電路創意/57a小組
向所有電路愛好者、夢想家以及對電氣工程一無所知的人致以問候。如果您是第三種類型，請不要費心，因為，作為梅奇科夫先生（又名“電路幻想家”，又名本頁的發起人）的門徒，我們已經瞭解到，複雜的數學、公式和令人困惑的圖表只會使事情變得更糟（如果可能的話）。因此，我們要做的是將我們在課程中學到的經驗透過簡單的圖片和基本的邏輯解釋呈現出來，並儘可能減少數字的使用。乾杯：57gr.團隊
今天的工作，雖然乍一看可能很簡單，但包含了一些關於將數字和類比電路創意整合在一起的有趣且巧妙的技術。指示器的基本原理在下圖中簡單地說明。
我們首先構建一個由兩個12V電源組成的雙極性電源（我們也將在未來的專案中使用）。我們添加了兩個電阻，考慮到每個LED的半導體特性，具體取決於其顏色（綠色2.1-2.2V；紅色1.6-1.7V工作電壓）。下一步將是找到一種有效且簡單的方法來輕鬆地在LED支路之間切換電流。這裡有一個來自ECL電路的想法，稱為**電流轉向**。白板上顯示的簡單開關電流轉向的想法如左側照片所示。
整個電源模組，包括LED的V-A特性和ECL電流轉向原理，隨後顯示。
下一步是用雙極性電晶體替換這些簡單的開關。為了滿足我們的需求，它們應該是不同型別的，一個PNP，另一個NPN。然後我們將電晶體基極連線在一起，然後連線到輸入訊號 - 因此一個將在訊號的負側工作（PNP），另一個在正側工作（NPN）。對於輸入，我們將使用一個作為電位器的可變電阻。電位器上的中間點顯示為0V，因此稱為**虛擬地**。我們的電路也將是互補的 - 由兩個相反的部分（負極和正極）組成。當輸入電壓升至高於0.6-0.7V的水平時，它會啟用其中一個BJT（取決於極性），並且電流流過集電極-發射極結。這會啟用相應的LED，並使綠色熄滅，因為其電壓已降至1.7V。
我們的下一個任務是正確放置電晶體和兩個紅色LED。在嘗試了各種配置後，我們設法發現了最終電路白板圖中所示的最佳方法。當BJT的輸入沒有訊號時，綠色LED亮起，因此從電壓源和兩個電阻接收電流。當輸入電壓升至高於0.6-0.7V的水平時，它會啟用其中一個BJT（取決於極性），並且電流流過集電極-發射極結。這會啟用相應的LED，並使綠色熄滅，因為其電壓已降至1.7V。
在兩種不同的情況下，其中一個電晶體將相應的紅色LED與綠色LED並聯連線，同時縮短另一個紅色LED。這種簡單但有效方法的另一個好處是輸出和輸入電壓的較大容差。它也非常靈活，因為零指示器（綠色LED）可以透過調整限流電阻（R1、R2）來轉換為指示各種電壓水平。
在瞭解了電路的最終想法和結構之後，是時候在PCB上使用真實的元件來實現它了。
**另請參閱** 3-LED電壓指示器（發明家的故事）
好吧，這可能是連線BJT最熟悉的方法之一，以其電壓放大能力而聞名。今天，我們將更深入地研究這個著名的電路，並實際研究其特性。事實上，考慮到能量的本質，“放大”一詞有點誤導，因此更準確的方法是將該過程描述為“調節”能量。當我們將這樣的“調節”裝置（如電晶體）放置在恆定能源的路徑上時，它就像一個吸收和轉換能量的電阻，從而使該電源不再恆定，而是受控的。因此，我們可以將此類裝置稱為“電子調節電阻”。
我們將從構建使用n-p-n BJT電晶體的最簡單電路開始。發射極將接地，基極將充當控制輸入。然後，我們可以從此推匯出所有靜態特性等等。為了進行實際研究，我們將嘗試將BJT連線到雙極性電源。透過這樣做，我們再次觀察到中間的“虛擬地”現象。這類似於所謂的“推輓輸出”，但只使用一個電晶體。正如您在圖片中看到的，我們使用了DAC的輸入作為源，並且在跟蹤基極電流路徑時遇到了一些麻煩。
當我們試圖弄清楚這個看起來有點奇怪的電路的應用時（有些人可能認為發射極是共用的，但實際上集電極連線到電源軌），我們偶然發現了有源跟隨的概念。為了實現電壓的簡單重複（或跟隨），我們可以嘗試使用一根簡單的導線。但很快我們會意識到這不是一個可行的方案，因為一部分電壓會因導體的內阻而損失。所以我們必須找到另一種方法。幸運的是，Mechkov 先生有一些來自現實生活的鼓舞人心的例子與我們分享。例如，我們每天都能看到——汽車駕駛員控制汽車速度，聲音因周圍環境而變化。我們能想到的所有例子都有一個共同點——那就是有源跟隨。這在框圖中進行了說明。透過分析，我們發現這就是負反饋的原理。在我們的例子中，比較器件將由基極-發射極結充當，調節器件將由集電極-發射極充當。然後電晶體將比較輸出發射極電壓與輸入電壓，並使兩者相等。
