Создать схему источника напряжения +5В через ЭП

[EUgeneUS]

Kevsh в сообщении #1554339 писал(а):

Можно побороться с помощью включенной последовательно индуктивностью на эмиттере

Побороться можно так же, как в прошлом случае - резистором в коллекторе.
Только рассчитывает его будем по другому: резистор должен быть таким, чтобы в случае КЗ в нагрузке ток коллектора не превышал максимальное значение. Рассчитайте его, пожалуйста.
Про индуктивности прокомментирую позже.

[Kevsh]

EUgeneUS
Рассчитаем схему в момент времени $t(0_+)$:
$U_{\text{э}}=0\text{ В}\implies U_{\text{б}}=0+0,6=0,6\text{ В}$
$i_{\text{б}}(0_+)=\frac{U_{R_1}}{R_1}=\frac{15-0,6}{2,7\cdot 10^{3}}=\frac{1}{300}\text{ А}\implies i_{\text{к}}=\beta i_{\text{б}}(0_+)=\frac{1}{3}\text{ А}$
При таком токе, как мне кажется, нужно на время переходного процесса забыть про активный режим. Даже когда счёт идет на несколько десятков Ом, транзистор уходит в режим насыщения, при этом на граничных с этим режимом сопротивлениях ток коллектора всё ещё очень большой. Тогда будем уводить транзистор в режим насыщения. Я посчитал максимальное сопротивление коллектора, при котором (при заряженном конденсаторе) транзистор будет в активном режиме: $R_{\text{к max}}\approx 1,6 \text{ кОм}$ (кстати, как мне кажется, всегда можно держать в голове, что это сопротивление будет немного меньше, чем $R_1$). Я думаю, что лучше такое сопротивление и взять - при нём транзистор точно уйдёт в насыщение в начале переходного процесса, при этом, когда конденсатор уже зарядится, он точно будет в активном режиме.
Вот как рассчитать, что будет в режиме насыщения, мне не очень ясно. Учитывая, как выглядит выходная характеристика биполярного транзистора, понятно, что ток коллектора там резко падает, но точного значения, как мне кажется, на такой модели транзистора получить нельзя.

[EUgeneUS]

Вы правильно сообразили, что нужно ориентироваться на режим насыщения.
После того как ток коллектора снизим коллекторным резистором, транзистор в режиме насыщения будет однозначно. Напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения, хотя и зависит от тока коллектора, но всегда мало. Считаем, что его характерное значение 0.1-0.2 вольта. Теперь можете рассчитать коллекторный резистор?

[Kevsh]

EUgeneUS
Нам нужно, чтобы на коллекторе падало $14,9\text{ В}$ (в худшем случае), следовательно
$R_{\text{к}}>\frac{U_{\text{к max}}}{I_{\text{к max доп}}}>\frac{14,9}{0,1}> 150\text{ Ом}$. Можно взять $\text{200 Ом}$.
Я что-то вообще в этом не уверен. Можно считать, что в режиме насыщения ток коллектора можно ограничить резистором на коллекторе точно также, как резистором на эмиттере в активном режиме? Просто на выходной характеристике зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер почти линейная, что как бы на это намекает.

[EUgeneUS]

Расчет верный.

Kevsh в сообщении #1554381 писал(а):

Можно считать, что в режиме насыщения ток коллектора можно ограничить резистором на коллекторе точно также, как резистором на эмиттере в активном режиме?

В целом - да. Но я бы не проводил таких параллелей. Всё таки режимы сильно разные.

И финальный набор вопросов в этой теме
1. Чем ограничивается максимальное значение $R_k$?
2. Расчитайте максимальное значение $R_k$ для "нашей" схемы источника напряжения.

[Dmitriy40]

Два небольших момента, не влияющих на текущие вопросы, но чуть их дополняющие.

