольку фактор, связывающий HapR с регуляцией генов qrr , остается неизвестным у V. cholerae , мы не смогли разъединить петлю обратной связи и изучить последствия поведения QS ниже по течению.К счастью, у V. harveyi , поскольку взаимодействие обратной связи LuxR-Qrr является прямым, и были идентифицированы сайты связывания ДНК LuxR (Pompeani et al ., 2008), мы смогли отключить петлю обратной связи и измерить ее эффекты. .

При переходе от HCD к LCD потеря петли обратной связи LuxR-sRNA предотвращает повышение уровней Qrr до их максимальных уровней. Следовательно, деградация мРНК luxR замедляется, что приводит к задержке экспрессии генов, необходимых для индивидуального клеточного поведения.Таким образом, у WT V. harveyi, роль петли обратной связи LuxR-sRNA при переходе от HCD к LCD заключается в ускорении выхода из группового режима и входа в индивидуальный клеточный режим. При переходе LCD к HCD нарушение петли обратной связи LuxR-sRNA делает V. harveyi значительно более чувствительным к ИИ, чем WT V. harveyi . Таким образом, мутанты, у которых отсутствует петля обратной связи, экспрессируют гены, необходимые для группового поведения при более низких концентрациях AI. Это открытие подразумевает, что у WT при переходе от LCD к HCD роль петли обратной связи LuxR-sRNA заключается в активации экспрессии qrr , разрушении мРНК luxR и контроле плотности клеток, при которой популяция выходит из индивидуального сотовый режим и вход в групповой режим.

Отметим, что при переходе от LCD к HCD обратная связь работает в условиях жесткого ограничения LuxR. Это означает, что LuxR должен обладать высокой аффинностью к промоторам qrr . Соответственно, наши биоинформатические анализы показывают, что сайты связывания LuxR на промоторах qrr больше напоминают сайты связывания LuxR-консенсуса, чем сайты связывания LuxR на других известных генах, регулируемых LuxR (Pompeani et al ., 2008). . В совокупности эти исследования предполагают, что при наличии LuxR сначала связывается с генами qrr , чтобы инициировать петлю обратной связи и отсрочить переход в QS-режим.Только позже, после накопления дополнительного белка LuxR, LuxR связывается с нижестоящими генами-мишенями и регулирует их.

Vibrio harveyi и V. cholerae имеют немного разные петли обратной связи LuxR/HapR-sRNA. LuxR напрямую активирует экспрессию генов qrr V. harveyi, тогда как HapR не может активировать генов qrr V. cholerae. Кроме того, петля обратной связи в V. harveyi управляет переходом от LCD к HCD, чего нет в V.холера . Мы обнаружили, что у штамма V. harveyi Δ luxR задержка экспрессии qrr более резкая, чем задержка у штамма qrr 2,3,4 ^luxR-bs сразу после Переход от HCD к LCD (). Мы интерпретируем это как означающее, что фактор, отличный от LuxR, действует на гены qrr во время этого перехода. Эти результаты предполагают возможность того, что неизвестный компонент, который связывает HapR с генами V. cholerae qrr , может также функционировать в V.Харви . Интересно, что ближайшим известным родственником V. harveyi является человеческий патоген Vibrio parahaemolyticus , и выравнивание последовательностей промоторов V. harveyi и V. parahaemolyticus qrr 2, qrr 3 и 4rr964 qrs показывает, что все три сайта связывания LuxR по существу консервативны. Мы предполагаем, что первоначально петли обратной связи LuxR/HapR/OpaR [ V. parahaemolyticus (McCarter, 1998)] были непрямыми, и это остается в случае V.холера . Прямая регуляция по принципу обратной связи LuxR/OpaR генов qrr развилась совсем недавно у V. harveyi и V. parahaemolyticus и, вероятно, обеспечивает некоторое преимущество для ниш, в которых проживают V. harveyi и V. parahaemolyticus , и V. cholerae нет.

LuxR принадлежит к семейству регуляторов транскрипции TetR, большому классу белков, особенно распространенных в бактериях, подвергающихся воздействию изменений окружающей среды, таких как почвенные бактерии и патогены растений и животных (Ramos et al ., 2005). Белки типа TetR играют важную роль в адаптации организмов к колебаниям окружающей среды. Эти белки характеризуются консервативным ДНК-связывающим мотивом спираль-виток-спираль, но в регуляторных доменах не обнаружено консервативной последовательности, что подтверждает их роль в ответах на различные стимулы (Ramos et al. ., 2005; Molina-Henares). и др. ., 2006; De Silva и др. ., 2007). Все хорошо охарактеризованные белки типа TetR действуют как репрессоры, где связывание молекулы-индуктора [такой как тетрациклин (Tet) с TetR] вызывает конформационные изменения, и белок типа TetR больше не связывается с ДНК (Hinrichs et al. ., 1994; Orth и др. ., 1999). LuxR/HapR являются единственными членами семейства TetR, которые, по-видимому, действуют как активаторы и репрессоры (Showalter et al. ., 1990; Kovacikova and Skorupski, 2002; Pompeani et al. ., 2008). Одним из возможных механизмов активации является то, что LuxR/HapR изгибает ДНК в благоприятную конформацию для активации транскрипции. Другая возможность заключается в том, что LuxR/HapR взаимодействует с холоферментом РНК-полимеразы (РНКП), облегчая активацию транскрипции.В соответствии с этими идеями, статическое и индуцированное белком изгибание ДНК предоставляет бактериям устройства интеграции сигналов для распознавания входных сигналов окружающей среды (Perez-Martin and de Lorenzo, 1997).

Хотя механизм, с помощью которого LuxR активирует экспрессию qrr у V. harveyi , еще предстоит определить, мы знаем, что экспрессия генов qrr требует, чтобы LuxO~P работал в сочетании с альтернативным сигма-фактором σ ⁵⁴ (Lilley and Bassler, 2000; Lenz и др. ., 2004). σ ⁵⁴ -промоторы обладают уникальной особенностью, заключающейся в том, что связанные с ними активаторы (например, LuxO˜P) могут функционировать на расстоянии, обычно 100–200 п.н., за счет образования петли ДНК для установления контакта с холоферментом РНКП (Wigneshweraraj et al ., 2008). ). Архитектура σ ⁵⁴ -зависимых промоторов делает их идеальными для того, чтобы позволить дополнительным факторам (например, LuxR) связываться и обеспечивать оптимальную геометрию промотора для активации транскрипции. Действительно, Fis, небольшой гомодимер белка, который обычно изгибает ДНК на 90° при связывании с родственными сайтами-мишенями (Perez-Martin et al ., 1994) связывается с промежуточной последовательностью ДНК между LuxO˜P и сайтами связывания σ ⁵⁴ –РНКП и требуется для активации qrr у V. cholerae (и предположительно у V. harveyi ) (Lenz and Басслер, 2007). В случае LuxR сайты связывания в промоторах V. harveyi qrr 2, qrr 3 и qrr 4 расположены относительно далеко, примерно на 30–40 п.н. выше сайта связывания LuxO~P, чем типичны для сайтов связывания вспомогательных факторов транскрипции, что позволяет предположить, что LuxR не функционирует по обычному механизму активации.Например, связывание LuxR с промоторами qrr 2, qrr 3 и qrr 4 может блокировать связывание негативного регулятора, консервативного в E. coli , что приводит к активации экспрессии (см. ). В настоящее время мы изучаем механизм, с помощью которого LuxR действует как активатор.

Малые регуляторные РНК, функционирующие в петлях обратной связи, недавно стали важными регуляторными модулями как у бактерий, так и у высших организмов (Gottesman et al ., 2006; Tsang и др. ., 2007). МикроРНК (миРНК) аналогичны бактериальным малым РНК и обеспечивают посттранскрипционную регуляцию генов в эукариотических организмах путем связывания с комплементарными последовательностями в 3′-UTR мРНК. Крупномасштабный компьютерный анализ данных экспрессии генов в клетках млекопитающих показывает, что регуляция miRNA-опосредованной обратной связи, как положительная, так и отрицательная, является повторяющейся темой, которая, вероятно, усиливает надежность регуляции генов (Tsang et al. ., 2007). Недавно было показано, что двойная отрицательная петля обратной связи, включающая несколько миРНК, контролирует решение судьбы нейронов у нематоды Caenorhabditis elegans (Johnston et al ., 2005). В Pseudomonas fluorescens CHAO три избыточные мРНК – RsmXYZ секвестрируют белки RsmA и RsmE, которые также могут по обратной связи активировать транскрипцию rsmXYZ (Kay et al. ., 2005; 2006, 6.9 et 9046; Reimmann 4.3 et 9046). 2005), аналогичной регуляции обратной связи LuxR-Qrr, представленной в этом исследовании. Важность петель обратной связи, опосредованных sRNA, в быстрых реакциях на стресс у E. coli и Salmonella typhimurium подчеркивается RybB, sRNA, которая активируется альтернативным сигма-фактором σ ^E .RybB оказывает обратное воздействие, подавляя экспрессию σ ^E , что имеет решающее значение для гомеостаза клеточной оболочки. В условиях мембранного стресса RybB также необходим для быстрой элиминации мРНК, кодирующих определенные белки внешней мембраны (Papenfort et al. ., 2006; Thompson et al. ., 2007). Учитывая, что петли положительной обратной связи обычно управляют необратимыми процессами, подобными переключателям, специфическая роль регуляторных РНК в регуляции отрицательной обратной связи может заключаться в тонкой настройке, т.е.е. для установки и поддержания стабильного состояния целевого белка (Tsang et al. ., 2007). По сравнению с репрессорами транскрипции регуляторные РНК могут быть особенно эффективны, потому что они контролируют свои белки-мишени на посттранскрипционном уровне и, таким образом, ускоряют ответ на исходящие входы. Эта способность, вероятно, приводит к эффективной буферизации шумов и обеспечивает равномерную экспрессию целевого белка в популяции (Leung and Sharp, 2007).

Анализ топологии сети в E.coli предсказывают, что половина ее транскрипционных факторов негативно саморегулируются (Rosenfeld et al , 2002). Сходным образом LuxR репрессирует собственную транскрипцию (Chatterjee et al. , 1996). Негативная ауторегуляция ускоряет время отклика на изменения экспрессии генов, а также ограничивает выходы транскрипции узкими диапазонами, несмотря на широко колеблющиеся входные данные (Rosenfeld et al. ., 2002; Seshasayee et al. ., 2006). Поскольку LuxR является основным регулятором транскрипции большого набора генов-мишеней QS в V.harveyi , важно, чтобы уровни LuxR строго контролировались, чтобы гарантировать, что популяция вызывает точно рассчитанный по времени паттерн экспрессии генов в ответ на изменение концентрации AI. Описанная здесь петля обратной связи LuxR-sRNA может быть особенно эффективной в модулировании изменений экспрессии генов, поскольку уровни белка LuxR отрицательно контролируются как на посттранскрипционном, так и на транскрипционном уровнях. Предположительно, двойные петли отрицательной обратной связи, которые контролируют уровни LuxR, обеспечивают однородную экспрессию LuxR в популяции клеток, что имеет решающее значение для обеспечения синхронности в групповом поведении.

Экспериментальные процедуры

Бактериальные штаммы и условия роста

Все штаммы V. harveyi получены из ВВ120 (Bassler et al. ., 1997) и выращены в аэробных условиях при 30°C в Луриа-марине (LM) или морской Бульон для биотестирования аутоиндуктора (AB). E. coli S17–1λ pir использовали для размножения плазмид при 37°C в среде LB. Использовали следующие антибиотики: ампициллин, 100 мкг мл ^-1 ; Tet, 10 мкг мл ^-1 ; канамицин (Kan), 100 мкг мл ^-1 ; хлорамфеникол (Cm), 10 мкг мл ^-1 ; гентамицин, 100 мкг мл ^-1 и полимикцин В, 50 ЕД мл ^-1 .Бактериальный рост контролировали путем измерения оптической плотности при 600 нм.

Манипуляции с ДНК

Все манипуляции с ДНК проводили с использованием стандартных процедур (Sambrook et al. ., 1989). ДНК-полимеразу, усиленную Herculase (Stratagene), использовали для ПЦР-реакций клонирования, а Taq-полимеразу (Roche) использовали для всех остальных ПЦР-реакций. dNTP, эндонуклеазы рестрикции и ДНК-лигаза Т4 были получены от New England BioLabs. Наборы для очистки ДНК были предоставлены QIAGEN.Последовательности праймеров доступны по запросу. делеции V. harveyi были сконструированы с использованием ранее описанных методов (Datsenko and Wanner, 2000), а конструкции были введены в хромосому V. harveyi путем аллельной замены (Bassler et al ., 1993). Для конструирования мутантов LuxR-bs предполагаемые сайты связывания LuxR в промоторах qrr 2 и qrr 4 были мутированы в последовательность TTAGTTTGATCTGCTTAATAAA, которая не связывается с LuxR, как было показано с помощью анализа сдвига геля ( А.Помпеани, неопублик. данные). Для сайта связывания qrr 3 LuxR два основания были изменены на TAGTGAATTAATTCAGCATTA вместо того, чтобы рандомизировать весь сайт, поскольку рандомизация всего сайта серьезно влияла на экспрессию qrr 3. Мутации LuxR-bs для qrr 2,3,4 были встроены в праймеры, используемые в методе замены генов, как описано ранее (Datsenko and Wanner, 2000). Слияния промоторов qrr-gfp были клонированы в pSLS3, производное pCMW1 (Waters and Bassler, 2006), с использованием сайтов рестрикции BclI и SalI.Плазмиды трансформировали в Е. coli в 0,2 см кюветах для электропорации (USA Scientific) с использованием Bio-Rad Micro Pulser ^TM .

Анализы изменения подвижности в геле

LuxR и HapR очищали с помощью системы очистки белка IMPACT (NEB) с использованием экспрессионной плазмиды pTYB11 и протокола, описанного в инструкциях производителя. Очищенный LuxR хранили в 20 л Трис (рН 7,5), 1 ЕДТА, 10 НС NaCL и 0,1 ДТТ с 20% глицерином, как описано ранее (Waters and Bassler, 2006).ДНК-зонды для анализа сдвига подвижности геля были созданы с использованием 5′-меченых флуоресцентных праймеров в стандартной реакции ПЦР, которая амплифицирует 275 пар оснований перед каждым промотором qrr . Зонды очищали после электрофореза в агарозном геле с использованием набора Zymoclean Gel DNA Recovery Kit (Zymo Research). Каждый зонд (10 нМ) инкубировали с указанным количеством LuxR (6,25–500 нМ) и 1 мкл 1 мг мл ^-1 poly dIdC в конечном объеме 20 мкл при 30°С в течение 15 мин. Сдвиги подвижности геля выполняли на 5% ТАЭ-полиакриламидном геле и визуализировали с использованием системы визуализации Storm 860 (Molecular Dynamics).

Все анализы экспрессии gfp проводили на клеточном сортере Becton Dickinson FACSAria, а данные анализировали с использованием программного обеспечения FACS Diva. Для мониторинга экспрессии qrr-gfp в E. coli культуры выращивали в 2 мл LB + Tet, Cm в течение 12 ч в трех повторностях при 30°C с аэрацией. Штамм E. coli , используемый в исследованиях экспрессии gfp , представляет собой MC4100. Аллель luxO D47E был клонирован в pBBR322 в сайтах EcoRI и BamHI и интегрирован в сайт λ _att с помощью метода λInCh2, как описано ранее (Boyd et al ., 2000) для получения штамма KT1190. Либо luxR на pLAFR2 (pKM699), либо пустой вектор pLAFR2 трансформировали в штамм KT1190 вместе с репортерной конструкцией qrr-gfp для проведения анализа.

Анализы биолюминесценции

Экспрессию биолюминесценции Vibrio harveyi измеряли в анализе, который был описан ранее (Bassler et al. ., 1993). Вкратце, культуры V. harveyi выращивали в течение 14 ч в среде LM при 30°C с аэрацией.Культуры разбавляли 1:5000 и после этого каждые 45 минут измеряли светопродукцию и ОП ₆₀₀ . Относительные световые единицы (RLU) определяются как отсчеты min ^-1 мл ^-1 /OD ₆₀₀ . Для экспериментов с кривой доза-реакция культуры выращивали в течение 14 часов в среде AB, а затем разбавляли 1:1000 в свежей среде AB. В 96-луночном титрационном микропланшете 90 мкл культуры добавляли к 5 мкл 100 мкМ HAI-1 и 5 мкл 100 мкМ AI-2, и производили серийные разведения до конечных концентраций 10 пМ в сумме обоих HAI-1. и АИ-2.Культуры выращивали в течение 6 ч в четырех повторностях и измеряли биолюминесценцию и ОП ₆₀₀ с использованием планшет-ридера Perkin Elmer EnVision.

Количественный ПЦР-анализ в реальном времени

Штаммы Vibrio harveyi выращивали в течение 14 часов, а затем разбавляли 1:500. Клетки осаждали при LCD (OD ₆₀₀ ~0,025) и HCD (OD ₆₀₀ -1,5) и замораживали при -80°C. РНК выделяли с использованием набора Ribo-Pure ^TM -Bacteria (Ambion/ABI). Образцы обрабатывали ДНКазой I (Ambion/ABI).РНК количественно определяли на спектрофотометре NanoDrop® ND-1000 (NanoDrop Technologies). ПЦР-анализ в реальном времени проводили, как описано ранее (Tu and Bassler, 2007). hfq использовали в качестве эндогенного контроля, а праймеры доступны по запросу.

Нозерн-блот-анализ

Культуры Vibrio harveyi выращивали до ОП ₆₀₀ -1,5 в среде LM с 5 мкМ каждого HAI-1 и AI-2. Культуры дважды промывали и ресуспендировали в ЛМ без ИА.Аликвоты для получения РНК собирали в указанные моменты времени после добавления свежей среды, смешивали с 0,2 объема стоп-раствора и быстро замораживали в жидком азоте (Papenfort et al. ., 2008). После оттаивания на льду общую РНК выделяли, как описано (Svenningsen et al. ., 2008). Нозерн-блоты выполняли, как описано (Martin et al. , 1989), за исключением того, что одноцепочечные ДНК-зонды получали с помощью асимметричной ПЦР. Последовательности праймеров доступны по запросу.Сначала мембраны исследовали на наличие Qrr4, затем удаляли путем промывания 0,5% SDS в течение 30 минут при 95°C и повторно исследовали на наличие мРНК LuxR и, наконец, удаляли и повторно исследовали на наличие 5S РНК. Интенсивность сигналов определяли количественно с использованием системы анализа изображений Alpha Innotech FluorChem.

разработка блока питания для светодиодной ленты. Изменение яркости светодиодов или контроллер своими руками Регулировка яркости светодиода схема

Простейшая схема светодиодного диммера, представленная в этой статье, может быть с успехом применена в тюнинге автомобилей, да и просто для повышения комфорта в машине ночью, например, для подсветки панели приборов, бардачков и так далее.Чтобы собрать это изделие, вам не нужны технические знания, просто будьте внимательны и аккуратны.
Напряжение 12 вольт считается полностью безопасным для человека. Если вы используете в своей работе светодиодную ленту, то можно считать, что от пожара вы тоже не пострадаете, так как лента практически не нагревается и не может загореться от перегрева. Но нужна аккуратность в работе, чтобы не допустить короткого замыкания в смонтированном устройстве и в результате пожара, а значит сохранить свое имущество.
Транзистор Т1, в зависимости от марки, может регулировать яркость светодиодов суммарной мощностью до 100 Вт при условии его установки на радиатор охлаждения соответствующей площади.
Работу транзистора Т1 можно сравнить с работой обычного водопроводного крана, а потенциометра R1 с его рукояткой. Чем больше вы поворачиваетесь, тем больше воды течет. Так вот. Чем больше вы отключаете потенциометр, тем больше течет ток. Крутишь — меньше течет и светодиоды меньше светят.

Схема регулятора

В этой статье описывается, как собрать простую, но эффективную регулировку яркости светодиодов на основе ШИМ диммирования () светодиодного освещения.

(светоизлучающие диоды) являются очень чувствительными компонентами. Если ток или напряжение питания превышают допустимое значение, это может привести к их выходу из строя или значительному сокращению срока службы.

Обычно ток ограничивается резистором, включенным последовательно со светодиодом, или регулятором тока цепи (). Увеличение тока на светодиоде увеличивает его интенсивность, а уменьшение тока уменьшает.Одним из способов управления яркостью свечения является использование переменного резистора () для динамического изменения яркости.

Но это применимо только к одному светодиоду, так как даже в одной партии могут быть диоды с разной силой света и это повлияет на неравномерность свечения группы светодиодов.

Широтно-импульсная модуляция. Гораздо более эффективный метод регулирования яркости свечения с помощью применения (ШИМ). При ШИМ на группы светодиодов подается рекомендуемый ток, при этом возможно диммирование за счет подачи питания с высокой частотой.Изменение периода вызывает изменение яркости.

Рабочий цикл можно рассматривать как отношение времени включения и выключения питания, подаваемого на светодиод. Например, если мы рассмотрим цикл в одну секунду и при этом светодиод будет 0,1 секунды выключен, а 0,9 секунды включен, то получится, что свечение будет около 90% от номинального значения.

Описание диммера ШИМ

Самый простой способ добиться этого высокочастотного переключения — использовать ИС, одну из самых распространенных и универсальных ИС из когда-либо созданных.Схема ШИМ-контроллера, показанная ниже, предназначена для использования в качестве диммера для питания светодиодов (12 вольт) или регулятора скорости для двигателя постоянного тока на 12 вольт.

В этой схеме резисторы светодиодов необходимо отрегулировать, чтобы обеспечить прямой ток 25 мА. В результате суммарный ток трех линеек светодиодов составит 75мА. Транзистор должен быть рассчитан на ток не менее 75 мА, но лучше брать с запасом.

Эта схема диммера регулируется от 5 % до 95 %, но при использовании германиевых диодов вместо , диапазон может быть расширен с 1 % до 99 % от номинального значения.

Каждому радиолюбителю знакома микросхема NE555 (аналог КР1006). Его универсальность позволяет конструировать самые разнообразные самоделки: от простого импульсного одиночного вибратора с двумя элементами в жгуте до многокомпонентного модулятора. В данной статье будет рассмотрена схема включения таймера в режиме генератора прямоугольных импульсов с регулировкой ширины импульса.

Схема и принцип работы

С развитием мощных светодиодов NE555 снова вышел на арену в качестве диммера (диммера), напомнив о своих неоспоримых преимуществах.Устройства на его основе не требуют глубоких познаний в электронике, быстро собираются и надежно работают.

Известно, что есть два способа управления яркостью светодиода: аналоговый и импульсный. Первый способ заключается в изменении амплитудного значения постоянного тока через светодиод. У этого метода есть один существенный недостаток – низкая эффективность. Второй способ предполагает изменение ширины импульса (скважности) тока с частотой от 200 Гц до нескольких килогерц. На таких частотах мерцание светодиодов незаметно для человеческого глаза.Схема ШИМ-регулятора с мощным выходным транзистором показана на рисунке. Он способен работать от 4,5 до 18 В, что говорит о возможности управления яркостью как одного мощного светодиода, так и всей светодиодной ленты. Диапазон регулировки яркости составляет от 5 до 95%. Устройство представляет собой модифицированную версию генератора прямоугольных импульсов. Частота этих импульсов зависит от емкости С1 и сопротивлений R1, R2 и определяется по формуле: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц

Принцип работы электронного диммера следующий.В момент подачи напряжения питания конденсатор начинает заряжаться по цепи: +Uпит — R2 — VD1 -R1 -C1 — -U питания. Как только напряжение на нем достигнет уровня 2/3U, внутренний транзистор таймера откроется и начнется процесс разрядки. Разрядка начинается с верхней пластины С1 и далее по цепи: R1 — VD2 -7 выход ИМС — колодец -U. Достигнув отметки 1/3U, транзистор таймера закроется и С1 снова начнет набирать емкость.В дальнейшем процесс циклически повторяется, формируя прямоугольные импульсы на выводе 3.

Изменение сопротивления подстроечного резистора приводит к уменьшению (увеличению) длительности импульсов на выходе таймера (вывод 3), и как следствие, уменьшается (увеличивается) среднее значение выходного сигнала. Сформированная последовательность импульсов через токоограничивающий резистор R3 поступает на затвор VT1, включенный по схеме с общим истоком. Нагрузка в виде светодиодной ленты или последовательно соединенных светодиодов большой мощности включается в разрыв цепи стока VT1.

В данном случае установлен мощный MOSFET транзистор с максимальным током стока 13А. Это позволяет управлять свечением светодиодной ленты длиной в несколько метров. Однако для транзистора может потребоваться радиатор.

Блокировочный конденсатор С2 устраняет влияние помех, которые могут возникнуть в цепи питания в момент переключения таймера. Значение его емкости может быть любым в пределах 0,01-0,1 мкФ.

Плата и монтажные детали диммера

Односторонняя печатная плата имеет размер 22х24 мм.Как видно по картинке, на ней нет ничего лишнего, что могло бы вызвать вопросы.

После сборки схема ШИМ-диммера не требует наладки, а печатная плата несложна в изготовлении своими руками. На плате, кроме подстроечного резистора, использованы SMD элементы.

• DA1 — IC NE555;
• VT1 — полевой транзистор IRF7413;
• ВД1,ВД2 — 1Н4007;
• R1 — 50 кОм, тюнинг;
• R2, R3 — 1 кОм;
• С1 — 0.1 мкФ;
• С2 — 0,01 мкФ.

Транзистор VT1 необходимо подбирать в зависимости от мощности нагрузки. Например, для изменения яркости одноваттного светодиода будет достаточно биполярного транзистора с максимально допустимым током коллектора 500 мА.

Яркость светодиодной ленты должна управляться от источника напряжения +12 В и соответствовать напряжению его питания. В идеале регулятор должен питаться от стабилизированного блока питания, специально предназначенного для ленты.

Нагрузка в виде отдельных мощных светодиодов питается по-разному.В этом случае стабилизатор тока служит источником питания диммера (его еще называют драйвером для светодиода). Его номинальный выходной ток должен соответствовать току последовательно соединенных светодиодов.

Читайте также

PWM диммер для МК ATmega8, на батарейках, с индикацией заряда.

Статья предназначена для лиц с некоторыми познаниями в радиоэлектронике, а именно:

• что такое микроконтроллер и как его прошить,
• что такое ШИМ регулирование,
• что такое светодиодный драйвер.

Проект задумывался для установки на велосипед. Как это все началось. Мы с друзьями часто участвовали в ночных велопрогулках, поэтому нам понадобилась фара для велосипеда. Ну не хотелось ставить обычный фонарик… Нужно было что-то более функциональное. Например, при регулировке яркости «малая/средняя/максимальная», а так как в качестве источника питания планировалось использовать литий-ионный аккумулятор, понадобился еще и индикатор уровня заряда. Я видел много подобных проектов в интернете, но как-то они меня не устраивали.Например, мне попадались проекты ШИМ-диммеров, но в них либо не было индикатора уровня заряда, либо индикатор уровня заряда был на 1…3 светодиодах, но такая малоинформативность мне не понравилась. Ну делай, делай, а я взялся за сборку своего проекта. Итак, в качестве индикатора заряда беру 10 светодиодов, точнее беру светодиодную «столбик», вот так:

Данную светодиодную «колонку» я заказывал в интернет-магазине (в нашем городе нет радиомагазинов), поэтому приедет только через пару недель.Вместо них я временно поставил 10 обычных светодиодов.

В качестве управляющего микроконтроллера я использовал ATmega8 (или ATmega328), так как в этом МК есть АЦП, с помощью которого я организовал измерение уровня заряда аккумулятора. Также этот МК имеет достаточное количество пинов (а мы хотим подключить целых 10 светодиодов). Этот микроконтроллер распространен в радиомагазинах, и стоит относительно дешево — в пределах 50…100 рублей, в зависимости от жадности магазина и типа корпуса.

Чтобы понять, как работает устройство, давайте посмотрим на блок-схему:

В этой статье описано только то, что касается ШИМ-контроллера (левая часть блок-схемы), а драйвер светодиода и сам светодиод вы выбираете на свой вкус, тот, который вам больше всего подходит.Драйвер ZXSC400 меня устраивает, поэтому буду рассматривать его как пример.

ШИМ-контроллер должен быть подключен к светодиодному драйверу с функцией диммирования (DIM, PWM и т. д.), такому как ZXSC400. Вы можете использовать любой другой подходящий драйвер, если он поддерживает ШИМ-управление яркостью и питается от той же батареи, что и ШИМ-контроллер. Для тех, кто не знает, что такое драйвер светодиода, поясню: драйвер нужен для того, чтобы светодиод светился одинаково ярко как при заряженном, так и при разряженном аккумуляторе.Другими словами, драйвер светодиода поддерживает стабильный ток через светодиод.

Типовая схема подключения драйвера светодиодов ZXSC400:

Питание этой схемы необходимо подключить к питанию нашего ШИМ-контроллера, а выход ШИМ с контроллера подключить к входу «STDN» драйвера ZXSC400. Выход «STDN» как раз и служит для регулировки яркости с помощью ШИМ-сигнала. Аналогичным образом можно подключить ШИМ-контроллер ко многим другим драйверам светодиодов, но это отдельная тема.

Алгоритм работы устройства. При подаче питания МК отображает уровень заряда батареи в течение 1 секунды (на светодиодной шкале из 10 светодиодов), затем светодиодная шкала гаснет, МК переходит в режим энергосбережения и ожидает команд управления. Все управление я сделал на одну кнопку, чтобы меньше тянуть проводов на байке. При удержании кнопки более 1 секунды включается ШИМ-регулятор, на выход ШИМ подается сигнал со скважностью 30% (1/3 яркости светодиода). При повторном удержании кнопки более 1 секунды ШИМ-контроллер выключается, на выход ШИМ не поступает сигнал (скважность 0%).При кратковременном нажатии кнопки яркость переключается с 30% — 60% — 100%, а заряд батареи отображается в течение 1 секунды. Таким образом, однократное нажатие изменяет яркость светодиода, а длительное нажатие включает/выключает светодиод. Для проверки работоспособности ШИМ-регулятора я подключил к его выходу обычный светодиод, но еще раз повторюсь — исключительно с целью проверки работоспособности. В дальнейшем подключу ШИМ-контроллер к драйверу ZXSC400. Более подробно и наглядно работа устройства показана на видео (ссылка в конце статьи).

На следующей диаграмме также показан процесс регулировки яркости:

Что делать, если эти значения яркости не устраивают? Например, вы хотите, чтобы это было так: 1%, затем 5%, затем 100%. Я рассматривал и этот вариант. Теперь пользователь может установить эти три значения яркости на все, что захочет! Для этого я написал небольшую программу, которая на основе нужных значений формирует файл для прошивки EEPROM. Прошив этот файл в микроконтроллер, яркость изменится соответственно на желаемую.Прилагаю скриншот окна программы:

Если не прошить файл EEPROM, то значения яркости останутся «по умолчанию» — 30%, 60%, 100%. Правильно собранное устройство не нуждается в настройке. При желании можно только настроить минимальную, среднюю и максимальную яркость по своему усмотрению. Программа и инструкция по использованию находятся в конце статьи.

Выберите аккумулятор для использования. Я использовал литий-ионный аккумулятор из-за его распространенности и дешевизны.Но в схеме я предусмотрел перемычку J1, с помощью которой можно выбрать то, что используем в качестве питания.

Если перемычка J1 находится в положении «1», используется одна литий-ионная батарея. Если перемычка J1 находится в положении «2», то используются три обычные батареи типа AAA/AA/C/D, соединенные последовательно. Перемычка J1 необходима для корректного отображения уровня заряда аккумулятора, так как рабочее напряжение Li-ion аккумулятора находится примерно в пределах 3,3…4,2 В, а у обычных аккумуляторов рабочее напряжение примерно равно 3.0…4,5 В. Таблицы соответствия напряжения аккумулятора показаниям индикатора я прикрепил внизу статьи.

Светодиодные индикаторы. Светодиоды, отображающие уровень заряда аккумулятора, могут быть любыми. Регулировать их яркость в небольших пределах можно изменением номинала токоограничивающего резистора R1. Для отображения уровня заряда используется динамическая индикация, за счет чего достигается экономия энергии, так как единовременно горит только один светодиод. Также можно посмотреть видео об индикации уровня заряда аккумулятора (ссылка в конце статьи).

Микроконтроллер может быть либо ATmega8, либо ATmega328. Оба этих микроконтроллера совместимы по расположению контактов, а отличаются только содержимым «прошивки». Я использовал ATmega328, так как этот МК был в наличии. Для снижения энергопотребления микроконтроллер питается от внутреннего RC-генератора с частотой 1 МГц. Программа микроконтроллера была написана в среде 4.3.6.61 (или 4.3.9.65).

В схеме используется микросхема источника опорного напряжения TL431.С его помощью достигается хорошая точность измерения напряжения аккумулятора. Питание на TL431 подается с вывода PC1 микроконтроллера через резистор R3. Подача напряжения на TL431 происходит только во время индикации уровня заряда. После того, как светодиоды индикации погаснут, напряжение питания отключается, что позволяет экономить заряд батареи. Микросхему TL431 можно найти в вышедших из строя компьютерных блоках питания, в сломанных зарядных устройствах для сотовых телефонов, в импульсных блоках питания от ноутбуков и различного электронного оборудования.Я использовал TL431 в корпусе SOIC-8 (вариант smd), но TL431 чаще встречается в корпусе TO-92, поэтому сделал несколько вариантов печатной платы.

Об эмуляции в программе «». Проект в Proteus работает некорректно. Из-за того, что модель ATmega8 не просыпается, а также с тормозами, отображается динамическая индикация. Если после запуска проекта сразу зажать кнопку, чтобы включился ШИМ-регулятор, то все работает. Но стоит выключить ШИМ-контроллер, снова зажав кнопку, как МК уйдет в сон и больше не проснется (до перезапуска проекта).Не прикрепляю проект в Proteus. Кто хочет поиграть — пишите, отправлю проект в Proteus.

Основные технические характеристики:

• Напряжение питания, при котором гарантируется работоспособность: 2,8…5 вольт
• Частота сигнала ШИМ: 244 Гц
• Частота динамической индикации шкалы из 10 светодиодов: 488 Гц (на 10 светодиодов) или 48,8 Гц (на светодиод)
• Количество циклически переключаемых режимов яркости: 3 режима
• Возможность изменения пользователем яркости каждого режима: Да

Ниже вы можете скачать прошивки для МК ATmega8 и ATmega328

Шутов Максим, г. Вельск

Перечень радиоэлементов

Светодиоды используются почти во всех технологиях вокруг нас.Правда, иногда возникает необходимость отрегулировать их яркость (например, в фонариках, или мониторах). Самым простым выходом из этой ситуации видится изменение величины тока, проходящего через светодиод. Но это не так. Светодиод является довольно чувствительным компонентом. Постоянное изменение величины тока может значительно сократить срок его службы, а то и вовсе сломать. Также следует учитывать, что ограничительный резистор использовать нельзя, так как в нем будет накапливаться избыточная энергия. Это не допускается при использовании аккумуляторов.Еще одна проблема с этим подходом заключается в том, что цвет света будет меняться.

Есть два варианта:

Эти методы контролируют ток, протекающий через светодиод, но между ними есть определенные различия.
Аналоговое регулирование изменяет уровень тока, проходящего через светодиоды. А ШИМ регулирует частоту подачи тока.

ШИМ-регулирование

Выходом из этой ситуации может стать использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При такой системе светодиоды получают необходимый ток, а яркость регулируется подачей питания с высокой частотой.То есть частота периода подачи изменяет яркость светодиодов.
Несомненный плюс системы ШИМ — сохранение производительности светодиода. КПД будет около 90%.

Типы ШИМ-регулирования

• Двухпроводное. Часто используется в системе освещения автомобилей. Блок питания преобразователя должен иметь схему, формирующую ШИМ-сигнал на выходе постоянного тока.
• Шунтирующее устройство. Чтобы сделать период включения/выключения преобразователя, используйте шунтирующий компонент, который обеспечивает путь для выходного тока помимо светодиода.

Параметры импульса для ШИМ

Частота следования импульсов не меняется, поэтому требований к определению яркости света нет. В этом случае изменяется только ширина или время положительного импульса.

Частота импульсов

Даже с учетом того, что к частоте особых претензий нет, есть граничные индикаторы. Они определяются чувствительностью человеческого глаза к мерцанию. Например, если в кино мерцание кадров должно быть 24 кадра в секунду, чтобы наш глаз воспринимал это как одно движущееся изображение.
Чтобы мерцание света воспринималось как равномерный свет, частота должна быть не менее 200 Гц. По верхним показателям ограничений нет, а вот ниже нет.

Как работает ШИМ-контроллер

Для непосредственного управления светодиодами используется транзисторный ключевой каскад. Обычно в них используются транзисторы, способные накапливать большое количество энергии.
Это необходимо при использовании светодиодных лент или мощных светодиодов.
Для небольшого количества или малой мощности вполне достаточно применение биполярных транзисторов.Вы также можете подключить светодиоды непосредственно к микросхемам.

Генераторы ШИМ

В системе ШИМ в качестве задающего генератора может использоваться микроконтроллер или схема, состоящая из схем малой степени интеграции.
Также возможно создание регулятора из микросхем, которые предназначены для коммутации блоков питания, или микросхем логики К561, или интегрального таймера NE565.
Умельцы даже используют для этой цели операционный усилитель. Для этого на нем собран генератор, который можно регулировать.
Одна из наиболее часто используемых схем основана на таймере 555. По сути, это обычный генератор прямоугольных импульсов. Частота регулируется конденсатором С1. на выходе конденсатор должен иметь высокое напряжение (это же и при подключении к плюсу питания). И заряжается при низком напряжении на выходе. В этот момент возникают импульсы разной ширины.
Еще одна популярная схема — ШИМ на микросхеме UC3843. в данном случае схема включения изменена в сторону упрощения.Для управления шириной импульса используется управляющее напряжение положительной полярности. В этом случае на выходе получается нужный импульсный сигнал ШИМ.
Управляющее напряжение действует на выходе следующим образом: при уменьшении широта увеличивается.

Почему ШИМ?

• Основным преимуществом этой системы является простота. Шаблоны использования очень просты и легко реализуемы.
• Система управления PWM обеспечивает очень широкий диапазон регулировки яркости.Если говорить о мониторах, то возможно использование CCFL-подсветки, но в этом случае яркость можно уменьшить только вдвое, так как CCFL-подсветка очень требовательна к величине тока и напряжения.
• С помощью ШИМ можно держать ток на постоянном уровне, а значит светодиоды не пострадают и цветовая температура не изменится.

Недостатки использования ШИМ

• Со временем мерцание изображения может стать весьма заметным, особенно при низкой яркости или движении глаз.
• Если освещение постоянно яркое (например, солнечный свет), изображение может стать размытым.

Что можно сделать с транзистором. Как работает транзистор? Включение транзисторов по схеме с общей базой ОБ

Доброго времени суток, уважаемые радиолюбители!
Добро пожаловать на сайт ““

В этом уроке Начинающие радиолюбительские школы мы продолжим изучение полупроводников … На прошлом уроке мы рассмотрели диоды , а в этом уроке рассмотрим более сложный полупроводниковый элемент — транзисторы .

Центральный, или средний слой, называется базовым (Б), а два других соответственно — эмиттерным (Е) и коллекторным (ТО).Следует отметить, что существенной разницы между двумя типами транзисторов нет, и многие схемы можно собрать с тем или иным типом, соблюдая при этом соответствующую полярность питания. На рисунке ниже приведена принципиальная схема транзисторов, p-n-p транзистор отличается от транзистора n-p-n направлением эмиттера стрелки:

Существует два основных типа транзисторов: биполярный и однополярный , отличающиеся конструктивными особенностями.Внутри каждого типа существует множество разновидностей. Основное отличие этих двух типов транзисторов состоит в том, что управление процессами, происходящими при работе прибора, осуществляется в биполярном транзисторе по входному току, а в униполярном — по входному напряжению.

(следует отметить, что переход база-эмиттер представляет собой обычный стабилитрон, напряжение стабилизации которого равно 7 … 10 вольт). Исправность транзистора можно проверить так же, как и исправность диода, обычным омметром, измерив сопротивление между его выводами. Переходы, подобные тем, которые встречаются в диоде, существуют в транзисторе между базой и коллектором, а также между базой и эмиттером. На практике этот метод используется очень часто для проверки транзисторов. Если между выводами коллектора и эмиттера подключить омметр, прибор покажет обрыв цепи (при исправном транзисторе), что естественно, так как диоды включены в обратную сторону.Это означает, что при любой полярности приложенного напряжения один из диодов включается в прямом направлении, а второй в обратном, поэтому ток проходить не будет.

Объединение двух пар переходов приводит к проявлению чрезвычайно интересного свойства, называемого эффектом транзистора … Если на транзистор между коллектором и эмиттером подать напряжение, то тока практически не будет (о чем речь шла чуть выше ). Если сделать соединение в соответствии со схемой (как на рисунке ниже), где к базе через ограничительное сопротивление приложено напряжение (чтобы не повредить транзистор), то будет проходить ток сильнее тока базы через коллектор.С увеличением тока базы увеличивается и ток коллектора.

С помощью измерительного прибора можно определить соотношение токов базы, коллектора и эмиттера. Это можно проверить простым способом. Если поддерживать напряжение питания, например, на уровне 4,5 В, изменив значение сопротивления в цепи базы от R до R/2, то ток базы удвоится, а ток коллектора будет пропорционально увеличиваться, например:

Следовательно, при любом напряжении на сопротивлении R ток коллектора будет в 99 раз больше тока базы, то есть транзистор имеет коэффициент усиления по току, равный 99.Другими словами, транзистор усиливает ток базы в 99 раз. Этот коэффициент обозначается буквой ? . Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы:

? = Ик/Иб

Можно подать на базу транзистора и переменное напряжение… Но, необходимо, чтобы транзистор работал в линейном режиме. Для нормальной работы в линейном режиме на базу транзистора следует подать постоянное напряжение смещения и переменное напряжение, которое он будет усиливать.Таким образом, транзисторы усиливают слабые напряжения, например от микрофона, до уровня, который может управлять громкоговорителем. Если усиления недостаточно, можно использовать несколько транзисторов или их последовательные каскады. Чтобы не нарушать режимы работы каждого из них по постоянному току (при котором обеспечивается линейность) при соединении каскадов применяют развязывающие конденсаторы. Биполярные транзисторы имеют электрические характеристики, которые дают им явные преимущества перед другими усилительными компонентами.

