Термостабилизация работы транзистора

Когда говорят о термостабилизации, имеют в виду те или иные технические средства, способствующие повышению стабильности (устойчивости) режима работы транзисторов при изменении температуры.

На прошедших практикумах мы не уделяли должного внимания термостабилизации, так как все. опыты проводили в условиях комнатной температуры, незначительные колебания которой не сказывались на работе транзисторов. Но попробуй искусственно изменять температуру транзистора в сравнительно широких пределах, например от 0 до 50...70 °С. Как при таких температурных условиях станет работать транзистор?

По схеме, показанной на рис. 72, смонтируй простейший однокаскадный усилитель НЧ. В усилителе можно использовать любой маломощный низкочастотный транзистор (МП39...МП42) с коэффициентом R2i3 30...50. Соедини его с другими деталями усилителя с помощью гибких изолированных проводников длиной по 15...20 см. В коллекторную цепь транзистора включи миллиамперметр PAL Источником питания могут быть батарея или выпрямитель с выходным напряжением 4,5...9 В. Резистор R1, с помощью которого на базу транзистора подается отрицательное напряжение смещения, подбери таким, чтобы коллекторный ток покоя (при отсутствии входного сигнала) был точно равен ГмА. Это наиболее приемлемый режим работы транзистора по постоянному току. К участку эмиттер — коллектор подключи вольтметр постоянного тока PU2 (с относительным входным сопротивлением не менее 5 кОм/В), чтобы можно было следить за изменениями напряжения между этими электродами транзистора. В исходном состоянии вольтметр должен Показывать примерно.половину напряжения источника питания.

Источником низкочастотного сигнала может быть радиотрансляционная сеть, к которой усилитель подключай через делитель напряжения, составленный из резисторов R3 и R4-. Сопротивление резистора R3 подбери таким, чтобы высокоомные телефоны, подключенные к выходу усилителя через конденсатор С2, звучали со средней громкостью.

Теперь зажми транзистор между пальцами, чтобы нагреть его до температуры тела (около 36 °С), и внимательно следи за стрелками измерительных приборов. Что получается? Да, даже при таком незначительном нагреве транзистора (на. 12...15 °С) коллекторный ток, хотя и немного, но все же увеличился, а напряжение на коллекторе (относительно эмиттера) уменьшилось.

Для следующих опытов потребуются лед, например из холодильника, горячая вода и термометр, которым можно измерить температуру воды от 0 до 60..70°C. Слушая радиопередачу, опусти транзистор в баночку со льдом (рис. 72, а). По мере охлаждения транзистора его коллекторный ток станет уменьшаться (примерно до 0,5...0,7 мА), а напряжение на коллекторе увеличиваться. Изменений качества и громкости звука в телефонах уловить не удается, таи мак они незначительны.

Запиши минимальное значение коллекторного тона и максимальное напряжение на коллекторе, а затем корпус транзистора опусти в воду, нагретую до 50...60°C (рис. 72, б). Теперь, по мере нагрева транзистора, коллекторный ток станет увеличиваться, а напряжение на коллекторе уменьшаться. При этом звук в телефонах начнет искажаться, а громкость падать. Когда коллекторный ток достигнет наибольшего значения (1,6...1,8 мА), звук в телефонах может вообще исчезнуть.

Извлеки транзистор из горячей воды. Через несколько минут он остынет, ток покоя коллекторной цепи уменьшится до первоначального значения (1 мА) и к усилителю вернется его прежняя работоспособность.

Чем объясняются такие колебания коллекторного тока, нарушающие нормальную работу усилителя? Влиянием температуры транзистора на его режим работы.

Ты знаешь, что одним из основных параметров транзистора является обратный ток коллектора Iко, текущий через коллекторный р-n переход в непропускном направлении и совпадающий ho направлению с коллекторным током. Чтобы его измерить, надо положительный полюс источника питания соединить с вазой, отрицательный — с коллектором, а в образовавшуюся цепь включить микроамперметр (рис, 73).

Ток Iко по своей природе подобен обратному току диода и зависит в основном от качества коллекторного р-n перехода. Это неуправляемый ток. Он-то и является первопричиной нестабильности режима работы транзистора при изменении окружающей температуры.

Сам по себе ток Iкo — величина небольшая. У низкочастотных германиевых транзисторов малой мощности, например, этот ток, измеренный при обратном напряжении 5 В и температуре 20 °С, не превышает 20...30 мкА, а у кремниевых транзисторов он не более 1 мкА. Неприятность же заключается в том, что он изменяется при воздействии температуры. С повышением температуры на 10°С ток Iка германиевого транзистора увеличивается примерно вдвое, а кремниевого транзистора — в 2,5 раза, ЕСЛи, например, при температуре 20 °С ток Iко германиевого транзистора составляет 10 мкА, то при повышении температуры до 60°С он может возрасти до 150...160 мкA.

