Термостабілізація роботи транзистора

Коли говорять про термостабілізації, мають на увазі ті чи інші технічні засоби, що сприяють підвищенню стабільності (стійкості) режиму роботи транзисторів при зміні температури.

На минулих практикумах ми не приділяли належної уваги термостабілізації, так як всі. досліди проводили в умовах кімнатної температури, незначні коливання якої не позначалися на роботі транзисторів. Але спробуй штучно змінювати температуру транзистора в порівняно широких межах, наприклад від 0 до 50. 70 ° С. Як при таких температурних умовах стане працювати транзистор?

За схемою, показаної на рис. 72, змонтуй найпростіший однокаскадний підсилювач НЧ. В підсилювачі можна використовувати будь-який малопотужний низькочастотний транзистор (МП39. МП42) з коефіцієнтом R2i3 30. 50. З'єднай його з іншими деталями підсилювача за допомогою гнучких ізольованих провідників довжиною по 15. 20 см. У колекторний ланцюг транзистора включи міліамперметр PAL Джерелом живлення можуть бути батарея або випрямляч з вихідною напругою 4,5. 9 В. Резистор R1, за допомогою якого на базу транзистора подається негативна напруга зсуву, підбери таким, щоб колекторний струм спокою (при відсутності вхідного сигналу) був точно дорівнює ДМА. Це найбільш прийнятний режим роботи транзистора по постійному струму. До ділянки емітер - колектор підключи вольтметр постійного струму PU2 (з відносним вхідним опором не менше 5 кОм / В), щоб можна було стежити за змінами напруги між цими електродами транзистора. У початковому стані вольтметр повинен Показувати прімерно.половіну напруги джерела живлення.

Тепер затисніть транзистор між пальцями, щоб нагріти його до температури тіла (близько 36 ° С), і уважно слідкуй за стрілками вимірювальних приладів. Що виходить? Так, навіть при такому незначному нагріванні транзистора (на. 12. 15 ° С) колекторний струм, хоча і трохи, але все ж збільшився, а напруга на колекторі (щодо емітера) зменшилася.

Витягни транзистор з гарячої води. Через кілька хвилин він охолоне, струм спокою колекторної ланцюга зменшиться до початкового значення (1 мА) і до підсилювача повернеться його колишня працездатність.

Чим пояснюються такі коливання колекторного струму, що порушують нормальну роботу підсилювача? Впливом температури транзистора на його режим роботи.

Ти знаєш, що одним з основних параметрів транзистора є зворотний струм колектора Iко, поточний через колекторний р-n перехід в непропускном напрямку і співпадає ho напрямку з колекторним струмом. Щоб його виміряти, треба позитивний полюс джерела живлення з'єднати з вазою, негативний - з колектором, а в утворену ланцюг включити мікроамперметр (рис, 73).

Струм Iко за своєю природою подібний до зворотному току діода і залежить в основному від якості колекторного р-n переходу. Це некерований струм. Саме він і є першопричиною нестабільності режиму роботи транзистора при зміні навколишньої температури.

Сам по собі ток Iкo - величина невелика. У низькочастотних германієвих транзисторів малої потужності, наприклад, цей струм, який вимірюється при зворотній напрузі 5 В і температурі 20 ° С, не перевищує 20. 30 мкА, а у кремнієвих транзисторів він не більше 1 мкА. Неприємність ж полягає в тому, що він змінюється при впливі температури. З підвищенням температури на 10 ° С струм Iка германієвого транзистора збільшується приблизно вдвічі, а кремнієвого транзистора - в 2,5 рази, якщо, наприклад, при температурі 20 ° С струм Ікс германієвого транзистора становить 10 мкА, то при підвищенні температури до 60 ° С він може зрости до 150. 160 мкA.

Toк IКО характеризує властивості тільки колекторного p-n переходу. В реальних же рабачіх умовах напруга джерела живлення виявляється прикладеним не до одного, а до двох р-n переходах. При цьому зворотний струм колектора тече і через емітерний перехід і itaif б підсилює сам себе, В результату значення некерованого, але мимоволі змінюється під впливом, темпералгури струму збільшується, в несколию раз. А чим більше його частка а коллекторном струмі, тим нестабільнішою режим роботи транзистора в різних температурних услоріях.

Що ж відбувалося з транзистором першого дослідного підсилювача НЧ (рис, 72)? G підвищенням температури загальний струм колекторної ланцюга збільшився, викликаючи все більше падіння напруги на навантажувальними резисторами R2. Напруга ж між колектором і. емітером при атом зменшилася, що призвело до появи спотворень звуку. При подальшому підвищенні температури напруга на Коя лектора стало настільки малим, що транзистор взагалі перестав підсилювати вхідний сигнал.

