Wie verstärke ich eine Gleichspannung, die zu schwach ist, um die Basis in einem Transistor auszulösen?

Ich versuche, den Spannungsausgang von einer 3,5-mm-Audiobuchse zu nehmen und eine LED entsprechend ihrer Spannung aufleuchten zu lassen. Ich wollte das linke Audiokabel an die Basis eines 2222n-Transistors anschließen, der als mein Verstärker fungierte, um die LED zum Leuchten zu bringen. Leider ist die vom Draht abgelesene Spannung wie .2 oder .02 und nicht hoch genug, um den Fluss auszulösen. Gibt es eine Möglichkeit, die Spannung zu erhöhen, um den Transistor auszulösen, oder müsste ich einen Transformator (oder einen Operationsverstärker?) Verwenden?

Das Problem, das Sie richtig identifiziert haben (gut für Sie!), Ist, dass das eingehende Signal kleine Spannungsschwankungen um 0 V aufweist, der Transistor jedoch etwa 0,6 V benötigt, um sich einzuschalten. Die Lösung besteht darin , den Transistor auf einen bestimmten Betriebspunkt vorzuspannen: Bereitstellen einer Basisspannung, die einen Einschaltgrad verursacht, der vorhanden ist, wenn kein Signal vorhanden ist. Dann wird das Signal auf den gleichen Spannungspegel verschoben, so dass es um diese Spannung anstatt um Null schwingt (oder was auch immer sein ursprünglicher Gleichstromversatz ist).

Bei Wechselstromsignalen ist diese Pegelverschiebung leicht durchzuführen. Wir verbinden die Wechselstromsignalquelle einfach nicht über einen Draht, sondern über einen Kondensator mit der Basis des Transistors. Der Kondensator blockiert Gleichstrom, durchläuft die Wechselspannungsschwankungen und überlagert sie der Spannung des Zielknotens.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

In dieser Schaltung ist der Sinuswellengenerator so konfiguriert, dass er eine Sinuswelle mit einer Amplitude von nur 0,1 mV erzeugt. Die positiven Spitzen dieser Welle bewirken jedoch, dass Spitzen von 1,5 mA Strom durch die LED fließen. Dies liegt daran, dass durch die von R1 und D1 eingerichtete Vorspannung eine Spannung erzeugt wird, die über R2 zur Basis von Q1 geleitet wird und den Betriebspunkt dieses Transistors so einstellt, dass er leicht eingeschaltet wird, kurz bevor er viel mehr ist eingeschaltet. Tatsächlich fließen laut Simulator bereits etwa 50 Mikroampere durch die LED, wenn kein Signal eingeht. Von diesem Betriebspunkt aus verursachen Spannungsschwankungen im Signal eine Reaktion im Transistor. (Warum eine Diode? Weil eine Diode einen ähnlichen Spannungsabfall aufweist wie der Basis-Emitter-Übergang eines Transistors des gleichen Typs, z. B. Silizium.)

Negative Schwankungen im Eingang werden ignoriert, und die durch die LED abgegebenen Spitzenstromblitze sind proportional zur Amplitude der positiven Schwankungen. Daher sollte die Helligkeit mit dem Signalpegel variieren. Die Widerstandswerte müssen basierend auf Ihrer LED angepasst werden.

Die Reaktion auf kleine Signale ist sehr empfindlich gegenüber R1, R2 und R3. Wenn beispielsweise R1 zu klein ist, schaltet VBIAS den Transistor mehr ein; kleine Signalschwankungen verursachen mehr LED-Strom als zuvor. R4 muss basierend auf der Versorgungsspannung, dem LED-Typ und dem gewünschten maximalen Strom, der ihm zugeführt werden soll, angepasst werden.

R3 ist nur 0,22 $\Omega$Das ist beabsichtigt: Das heißt, nur eine kleine Rückkopplung bereitzustellen, um den Betriebspunkt des Transistors gegen thermisches Durchgehen zu stabilisieren, ohne viel Stromverstärkung zu opfern, die die Schaltung weniger empfindlich machen würde. In einem reinen Ein / Aus-LED-Schaltkreis hätten wir nicht R3, aber hier halten wir den Transistor die ganze Zeit leicht eingeschaltet, mit einem leichten Ruhestrom, was die Gefahr eines thermischen Durchgehens mit sich bringt.

R5 schützt die Basis-Emitter-Diode von Q1 vor Strom, der vom Eingang angesteuert wird, da der Emitterwiderstand R3 nicht ausreicht.

Ein Problem mit der obigen Schaltung ist die kleine Eingangsimpedanz, die im Wesentlichen von R3 vorgegeben wird. Dies ist in Ordnung, um über einen Lautsprecher- oder Kopfhörerausgang angesteuert zu werden, aber es ist zu klein für Line-Level-Ausgänge, die etwas in der Nähe von 10K erwarten. Das Verhalten ist auch sehr nichtlinear. Eine Verdoppelung der Eingangsspitze von 0,1 V auf 0,2 V verdoppelt den LED-Strom viel mehr als. Das Verhalten folgt der nichtlinearen VBE-Kollektor-Stromkurve des Transistors. Mit diesen Änderungen können wir beide Probleme lösen:

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Der erste bemerkenswerte Unterschied ist ein viel größerer Emitterwiderstand R3, der viel mehr negative Rückkopplung liefert, um den Vorspannungspunkt zu stabilisieren. Das allein kostet uns viel Gewinn, aber wir können einen Teil davon zurückgewinnen, indem wir R3 mit einem Kondensator gegen Masse umgehen. R5 ist nicht mehr erforderlich. R2 erhöht sich, weil die ursprünglichen 2,7 K die neu erhöhte Impedanz der Basis beeinträchtigen würden. R1 wird leicht verringert, um VBIAS ein wenig zu erhöhen und einen gewissen Empfindlichkeitsverlust auszugleichen.

Gemäß der Simulation beträgt die Eingangsimpedanz etwa 8,3 K bei 1 kHz, was für den Leitungspegel angemessen ist, wenn wir nicht tatsächlich versuchen, den Frequenzgang des Audios beizubehalten, sondern nur eine LED anzünden. Sie fällt bei 10 kHz auf etwa 6,4 K ab.

Berechnung der Eingangsimpedanz aus der Simulation: Erhalten Sie eine grafische Darstellung des in C1 fließenden Stroms. Überprüfen Sie, ob dies mit der Eingangsspannung in Phase ist. Teilen Sie dann die Spitze-Spitze-Eingangsspannung durch den Spitze-Spitze-Strom.)

Sieht so aus, als würde Kurt es genauso sehen wie ich. AC / Audio-Triggerschaltung: -

V2 ist der Audioeingang.

Es kann dazu gebracht werden, eine kleinere Versorgung zu betreiben, aber ich denke, dass 3V3 die Grenze sein wird und dass es auch eine normale LED sein muss, die um 1,8V abfällt.

Eine höhere Versorgungsspannung (nicht mehr als 12 V) bedeutet, dass Sie eine LED mit höherer Leistung auslösen können.

Sie stellen sich den Transistor als digitalen Schalter vor. Sie denken, dass 0,2 Volt nicht ausreichen, um einen Transistor einzuschalten, der dazu 0,6 Volt benötigt. Ein Transistor sollte aber auch als analoges Gerät arbeiten. Solche Schaltungen "spannen" den Transistor vor, indem sie die Basisspannung in den "Einschalt" -Bereich aufstellen, und sie tun dies durch einen hohen Widerstand. Dann kann Ihr "kleines" Signal eingekoppelt werden und der Transistorausgang variiert. Der Ausgang wird verstärkt, und wenn dies nicht ausreicht, können Sie dies mit einer anderen Stufe erneut tun, bis das Signal groß genug ist, um die von Ihnen vorgesehene Aufgabe zu erfüllen.

Ein Op ist wieder nur ein (großer) Haufen Transistoren, die Dinge tun, wie ich sie gerade beschrieben habe.

Die von Andy gepostete Schaltung verwendet eine etwas schickere Stromquelle, die wiederum der von mir beschriebenen Spannung und dem hohen Widerstand entspricht, nur dass sie besser funktioniert (höherer Widerstand und Selbsteinstellung).