運放（operational amplifier 的縮寫）是許多有用電路的關鍵元件。眾所周知，它具有強大的放大能力，放大倍數很容易達到 200000 或更高。有了這一點，我們可以將其功能描述為基於“冗餘”。我們今天的一個任務是將這個巨大的放大倍數縮小到僅僅 1（跟隨器）。這個任務起初可能看起來毫無用處，就像著名的哈羅德·布萊克（Harold Black）做出他的發現（負反饋）時所認為的那樣，而這個發現後來對現代工程產生了巨大的影響。
讓我們開始對運放的基本理解。我們看到它有兩個輸入——反相輸入和同相輸入。這兩種型別根據我們的目的使用——使用負反饋或正反饋。除此之外，我們還有雙極性電源。如果我們連線兩個 12V 電池和一個負載來使圖片完整，我們就會得到之前遇到的類似對稱電路。它類似於橋式電路。下一步將是完成電路，將兩個電池連線到差分輸入。最終的變體可以在下面的圖片中看到，說明了輸入和輸出電壓。運放的輸入非常靈敏，因此它們之間非常小的變化會導致輸出飽和。
對於我們的下一個任務，我們必須構建有源電壓跟隨器並以某種有效的方式使用它。我們從構建一個簡單的分壓器開始。如果我們在輸出端連線一個電壓表，我們會注意到由於電壓表的內阻，所需的電壓低於預期。整個電路就像一個實際的電壓源。為了使它理想化，我們需要透過 100% 的負反饋進行補償。在之前的實驗中，電晶體在補償方法中扮演著這個角色。它既充當比較器件又充當調節器件。現在我們將用運放替換它。最終電路可以在右側看到。
現在讓我們轉向我們的下一個任務——壓控電感的有趣概念。根據定義，壓控電感用於將負載電容轉換為電感。這非常有用，因為笨重的線圈可以用包含電容器、運算放大器或電晶體以及電阻的更小的元件替換。我們將從頭開始構建一個簡單的 RC 和 RL 電路，並分析這兩個圖，這兩個圖表示 C 和 L 的電壓和電流在時域中的變化。我們注意到 RC 電路中電阻上的電壓降表示另一個電路中電感元件上的電壓降。在發現這種依賴關係後，我們將不得不找到一種實現它的方法。
我們從構建一個 RC 電路開始。為了複製模擬電感元件的電阻上的電壓降，我們使用另一個電源，如圖片所示。接下來，我們必須找到一種複製流過電容器的電流的方法。為此，我們關注另一條分支並連線一個電阻 Rl。它上的電壓降等效於電容器上的電壓降。所需的電流等於 Vc/Rl。現在草圖再次出現，類似於熟悉的東西——平衡橋。下一步將是將我們上面討論過的電壓跟隨器整合到電路中。現在，運放和電阻 Rl 的組合表現得像電感元件。
我們沒有時間在 PCB 上進行實際實施，而是開始了一個關於下面電路中是否存在正反饋迴路的有趣討論。事實上，這種迴路確實存在，為了穩定，這個反饋的比例必須小於 1。
在上一實驗中構建了電壓跟隨器後，現在是時候將放大倍數提高到例如 10。10 指的是嚴格的 10，沒有明顯的偏差。為了理解這個原理，我們討論了一些涉及這種機制的現實生活中的例子（例如汽車駕駛員和加速踏板）。我們得出的結論是，在克服某種干擾或障礙的過程中，跟隨器變成了放大器。因此，我們現在的目的是將這種恆定的障礙物從輸出端放置到比較器件的輸入端。首先，我們嘗試只使用一個簡單的電阻，但它不起作用，因為由於運放的高輸入阻抗，它上面不會有任何電壓降。所以我們將使用另一個眾所周知的電路——分壓器。因此，我們選擇電阻相等並管理 0.5 的比例。透過這種有趣的方式，我們實際上透過衰減構建了一個放大器，並選擇對該衰減的反應作為輸出。
為了發明反相放大器，我們將回到哈羅德·布萊克偶然遇到相同問題的年代。他身邊沒有任何帶有差分輸入的運放。所以我們將使用單輸入器件。根據下面的電路，我們試圖找到一種將兩個電池的電壓相加的方法。我們不能串聯地將它們相加，但並聯地將它們相加會導致問題，因此我們將連線兩個電阻來緩解衝突。這種連線方式很好地說明了疊加原理，實際上我們製造了一個帶權重因子的加法器（電子秤）。在得到這個加法器後，我們將輸出連線到運放的反相輸入。如果我們使用帶有差分輸入的運放，我們將同相輸入連線到地。為了使我們的加法器工作，輸入和輸出電壓必須具有不同的極性。因此，我們反轉輸出電壓，然後得到一個反相器。為了使其放大，我們將電阻 R2 設定為比 R1 大得多，就像一對天平一樣。如果比例相反，我們將得到一個反相衰減器。我們還看到，運放的反相輸入似乎為“0”或所謂的“虛地”，並且我們看到電點陣圖圍繞這一點“振盪”。該電路的另一個好處是它消耗電源的能量，而不是輸入的能量。