Шаг за шагом. Транзисторы
Шрифт:
Часто говорят о токовом принципе управления транзистором, имея в виду, что его входная цепь, в большинстве случаев обладающая малым сопротивлением, подключена к высокоомному источнику сигнала, то есть к генератору с очень большим внутренним сопротивлением Rвых (имеется в виду сопротивление переменному току). В этих случаях выражение «прибор, управляемый током», опять-таки нужно для того, чтобы упростить картину, исключить из нее второстепенные детали и выделить главное. А главным в этом случае как раз и является высокое сопротивление генератора, с которого транзистор получает сигнал, и низкое входное сопротивление самого транзистора Rвх (для переменного тока). Генератор сам определяет входной ток транзистора, а этот ток уже своим обычным порядком управляет работой всего усилительного каскада. Конечно, на входе транзистора, как всегда, действует управляющее напряжение,
Все описание работы транзистора и его характеристики мы в свое время строили на том, что ко входу подводится управляющее напряжение Uэб, что именно оно создает входной ток и управляет выходным током. В том случае, когда входная цепь транзистора питается от генератора тока (то есть от источника с сопротивлением, значительно превышающим Rвх), можно все рассуждения сразу начинать со входного тока. А входное напряжение считать при этом «побочным продуктом» — каким оно получится, таким пусть и будет. Так, кстати, поступают довольно часто. И поэтому не удивляйтесь, если вы встретите семейство выходных характеристик, построенных не для разных напряжений Uэб, а для разных входных токов — Iэ для схемы ОБ или Iб для схемы ОЭ.
Этими характеристиками можно пользоваться довольно часто, но не всегда. В тех случаях, когда источник сигнала обладает низким внутренним сопротивлением, его нужно рассматривать как генератор напряжения и все рассуждения о работе транзистора, как мы это и делали, начинать с того, что к его входу подводится напряжение Uэб.
«Цепь тока» и «цепь напряжения», «генератор тока» и «генератор напряжения», «прибор, управляемый током», и «прибор, управляемый напряжением», — все эти понятия отражают лишь соотношение сопротивлений в электрических цепях и зависимость событий в этих цепях от их элементов. Пользоваться перечисленными понятиями весьма удобно, но делать это можно лишь тогда, когда выяснено, почему в той или иной цепи ток или напряжение мало зависят от того или иного элемента и почему от другого элемента они зависят сильно. И во всех случаях, рассматривая электрическую цепь и при этом обращая внимание только на ток или только на напряжение, не забывайте, что вы лишь упрощаете истинную картину, чтобы легче разобраться в происходящих событиях. И что на любом участке любой реальной цепи ток протекает под действием напряжения, или, если говорить иначе, наличие тока обязательно сопровождается появлением напряжения.
Поняв, что «генератор тока» и «генератор напряжения» создаются лишь определенным соотношением сопротивлений, мы можем в случае необходимости и сами вводить в схему такие генераторы. Один из примеров искусственного генератора тока — это выпрямитель для зарядки аккумулятора (рис. 42—4, 5). Известно, что при зарядке нужно поддерживать заданную величину тока, которая определяется типом аккумулятора и его емкостью. Однако постоянство зарядного тока всегда находится под угрозой, и прежде всего на него покушается сам аккумулятор. В процессе зарядки его внутреннее сопротивление может резко меняться, и это влечет за собой опасные изменения тока в цепи.
Чтобы стабилизировать зарядный ток, выпрямитель искусственно превращают в генератор тока, включив в его цепь последовательный резистор с сопротивлением около одного ома. Эта величина во много раз превышает внутреннее сопротивление аккумулятора (обычно сотые доли ома), и поэтому он, по сути дела, оказывается подключенным к генератору тока. Теперь величина зарядного тока уже мало зависит от самого аккумулятора и практически остается неизмененной.
Другой пример — включение выравнивающих резисторов последовательно с параллельно соединенными диодами (рис. 123). Диоды соединяют параллельно, если необходимый выпрямленный ток превышает допустимую для одного диода величину. Соединив диоды параллельно, мы как бы разделяем между ними общий ток. Так, если нужно получить Iвып = 3 а, а в нашем распоряжении есть диоды, у которых Iпр = 0,3 а, то следует соединить параллельно десять (для безопасности лучше одиннадцать) таких диодов.
Однако прямое сопротивление Rпр у разных экземпляров одного и того же типа диодов может резко отличаться, а в этом случае общий ток распределяется между диодами неравномерно. В итоге одни диоды недогружены, а другие могут перегрузиться и выйти из строя. А вслед за одним вышедшим из строя диодом в некоторых случаях (например, если в результате перегрева диода «отгорит» от кристалла один из выводов) могут выйти из строя и все остальные.
Чтобы избежать этой страшной картины, достаточно последовательно с диодами включить одинаковые резисторы по 3–5 ом каждый. Эта величина во много раз больше, чем прямое сопротивление плоскостного диода, и поэтому каждый диод окажется включенным в цепь генератора тока. Причем все генераторы будут одинаковыми, и общий ток распределится между ними равномерно, несмотря на разброс параметров диодов.
Теперь от общего разговора о генераторах тока вернемся к конкретной цепи, с которой мы начали этот разговор, вернемся к входной цепи транзистора.
Есть одно обстоятельство, из-за которого удобно вести разговор о напряжении на входе транзистора, причем даже в тех случаях, когда он включен в цепи генераторов тока, то есть в цепи источников постоянного или переменного напряжения с большими внутренними сопротивлениями. Дело в том, что при налаживании электронной аппаратуры значительно удобней измерять напряжения, чем токи. Для измерения тока нужно разрывать цепь, так как амперметр включается в цепь последовательно, а для измерения напряжения этого делать не нужно. Поэтому везде, где только возможно, стараются указать режим транзисторного усилителя, отмечая, какие на том или ином участке цепи должны быть напряжения. Даже в генераторе тока, в цепи подачи смещения на базу через Rб, часто ограничиваются указанием напряжения на базе, которое соответствует нормальному режиму для среднего по параметрам транзистора. Это напряжение, как уже неоднократно указывалось, обычно составляет 0,1–0,2 в.
И, наконец, последний вывод — предостережение против неверного вывода из того, что было только что рассказано. Может сложиться впечатление, что необходимый ток смещения устанавливается сам по себе для всех триодов, так как величина этого тока определяется только сопротивлением резистора Rб. Так действительно было бы, если бы транзисторы отличались только сопротивлением эмиттерного перехода Rвх=. Но в действительности различие в параметрах транзисторов значительно «богаче», и поэтому при желании установить определенный коллекторный ток покоя Iк-п величину Rб довольно часто приходится подбирать. Так, в частности, чтобы в схеме ОЭ получить одну и ту же величину Iк-п, ток смещения у транзистора с коэффициентом β = 100 должен быть в два раза меньше, чем для транзистора с β = 50. В большинстве приведенных в книге схем резистор, определяющий смещение на базе, приходится подбирать довольно редко, так как в этих схемах смещение подается с делителя напряжения. Кроме того, в эмиттерную цепь транзистора включен резистор, который автоматически «подгоняет» смещение к заданной величине.
Рис. 126. В электронных приборах используются разные физические процессы для выпрямления, усиления, генерирования и других операций электрическими сигналами.
Мы с вами попробовали несколько подробней разобрать лишь один вопрос, мимо которого с легкостью прошли раньше, и, как видите, узнали немало интересных и важных подробностей о работе транзисторного каскада. Много важного и интересного можно было узнать, рассмотрев подробней и другие лишь слегка затронутые нами проблемы. Например, особенности работы транзистора на высоких частотах, влияние внутренних обратных связей, зависимость параметров транзистора от температуры и уровня сигнала, изменение параметров усилителя при смене транзистора, возникновение искажений в усилителях с отсечкой и многие другие. Одним словом, мы поднялись лишь на несколько ступеней по лестнице понимания транзисторных схем, и можно еще очень долго продолжать этот подъем, всякий раз открывая для себя новые горизонты.
Кроме того, у нас есть возможность продолжить путешествие в соседние, незнакомые пока области полупроводниковой электроники. Полупроводниковый диод и транзистор — это хотя и главные, но далеко не единственные представители большой семьи полупроводниковых приборов. Так, в частности, даже у простейшего диода есть немало ближайших родственников, обладающих интересными специальностями.
Фотодиод пропускает ток лишь в том случае, когда на него падает свет. Другой специальный диод — кремниевый стабилитрон — меняет свое сопротивление при изменении тока и тем самым стабилизирует «гуляющее» напряжение. Специальный диод — варикап — устроен так, что его емкость в сильной степени зависит от приложенного напряжения, и такой диод используют в качестве конденсатора переменной емкости. Наконец, туннельный диод попал в семейство диодов только потому, что у него всего два вывода. А по своим характеристикам туннельный диод — это самый настоящий усилительный прибор.