Предисловие
В последнее время стало много инженеров, которые смеются над аудиофилами с наглой РО. Но спросите такого инженера о том, как работает транзистор и такое в ответ услышите. Они начнут Вам рассказывать зазубренные из старого учебника описания, начнут рисовать странные схемы из нескольких деталей и рассказывать про сложные кривые раньше, чем у вас в голове включится элементарное представление что же но делает... И тут волей не волей возникает вопрос... Если человек вместо того чтобы своими доходчивыми и простыми словами, где все разложено по полочкам, вываливает на Вас этот зазубренный сумбур, я должен решить, что он разбирается в электронике???
Не знаю как у кого, а у меня так не получается... Вот не могу я такое решение о зубрильщиках принимать и все тут. Уж если разбираешься так хоть своими словами рассказывай!!! Учебник я и сам прочитать могу, и если я оттуда не понял, то толку мне от этого же текста, только голосом?!!
Слово автора
Этой статьей я открываю большой цикл статей про то как работает аудиофильская техника и как ее сделать именно аудиофильской. Я разберу вопросы о том, как превратить вроде бы с виду такой же усилитель в усилитель с аудиофильским звуком. Я разложу по полочкам процессы происходящие в электронике, и что и как с ними делать чтобы получить приятный результат.
Некоторым читателям может показаться странным очередность моего рассказа. Сначала я расскажу базовые принципы работы транзистора, потом раскажу про резистивные делители, потом "зачем-то" про радиоприемники, а потом вообще "сбрендит меня" и я расскажу про схемотехнику звукорежиссерской техники: про компрессоры и овердрайы и эксайтеры и вот только потом буду разбирать чем отличается усилитель класса А от усилителя класса АБ... Странная очередность в глазах типового инженера. Но, как говортся подпишись!!! Это вон там на верху!!! А потом читай дальше! Лайк тоже потребую! Но это будет там - внизу!!!
1. Классфикация транзисторов
Транзисторы бывают разные. Как известно сначала были лампы. Потом появилась ухудшенная версия лампы под названием Германиевый Транзистор или же как его называли в тогдашней литературе Германиевый Триод. Работал он как лампа, но со своей спецификой искажений.
По этому поводу, не удержусь, и расскажу историю произошедшую однажды в Кремниевой Долине в США. Некто Уильям Брэдфорд Шокли основал там производство первых транзисторов. В те времена уже во все были лампы и в каждом доме был весьма солидный радиоприемник который не плохо играл джаз даже по современным меркам. При попытке же создать аудиосистемы на этих транзисторах получались весьма странные системы. Их было куда удобнее применять для различных систем автоматики ну или в крайнем случае в переносной рации. И вот, однажды, в офисе Шокли сидел мужина Восточной наружности который сделал самый крупный на тот момент заказ на поставку транзисторов. Шокли поинтересовался зачем ему столько транзисторов? Что он с ними делать будет? На что собеседник овтетил - Буду производить маленькие радиоприемники... Говорят смех Шокли был слышен даже в Нью Йорке. Вот только незадача. Человека того звали Масару Ибука, и он, как-то невзначай, за пару лет до описанного события, основал компанию Сони.
Тот транзистор был п-н-п типа. Несколько позже появился транзистор, который по началу именовали обратным, он был н-п-н типа. Еще позже, решая имеющиеся у данного вида транзисторов проблемы, были изобретены сначала кремнивые транзисторы а потом, и полевые транзисторы различных видов.
В этой статье мы рассмотрим только базовые основы работы и искажений кремниевых транзисторов, при том с упором на н-п-н тип, хотя и п-н-п тоже проанализируем.
2. Транзисторы н-п-н и п-н-п типа.
Небольшая ремарка. Есть 2 основных стандарта начертания схем ISO и DIN. Более привычный для Российского глаза ДИН стандарт, но в современных реалиях инженер должен уметь читать оба. Иллюстрации в этой статье будут сделаны в програмном эмуляторе радиоэлектронных схем LTSpice. Но отображает схемы в ISO стандарте.
Данные транзисторы на схеме отображаются вот так.
