Схемы включения и режимы работы транзистора

Твоим самым первым радиотехническим устройством был детекторный при­емник. Работал он исключительно за счет энергии радиоволн, улавливаемых ан­тенной. Транзисторный приемник, которому посвящена эта беседа, тоже простое устройство, но для его работы кроме антенны и заземления потребуется еще батарея гальванических элементов. Потребляя энергию этого источника постоян­ного тока, транзистор позволит принимать сигналы тех же радиостанций, но со значительно большей громкостью. Он будет твоей первой транзисторной конструкцией.

Но прежде чем приступить к практической стороне дела, поговорим об ос­новных способах включения транзистора.

Ты уже знаешь, что транзистор, будь он биполярным или полевым, является трехэлектродным прибором. Электроды биполярного транзистора — Эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора, независимо от его структуры, в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких-либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он-то и определяет название основных схем включения транзистора: с общим эмиттером (О Э), с общим коллектором (О К), с общей базой (ОБ). Применительно к полевому транзистору эти схемы называют соответственно: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и с общим затвором (О3).

Включение биполярного транзистора структуры р-п-р по схеме ОЭ показано на рис. 98, а. Напряжение источника питания Uпит на коллектор транзистора подается через резистор Rк, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах знаком «_1_». Входной сиг­нал через конденсатор связи Ссв подается к выводам базы и эмиттера, т. е. к участку база — эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении тран­зистора является общим для входной и выходной цепей.

Вспомни схемы и рисунки, которыми в предыдущей беседе я иллюстрировал работу транзистора как усилителя? Как ты включал транзистор, когда заставлял его работать в режимах усиления и переключения? Да, транзистор ты включал по схеме ОЭ. И это не случайно: транзистор, включенный таким способом, в зависимости от статического коэффициента передачи тока h21э может дать 10—200-кратное усиление сигнала по напряжению и 20—100-кратное усиление сигнала по току. Благодаря таким усилительным свойствам способ включения транзистора по схеме ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популяр­ностью.

Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включен­ном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление — всего 500 — 1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзис­торы которых включают по такой схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р-п переход транзистора включен в прямом, т. е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладывае­мого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2 — 20 кОм) и зависит от сопро­тивления нагрузки (Rн) и усилительных свойств транзистора.

Включение транзистора по схеме ОК ты видишь на рис. 98,6. Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего одновременно роль нагрузки коллекторной цепи, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК.

Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению дает усиление меньше единицы. Усиление по току получается на единицу больше ста­тического коэффициента передачи тока в схеме ОЭк2\э, т. е. примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротив­ление такого каскада большое, 10 — 500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ. По существу, каскад совсем не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора прак­тически полностью повторяет входное напряжение.

Почему каскад не усиливает напряжение? Давай соединим через резистор цепь базы транзистора с нижним (по схеме) выводом эмиттерного резистора R31 как показано на рис. 98, б штриховыми линиями. Этот резистор — эквивалент внут­реннего сопротивления источника входного сигнала RBX, например микрофона или звукоснимателя. Таким образом, эмиттерная цепь оказывается связанной через резистор RBK с базой. Когда на вход усилителя подается напряжение сигнала, на резисторе являющемся нагрузкой транзистора, выделяется на­пряжение усиленного сигнала, которое через резистор Лвх оказывается приложен­ным к базе в противофазе. При этом между эмиттерной и базовой цепями создается очень сильная отрицательная обратная связь, сводящая на нет усиление каскада. Это по напряжению. А по току усиление получается такое же, как и при включении транзистора по схеме ОЭ.

Теперь о включении транзистора по схеме ОБ (рис. 98, в). Здесь база через конденсатор Сб по-переменному току «заземлена», т. е. соединена с общим провод­ником питания. Входной сигнал через конденсатор Ссв подают на эмиттер и базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора и «заземленной» базы. База, таким образом, является общим электродом входной и выходной цепей каскада. Такой каскад дает усиление по току меньше единицы, а по напряжению — та­кое же, как транзистор, включенный по схеме ОЭ (10-200). Из-за очень малого входного сопротивления, не превышающего нескольких десятков ом (30 — 100 Ом), такое включение транзистора используют главным образом в генераторах электри­ческих колебаний, в сверхгенеративных каскадах, применяемых, например, в аппаратуре радиоуправления моделями, о чем у нас будет разговор в одной из последующих бесед.

Ты чаще всего будешь пользоваться включением транзистора по схеме ОЭ, реже — по схеме ОК. Но это только способы включения. А режим работы транзистора как усилителя определяется напря­жениями на его электродах и токами в цепях, при которых он не искажает усиливаемый сигнал.

Ты уже знаешь, что для нормальной работы транзистора на его базу кроме входного сигнала подают еще открывающее его напряжение сме­щения: для транзистора структуры р-п-р — отри­цательное, для транзистора структуры п-р-п — положительное. Наиболее простой способ подачи напряжения смещения — это соединение базы транзистора с соответствующим проводником источника питания через резистор. Такую роль в усилителях по схемам на рис. 98 выполняют резисторы R6.

Чтобы открыть германиевый транзистор, на его базу относительно эмиттера достаточно подать всего 0,1 В. Нетрудно подсчитать (по закону Ома), что такое напряжение может создать в эмиттерном переходе, сопротивление которого примем за 1000 Ом, ток 100 мкА (0,0001 А). При этом в зависимости от h21э транзистора в его коллекторной цепи ток может достигать 1 — 1,5 мА. Примерно в такой режим работы и ставят обычно маломощный транзистор, чтобы он при усилении не искажал сигнал. Дальнейшее увеличение напряжения смещения, а значит и тока коллектора, не имеет смысла, так как от этого усиление сигнала не возрастет, а лишь увеличится расход энергии на питание транзистора. А если напряжение смещения па базе окажется слишком большим? Транзистор тоже бу­дет искажать сигнал и, кроме того, станет нагреваться из-за большого тока коллектора.

Такой ток должен быть и в коллекторной цепи маломощного кремниевого транзистора, но при напряжении смещения на базе 0,5-0,6 В.

На рис. 99 показана схема простейшего усилительного каскада на германие­вом транзисторе структуры р-п-р. Она тебе уже знакома по предыдущей бе­седе (см. рис. 95). Но здесь возле резистора Rб поставлена звездочка, в коллектор­ной цепи появился косой крест, а возле него указан рекомендуемый ток покоя этой цепи. Ток покоя — это коллекторный ток на базе транзистора в отсут­ствие сигнала. Такой режим называют также статическим. Рекомендуемый ток покоя устанавливают при налаживании усилителя подбором резистора что и символизирует звездочка. Когда на вход каскада будет подан сигнал, коллекторный ток станет изменяться, и тем больше, чем больше напряжение входного сиг­нала. Это — динамический режим работы транзистора.

Ориентировочное сопротивление резистора смещения Rб можно подсчитать по такой формуле: Rб = Uк/IБп.

Допустим, что ток покоя базовой цепи IБп = 50 мкА (0,00005 А), а напряжение батареи питания Uпит = 9 В. Сопротивление резистора Rб, следовательно (по закону Ома), должно быть Rб = 9/0,00005 = 180 кОм.

Это, повторяю, ориентировочное сопротивление базового резистора смеще­ния. Во время подгонки заданного режима оно в зависимости от h21э тран­зистора может быть значительно изменено.

Каким должно быть сопротивление нагрузочного резистора Rк? Такое, чтобы в режиме покоя на коллекторе относительно эмиттера, т. е. на участке эмит­тер — коллектор, было напряжение, равное примерно половине напряжения источ­ника питания. В этом случае эффективность работы транзистора будет наилучшей. Такому условию отвечают резисторы сопротивлением в несколько килоом, обычно 1—5,6 кОм. В том же случае, если нагрузкой транзистора являются трансфор­матор, дроссель (катушка, обладающая относительно большой индуктивностью), колебательный контур или низкоомные головные телефоны, напряжение на кол­лекторе может быть близким к напряжению источника питания.

Перехожу к практике.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель