Стабилизация режима работы транзистора

Усилитель первого или второго вариантов (по схемам на рис. 174), смонтированный и налаженный в помещении, будет работать лучше, чем на улице, где он окажется под горячими лучами летнего солнца или зимой на морозе. Почему так получается? Потому, что, к сожалению, с повышением температуры режим работы транзистора нарушается. А первопричина тому неуправляемый обратный ток коллектора I_КБО и изменение статического коэффициента передачи тока h_21Э при изменении температуры.

В принципе ток I_КБО небольшой.

У низкочастотных германиевых транзисторов малой мощности, например, этот ток, измеренный при обратном напряжении на коллекторном р n переходе 5 В и температуре 20°С, не превышает 20 30 мкА, а у кремниевых транзисторов меньше 1 мкА. Но он значительно изменяется при воздействии температуры. С повышением температуры на 10°С ток 1кбо германиевого транзистора увеличивается примерно вдвое, а кремниевого транзистора в 2,5 раза. Если, например, при температуре 20°С ток I_КБО германиевого транзистора со

ставляет 10 мкА, то при повышении температуры до 60°С он возрастает примерно до 160 мкА.

Но ток I_КБО характеризует свойства

только коллекторного р n перехода. В реальных же рабочих условиях напряжение источника питания оказывается приложенным к двум р n переходам— коллекторному и эмиттерному. При этом обратный ток коллектора течет и через эмиттерный переход и как бы усиливает сам себя. В результате значение неуправляемого, изменяющегося под воздействием температуры тока увеличивается в несколько раз. А чем больше его доля в коллекторном токе, тем нестабильнее режим работы транзистора в различных температурных условиях. Увеличение коэффициента передачи тока h_21Э с температурой усиливает этот эффект.

Что же при этом происходит в каскаде, например, на транзисторе VI усилителя первого или второго вариантов? С повышением температуры общий ток коллекторной цепи увеличивается, вызывая все большее падение напряжения на нагрузочном резисторе R3 (см. рис. 174). Напряжение же между коллектором и эмиттером при этом уменьшается, что приводит к появлению искажений сигнала. При дальнейшем повышении температуры напряжение на коллекторе может стать столь малым, что транзистор вообще перестанет усиливать входной сигнал.

Уменьшение влияния температуры на ток коллектора возможно либо путем использования в аппаратуре, предназначенной для работы со значительными колебаниями температуры, транзисторов с очень малым током I_КБО например кремниевых, либо применением специальных мер, термостабилизирующих режим транзисторов.

Один из способов термостабилизации режима работы германиевого транзистора структуры p n р показан на схеме рис. 179, а. Здесь, как видишь, базовый резистор R_б подключен не к минусовому проводнику источника питания, а к коллектору транзистора. Что это дает? С повышением температуры возрастающий коллекторный ток увеличивает падение напряжения на нагрузке R_Н и уменьшает напряжение на коллекторе. А так как база соединена (через резистор R_б ) с коллектором, на ней тоже уменьшается отрицательное напряжение смещения, что в свою очередь уменьшает ток коллектора. Получается обратная связь между выходной и входной цепями каскада увеличивающийся коллекторный ток уменьшает напряжение на базе, что автоматически уменьшает коллекторный ток. Происходит стабилизация заданного режима работы транзистора.

Но во время работы транзистора между его коллектором и базой через тот же резистор R_б возникает отрицательная обратная связь по переменному току, что снижает общее усиление каскада. Таким образом, стабильность режима транзистора достигается ценой проигрыша в усилении. Жаль, но приходится идти на эти потери, чтобы при изменении температуры транзистора сохранить нормальную работу усилителя.

Существует, однако, способ стабилизации режима работы транзистора с несколько меньшими потерями в усилении, но достигается это усложнением каскада. Схема такого усилителя показана на рис. 179,6. Режим покоя транзистора по постоянному току и напряжению остается тот же: ток коллекторной цепи равен 0,8 1 мА, отрицательное напряжение смещения на базе относительно эмиттера равно 0,1 В . (1,5 — 1,4 = = 0,1 В). Но режим устанавливается с помощью двух дополнительных резисторов: R_б2 и R_Э Резисторы R_б1 и R_б2 образуют делитель, с помощью которого на базе поддерживается устойчивое напряжение. Эмиттерный резистор R_Э является элементом термостабилизации. Термостабилизация режима транзистора происходит следующим образом. По мере возрастания коллекторного тока под действием тепла падение напряжения на резисторе R_Э увеличивается. При этом разность напряжений между базой и эмиттером уменьшается, что автоматически снижает коллекторный ток. Получается такая же обратная связь, только теперь между эмиттером и базой, благодаря которой режим транзистора стабилизируется.

Прикрой бумагой или пальцем конденсатор СR_Э подключенный параллельно резистору R_Э и, следовательно, шунтирующий его. Что теперь напоминает тебе эта схема? Каскад с транзистором, включенным по схеме ОК (эмиттерный повторитель). Значит, при работе транзистора, когда на резисторе R_Э происходит падение напряжения не только постоянной, но и переменной составляющих, между эмиттером и базой возникает 100%-ная отрицательная обратная связь по переменному напряжению, при которой усиление каскада меньше единицы. Но так может случиться лишь тогда, когда не будет конденсатора С_Э Этот конденсатор создает параллельный путь, по которому, минуя резистор R_Э идет переменная составляющая коллекторного тока, пульсирующего с частотой усиливаемого сигнала, и отрицательная обратная связь не возникает. Емкость этого конденсатора должна быть такой, чтобы не оказывать сколько-нибудь заметного сопротивления самым низшим частотам усиливаемого сигнала. В каскаде усиления звуковой частоты этому требованию может отвечать электролитический конденсатор емкостью 10 20 мкФ.

Усилитель с такой системой стабилизации режима транзистора практически не чувствителен к колебаниям температуры и, кроме того, что не менее важно, к смене транзисторов.

Во всех ли случаях именно так следует стабилизировать режим работы транзистора? Нет, конечно. Ведь все зависит от того, для какой цели предназначается усилитель. Если усилитель будет работать только в домашних условиях, где перепад температур незначительный, жесткая термостабилизация не обязательна. А если ты собираешься строить усилитель или приемник, который бы устойчиво работал и дома, и на улице, то, конечно, надо стабилизировать режим транзисторов, даже если устройство придется усложнять дополнительными деталями.