Как мы уже знаем, существуют также (помимо биполярных) и униполярные транзисторы… Кратко рассмотрим два из них — полевых и однопереходных транзисторов. Как и биполярные, они бывают двух типов и имеют три выхода:

Электродами полевого транзистора являются: затвор, — З, сток, — С, соответствующий коллектору и исток, — И, отождествляемые с эмиттером. N- и p-канальные полевые транзисторы отличаются направлением стрелки затвора. Транзисторы с одним переходом, иногда называемые диодами с двойной базой, в основном используются в схемах импульсно-периодических генераторов сигналов.

Существуют три основные схемы включения транзисторов в усилительном каскаде:

?

?

?

Биполярный транзистор с общим эмиттером в зависимости от выходного сопротивления источника питания R1 и сопротивления нагрузки Rн усиливает входной сигнал как по напряжению, так и по току. Коэффициент усиления биполярного транзистора обозначается как х31э (читается: ясень-два-один-е, где е — схема с общим эмиттером), и у каждого транзистора он разный.Значение коэффициента h31e (полное его название статический коэффициент передачи тока базы h31e ) зависит только от толщины базы транзистора (изменению не подлежит) и от напряжения между коллектором и эмиттером, поэтому при малом напряжении (менее 20 В) его коэффициент передачи тока при любом токе коллектора практически не меняется и несколько увеличивается с увеличением напряжения на коллекторе.

Коэффициент усиления по току – Кус.и и коэффициент усиления по напряжению – Кус.u биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, зависит от соотношения сопротивления нагрузки (обозначено на схеме Rn) и источника сигнала (обозначено на схеме R1). Если сопротивление источника сигнала х31э в раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по напряжению несколько меньше единицы (0,95…0,99), а коэффициент усиления по току равен х31э. При сопротивлении источника сигнала более чем в х31э в раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по току остается неизменным (равным х31э ), а коэффициент усиления по напряжению уменьшается.Если, наоборот, входное сопротивление уменьшить, то коэффициент усиления по напряжению становится больше единицы, а коэффициент усиления по току при ограничении тока, протекающего через переход база-эмиттер транзистора, не изменяется. Схема с общим эмиттером является единственной схемой включения биполярных транзисторов, требующей ограничения входного (управляющего) тока. Можно сделать несколько выводов: — ток базы транзистора необходимо ограничивать, иначе сгорит либо транзистор, либо схема, управляющая им; — с помощью транзистора, включенного по схеме ОЭ, очень легко управлять высоковольтной нагрузкой при низковольтном источнике сигнала.Через базу, а значит и коллекторные переходы, протекает значительный ток при напряжении база-эмиттер всего 0,8…1,5 В. Если амплитуда (напряжение) больше этого значения, необходимо установить токоограничивающий резистор (R1). располагать между базой транзистора и выходом схемы управления. Рассчитать его сопротивление можно по формулам:

Ir1 = Irн/h31э R1 = Ucontr/Ir1 Где:

Irн — ток через нагрузку, А; Ucont — напряжение источника сигнала, В; R1 — сопротивление резистора, Ом.

Еще одной особенностью схемы ОЭ является то, что падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора можно практически свести к нулю. Но для этого необходимо значительно увеличить ток базы, что не очень выгодно. Поэтому такой режим работы транзисторов используется только в импульсных, цифровых схемах.

Транзистор , схема аналогового усилителя, должна обеспечивать примерно одинаковое усиление сигналов с разной амплитудой относительно некоторого «среднего» напряжения.Для этого его нужно немного приоткрыть, стараясь не переусердствовать. Как видно на картинке ниже (слева):

ток коллектора и падение напряжения на транзисторе при плавном увеличении тока базы сначала изменяются почти линейно , и только затем, с наступлением насыщения транзистора, прижимаются к осям графика. Нас интересуют только прямые участки линий (вплоть до насыщения) — очевидно, что они символизируют линейное усиление сигнала, то есть при многократном изменении управляющего тока ток коллектора (напряжение в нагрузке) изменится на столько же.

Форма аналогового сигнала представлена ​​на рисунке выше (справа) . Как видно из графика, амплитуда сигнала постоянно пульсирует относительно некоторого среднего напряжения Uср, причем может как увеличиваться, так и уменьшаться. А вот биполярный транзистор реагирует только на увеличение входного напряжения (точнее, тока). Вывод: нужно сделать так, чтобы транзистор даже при минимальной амплитуде входного сигнала был приоткрыт. При средней амплитуде Uav он будет открываться чуть сильнее, а при максимальной Umax — максимально.Но при этом он не должен входить в режим насыщения (см. рисунок выше) — в этом режиме выходной ток перестает линейно зависеть от входного тока, в результате чего происходит сильное искажение сигнала.

Давайте снова посмотрим на аналоговый сигнал. Так как и максимальная, и минимальная амплитуды входного сигнала относительно средней примерно одинаковы по величине (и противоположны по знаку), нам необходимо подать на базу транзистора такой постоянный ток (ток смещения — Iсм), чтобы при «среднем» напряжении на входе транзистор открыт ровно наполовину.Тогда при уменьшении входного тока транзистор закроется и ток коллектора уменьшится, а при увеличении входного тока еще больше откроется.

Есть несколько схем простых устройств и узлов, которые могут изготовить начинающие радиолюбители.

Однокаскадный усилитель ЗЧ

Это простейшая конструкция, позволяющая продемонстрировать усилительные возможности транзистора. Правда, коэффициент усиления по напряжению небольшой — не превышает 6, поэтому область применения такого устройства ограничена.

Тем не менее, его можно подключить, скажем, к детекторной радиостанции (она должна быть нагружена резистором 10 кОм) и использовать гарнитуру BF1 для прослушивания передач местной радиостанции.

Усиленный сигнал подается на входные гнезда Х1, Х2, а напряжение питания (как и во всех других конструкциях этого автора, оно равно 6 В — четыре гальванических элемента с напряжением 1,5 В, соединенных последовательно) подается на домкраты Х3, Х4.

Делитель R1R2 задает напряжение смещения на базе транзистора, а резистор R3 обеспечивает обратную связь по току, что способствует температурной стабилизации усилителя.

Рис.: 1. Схема однокаскадного усилителя ЗЧ на транзисторе.

Как происходит стабилизация? Предположим, что ток коллектора транзистора увеличился под воздействием температуры. Соответственно, увеличится падение напряжения на резисторе R3. В результате ток эмиттера уменьшится, а значит и ток коллектора — достигнет своего начального значения.

Нагрузкой усилительного каскада является гарнитура сопротивлением 60..100 Ом. Проверить работу усилителя несложно, нужно прикоснуться к входному гнезду Х1, например, пинцетом в телефоне должно быть слышно слабое гудение, как следствие наведения переменного тока.Коллекторный ток транзистора около 3 мА.

Двухкаскадный ультразвуковой преобразователь частоты на транзисторах разной структуры

Выполнен с прямой связью между каскадами и глубокой отрицательной обратной связью по постоянному току, что делает его режим независимым от температуры окружающей среды. Основой стабилизации температуры является резистор R4, работающий аналогично резистору R3 в предыдущей конструкции.

Усилитель более «чувствителен» по сравнению с однокаскадным усилителем — коэффициент усиления по напряжению достигает 20.На входные гнезда можно подавать переменное напряжение с амплитудой не более 30 мВ, иначе в наушниках будут слышны искажения.

Проверяют усилитель касанием входного гнезда Х1 пинцетом (или просто пальцем) — в телефоне будет слышен громкий звук. Усилитель потребляет ток около 8 мА.

Рис. 2. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах разной структуры.

Эту конструкцию можно использовать для усиления слабых сигналов, например от микрофона.И конечно значительно усилит сигнал 34 снимаемый с нагрузки детекторного приемника.

Двухкаскадный ультразвуковой преобразователь частоты на транзисторах той же структуры

Здесь также используется прямая связь между каскадами, но стабилизация режима работы несколько отличается от предыдущих конструкций.

Предположим, ток коллектора транзистора VT1 уменьшился. Падение напряжения на этом транзисторе увеличится, что приведет к увеличению напряжения на резисторе R3, подключенном к эмиттерной цепи транзистора VT2.

За счет соединения транзисторов через резистор R2 увеличится ток базы входного транзистора, что приведет к увеличению его коллекторного тока. В результате начальное изменение тока коллектора этого транзистора будет скомпенсировано.

Рис. 3. Схема двухкаскадного усилителя ЗЧ на транзисторах той же структуры.

Чувствительность усилителя очень высокая — коэффициент усиления достигает 100. Коэффициент усиления в значительной степени зависит от емкости конденсатора С2 — если его выключить, коэффициент усиления уменьшится.Входное напряжение должно быть не более 2 мВ.

Усилитель хорошо работает с детекторным приемником, электретным микрофоном и другими источниками слабых сигналов. Потребляемый усилителем ток около 2 мА.

Выполнен на транзисторах разной структуры и имеет коэффициент усиления по напряжению около 10. Наибольшее входное напряжение может составлять 0,1 В.

Первый двухкаскадный усилитель собран на транзисторе VT1, второй — на VT2 и ВТЗ разной структуры. Первый каскад усиливает сигнал напряжения 34, при этом обе полуволны равны.Второй усиливает сигнал тока, но каскад на транзисторе VT2 «работает» с положительными полуволнами, а на транзисторе ВТЗ — с отрицательными.

Рис. 4. Двухтактный усилитель мощности ЗЧ на транзисторах.

Режим постоянного тока выбран таким, чтобы напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов второго каскада было примерно вдвое меньше напряжения источника питания.

Это достигается включением резистора обратной связи R2.Коллекторный ток входного транзистора, протекающий через диод VD1, приводит к падению напряжения на нем. что является напряжением смещения на базах выходных транзисторов (относительно их эмиттеров) — оно позволяет уменьшить искажения усиливаемого сигнала.

Нагрузка (несколько подключенных параллельно наушников или динамическая головка) подключается к усилителю через оксидный конденсатор С2.

Если усилитель будет работать на динамическую головку (сопротивлением 8-10 Ом), то емкость этого конденсатора должна быть минимум в два раза больше.Обратите внимание на подключение нагрузки первого каскада — резистора R4. Его верхний вывод по схеме соединен не с источником питания, как это обычно делается, а с нижним выводом нагрузки.

Это так называемая схема вольтодобавки, при которой небольшое напряжение положительной обратной связи ЗЧ поступает в базовую цепь выходных транзисторов, что выравнивает условия работы транзисторов.

Двухуровневый индикатор напряжения

Такое устройство можно использовать.например, для индикации «разрядки» батарейки или индикации уровня воспроизводимого сигнала в бытовом магнитофоне. Макет индикатора продемонстрирует, как он работает.

Рис. 5. Схема двухуровневого индикатора напряжения.

