4.6. Влияние температуры на работу транзисторов

Транзисторы, работающие в аппаратуре, нагреваются от окружающей среды и от токов, протекающих через сам транзистор. При по­вышении температуры увеличивается проводимость полупроводников и токи в них возрастают.

Рассмотрим числовой пример для германиевого транзистора, у которого β = 100 и I_К0 = 2 мкА при 20 °С. Пусть транзистор включен по схеме ОБ и нагрелся до 70°С, т.е. на 50°С. Так как для гер­мания обратный ток р-п-перехода возрастает примерно в 2 раза при нагреве на каждые 10 °С, то в данном случае ток I_К0 должен увеличиться в 2⁵, т. е. в 32 раза. При t = 70 °С он будет составлять 64 мкА, т. е. возрастет на 62 мкА. Если считать, что коэффициент α не зависит от температуры, то из равенства I_К = αI_Э + I_К0 следует, что при I_Э = const ток коллектора возрастет также на 62 мкА. Поскольку I_К составляет единицы миллиампер, то такое увеличение незначительно изменит режим работы транзистора.

Рис. 4.15. Влияние температуры на выходные характеристики транзистора при включении его по схеме ОБ (а) и ОЭ (б)

На рис.4.15 показаны сплошными линиями характеристики при t = 20 °С и штриховыми — при t = 70 °С. Как видно, при включении по схеме ОБ ха­рактеристики незначительно поднялись. Показанная на том же рисунке рабочая точка Q немного переместилась и заняла положение Q₁ а новый рабочий участок A₁Б₁ мало отличается от участка АБ. Следовательно, усиление почти не из­менится. Таким образом, схема ОБ является температуростабильной. Даже при нагреве на десятки градусов режим работы транзистора в данной схеме из­меняется мало, и в этом заключается ее важное достоинство.

Совсем иное получается при работе транзистора в схеме ОЭ. Начальным током для этой схемы является сквозной ток I_КЭ0, который согласно уравнению (4.6) в (β+1) раз больше тока I_К0. В этом примере при 20 °С I_КЭ0 =( β+1)I_К0 = 101·2 = 202 мкА. При нагреве до 70 °С этот ток возрастает в 32 раза и будет составлять 6464 мкА, или 6,4 мА, т.е. увеличится на 6,2 мА. Из равенства I_К = βI_Б + I_КЭ0 видно, что при I_Б = const и β= const ток коллектора также возрастет — на­столько, насколько увеличится ток I_КЭ0 (в данном примере на 6,2 мА). Ясно, что при таком сильном изменении тока выходные характеристики резко изменяют свое положение (рис. 4.16, б). Рабочая точка и рабочий участок АБ при таком нагреве перемещаются в положение Q₁ и А₁Б₁ и режим усиления нарушается. В этом примере часть рабочего участка А₁Q₁ резко уменьшилась, а часть Б₁Q₁ стала ничтожно малой. Усиление резко уменьшится, и работа усилительного каскада будет происходить с большими нелинейными искажениями, так как положительная полуволна входного тока почти не усиливается.

Как видно, схема ОЭ обладает низкой температурной стабильностью и сильно изменяет свои свойства при повышении температуры, что является ее существенным недостатком по сравнению со схемой ОБ.

4.7. Схемы питания и стабилизации режима транзисторов

В транзисторных каскадах применяют обычно питание от одного источ­ника — источника выходной цепи Е_К. Для нормального режима работы транзистора необходимо, чтобы между эмиттером и базой было постоянное напряжение в десятые доли вольта (напряжение смещения базы U_БЭ = 0.7В).

На рис. 4.16 показана подача напряжения смещения с помощью делителя R₁R₂ в каскаде с ОЭ. Здесь большая часть напряжения Е_К падает на резисторе R₁ а небольшая часть, являющаяся напряжением смещения U_БЭ, падает на резисторе R₂ , который подключен параллельно входу транзистора:

. (4.36)

Разделительные конденсаторы С_Р в схемах служит для передачи на вход транзистора усиливаемого переменного напряжения. Чтобы потеря этого напряжения на конденсаторе С_Р была незначительной, его емкостное сопротивление для самой низкой частоты должно быть достаточно малым. Емкость этого конденсатора на низких частотах должна быть равной единицам и даже десяткам микрофарад. Поэтому в качестве конденсатора С_Р в низкочастотных схемах обычно применяют малогабаритные электролитические конденсаторы.

Рис. 4.16. Схема температурной стабилизации и подачи напряжения смещения на базу транзистора

Схема эмиттерной стабилизации с резистором R_э требует источника Е_К с несколько более высоким напряжением. Падение напряжения на резисторе U_Э = I_ЭR_Э действует навстречу напряжению U_Б = I₁R₂. Поэтому напряжение смещения базы U_БЭ = U_Б — U_Э . Резистор R_э создает отрицательную обратную связь по постоянному току. Если под влиянием температуры токи в транзисторе начнут возрастать, то от повышения тока I_Э увеличится напряжение U_Э и соответственно умень­шится напряжение смещения на базе U_БЭ, а это вызовет уменьшение токов. В результате такого изменения одновременно в противоположные стороны токи изменяются очень мало и режим получается более стабильным.

Для того чтобы резистор R_Э не создавал отрицательной обратной связи по переменному току, он зашунтирован конденсатором С_Э достаточно большой емкости. Его сопротивление для самой низкой частоты должно быть во много раз меньше R_Э . Обычно конденсатор С_Э электролитический, емкостью в десятки микрофарад.

Пренебрегая напряжением U_БЭ по сравнению с другими напряжениями, расчет сопротивлений резисторов для схемы эмиттерной стабилизации делают по следующим приближенным формулам:

R₁ ≈ (Е_К – U_Э)/(I_Б + I₁); R₂ ≈ U_Э /I₁; R_Э = U_Э /I_Э (4.37)

При этом значение U_Э выбирается с учетом возможного повышения Е_К , а ток делителя I₁ обычно составляет (3 ÷ 5)I_Б.