Toк IКО характеризует свойства только коллекторного p-n перехода. В реальных же рабачих условиях напряжение источника питания оказывается приложенным не к одному, а к двум р-n переходам. При этом обратный ток коллектора течет и через эмиттерный переход и itaif бы усиливает сам себя, В результата значение неуправляемого, но самопроизвольно изменяющегося под воздействием, темпералгуры тока увеличивается, в несколыю раз. А чем больше его доля а коллекторном токе, тем нестабильнее режим работы транзистора в различных температурных услориях.

Что же происходило с транзистором первого опытного усилителя НЧ (рис, 72)? G повышением температуры общий ток коллекторной цепи увеличился, вызывая все большее падение напряжения на нагрузочном резисторе R2. Напряжение же между коллектором и. эмиттером при атом уменьшилось, что привело к появлению искажений звука. При дальнейшем повышении температуры напряжение на коя лекторе стало столь малым, что транзистор вообще перестал усиливать входной сигнал.

И все же германиевые транзисторы могут нормально работать при температуре окружающей среды от — 60 до +70°С, а кремниевые — от — 60 до +120°С. Уменьшение влияния темлературы на ток коллектора возможно либо путем использования т аппаратуре, предназначенной для работы со значительными колебаниями температуры, транзисторов с очень малым током Iко, либо применением специальных мер, термостабилизирующих режим работы транзисторов.

В связи с этим проделай следующий опыт (рис. 74). Базовый резистор R1 включи между базой и коллектором. Его сопротивление должно быть таким, чтобы коллекторный ток покоя, как и в первом опыте, был 1 мА.

Погрузи корпус транзистора в лед, а через две...три минуты — в воду, нагретую до температуры 50...60°С. Как теперь изменяется коллекторный ток транзистора? Значительно меньше, чем в первом опыте. Попробуй довести температуру воды до 80...90°С. Транзистор сохранит работоспособность, хотя, возможно, появятся небольшие искажения звука.

Что изменилось при таком включении базового резистора? Оставаясь элементом, через который на базу транзистора подаётся отрицательное напряжение смещения (0,1...0,2 В), он в то же время образовал между коллектором и базой цепь отрицательной обратной связи по постоянному и переменному току, что несколько снизило усиление, но улучшило качество работы усилителя. Обратная связь действует следующим образом. При нагревании транзистора коллекторный ток увеличивается, а напряжение на коллекторе уменьшается. Одновременно уменьшается и отрицательное напряжение смещения на базе транзистора, что влечет за собой уменьшение коллекторного тока. Таким образом, за счет автоматического воздействия коллекторного тока на ток базы и тока базы на ток коллектора режим работы транзистора стабилизируется.

Теперь рассмотри схему .усилителя, показанную на рис. 75. Здесь резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения источника питания Uпит, с которого на базу транзистора подается фиксированное напряжение смещения. В цепь эмиттера включен резистор R4, создающий отрицательную обратную связь по постоянному и переменному току. Чтобы устранить обратную связь по переменному току, сильно снижающую усиление каскада, эмиттерный резистор шунтируют конденсатором (на рис. 80 показан штриховыми линиями). При таком способе включения транзистора на его базе относительно эмиттера должно быть отрицательное напряжение, равное минус 0,1...0,2 В, что обеспечивает транзистору нормальную работу в режиме усиления.

Как в этом случае термо-стабилизируется работа усилителя? Увеличение коллекторного тока, вызываемое повышением температуры транзистора, сопровождается увеличением падения напряжения на резисторе R4, а значит, и увеличением напряжения на эмиттере. При этом напряжение между базой И эмиттером уменьшается, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора.

Повтори опыт с изменением температуры транзистора такого усилителя. Сравни изменения коллекторного тока и качество работы с результатами первых двух опытов. Преимущество окажется на стороне третьего варианта усилителя. Да, такой способ термостабилизации режима работы транзистора является наиболее эффективным.

Какие практические выводы позволяют сделать проведенные опыты? Первый опытный усилитель (см. рис. 72) самый нестабильный. Такое включение транзисторов можно использовать для аппаратуры, работающей при небольших колебаниях температуры. А вот если приемник или усилитель предполагается эксплуатировать в различных температурных условиях, транзисторы следует включать вторым (рис. 74) или третьим (рис. 75) способами.

Второй способ хорош простотой, но при нем снижается усиление сигнала. Третий способ требует дополнительных деталей, зато дает лучший эффект термостабилизации и не снижает усиление. Он, кроме того, позволяет производить замену транзисторов без дополнительного подбора деталей, определяющих их режим работы.

Эти выводы, которые относятся и к каскадам усиления колебаний высокой частоты, ты сможешь проверить опытным путем на тех усилителях или приемниках, которые конструируешь или собираешься конструировать.

Подобные опыты можно провести и с транзисторами структуры n-р-n, например, серий МП35...МП38, КТ315.

Надо только изменить полярность включения источника питания на обратную. В зависимости от значений томов Iко и статических коэффициентов передачи ток» используемых транзисторов изменения коллекторных токов могут быть больше или меньше, но общие результаты окажутся примерно такими же.

Литература:  Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

0 3468 Для начинающих
транзистор начинающим
pcbway
х (мм)
Получи купон на $5.00!
Написать комментарий:

cashback