(Ограничение тока)

Ограничить ток через транзистор можно и базовым резистором, ограничив ток базы. Тут сразу несколько трудностей:
1. Никогда не известен точно коэффициент передачи транзистора по току, разброс может быть в несколько раз даже для одной модели, а уж между близкими моделями и больше.
2. Он может зависеть от других величин, в частности температуры и тока коллектора.
Это создаёт сложности в расчётах и ограничивает взаимозаменяемость и ремонтопригодность конструкции.
Но если максимально допустимый ток на порядок и более выше номинального рабочего тока (т.е. перекрывает все допуски выше), то способ вполне может применяться.

(Сгорание при включении)

Бросок тока в разряженный конденсатор при включении питания не всегда является разрушающим даже при превышении максимально допустимых тока и мощности, тут надо смотреть ещё такую характеристику как максимально допустимая энергия в импульсе (в Дж, иногда её тоже приводят, правда чаще для полевиков, особенно мощных), обычно именно эта энергия сжигает транзистор, а не превышение максимально допустимого тока, на коротких интервалах его вполне можно превышать в десятки раз, а заряд кондёров часто достаточно быстр, миллисекунды, точнее если не указана энергия, то надо смотреть температуру перегрева кристалла от протекания тока зарядки (благо что легко считается даже и интеграл без аппроксимаций), за миллисекунды тепло уйти в радиатор (или плату) не успеет и будет большой градиент температуры, уж коэффициенты K/W приводятся всегда, а нередко и графики допустимой перегрузки от коэффициента заполнения импульсов.
К счастью здесь номинал конденсатора 100мкФ выбран явно завышенным чтобы этим моментом можно было пренебречь из-за долгого заряда и считать именно по максимальному току. Но вот скажем от 1мкФ транзистор может и не сгореть (не считал), а уж заряд 0.1мкФ выдержит почти 100%, несмотря на превышение максимально допустимых и мощности и тока.

[Kevsh]

EUgeneUS
В схеме с конденсатором максимальное значение сопротивления коллектора определяется установившимся током коллектора (его считали ранее: $I_{\text{к}}=5,5\text{ мА}$) и потенциалом базы:
$R_{\text{к}}<\frac{E_{\text{пит}}-U_{\text{б}}-0,2}{I_{\text{к}}}=\frac{15-5,6-0,2}{5,5\cdot 10^{-3}}\approx 1,67\text{ кОм}$, возьмём $R_{\text{к}}=1,5\text{ кОм}$
В нашей схеме получим:
$R_{\text{к}}<\frac{E_{\text{пит}}-U_{\text{б}}-0,2}{I_{\text{к}}}=\frac{15-5,6-0,2}{25,5\cdot 10^{-3}}\approx 360\text{ Ом}$, возьмём $R_{\text{к}}=325\text{ Ом}$

[EUgeneUS]

Расчет неверный.
Вы не ответили на первый вопрос в этой группе вопросов - что ограничивает сопротивление в коллекторе.
Отвечу сам. Что произойдет с ростом сопротивления в коллекторе? При зафиксированном токе коллекторе (при фиксированной нагрузке) с ростом сопротивления в коллекторе будет расти падение напряжения на нём. При этом будет падать напряжение между коллектором и эмиттером. И в самом деле:
$U_{\text{пит}} = U_{R_k} + U_{\text{кэ}} + U_{R_H}$
Падение напряжения на нагрузке (с учетом резистора в эмиттере) - не меняется, так как ток эмиттера не меняется.
В конце концов, напряжение $U_{\text{кэ}}$ станет малым, и транзистор впадет в кататонию, но уже с другой стороны в режим насыщения. После чего, $U_{\text{кэ}}$ уже падать (почти) не будет, а будет падать $U_{R_H}$. Этого нужно избежать.

Новая вводная: для того, чтобы транзистор гарантировано оставался в активном режиме должно быть $U_{\text{кэ}} \geqslant 2$ вольт, в любых расчетных ("штатных") режимах.
Хинт: достаточно рассмотреть наихудший вариант. А наихудший вариант реализуется при максимальном расчетном токе нагрузки (а он задан в ТЗ \ условиях задачи).