Инженер который смеется над аудиофилами будет Вам говорить, что они одинаковые, что разница только в полярности питающего напряжения. Но я советую взять пустую 2х литровую пластиковую бутылку из под газировки и жвамкнуть ему по голове мягкой частью.
Главное отличие этих транзисторов в том что у н-п-н управляющий ток течет в базу и далее на эмиттер(та нога что со стрелочкой) а у п-н-п управляющий ток течет из эмиттера в базу. В общем как стрелочка и указывает.
Хотите правило которое никогда больше вам не позволит перепутать эти транзисторы? Смотрите. Изначально, буквы npn и pnp означают английские выражения positive-negative-positive и соотвественно наоборот. Эти слова относятся а направлению тока в диоде. В случае если он Позитив он через него проходит а если Негатив то не проходит. И в данном случае относительно базы так и есть. У п-н-п если подавать ток в базу фигвам получится на других выводах а н-п-н наоборотна эмиттере и коллекторе напряжение будет. Но, чтобы такое запомнить это ж голову словамать можно. И вот вам другое правило. Расшифровываем буквыв как Няша-Парень-Няша. Согласитесь это ведь идеальная система. Причем как я позже покажу она вообще супер-идельная это не просто две няши и один парень это внимание Няша которая пришла к парню со своей подругой и сказала "чувак, давай зажжем!!!". Вот Гранде Беллиссимо же!!! Но идем дальше, второй транзистор в этом плане тогда кто? Правильно там Парень-Няша-Парень, и мы ведь все что-то про взрослых в некоторых сайтов знаем, да? А тогда нам понятно, что там в базу изрядно прилетает... Что кстати весьма наглядно стерлочка и показывает!!! В одномс случае она вот прям в базу тычется а в другом там у парня явный октлик на предложение. Стрелочка уже не вниз, а по диагонали... Вот не забудете теперь кто есть кто в мире Би-Полярных транзисторов!!!
Внимание Подсказка!!! В этом месте уже можно ставить лайк!!! И как раз предлагаю передохнуть чуток перед усвоением рабочих процессов.
3. Как работает транзистор Н-П-Н типа.
А с какого же еще теперь начинать разбор? Понятное дело - с двух альфа-самочек современной электроники слушающихся одного знатного парня на базе!!!
Инженер что смеется над аудифилами, как я уже ранее говорил, скажет что у мнея нарсована не правильная схема. Что так вообще нельзя объяснять как транзистор работает. Он изобразит что-то вроде вот этого.
Или вот этого
Причем если он изобразит второе то это еще не плохо... А вот если первое то трындец. Он не ставит своей задачей рассказать вам как транзистор работает. Не ставит своей задачей объяснить откуда у него искажения. Но ведь логично, что раз не ставит таких задач, что значит они для него как минимум не важны? Но если ему не важны искажения то как же он тогда в аудиофильской технике разбирается???
Ладно!!! Хватит предисловий и накипевшей критики. Рассказываю как есть! Совими словами! В том виде в котором искажения транзистора ниболее иллюстративны и более того, в том виде в котором применение транзистора наиболее часто в аудиотехнике!!!
4. Разбор работы транзистора на примере выходного каскада усилителя
Да!!! Именно так!!! Это наиболее чистый вид включения транзистора! В нем он работает исключительно в режиме Усилителя Тока, хотя я бы на свой манер понимания процессов назвал бы это режим управляемым коммутатором тока. Но, все таки общность терминов для общения с другими инженерами тоже штука важная. А то как с ними разговавривать если у вас все термины на "другом" языке? Поэтому все таки придерживаемся термина Усилитель Тока.
Итак, снова моя схема. Что у нас тут есть? Есть 2 источника напряжения V1
= 20 Вольт и V2 = 5 Вольт, есть транзистор(в данном случае мощный но эти параметры мы будем рассматривать в другой статье, сейчас у нас основные принцыпы работы транзистора), и есть нагрузочный резистор на привычные аудиофилу 8 Ом.
Именно так транзистор и включен в верхнем плече выходного каскада наиболее популярных двухтактных усилителей класса АБ. V1 это питание каскада. V2 это предидущий каскад передающий полезный сигнал, ну и на эмиттере колонка.
