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

Das Problem, das Sie richtig identifiziert haben (gut für Sie!), Besteht darin, 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 Arbeitspunkt vorzuspannen : Bereitstellen einer Basisspannung, die einen Einschaltgrad bewirkt, der vorhanden ist, wenn kein Signal vorhanden ist. Dann wird das Signal auf denselben Spannungspegel verschoben, sodass es eher um diese Spannung als um Null schwingt (oder was auch immer sein ursprünglicher DC-Offset ist).

Für AC-Signale ist diese Pegelverschiebung leicht zu bewerkstelligen. Wir verbinden die AC-Signalquelle einfach nicht über einen Draht, sondern über einen Kondensator mit der Basis des Transistors. Der Kondensator blockiert den Gleichstrom, leitet die Wechselspannungsschwankungen durch und überlagert sie der Spannung des Zielknotens.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

In dieser Schaltung ist der Sinusgenerator so konfiguriert, dass er eine Sinuswelle mit einer Amplitude von nur 0,1 mV erzeugt. Die positiven Spitzen dieser Welle bewirken jedoch, dass Stromspitzen von 1,5 mA durch die LED fließen. Dies liegt an der von R1 und D1 eingestellten Vorspannung, die eine Spannung erzeugt, die, über R2 an die Basis von Q1 übermittelt, den Arbeitspunkt dieses Transistors so einrichtet, dass er leicht eingeschaltet ist, kurz davor, viel mehr zu sein eingeschaltet. Tatsächlich fließen laut Simulator bereits etwa 50 Mikroampere durch die LED, wenn kein Signal anliegt. Ab diesem Arbeitspunkt führen also alle Spannungsschwankungen im Signal zu einer Reaktion im Transistor. (Warum eine Diode? Weil eine Diode einen ähnlichen Spannungsabfall hat wie der Basis-Emitter-Übergang eines Transistors des gleichen Typs, z. B. Silizium.)

Negative Schwankungen im Eingang werden ignoriert, und die Blitze des Spitzenstroms, die durch die LED geleitet werden, sind proportional zur Amplitude der positiven Schwankungen, sodass sie in der Helligkeit mit dem Signalpegel variieren sollten. Die Widerstandswerte müssen basierend auf Ihrer LED angepasst werden.

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

R3 ist nur 0,22$\Omega$Dies ist beabsichtigt: Das heißt, nur eine kleine Rückkopplung bereitzustellen, um den Arbeitspunkt 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 kein R3, aber hier halten wir den Transistor die ganze Zeit leicht eingeschaltet, mit einem leichten Ruhestrom, was das Risiko eines thermischen Durchgehens mit sich bringt.

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

Ein Problem bei der obigen Schaltung ist die kleine Eingangsimpedanz, die im Wesentlichen von R3 bestimmt wird. Dies ist in Ordnung, um von einem Lautsprecher- oder Kopfhörerausgang angesteuert zu werden, aber es ist zu klein für Line-Pegel-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 um mehr als das Doppelte. Das Verhalten folgt der nichtlinearen VBE-Kollektorstrom-Kurve des Transistors. Wir können beide Probleme mit diesen Änderungen angehen:

^{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. An sich kostet uns das viel Gewinn, aber wir können etwas davon zurückgewinnen, indem wir R3 mit einem Kondensator gegen Masse umgehen. R5 ist nicht mehr notwendig. R2 erhöht sich, weil die ursprünglichen 2,7 K von der neu erhöhten Impedanz der Basis ablenken würden. R1 wird leicht verringert, um VBIAS ein wenig zu verstärken, um einen gewissen Empfindlichkeitsverlust auszugleichen.

Laut der Simulation beträgt die Eingangsimpedanz etwa 8,3 K bei 1 kHz, was für Line-Pegel angemessen ist, wenn wir nicht wirklich versuchen, den Frequenzgang des Audios zu erhalten, sondern nur eine LED zum Leuchten bringen. Bei 10 kHz fällt er auf etwa 6,4 K ab.

Berechnen der Eingangsimpedanz aus der Simulation: Erstellen Sie ein Diagramm des Stroms, der in C1 fließt. Überprüfen Sie, ob dieser mit der Eingangsspannung in Phase ist. Teilen Sie dann die Spitze-zu-Spitze-Eingangsspannung durch den Spitze-zu-Spitze-Strom.)

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

V2 ist der Audioeingang.

Es kann so gemacht werden, dass es mit einer kleineren Versorgung läuft, aber ich denke, 3V3 wird die Grenze sein und es muss auch eine normale LED sein, die etwa 1,8 V 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. Aber ein Transistor sollte auch als analoges Gerät funktionieren. Solche Schaltungen "spannen" den Transistor vor, indem sie die Basisspannung in den "Einschalt"-Bereich einstellen, und sie tun dies durch einen hohen Widerstand. Dann kann Ihr "kleines" Signal eingekoppelt werden und bewirkt, dass der Transistorausgang variiert. Der Ausgang wird verstärkt, und wenn das nicht ausreicht, können Sie dies mit einer anderen Stufe wiederholen, bis das Signal groß genug ist, um die Aufgabe zu erfüllen, die Sie sich vorgenommen haben.

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

Die von Andy gepostete Schaltung verwendet eine etwas schickere Stromquelle, die wiederum wie die von mir beschriebene Spannung und der hohe Widerstand ist, nur dass sie besser funktioniert (höherer Widerstand und Selbstanpassung).