[EUgeneUS]

Dmitriy40

(Оффтоп)

1. По резистору в базе. Не очень понятно, какая схема имеется в виду. Мне видится как минимум два варианта:
а) вместо делителя в базе оставляется только резистор между питанием и базой.
Это плохая схема смещения. Так поступать нельзя (хотя и в учебниках, и в некоторых поделках такое используется). Впрочем, Вы описали, почему так делать плохо.
б) вместо делителя в базе ставится резистор между источником и базой. Это типовая схема включения для ключевого режима. Для линейного (активного) так не получится.
2. Со вторым комментарием про максимальный ток полностью согласен.

[Dmitriy40]

EUgeneUS

(Небольшие уточнения)

EUgeneUS в сообщении #1554409 писал(а):

1. По резистору в базе. Не очень понятно, какая схема имеется в виду.

Любая, где есть/возможно ограничение тока базы, хотя бы и резисторным делителем как здесь, тогда просто увеличиваем номиналы делителя.
Или поставить резистор между делителем и базой и им и ограничить ток базы почти независимо от номиналов делителя (особенно если ток нужно ограничивать на уровне единиц/десятка мкА, что для делителя не слишком хорошо уже по практическим соображениям).

EUgeneUS в сообщении #1554409 писал(а):

б) вместо делителя в базе ставится резистор между источником и базой. Это типовая схема включения для ключевого режима. Для линейного (активного) так не получится.

Для ключевого режима обычно выбирают ток базы достаточно большим для насыщения транзистора (потому он и ключевой), при этом не ставится задачи ограничить ток транзистора (коллектора/эмиттера), он ограничивается его нагрузкой. Хотя при увеличении базового резистора это вполне возможно, зря Вы так сходу отвергаете, просто режим станет не ключевым, а активным со всеми указанными сложностями.

Плюс существуют схемы с коллекторным резистором и резистором база-коллектор, за счёт последнего и создаётся обратная связь и стабилизируется рабочая точка (но расчёт кажется сложнее обычной с делителем в базе, зато меньше зависит от стабильности источника питания).

[EUgeneUS]

Dmitriy40

(про резистор в базе)

1. В случае КЗ в цепи эмиттера эмиттерного повторителя защищать переход Б-Э от броска тока не нужно.
В самом деле, ток базы будет ограничен $R_1$ - "верхним" сопротивлением делителя напряжения. А его типовые значения - десятки кОм, даже для "жесткого" делителя (удовлетворяющего условию $R_1 \parallel R_2 \ll R_{\text{Э}} h_{\text{21Э}}$). Что при напряжении питания в десятки вольт даст ток базы в единицы или даже десятые доли миллиампера. При этом ток базы в 5 мА - это test condition для режима насыщения в даташите такого маломощного транзистора, как BC548.

2. Смещение одним резистором Хоровиц и Хилл однозначно признают плохой практикой:

При этом в приведенной схеме даже есть резистор в эмиттере, что обеспечивает ООС.

3. Все остальные варианты - это промежуточные между хорошим смещением с "жестким" делителем и плохим без делителя вообще (кроме одного, см. ниже).
4. Вариант со смещением "от коллектора" Хоровиц и Хилл так же рассматривают, но и его предлагают делать с делителем в базе, а не одним резистором.

5. Например, Сворень в "Транзистор шаг за шагом", написал (даже нарисовал), что есть некий выбор между простотой схемы и её стабильностью:
.
На самом деле, такого выбора нет - лучше схема с двумя дополнительными резисторами, которая заработает сразу после сборки, чем схема без них, которая требует кропотливой настройки, а работать будет нестабильно.

