Для того, чтобы разобраться в данном вопросе - потребуются палец и лед из холодильника. Кроме этого потребуется макетная плата, кремневый биполярный транзистор, набор резисторов и источник питания.
Из транзисторов у меня нашелся старинный Советский КТ312В.
У него металлический корпус - идеальный кандидат для теста нагрева/охлаждения.
- Структура n-p-n
- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база 20 В
- Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер 20 В
- Максимально допустимый постоянный(импульсный) ток коллектора 30(60) мА
- Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом) 0.225 Вт
- Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером 50-280
- Обратный ток коллектора <=10 мкА
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером =>120 МГц
Рассчитываем первую схему. Напряжение источника питания 5V. Значение β = 100. Падение напряжения БЭ = 0.55V. Ток в цепи коллектора 1mA. Напряжение в точке a должно быть равно Uпит/2 = 2.5V
- Ur2 = 5.0-2.5 = 2.5V
- Ur1 = 5.0-0.55 = 4.45V
- Ib = Iк/β = 1/100 = 0.01mA
- R2 = Ur2/Iк = 2.5V/1mA = 2.5кОм
- R1 = Ur1/Ib = 4.45V/0.01mA = 445кОм
Проверяем:
Выбираем резисторы из стандартного ряда:
Собираем:
Номиналы элементов подобраны правильно. Входное переменное напряжение поступающее на вход через разделительный конденсатор С1, усиленное транзистором будет изменять выходное напряжение в точке А вверх или вниз в зависимости от входящей полуволны. Снимать мы его будет через разделительный конденсатор С2.
В чем главный минус такой простой схемы? Погреем корпус транзистора пальцем. Напряжение на рабочей точке а начинает снижаться.
Поставим на корпус транзистора маленькую баночку со льдом из холодильника. Напряжение в точке а начинает расти.
Собранный и настроенный по такому принципу усилитель будучи вынесенным на холодную улицу вполне себе может перестать работать, так как все смещения, которые мы настраивали в теплой квартире у нас "поедут". При сильном изменении температуры транзистор начнет искажать входной сигнал, а то и полностью потеряет возможность усиления.
Почему транзистор зависим от температуры?
Если прозвонить транзистор омметром, то можно выяснить, что звонится он как 2 встречно включенных диода.
Понятно, что физически транзистор не является двумя диодами, но такая аналогия позволяет легче понять, что именно происходит.
У любого диода есть небольшой обратный ток и p-n переход Коллектор-База в этом плане не исключение. В документации его так и обозначают IKБО
Сам по себе этот ток небольшой - проблема в том, что он зависит от температуры. При её повышении он растет, поэтому, когда мы грели транзистор пальцем этот увеличивающийся ток попадал на базу транзистора и если можно так выразиться - усиливал сам себя.
При повышении температуры, IKБО увеличивался, транзистор открывался больше, напряжение установленное изначально в точке А падало.
Чем больше доля IKБО в токе коллектора, тем не стабильнее работает транзистор в различных температурных условиях.
Как термостабилизировать работу транзистора?
Посчитаем еще одну схему. Изначальные условия у нас такие-же, но смещение на базу подается с резистора нагрузки R2.
- Ur2 = 5.0-2.5 = 2.5V
- Ur1 = 2.5-0.55 = 1.95V
- Ir2 = Iк+Iб = 1 + 0.010 = 1.01mA
- Ir1 = 0.01mA
- R2 = 2.5V/1.01mA = 2.5кОм
- R1 = 1.95V/0.01mA = 195кОм
Проверяем:
Выбираем резисторы из стандартного ряда:
Номиналы элементов подобраны правильно.
Теперь палец уже так эффектно работу каскада не изменяет.
Это же касается и баночки со льдом
Данная схема однозначно меньше зависит от температуры. Почему?
При увеличении IKБО транзистор открывается чуть больше, а это в свою очередь приводит к уменьшению напряжения в точке а. Смещение на транзистор, которое его открывает тоже подано с точки а - это уменьшает базовый ток и транзистор "призакрывается". Резистор R1 в данном случае образует между коллектором и базой цепь отрицательной обратной связи по постоянному и переменному току. Такая ООС несколько снизит усиление, но улучшит параметры работы схемы в целом.
Чтобы избежать уменьшения коэффициента усиления нужно собрать более сложную схему. Рассчитывать её тоже придется подольше.
Термостабильность работы этого каскада обеспечивает резистор R4.
Падение напряжения на нем рассчитывается: Ur4 = Uпит*(0.05..0.2). Давайте возьмем 0.2
- Ur4 = 0.2*5=1V
Половина из остатка этого напряжения должна будет падать на транзисторе (ЭК) а половина на резисторе R3.
- Ur3 = (5-1)/2 = 2V
Ur2 = 0.55+1 = 1.55V; Ur1 = 5-1.55=3.45V;
Ток делителя берем с х10 запасом
- Iдел = Iб*10 = 10*10 = 0.1mA = Ir1
- Ir2 = Iдел - Iб = 0.1mA - 0.01mA = 0.09mA
- Ir3 = 1mA
- Ir4 = Iк + Iб = 1mA + 0.01mA = 1.01mA
- R1 = 3.45V/0.1mA =35кОм
- R2 = 1.55V/0.09mA = 17кОм
- R3 = 2V/1mA = 2кОм
- R4 = 1V/1.01mA = 0.99кОм
Осталось собрать и проверить. В точке а U = 3.1V
Ток в цепи коллектора 0.984mA
Тут уже палец не поможет, если только погреть транзистор зажигалкой - но вряд-ли вам придет в голову послушать музычку во время пожара.
Как это работает? Увеличение IKБО приводит к тому, что на эмиттере транзистора начнет расти напряжение, что в свою очередь уменьшит напряжение между эмиттером и базой и это приведет к уменьшению тока коллектора.
Единственная проблема - резистор в цепи эмиттера будет препятствовать и прохождению переменного сигнала со входа, что снизит усиление каскада. Для того, чтобы решить эту проблему можно установить параллельно R4 конденсатор, который пропустит переменную составляющую.
Резюме: Первая схема самая нестабильная. Такое включение транзисторов можно использовать только для приборов работающих в условиях постоянной температуры. Если предполагается эксплуатировать схему в разных температурных условиях, транзисторы следует включать 2-м или 3-м способом.
Второй способ самый простой, но при нем снижется усиление сигнала. Третий способ требует дополнительных деталей, за то дает лучший эффект термостабилизации и не снижает усиление.
Оглавление канала тут
Всем удачи!