І все ж германієві транзистори можуть нормально працювати при температурі навколишнього середовища від - 60 до + 70 ° С, а кремнієві - від - 60 до + 120 ° С. Зменшення впливу темлератури на струм колектора можливе або шляхом використання т апаратурі, призначеної для роботи зі значними коливаннями температури, транзисторів з дуже малим струмом Iко, або застосуванням спеціальних заходів, термостабілізірующей режим роботи транзисторів.

У зв'язку з цим виконай наступний досвід (рис. 74). Базовий резистор R1 включи між базою і колектором. Його опір має бути таким, щоб колекторний струм спокою, як і в першому досвіді, був 1 мА.

Занур корпус транзистора в лід, а через дві. три хвилини - в воду, нагріту до температури 50. 60 ° С. Як тепер змінюється колекторний струм транзистора? Значно менше, ніж в першому досвіді. Спробуй довести температуру води до 80. 90 ° С. Транзистор збереже працездатність, хоча, можливо, з'являться невеликі спотворення звуку.

Що змінилося при такому включенні базового резистора? Залишаючись елементом, через який на базу транзистора подається негативна напруга зсуву (0,1. 0,2 В), він в той же час утворив між колектором і базою ланцюг негативного зворотного зв'язку по постійному і змінному струму, що трохи знизило посилення, але поліпшило якість роботи підсилювача. Зворотній зв'язок діє таким чином. При нагріванні транзистора колекторний струм збільшується, а напруга на колекторі зменшується. Одночасно зменшується і негативне напруга зсуву на базі транзистора, що тягне за собою зменшення колекторного струму. Таким чином, за рахунок автоматичного впливу колекторного струму на струм бази і струму бази на струм колектора режим роботи транзистора стабілізується.

Тепер розглянемо схему .усілітеля, показану на рис. 75. Тут резистори R1 і R2 утворюють дільник напруги джерела живлення Uпит, з якого на базу транзистора подається фіксований напруга зсуву. У ланцюг емітера включений резистор R4, що створює негативний зворотний зв'язок по постійному і змінному струму. Щоб усунути зворотний зв'язок по змінному струмі, сильно знижує посилення каскаду, емітерний резистор шунтируют конденсатором (на рис. 80 показаний штриховими лініями). При такому способі включення транзистора на його базі щодо емітера має бути негативна напруга, рівне мінус 0,1. 0,2 В, що забезпечує транзистору нормальну роботу в режимі посилення.

Як в цьому випадку термо-стабілізується робота підсилювача? Збільшення колекторного струму, що викликається підвищенням температури транзистора, супроводжується збільшенням падіння напруги на резисторі R4, а значить, і збільшенням напруги на емітер. При цьому напруга між базою І емітером зменшується, а це, в свою чергу, призводить до зменшення колекторного струму транзистора.

Повтори досвід зі зміною температури транзистора такого підсилювача. Порівняй зміни колекторного струму і якість роботи з результатами перших двох дослідів. Перевага виявиться на стороні третього варіанту підсилювача. Так, такий спосіб термостабілізації режиму роботи транзистора є найбільш ефективним.

Які практичні висновки дозволяють зробити проведені досліди? Перший дослідний підсилювач (див. Рис. 72) найстабільніший. Таке включення транзисторів можна використовувати для апаратури, яка працює при невеликих коливаннях температури. А ось якщо приймач або підсилювач передбачається експлуатувати в різних температурних умовах, транзистори слід включати другим (рис. 74) або третім (рис. 75) способами.

Другий спосіб хороший простотою, але при ньому знижується посилення сигналу. Третій спосіб вимагає додаткових деталей, зате дає кращий ефект термостабілізації і не знижує посилення. Він, крім того, дозволяє проводити заміну транзисторів без додаткового підбору деталей, що визначають їх режим роботи.

Ці висновки, які відносяться і до каскадів посилення коливань високої частоти, ти зможеш перевірити дослідним шляхом на тих підсилювачах або приймачах, які конструіруешь або збираєшся конструювати.

Аналогічний досвід можна провести і з транзисторами структури n-р-n, наприклад, серій МП35. МП38, КТ315.

Треба тільки змінити полярність включення джерела живлення на зворотну. Залежно від значень томів Iко і статичних коефіцієнтів передачі ток »використовуваних транзисторів зміни колекторних струмів можуть бути більше або менше, але загальні результати виявляться приблизно такими ж.

Література: Борисов В. Г. Практикум початківця радіолюбітеля.2-е изд. перераб. і доп. - М. ДОСААФ, 1984. 144 с. мул. 55К.