6. Так в чем же (былая) популярность этой негодной схемы? Дело в том, что с "жестким делителем" в базе, получается довольно-таки низкое входное сопротивление, которое равно: $R_{\text{вх}} = R_1 \parallel R_2 \parallel R_{\text{Э}} h_{\text{21Э}}$, и как правило, определяется мЕньшим сопротивлением в делителе. И составляет единицы кОм. Что никуда не годится при работе с высокоомным источником типа электретного микрофона, пьезоэлектрического звукоснимателя и подобных.
А без делителя входное сопротивление - сотни кОм, для приведенной схемы - 325 кОм (при типовом $h_{\text{21Э}} = 100$).
Это хоть как-то было оправдано в 70-х годах прошлого века, когда полевых транзисторов и ОУ или не было, или они были большие и с позолоченными ножками. То есть в любом случае - недоступны для среднего юного радиолюбителя в среднем Доме пионеров. Но при современном уровне развития печатного дела ни с ОУ, ни с полевиками проблем нет.

[Dmitriy40]

EUgeneUS

(Оффтоп)

Никто и не говорил про защиту перехода Б-Э от броска тока.
Но ограничив ток в Б-Э мы одновременно ограничим ток и в К-Э, т.е. нагрев транзистора, в том числе в начальный момент.

Для увеличения входного сопротивления есть способы: http://www.club155.ru/amplifiers-circuits-ce-wbl (резистор или индуктивность между делителем и базой). Вопрос их полезности выходит за рамки темы.

[EUgeneUS]

Dmitriy40

(Оффтоп)

ИМХО, ограничивать ток базы для ограничения тока коллектора - плохая идея. Так как сразу упираемся в вопрос: до какого значения нужно ограничивать ток базы? Ответ на который, упирается в $h_{\text{21Э}}$, который имеет большой разброс. Плюс неприятности со смещением...
Лучше использовать типовые схемы:
а) либо небольшой резистор в цепи коллектора. Если это возможно
б) любо более сложные схемы, но которые измеряют непосредственно ток коллектора. Например, вот как это сделано в одной из схем из ХХ:

[Kevsh]

EUgeneUS в сообщении #1554395 писал(а):

Расчет неверный.
В конце концов, напряжение $U_{\text{кэ}}$ станет малым, и транзистор впадет в кататонию, но уже с другой стороны в режим насыщения. После чего, $U_{\text{кэ}}$ уже падать (почти) не будет, а будет падать $U_{R_H}$. Этого нужно избежать.
Новая вводная: для того, чтобы транзистор гарантировано оставался в активном режиме должно быть $U_{\text{кэ}} \geqslant 2$ вольт, в любых расчетных ("штатных") режимах.
Хинт: достаточно рассмотреть наихудший вариант. А наихудший вариант реализуется при максимальном расчетном токе нагрузки (а он задан в ТЗ \ условиях задачи).

Я почти из таких соображений и писал свои неравенства вроде...
$R_{\text{к}}<\frac{E_{\text{пит}}-U_{\text{б}}-0,2}{I_{\text{к}}}=\frac{15-5,6-0,2}{5,5\cdot 10^{-3}}\approx 1,67\text{ кОм}$
Данное условие гарантирует, что напряжение коллектор-база не упадет ниже $0,2\text{ В}$. Если это не соблюдать, то транзистор уйдёт в насыщение. При этом минимальным напряжением коллектор-эмиттер будет $0,8 \text{ В}$, что, видимо, мало. Чтобы соблюдать и моё условие, и Ваше, нужно, чтобы напряжение коллектор-база было больше $1,4\text{ В}$.
Если говорить про ток, то я брал значение для каждого варианта схемы. Теперь ограничусь прям вообще максимальным - $25,5\text{ мА}$.
Новый расчёт:
$R_{\text{к}}<\frac{E_{\text{пит}}-U_{\text{б}}-1,4}{I_{\text{к}}}=\frac{15-5,6-1,4}{25,5\cdot 10^{-3}}\approx 314\text{ Ом}$. Возьмём $280\text{ Ом}$. При таком сопротивлении коллекторный переход точно будет иметь обратное смещение, а напряжение коллектор-эмиттер точно будет больше $2\text{ В}$.

[EUgeneUS]

Теперь верно.
Некоторые комментарии по этому вопросу и в целом по теме - позже.