В данном случае вместо колонки резистор, а напряжение полезного сигнала постоянное и равно 5 вольтам. Данный каскад правильнее конечно интерпретировать не как усилитель звука а как управление яркостью лампочки например в подстветке смартфона. На графике у меня напряжение на эмиттере. Оно на 0.5 вольта ниже чем на базе. И оно такое всегда. Для данной модели транзистора(внимание) напряжение на эмиттере всегда всегда на 0.5 вольта ниже чем напряжение на базе.
Усредненно для кремниевых транзисторов падение напряжения(официальный термин) на п-н преходе 0.7 вольта. На практике же имеет место быть разброс значение от 0.5 до 0.9 для кремния и 0.1-0.4 для германиевых. Средние же значения равны 0.7 и 0.2. Лучше именно эти цифры и запомнить! Ноль-Семь(почти Бонд) и Ноль-Два(тоже знакомый номер).
Но все это верно строго при условии что напряжение на коллекторе транзистора выше напряжения приходящего на базу.
Но, что же тогда он усиливает если наблюдается наоборот падение напряжения? А вот смотрите...
На данном графике зеленая линия это ток текущий через базу на эмитер, а синяя это ток текущий с коллектора на эмиттер. Первый ток 11 миллиамер, а второй 600 миллиампер. В 60 раз выше! Вот это и есть то, что он усиливает. Ток стал значительно больше.
При этом если посчитать, то ток через резистор течет как раз такой какой и положено для 8 ом и 4.5 вольт. А вот для какого сопротивления характерен ток текущий через базу?
Сейчас обычный инженер что аудиофилов гоняет начнет орать, что это сопротивление вам знать даром не надо!!! Но не спешите с ним соглашаться. Лучше еще раз пустую бутылку от газировки возьмите! Дело в том, что данные заявления характерны для человека который сам ничего не разрабатывал. А кот как только вы захотите что-то разработать, так окажется, что входное сопротивление каскада(а именно так официально называется то что нам сейчас нужно посчитать) вам нужнее всего. В данном случае оно будет равно примерно 500 Ом, но я советую вам его пересчитать, потому что как сказал один мудрец "профессионалы не думают, профессионалы знают" и примерно по этой причине я написал число по памяти и оно может отличаться от реального.
Вот в общем-то и все что делает транзистор в чистом виде! Он просто усиливает ток. Потребляя маленький от источника он выдает большой на нагрузку. Все иные моменты усиления происходят за счет дополнительной схемотехнической обвязки транзистора другими деталями. Но прежде чем говорить о них продемонстрирую как именно возникают наиболее характерные искажения сигнала в работе транзистора.
5. Основные моменты в работе транзистора
пп1. Входное сопротивление каскада от сопротивления на эмиттере
Выше было показано, что сопротивление базы при нагрузке на эмиттере в 8 Ом примерно 500 Ом, но мы помним, что в колоноке в динамиках есть индуктивность, да еще и кроссоверы и другие динамики, и как итог, на разных частотах разное реактивное сопротивление. Как на это все реагирует транзистор? Давайте посмотрим.
Я понизил сопротивление до 4 Ом и ток базы с 11мА подскочил аж до 31мА. Т.е. при понижении сопротивления на эмиттере в 2 раза тут произошел скачек аж в 3 раза. Продолжим.
Я понизил до 2 Ом и ток стал 90мА т.е. опять я в 2 раза а он в 3 раза.(я уж не буду график приводить), понизим еще... 1 Ом и опа 270 мА... но мы еще понизим Ноль-Пять(0.5) и опа аж 740мА(кто не верит предлагаю срочно ставить эмулятор себе на комп... он бесплатный и главное что если в нем чего напутать или беспредел устроить как сейчас у меня то ничего не сгорит... кстати транзистор что мы сейчас эмулируем 300 рублей стоит. А я только что его вогнал в режим в котором он в реальном мире сгорит) Но я не сдаюсь 0.001 - 5Ампер!!! Зачем я так сделал? Режим когда эмиттер вместо нагрузки покдлючен на землю часто встречается в первом каскаде микрофнных усилителей - поэтому знать как себя ведет каскад в этом режиме тоже нужно! Кстати а 5 Ампер на 5 Вольтах это сколько Ом? Это ж целый Ом!!! Т.е. эмиттер у нас сейчас на земле а у данного транзистора целый ом сопротивления на базе. Сменим модель транзистора.
