Стабилизация режима работы транзистора

Усилитель первого или второго вариантов (по схемам на рис. 174), смонтированный и налаженный дома, будет при тех же температурных условиях 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 транзистора нарушается. А перво­причина тому — неуправляемый обратный ток коллектора IКво и изменение коэффициента передачи тока h21э при изменении температуры.

Сам по себе ток IКБО — величина небольшая. У низкочастотных германиевых транзисторов малой мощности, например, этот ток, измеренный при обратном напряжении на коллекторном р-п переходе 5 В и температуре 20°С, не превы­шает 20 — 30 мкА, а у кремниевых транзисторов значительно меньше 1 мкА. Неприятность же заключается в том, что он изменяется при воздействии тем­пературы. С повышением температуры на 10°С ток Iкбо германиевого тран­зистора увеличивается примерно вдвое, а кремниевого транзистора — в 2,5 раза. Если, например, при температуре 20′С ток Iкбо германиевого транзистора со­ставляет 10 мкА,. то при повышении температуры до 60 С он возрастает при­мерно до 160 мкА.

Но Iкбо характеризует свойства только одного коллекторного р-п перехода. В реальных же рабочих условиях напряжение источника питания оказывается приложенным к двум р-п переходам — коллекторному и эмиттерному. При этом обратный ток коллектора течет и через эмиттерный переход и как бы усиливает сам себя. В результате величина 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 h21э с температурой усиливает этот эффект.

Что же при этом происходит в каскаде, например, на транзисторе Т1 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 станет 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 Iкбо например, кремниевых, либо применением специальных мер, термостабилизирующих режим транзисторов.

Один из способов термостабилизации режима работы транзистора структуры р-п-р показан на схеме рис. 178, а. Здесь, как видишь, базовый резистор 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 Rн и уменьшает напря­жение на коллекторе. А так как база соединена (через резистор R&) 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 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. 178, б. 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: Rб2 и Rэ. Резисторы Rб1 и Rб2 образуют делитель, с помощью которого на базе поддерживается устойчивое напряжение. Эмиттерный резистор является элементом термостабилизации.

Рис. 178. Усилительные каскады с термостабилизацией режима работы тран­зисторов.

Термостабилизация происходит следующим образом. По мере возрастания коллекторного тока под действием тепла падение напряжения на резисторе R3 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 Сэ, подключенный параллельно резистору R3 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 R3 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 Сэ. Этот конденсатор создает параллельный путь, по которому, минуя резистор R3, 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 сигнала. В каскаде усиления звуковой частоты этому требованию может отвечать электролитический кон­денсатор емкостью 10-20 мкФ.

Усилитель с такой системой стабилизации режима транзистора практически нечувствителен 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 дома и на улице, то, конечно, надо как следует стабилизировать режим транзисторов, даже если устройство придется усложнять дополнительными деталями.

Теперь, прежде чем начать разговор об усилителях, обеспечивающих более громкое звуковоспроизведение, хочу познакомить тебя с некоторыми параметрами, характеризующими усилитель звуковой частоты.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель