Шаг за шагом. Транзисторы - Сворень Рудольф Анатольевич (читать книги полные .TXT) 📗

Из-за появления большого начального коллектора тока все семейство статических характеристик при нагревании транзистора резко сдвинется вверх и рабочий участок нагрузочной прямой уменьшится (рис. 86, 87).

Рис. 86. Разные схемы по-разному ведут себя при изменении рабочей температуры.

Рис. 87. Чтобы уменьшить влияние температуры на режим транзистора, применяют схемы, стабилизующие начальное смещение на базе.

В результате уменьшатся переменная составляющая коллекторного тока и переменное напряжение на нагрузке, меньше станет усиление каскада. Вот к каким неприятностям приводит в схеме ОЭ небольшое, казалось бы, увеличение обратного тока I_ко! Возможные масштабы этих неприятностей огромны. Практически усиление может уменьшиться до такой степени, что каскад вообще перестанет усиливать, не говоря уж о том, что с увеличением начального коллекторного тока резко сокращается срок службы коллекторной батареи.

Ясно, что изменение режима при нагревании будет меньше у тех транзисторов, у которых меньше сам неуправляемый обратный коллекторный ток I_ко. А величина этого тока уже зависит от свойств полупроводникового материала; например, от того, сколько в нем неосновных зарядов. В нашем примере обратный ток коллектора составлял 10 мка, и при сильном нагревании транзистора это привело к появлению начального, то есть неуправляемого, тока 16 ма. Если бы удалось снизить I_ко хотя бы в двадцать раз, то есть до 0,5 мка, то и начальный коллекторный ток при температуре 70 °C тоже не превысил бы 0,8 ма. Это тоже немало, но с такой величиной начального коллекторного тока, пожалуй, уже можно было бы мириться.

Из всего сказанного, по-видимому, ясно, почему при выборе транзистора для той или иной схемы обращают серьезное внимание на обратный ток коллектора I_ко (рис. 88).

Рис. 88. Чем меньше неуправляемый начальный ток коллектора по сравнению со средним током транзистора, тем меньше температура влияет на режим.

Чем меньше I_ко у данного транзистора, тем стабильней он работает при изменении температуры, тем большим может быть рабочий участок нагрузочной прямой, тем, следовательно, больше выходное напряжение и переменная составляющая коллекторного тока, тем меньше потребление тока от коллекторной батареи. Обратный ток коллектора I_ко можно считать вторым по важности параметром транзистора после коэффициента усиления по току β. В таблице параметров обычно указывают величину I_ко с некоторым запасом, и для многих транзисторов этот ток оказывается значительно меньше.

Уменьшение обратного тока коллектора — трудная задача, над решением которой работают физики, химики, технологи, конструкторы, — словом, все, кто участвует в создании транзисторов. В решении этой задачи в последние годы заметен значительный прогресс. Так, в частности, для многих типов серийных транзисторов величина I_ко не превышает 1–2 мка, в то время как еще несколько лет назад у лучших образцов транзисторов обратный ток редко был меньше 5—15 мка. (Учтите, что все эти цифры относятся к транзисторам небольшой мощности, для которых максимальный коллекторный ток не превышает нескольких десятков ма. У мощных транзисторов коллекторный ток во много раз больше — вплоть до нескольких ампер, — и поэтому приемлемая величина I_ко также значительно больше.) Предполагается, что в будущем удастся настолько уменьшить I_ко, что его влиянием можно будет пренебречь. Ну, а пока, для того чтобы уменьшить влияние неуправляемого обратного тока на режим транзистора, пользуются схемами температурной стабилизации режима.

Когда мы говорим об автоматике и автоматах, то, как правило, представляем себе очень сложные устройства с огромным числом деталей, соединительных проводов, электронных ламп, электромагнитных пускателей и реле. Для такого представления об автоматах есть достаточно веские причины. Даже самый, казалось бы, простой из них, такой, например, как автомат для продажи газированной воды, если заглянуть вовнутрь, представляется очень сложной и замысловатой установкой.

В последние годы человеческий разум действительно создал изумительные по своей сложности, по своей «разумности» автоматы — устройства, которые умеют самостоятельно, без помощи человека, управлять различными процессами и аппаратами. Это автоматы, управляющие прокатным станом, огромной электростанцией, космическим кораблем. Это автоматы, которые умеют играть в шахматы, фотографировать с близкого расстояния поверхность Луны, поддерживать нормальный ритм больного сердца.

Но наряду с автоматическими установками, если можно так сказать, высшего ранга, на каждом шагу нам встречаются и очень простые автоматы, выполняющие самые разнообразные мелкие поручения человека. К таким автоматам можно отнести предохранитель, мгновенно разрывающий электрическую цепь при коротком замыкании, автомат для выключения проигрывателя, когда кончается пластинка, автоматический переключатель на елке. К числу простейших автоматов можно отнести и схемы, стабилизирующие режим транзистора.

Почти все схемы автоматической стабилизации работают на одном принципе: они следят за работой транзистора и автоматически компенсируют всякое изменение режима, которое происходит при нагревании.

Две наиболее распространенные схемы автоматической стабилизации делают это следующим образом: при малейшем увеличении постоянного коллекторного тока они как бы уменьшают начальное смещение на базу и тем самым стараются вернуть коллекторный ток к первоначальной величине.

Простейшая схема термостабилизации (рис. 87, листок Б) отличается от схемы, где никакой стабилизации вообще нет (рис. 87, листок А), только тем, что сопротивление R_б, с помощью которого задается смещение на базу, подключено не к «минусу» коллекторной батареи, а прямо к коллектору. Это незначительное отличие приводит к весьма значительным последствиям, причем не только к хорошим, но и к плохим.

Дело в том, что при подключении R_б к коллектору не остается постоянным отрицательное смещение, которое поступает на базу. Чем больше коллекторный ток, тем больше падение напряжения на нагрузке R_н, тем меньше напряжение, которое остается на коллекторе, тем меньше и небольшая доля этого напряжения, которая достается эмиттерному переходу и является для него начальным смещением U_см.

С одной стороны, хорошо: когда из-за повышения температуры возрастет коллекторный ток, то одновременно уменьшится смещение U_см и заставит коллекторный ток тоже уменьшиться. Этим, собственно говоря, и будет достигаться автоматическая стабилизация режима.

Но, с другой стороны, подключение R_б не к «минусу», а к коллектору ухудшит усилительные свойства каскада. Всякое изменение коллекторного тока, в том числе и те изменения, которые возникают под действием усиливаемого сигнала, и являются его «мощной копией», будут через R_б воздействовать на базу и будут пытаться сами себя уменьшить. Иными словами, сопротивление R_б, подключенное к коллектору, становится элементом обратной связи, причем именно отрицательной обратной связи, которая, как известно, снижает усиление каскада. Вот почему схема температурной стабилизации, о которой идет речь, применяется там, где не жалко платить усилением за простоту.