BC847B аналог шикрокозивестного 315го транзистора(тот маленький что на обложке это он) и сморите при эмиттере на землю у него всего 304 мА(правда в этом режиме он в реальности сгорит у него максимально допустимый ток 200 мА) а при 8 Ом всего 6мА... т.е. для нулевой нагрузки уже входное сопротивление 17 Ом а для 8 ом нагрузки уже 1000 Ом
пп2. Входное сопротивление каскада от напряжения на коллекторе
А сейчас я сделаю что-то весьма невообразимо страное, что взоврет мозг инженерам смеющимся над аудифилами. По их мнению так делать нельзя даже в исследовательских целях. Но мое дело исследовать как транзистор работает а не сомнительные "советы" слушать.
Итак я подал в качестви питания на коллектор транзистора не идеальные 20 Вольт а нексколько смещенную относительно нуля синусоиду в диапазоне от 12 до 18 вольт с частотой 20 Герц.
Смотрите что происходит! Зеленый график это питание. Синий напряжение на базе и Красный напряжение на эмиттере. Но, что такое? Оно стабильно!!! Несмотря на то, что Коллектор колбасит по полной у нас на выходе все стабильно! Слово транзистор происходит от сокращения фразы transform of rezistor, но в данном случае перед нами явно не трансформируемый резистор а трансформируемый стабилитрон. Стабилитроны по импортному называются Диод Зеннера(Zenner) и тогда вместо транзистора правильнее говорить транзеннер.
Но есть один нюанс у этого всего. Сомотрите на график тока базы.
Вот он главный источник всех искажений в работе транзистора(буквально парой абзацев позже об этом будет со всеми иллюстрациями)
Ток базы(или входное сопротивление каскада) меняется в зависимости от напряжения на коллекторе транзистора. Чем выше напряжение тем ниже ток базы(и выше сопротивление). В данной схеме у меня идеальный источник напряжения. Т.е. без внутреннего сопротивления. Ему такому перепады сопротивления нагрузки ни по чем. Но на реальных каскадах усилителя есть еще такой параметр как выходное сопротивление. Сейчас я задам источнику V2 его равным 1 кОм. Оно такое характерно для выхода большинства источников звука в аудиосистемах. Будь то виниловая вертушка, магнитофон или же цап.
Смотрите что произошло. В данный момет напряжение на базе. На ней сразу все вылезло. В данный момент у нас уникальный транзистор. У него очень маленькие перепады тока при такой "тряске" на коллектре. Вернемся снова к аналогу 315го. Как там его? BC847B!
И вот тут у нас поплыло все, что только можно. В данном случае сразу и база и эмиттер на графике. Да перепады не большие. Но сейчас мы перейдем к схемотехнике простенькго усилителя на двух каскадах и посмотрим что там будет!
Эпилог(дружно читаем как "уф, закончилась лекция")
Сейчас главное запомнить, что транзистор в чистом виде коммутирует(усиливает) ток и что его параметры меняются в зависимости от напряжения на коллекторе. Все остальные процессы усиления возникают в других элеметнах под действием протекающего через них тока. И что в следующей статье будет самое вкусненькое. А именно методы раскачки амплитуды сигнала. Ведь с источника у нас поступает сигнал с ампитудой 1 Вольт. И если не увеличить напряжение то все на что мы можем расчитывать на 8 Омных колонках это какие-то скромные 100мВт а нам сколько надо? 100 Вт? А это ведь в тыщу раз больше?!! Следующая статья так и будет называться "Как работает транзистор. Часть 2. Раскачиваем Амплитуду".
Спасбо всем кто дочитал! Ставь палец вверх!!! Это вот тут внизу *стрелочка вниз чуть налево* и потом мотай куда он показывает и... ПОДПИШИСЬ!!!
Все иллюстрации являются скриншотами из приложения LTSpice, кроме 1 - обложки. Ее фото найдено сервисом Яндекс.Изображения на данном ресурсе: http://www.155la3.ru/2e802a1.htm