В нижнем положении движка переменного резистора R1 оба транзистора закрыты, светодиоды HL1, HL2 не горят. При перемещении ползунка резистора вверх напряжение на нем увеличивается. При достижении напряжения открытия транзистора VT1 светодиод HL1 будет мигать

Если продолжить работу двигателя.наступит момент, когда вслед за диодом VD1 откроется транзистор VT2. Светодиод HL2 также будет мигать. Другими словами, при низком напряжении на входе индикатора загорается только светодиод HL1 и больше, чем оба светодиода.

Плавно уменьшая входное напряжение переменным резистором, отмечаем, что сначала гаснет светодиод HL2, а затем HL1. Яркость светодиодов зависит от ограничительных резисторов R3 и R6 по мере увеличения их сопротивлений яркость уменьшается.

Для подключения индикатора к реальному устройству необходимо отсоединить верхний вывод переменного резистора от плюсового провода источника питания и подать контролируемое напряжение на крайние выводы этого резистора.Перемещая его ползунок, выбирается порог срабатывания индикатора.

При контроле только напряжения источника питания допускается установка зеленого светодиода АЛ307Г вместо HL2.

Излучает световые сигналы по принципу меньше нормы — нормально — больше нормы. Для этого в индикаторе используются два красных и один зеленый светодиод.

Рис. 6. Трехуровневый индикатор напряжения.

При определенном напряжении на движке переменного резистора R1 (напряжение в норме) оба транзистора закрыты и (работает только зеленый светодиод HL3).Перемещение ползунка резистора вверх по схеме приводит к увеличению напряжения (больше нормы), на нем открывается транзистор VT1.

Светодиод HL3 гаснет и загорается HL1. Если ползунок переместить вниз и, таким образом, напряжение на нем уменьшится («меньше нормы»), транзистор VT1 закроется, а VT2 откроется. Будет наблюдаться следующая картина: сначала погаснет светодиод HL1, затем загорится и вскоре погаснет HL3, и, наконец, начнет мигать HL2.

Из-за низкой чувствительности индикатора получается плавный переход от гашения одного светодиода к загоранию другого еще не полностью погасшего, например, HL1, но уже горит HL3.

Триггер Шмитта

Как вы знаете, это устройство обычно используется для преобразования медленно меняющегося напряжения в сигнал прямоугольной формы. Когда ползунок переменного резистора R1 находится в нижнем по схеме положении, транзистор VT1 закрыт.

Напряжение на его коллекторе высокое, в результате транзистор VT2 оказывается открытым, а значит горит светодиод HL1. На резисторе R3 образуется падение напряжения.

Рис. 7. Простой триггер Шмитта на двух транзисторах.

Медленно перемещая ползунок переменного резистора вверх по схеме, можно будет достичь момента, когда транзистор VT1 резко откроется, а VT2 закроется. Это произойдет, когда напряжение на базе VT1 превысит падение напряжения на резисторе R3.

Светодиод погаснет. Если затем переместить ползунок вниз, курок вернется в исходное положение — светодиод начнет мигать. Это произойдет, когда напряжение на ползунке будет меньше, чем напряжение выключения светодиода.

Ожидающий мультивибратор

Такое устройство имеет одно стабильное состояние и переходит в другое только при подаче входного сигнала. При этом мультивибратор вырабатывает импульс собственной длительности независимо от длительности входного сигнала. Убедимся в этом, проведя эксперимент со схемой предлагаемого устройства.

Рис. 8. Принципиальная схема ждущего мультивибратора.

В исходном состоянии транзистор VT2 открыт, светодиод HL1 горит.Теперь достаточно закоротить пазы Х1 и Х2, чтобы импульс тока через конденсатор С1 открыл транзистор VT1. Напряжение на его коллекторе уменьшится и конденсатор С2 будет подключен к базе транзистора VT2 в такой полярности, что он закроется. Светодиод погаснет.

Конденсатор начинает разряжаться, ток разряда будет протекать через резистор R5, удерживая VT2 закрытым. Как только конденсатор разрядится, транзистор VT2 снова откроется и мультивибратор снова перейдет в дежурный режим.

Длительность импульса, формируемого мультивибратором (длительность нахождения в неустойчивом состоянии) не зависит от длительности триггера, а определяется сопротивлением резистора R5 и емкостью конденсатора С2.

Если параллельно С2 подключить конденсатор такой же емкости, то светодиод будет гореть в два раза дольше.

И. Бокомчев. Р-06-2000.

Мы узнали как устроен транзистор, в общих чертах рассмотрели технологии изготовления германиевых и кремниевых транзисторов и разобрались как они маркируются .

Сегодня мы проведем несколько экспериментов и убедимся, что биполярный транзистор действительно состоит из двух диодов , включенных встречно, и что транзистор является усилителем сигнала .

Нужен маломощный германиевый транзистор p-n-p структуры из серии МП39 — МП42, лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 2,5 Вольта и блок питания на 4 — 5 Вольт. В общем, начинающим радиолюбителям рекомендую собрать небольшой регулируемый, с помощью которого вы будете питать свои конструкции.

1. Транзистор состоит из двух диодов.

Чтобы в этом убедиться, соберем небольшую схему: базу транзистора VT1 подключим к минусу источника питания, а вывод коллектора к одному из выводов лампы накаливания EL … Теперь если второй вывод лампы соединить с плюсом источника питания, то лампа загорится.

Лампочка загорелась потому, что мы подали на коллекторный переход транзистора прямой — пропускное напряжение, открывшее коллекторный переход и протекшее через него постоянный ток коллекторный Iк … Величина этого тока зависит от сопротивления нити накала лампы и внутреннего сопротивления источника питания.

Теперь посмотрим на ту же схему, но транзистор изобразим в виде полупроводниковой пластины.

Основные носители заряда в базе электроны , преодолевая p-n переход, попадают в дырочную область коллектор и становятся минорными. Став неосновными, базовые электроны поглощаются основными носителями в дырочной области коллектора отверстий … Точно так же дырки из области коллектора, попадая в электронную область базы, становятся неосновными и поглощаются основными носителями заряда в базе. электрона .

Базовый контакт, подключенный к отрицательному полюсу источника питания, будет действовать практически неограниченным количеством электронов , восполняя распад электронов из базовой области. А контакт коллектора, подключенный к положительному полюсу источника питания через нить накала лампы, способен принять такое же количество электронов, благодаря чему концентрация дырок в области базы .

Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой, а сопротивление току будет маленьким, а значит через коллекторный переход будет протекать коллекторный ток. Ик … А что больше этот ток будет ярче лампа будет гореть.

Лампочка также будет гореть, если он включен в цепь эмиттерного перехода. На рисунке ниже показан именно этот вариант схемы.

Теперь немного изменим схему и базу транзистора. VT1 подключить к плюс блок питания. В этом случае лампа гореть не будет, так как мы включили p-n переход транзистора в обратном направлении. А это значит, что сопротивление p-n перехода стало большим и через него протекает очень мало обратный ток коллекторный икбо неспособный нити накала лампы накаливания EL … В большинстве случаев этот ток не превышает несколько микроампер.

И чтобы окончательно в этом убедиться, снова рассмотрим схему с транзистором, изображенную в виде полупроводниковой пластины.

Электроны в области основания переместятся на плюс источник питания, удаляясь от p-n перехода. Отверстия в области коллектора , также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу питания. В результате граница областей как бы расширится , из-за чего образуется обедненная дырками и электронами зона, которая будет обеспечивать высокое сопротивление току.

Но, так как в каждой из областей базы и коллектора находится неосновных носителей заряда, то небольшие обмена электронами и дырками между областями все равно будут происходить.Поэтому через коллекторный переход будет протекать ток, во много раз меньший, чем постоянный, и этого тока будет недостаточно для зажигания нити накала лампы.

2. Работа транзистора в режиме переключения.

Проведем еще один опыт, показывающий один из режимов работы транзистора.
Между коллектором и эмиттером транзистора подключаем последовательно соединенный блок питания и такую ​​же лампу накаливания. Соединяем плюс блока питания с эмиттером, а минус через нить накала лампы с коллектором.Лампа выключена. Почему?

Все очень просто: если подать питающее напряжение между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов будет в прямом направлении, а другой в обратном и будет мешать прохождению тока. В этом нетрудно убедиться, если посмотреть на следующий рисунок.

На рисунке видно, что переход база-эмиттер-эмиттер включен в прямом направлении и открыт и готов принять неограниченное количество электронов.Коллекторный переход база-коллектор, наоборот, включается в обратном направлении и препятствует прохождению электронов на базу.

Отсюда следует, что основные носители заряда в эмиттерной области дырок , отталкиваясь от плюса источника питания, устремляются в область базы и там взаимно поглощают (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронов … В момент насыщения, когда ни с одной из сторон не останется свободных носителей заряда, их движение прекратится, а значит, и ток перестанет течь.Почему? Потому что со стороны коллектора не будет перезарядки электронов.

Получается, что основные носители заряда в коллекторе отверстий притягиваются к отрицательному полюсу источника питания, а часть из них взаимно поглощает электроны , поступающие с отрицательной стороны источника питания. А в момент насыщения, когда свободных носителей заряда будет не более , дырки в силу своего преобладания в области коллектора будут блокировать дальнейшее прохождение электронов к базе.

Таким образом, между коллектором и базой образуется обедненная дырками и электронами зона, которая будет обеспечивать высокое сопротивление току.

Конечно, благодаря магнитному полю и тепловому воздействию, мизерный ток все равно будет течь, но сила этого тока настолько мала, что он не в состоянии накалить нить накала лампы.

Теперь добавляем в схему перемычку и замыкаем на нее базу с эмиттером. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, больше не загорится.Почему?

Потому что при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход становится просто диодом, на который поступает противоположное напряжение. Транзистор находится в закрытом состоянии и через него протекает лишь небольшой обратный коллекторный ток Ikbo .

Теперь еще немного изменим схему и добавим резистор Rb сопротивлением 200 — 300 Ом, и еще один источник напряжения GB в виде пальчиковой батарейки.
Минус батареи соедините через резистор Rb с базой транзистора, а плюс батареи с эмиттером. Лампа загорелась.

Лампа загорелась потому, что мы подключили батарейку между базой и эмиттером и тем самым подали на эмиттерный переход прямое отпирающее напряжение. Эмиттерный переход открылся и через него пошло прямых тока, которые открыли коллекторный переход транзистора. Транзистор открылся и по цепи эмиттер-база-коллектор коллекторный ток капает Iк , во много раз превышающий ток цепи эмиттер-база …И благодаря этому току зажегся свет.

Если поменять полярность батареи и подать плюс на базу, то эмиттерный переход закроется, а вместе с ним закроется и коллекторный переход. Через транзистор Икбо потечет обратный коллекторный ток и лампочка погаснет.

Резистор Rb ограничивает ток в базовой цепи. Если ток не ограничивать и все 1,5 вольта подать на базу, то через эмиттерный переход будет протекать слишком большой ток, в результате чего произойдет тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя.Как правило, для германиевых транзисторов отпирающее напряжение не более 0,2 вольт, а для кремний не более 0,7 вольта.

И снова разберем ту же схему, но представим транзистор в виде полупроводниковой пластины.

При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора он открывает эмиттер переход и свободные дырки от эмиттера начинают взаимопоглощаться с электронами базы создавая небольшой прямой базовый ток Iб .

Но не все дырки, введенные из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Типично площадь базы делают тонкой , а при изготовлении транзисторов структуры pnp концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз больше, чем концентрацию электронов в базе , поэтому только небольшая часть дырок поглощается электронами базы.

Основная масса дырок эмиттера проходит базу и падает под действием более высокого отрицательного напряжения, действующего в коллекторе, и уже вместе с дырками коллектора движется к его отрицательному контакту, где взаимно поглощается введенными электронами отрицательный полюс источника питания ГБ .

В результате сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор уменьшится и в ней протекает постоянный ток коллектора Iк во много раз больше тока базы Iб цепи эмиттер-база .

Чем больше больше дырок введено от эмиттера к базе, значит значительнее тока в цепи коллектора. И наоборот у меньше отпирающее напряжение на базе, у меньше ток в коллекторной цепи.

Если в момент работы транзистора в цепи базы и коллектора включить миллиамперметр, то при закрытом транзисторе токов в этих цепях практически не будет.

Когда транзистор открыт, ток базы Ib будет 2-3 мА, а ток коллектора Ik будет около 60 — 80 мА. Все это говорит о том, что транзистор может быть усилителем тока .

В этих экспериментах транзистор находился в одном из двух состояний: открытом или закрытом.Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием отпирающего напряжения на базе Uб … Такой режим транзистора называется режим переключения или ключ … Такой режим работы транзистора называется используются в приборах и устройствах автоматики.

На этом мы закончим, а в следующей части разберем работу транзистора на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985
2. Э. Айсберг — Транзистор? .. Это очень просто! 1964

Транзистор — это полупроводниковое устройство, которое может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления послужил германий. А уже в 1956 году родился кремниевый транзистор.

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда — электроны и дырки, поэтому такие транзисторы называются биполярными.Помимо биполярных транзисторов существуют униполярные (полевые) транзисторы, в которых используется только один тип носителей — электроны или дырки. Эта статья будет охватывать.

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией изготовления, хотя есть и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, чем n-p-n структур. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами).Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях часто используется мощная комплиментарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры pnp называют транзисторами прямой проводимости, а структуры npn обратной . Почему-то такое название почти не встречается в литературе, но в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно , все сразу понимают о чем речь.На рис. 1 показано схематическое устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Рисунок 1.

Помимо разницы в типе проводимости и материале, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеяния на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт — большой мощностью.Современные транзисторы способны рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы неодинаково хорошо усиливают электрические сигналы: с увеличением частоты коэффициент усиления транзисторного каскада уменьшается, а при определенной частоте и вовсе прекращается. Поэтому для работы в широком диапазоне частот выпускаются транзисторы с разными частотными свойствами.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, — рабочая частота не более 3 МГц, среднечастотные — 3… 30 МГц, высокочастотный — свыше 30 МГц. Если рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже транзисторы СВЧ.

Вообще в серьезных толстых справочниках приведено более 100 различных параметров транзисторов, что тоже говорит об огромном количестве моделей. А количество современных транзисторов таково, что разместить их в полном объеме ни в одном справочнике уже невозможно. А модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все поставленные разработчиками задачи.

Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой техники) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, эти схемы состоят из отдельных каскадов, основу которых составляют транзисторы. Для достижения требуемого усиления сигнала необходимо использовать несколько последовательно соединенных каскадов усиления. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, необходимо более подробно познакомиться со схемами включения транзисторов.

Сам по себе транзистор ничего усиливать не может. Его усилительные свойства заключаются в том, что небольшие изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет потребления энергии от внешнего источника. Это свойство широко используется в аналоговых схемах — усилителях, телевизорах, радио, связи и т. д.

Для упрощения изложения здесь будем рассматривать схемы на n-p-n транзисторах.Все, что будет сказано об этих транзисторах, в равной степени относится и к p-n-p транзисторам. Достаточно лишь поменять полярность источников питания, и, если таковые имеются, получить рабочую схему.

Всего используется три таких схемы: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рис. 2.

Рисунок 2.

Но прежде чем перейти к рассмотрению этих схем, следует ознакомиться с тем, как работает транзистор в ключевом режиме.Это знакомство должно облегчить понимание в режиме усиления. В некотором смысле ключевую схему можно рассматривать как своего рода схему оригинального оборудования.

Работа транзистора в ключевом режиме

Перед изучением работы транзистора в режиме усиления сигнала стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме.

Этот режим работы транзистора рассматривался давно. В августовском номере журнала «Радио» 1959 года была опубликована статья Г.Лавров «Полупроводниковый триод в ключевом режиме». Автор статьи предложил изменить длительность импульсов в обмотке управления (ОУ). Сейчас этот метод регулирования называется ШИМ и используется довольно часто. Диаграмма из журнала того времени показана на рисунке 3.

Рисунок 3.

Но ключевой режим используется не только в ШИМ-системах. Часто транзистор просто что-то включает и выключает.

В этом случае в качестве нагрузки можно использовать реле: подан входной сигнал — реле включено, нет — реле выключено.Вместо реле в ключевом режиме часто используются лампочки. Обычно это делается для индикации: горит свет или нет. Схема такого ключевого каскада представлена ​​на рисунке 4. Ключевые каскады также используются для работы со светодиодами или с оптронами.

Рисунок 4.

На рисунке каскад управляется обычным контактом, хотя может быть и цифровая микросхема или . Автомобильный свет, используется для подсветки приборной панели в «Жигулях». Следует обратить внимание на то, что управляющее напряжение 5В, а коммутируемое коллекторное напряжение 12В.

В этом нет ничего странного, так как напряжения в этой цепи не играют никакой роли, имеют значение только токи. Поэтому лампочка может быть хоть на 220В, если транзистор рассчитан на работу на такие напряжения. Напряжение коллекторного источника также должно соответствовать рабочему напряжению нагрузки. С помощью таких каскадов нагрузка подключается к цифровым микросхемам или микроконтроллерам.

В этой схеме ток базы управляет током коллектора, который за счет энергии источника питания в несколько десятков, а то и сотен раз (в зависимости от нагрузки коллектора) превышает ток базы.Легко видеть, что имеет место усиление тока. При работе транзистора в ключевом режиме обычно для расчета каскада пользуются величиной, называемой в справочниках «коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала» — в справочниках она обозначается буквой β. Это отношение тока коллектора, определяемого нагрузкой, к минимально возможному току базы. В виде математической формулы это выглядит так: β = Iк/Iб.

У большинства современных транзисторов коэффициент β достаточно велик, как правило, от 50 и выше, поэтому при расчете ключевого каскада его можно принять равным всего 10.Даже если ток базы окажется больше расчетного, то транзистор от этого больше не откроется, тогда он и режим ключа.

Чтобы зажечь лампочку, показанную на рисунке 3, Iб = Iк/β = 100мА/10 = 10мА, это не менее. При управляющем напряжении 5В на базовом резисторе Rб за вычетом падения напряжения на участке БЭ останется 5В — 0,6В = 4,4В. Сопротивление базового резистора будет: 4,4В/10мА = 440 Ом. Резистор на 430 Ом выбирается из стандартного ассортимента.Напряжение 0,6В — это напряжение на переходе Б-Е, и об этом нельзя забывать в расчетах!

Чтобы база транзистора не оставалась «висящей в воздухе» при размыкании управляющего контакта, переход В-Е обычно шунтируют резистором Rбэ, надежно закрывающим транзистор. Не следует забывать и об этом резисторе, хотя в некоторых схемах его почему-то нет, что может привести к ложному срабатыванию каскада от помех. Собственно, об этом резисторе знали все, но почему-то забыли, и в очередной раз наступили на «грабли».

Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы при размыкании контакта напряжение на базе было бы не менее 0,6В, иначе каскад будет неуправляемым, как если бы участок ВЕ был просто закорочен. На практике резистор Rbe устанавливают номиналом примерно в десять раз больше, чем Rb. Но даже при номинале Rb 10кОм схема будет работать достаточно надежно: потенциалы базы и эмиттера будут равны, что приведет к закрытию транзистора.

Такой ключевой каскад при исправной работе может включать лампочку на полный накал, либо полностью выключать.При этом транзистор может быть полностью открыт (состояние насыщения) или полностью закрыт (состояние отсечки). Сразу, конечно, напрашивается вывод, что между этими «пограничными» состояниями есть такое, когда лампочка полна света. В этом случае транзистор наполовину открыт или наполовину закрыт? Это как в задаче о наполнении стакана: оптимист видит стакан наполовину наполненным, а пессимист видит его наполовину пустым. Такой режим работы транзистора называется усилительным или линейным.

Работа транзистора в режиме усиления сигнала

Практически вся современная электронная техника состоит из микросхем, в которых «спрятаны» транзисторы. Достаточно просто выбрать режим работы операционного усилителя, чтобы получить необходимое усиление или полосу пропускания. Но, несмотря на это, часто применяются каскады на дискретных («разбросных») транзисторах, а потому понимание работы усилительного каскада просто необходимо.

Наиболее распространенным включением транзистора по сравнению с ОК и ОБ является схема с общим эмиттером (ОЭ).Причиной такой распространенности является, прежде всего, высокий коэффициент усиления по напряжению и току. Наибольший коэффициент усиления каскада ОЭ обеспечивается при падении половины напряжения питания Эпит/2 на коллекторной нагрузке. Соответственно вторая половина приходится на К-Е участок транзистора. Это достигается настройкой каскада, о которой речь пойдет ниже. Этот режим усиления называется классом А.

При включении транзистора с ОЭ выходной сигнал на коллекторе находится в противофазе с входным.В качестве недостатков можно отметить маленькое входное сопротивление ОЭ (не более нескольких сотен Ом), а выходное — в пределах десятков кОм.

Если в ключевом режиме транзистор характеризуется коэффициентом усиления по току в режиме большого сигнала β, то в режиме усиления используется «коэффициент усиления по току в режиме малого сигнала», обозначаемый в справочниках h31e. Такое обозначение произошло от представления транзистора в виде четырехполюсника. Буква «е» указывает на то, что измерения производились при включенном транзисторе с общим эмиттером.

Коэффициент h31e, как правило, несколько больше β, хотя и его можно использовать при расчетах в первом приближении. Все равно разброс параметров β и h31e настолько велик даже для одного типа транзистора, что расчеты носят приблизительный характер. После таких расчетов, как правило, требуется настройка схемы.

Коэффициент усиления транзистора зависит от толщины базы, поэтому его нельзя изменить. Отсюда и большой разброс в коэффициентах усиления транзисторов, взятых даже из одной коробки (читай одной партии).Для маломощных транзисторов этот коэффициент колеблется в пределах 100…1000, а для мощных транзисторов 5…200. Чем тоньше база, тем выше коэффициент.

Простейшая схема включения транзистора ОЭ показана на рисунке 5. Это всего лишь небольшой кусочек от рисунка 2, показанного во второй части статьи. Это называется цепью с фиксированным базовым током.

Рисунок 5.

Схема предельно проста. Входной сигнал поступает на базу транзистора через блокировочный конденсатор С1, и, усиливаясь, снимается с коллектора транзистора через конденсатор С2.Назначение конденсаторов — защитить входные цепи от постоянной составляющей входного сигнала (вспомним только угольный или электретный микрофон) и обеспечить необходимую полосу пропускания каскада.

Резистор R2 является коллекторной нагрузкой каскада, а R1 обеспечивает смещение постоянного тока на базу. С помощью этого резистора стараются сделать так, чтобы напряжение на коллекторе было Эпит/2. Это состояние называется рабочей точкой транзистора, в этом случае коэффициент усиления каскада максимален.

Примерное сопротивление резистора R1 можно определить по простой формуле R1 ≈ R2*h31э/1,5…1,8. Коэффициент 1,5…1,8 подставляется в зависимости от напряжения питания: при низком напряжении (не более 9В) значение коэффициента не более 1,5, а начиная с 50В приближается к 1,8…2,0. Но, действительно, формула настолько приблизительна, что чаще всего приходится подбирать резистор R1, иначе не получится нужное значение Эпит/2 на коллекторе.

Коллекторный резистор R2 ставится как условие задачи, так как от его значения зависит ток коллектора и коэффициент усиления каскада в целом: чем больше сопротивление резистора R2, тем выше коэффициент усиления. Но с этим резистором надо быть осторожным, ток коллектора должен быть меньше максимально допустимого для данного типа транзистора.

Схема очень проста, но эта простота придает ей и отрицательные свойства, и за эту простоту приходится платить.Во-первых, усиление каскада зависит от конкретного экземпляра транзистора: если вы заменили транзистор при ремонте, снова подберите смещение, доведите его до рабочей точки.

Во-вторых, от температуры окружающей среды — с ростом температуры увеличивается обратный ток коллектора Ico, что приводит к увеличению тока коллектора. А где же тогда половина питающего напряжения на коллекторе Эпит/2, такая же рабочая точка? В результате транзистор еще больше нагревается, после чего выходит из строя.Чтобы избавиться от этой зависимости или хотя бы минимизировать ее, в транзисторный каскад вводят дополнительные элементы отрицательной обратной связи — ООС.

На рис. 6 показана схема с фиксированным смещением.

Рисунок 6.

Казалось бы, делитель напряжения Rb-k, Rb-e обеспечит требуемое начальное смещение каскада, но на самом деле такому каскаду присущи все недостатки схемы фиксированного тока. Таким образом, показанная схема является всего лишь вариантом схемы с фиксированным током, показанной на рисунке 5.

Схемы термостабилизации

Ситуация несколько лучше при использовании схем, показанных на рисунке 7.

Рисунок 7.

В коллекторно-стабилизированной схеме резистор смещения R1 подключен не к источнику питания, а к коллектору транзистора. При этом, если обратный ток увеличивается с ростом температуры, транзистор открывается сильнее, напряжение на коллекторе уменьшается. Это уменьшение приводит к уменьшению напряжения смещения, подаваемого на базу через R1.Транзистор начинает закрываться, ток коллектора снижается до допустимого значения, и рабочая точка восстанавливается.

Вполне очевидно, что такая мера стабилизации приводит к некоторому снижению коэффициента усиления каскада, но это не проблема. Недостающее усиление обычно добавляют за счет увеличения числа каскадов усилителя. С другой стороны, такая ООС позволяет значительно расширить диапазон рабочих температур каскада.

Несколько сложнее схемотехника каскада с эмиттерной стабилизацией.Усилительные свойства таких каскадов остаются неизменными в еще более широком диапазоне температур, чем у схемы с коллекторной стабилизацией. И еще одно неоспоримое преимущество — при замене транзистора не придется заново выбирать режимы работы каскада.

Эмиттерный резистор R4, обеспечивающий стабилизацию температуры, также снижает коэффициент усиления каскада. Это для ДК. Чтобы исключить влияние резистора R4 на усиление переменного тока, резистор R4 шунтирован конденсатором Се, представляющим для переменного тока пренебрежимо малое сопротивление.Его значение определяется частотным диапазоном усилителя. Если эти частоты находятся в звуковом диапазоне, то емкость конденсатора может быть от единиц до десятков и даже сотен микрофарад. Для радиочастот это уже сотые или тысячные доли, но в некоторых случаях схема прекрасно работает и без этого конденсатора.

Чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, необходимо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема с общим коллектором (СС) Показана на рисунке 8. Эта схема является фрагментом рисунка 2 из второй части статьи, где показаны все три схемы включения транзисторов.

Рисунок 8.

Нагрузкой каскада является эмиттерный резистор R2, входной сигнал подается через конденсатор С1, а выходной снимается через конденсатор С2. Тут можно спросить, почему эта схема называется ОК? Действительно, если вспомнить схему ОЭ, то хорошо видно, что эмиттер подключен к общему проводу схемы, относительно которого подается входной сигнал и снимается выходной.

В схеме ОК коллектор просто подключен к источнику питания, и на первый взгляд кажется, что он не имеет никакого отношения к входным и выходным сигналам. Но на самом деле источник ЭДС (аккумулятор питания) имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, для сигнала это практически одна точка, такой же контакт.

Более подробно работу схемы ОК можно посмотреть на рисунке 9

Рисунок 9.

Известно, что для кремниевых транзисторов напряжение перехода b-e находится в пределах 0.5…0,7 В, поэтому можно принять в среднем 0,6 В, если не ставится цель проводить расчеты с точностью до десятых долей процента. Поэтому, как видно на рисунке 9, выходное напряжение всегда будет меньше входного напряжения на величину Ub-e, а именно на те же 0,6В. В отличие от схемы OE, эта схема не инвертирует входной сигнал, а просто повторяет его, да еще и уменьшает на 0,6В. Эта схема также называется эмиттерным повторителем. Зачем нужна такая схема, в чем ее польза?

Цепь ОК усиливает сигнал тока в h31e раз, что свидетельствует о том, что входное сопротивление схемы в h31e раз больше, чем сопротивление эмиттерной цепи.Другими словами, можно подавать напряжение прямо на базу (без ограничительного резистора), не опасаясь спалить транзистор. Просто возьмите базовый контакт и подключите его к шине питания + U.

Высокий входной импеданс позволяет подключать источник входного сигнала с высоким импедансом (комплексным импедансом), например, пьезодатчик. Если такой звукосниматель подключить к каскаду по схеме ОЭ, то низкое входное сопротивление этого каскада просто «просадит» сигнал звукоснимателя — «радио играть не будет.»

Отличительной особенностью схемы ОК является то, что ее коллекторный ток Iк зависит только от сопротивления нагрузки и напряжения источника входного сигнала. В данном случае параметры транзистора здесь не играют никакой роли. Говорят, что такие схемы охвачены 100% обратной связью по напряжению.

Как показано на рисунке 9, ток в эмиттерной нагрузке (он же ток эмиттера) Iн = Iк + Iб. Учитывая, что ток базы Iб пренебрежимо мал по сравнению с током коллектора Iк, можно принять, что ток нагрузки равен току коллектора Iн = Iк.Ток нагрузки будет (Uвх — Uбэ)/Rн. При этом будем считать, что Ube известно и всегда равно 0,6В.

Отсюда следует, что ток коллектора Iк = (Uвх — Uбэ)/Rн зависит только от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Сопротивление нагрузки можно менять в широких пределах, однако особо усердствовать не нужно. Ведь если вместо Rn поставить гвоздь — сотку, то никакой транзистор не выдержит!

Схема OK позволяет легко измерить статический коэффициент передачи тока h31e.Как это сделать показано на рисунке 10.

Рисунок 10.

Сначала измерьте ток нагрузки, как показано на рис. 10а. При этом базу транзистора никуда подключать не нужно, как показано на рисунке. После этого измеряется базовый ток в соответствии с рисунком 10б. Измерения в обоих случаях следует производить в одних и тех же величинах: либо в амперах, либо в миллиамперах. Напряжение источника питания и нагрузка должны оставаться постоянными в обоих измерениях.Чтобы узнать статический коэффициент передачи тока, достаточно ток нагрузки разделить на ток базы: h31e ≈ In/Ib.

Следует отметить, что при увеличении тока нагрузки h31e несколько уменьшается, а при увеличении напряжения питания увеличивается. Эмиттерные повторители часто имеют двухтактную конструкцию с использованием комплементарных пар транзисторов для увеличения выходной мощности устройства. Такой эмиттерный повторитель показан на рисунке 11.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Включение транзисторов по схеме с общей базой ОВ

Эта схема дает только усиление по напряжению, но имеет лучшие частотные характеристики по сравнению со схемой ОЭ: те же транзисторы могут работать на более высоких частотах. Основное применение схемы ОВ — антенные усилители диапазонов ДМВ. Схема антенного усилителя показана на рисунке 12.

Пожалуй, сегодня сложно представить современный мир без транзисторов, практически в любой электронике, от радиоприемников и телевизоров до автомобилей, телефонов и компьютеров, они так или иначе используются.

Есть два типа транзисторов: биполярный и полевой … Биполярные транзисторы управляются током, а не напряжением. Бывают мощные и маломощные, высокочастотные и низкочастотные, pnp и npn структуры… Транзисторы выпускаются в разных корпусах и бывают разных размеров, начиная от SMD-чипа (на самом деле там гораздо меньше, чем микросхема), которые предназначены для поверхностного монтажа, заканчивая очень мощными транзисторами… По рассеиваемой мощности различают маломощные транзисторы до 100 мВт, средняя мощность от 0.1 на 1 Вт и мощные транзисторы более 1 Вт.

Когда говорят о транзисторах, обычно имеют в виду биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Их называют биполярными, потому что их работа основана на использовании как электронов, так и дырок в качестве носителей заряда. Транзисторы на схемах обозначаются так:

Одна из самых внешних областей структуры транзистора называется эмиттером. Промежуточная область называется базой, а другая крайность называется резервуаром.Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллектор, а между базой и эмиттером — эмиттер. Как и обычный переключатель, транзистор может находиться в двух состояниях — «включено» и «выключено». Но это не значит, что у них есть движущиеся или механические части, они переключаются с выключения на включение и обратно с помощью электрических сигналов.