Шаг за шагом. Транзисторы

Если в такое время года вам понадобится пересечь страну с севера на юг, то наверняка придется положить в чемодан и теплую зимнюю шапку, и летние сандалии. А если захотите взять с собой в дорогу самодельный транзисторный приемник, то обязательно нужно будет принять меры, чтобы он без осложнений перенес столь резкое изменение климата. Потому что сами транзисторы очень чувствительны к изменению температуры, и если не принять мер, то приемник, сделанный и налаженный при средней комнатной температуре, может совсем не работать под жаркими лучами южного солнца.

Мы уже несколько раз говорили, что в полупроводнике при изменении температуры резко — примерно в два раза на каждые десять градусов — меняется число собственных (неосновных) зарядов. В диоде эти неосновные заряды создают обратный ток I_обр (рис. 17, 21), а в транзисторе из них образуется обратный ток коллектора I_ко (рис. 60).

При нагревании диода из-за увеличения I_обр pn– переход достигает границы допустимой мощности при более низком напряжении, и поэтому столь важная характеристика, как допустимое обратное напряжение диода, заметно понижается. Эта же неприятность происходит и при нагреве транзисторов. Так, например, если при температуре 20 °C коллекторный переход транзистора спокойно выдерживает напряжение 50 в, то при температуре 60 °C он может оказаться пробитым уже при напряжении 20 в. Но это еще не все.

Нагрев транзистора может привести к еще одной и притом очень серьезной неприятности — к резкому изменению режима и параметров транзисторного усилителя. И это опять-таки связано с ростом начального тока коллектора I_ко из-за увеличения числа собственных (неосновных) зарядов.

Разные схемы усилителей по-разному меняют свой режим под влиянием температуры, даже если в этих схемах работают одинаковые транзисторы, с одним и тем же начальным током. Так, в частности, схема ОБ свой режим меняет в очень малой степени. Обратный ток коллектора I_ко в этой схеме только и делает, что прибавляется к основному коллекторному току I_к. А поскольку I_к, как правило, значительно больше, чем I_ко, то, как бы ни менялся этот последний, он не может заметно повлиять на общий коллекторный ток.

Подтвердим это числовым примером. В реальном случае в усилительном каскаде с маломощным транзистором I_к составляет 2 ма, а обратный ток I_ко при комнатной температуре 20 °C у средних транзисторов равен 10 мка. Допустим, что транзистор нагреется до 70 °C и его обратный ток, увеличившись в 32 раза (при нагревании на 10 °C ток I_ко растет в два раза, а значит, при нагревании на 50° он увеличивается в 2⁵ = 32 раза), возрастет до 320 мка. При этом коллекторный ток увеличится до 2,32 ма (2 ма + 320 мка), то есть примерно на 16 %. Таким сравнительно небольшим изменением коллекторного тока, как правило, можно пренебречь. Но, повторяем, вся эта картина относится только к схеме ОБ, где I_ко только увеличивает коллекторный ток, и ничего больше.

Совсем по-другому развиваются события в схемах ОЭ и ОК, где коллекторный ток проходит по эмиттерному рn– переходу и поэтому оказывает влияние на режим транзистора через главный командный пункт — через входную цепь. В итоге получается, что всякое изменение неуправляемого тока I_ко усиливается в β раз, то есть при нагревании изменение коллекторного тока оказывается в β раз больше, чем изменение самого I_ко.

Давайте прикинем, к чему приводит «усиление нестабильности» — усиление тока I_ко. Так же как и в предыдущем примере, предположим, что при комнатной температуре 20 °C ток I_ко = 10 мка, а при температуре 70 °C этот ток увеличивается до 320 мка. Кроме того, предположим, что коэффициент усиления по току у выбранного транзистора равен β = 50. Теперь подсчитаем: в схеме ОЭ начальный ток I_к-н (строго говоря, этот ток нужно называть сквозным током в цепи эмиттер-коллектор) будет равен при комнатной температуре I_к-н(20) = β·I_ко = 50·10 = 500 мка. При нагревании транзистора до 70° коллекторный ток I_к-н, как и в предыдущем примере, увеличится в 32 раза (потому что в 32 раза возрастет I_ко) и станет равным 16 ма.

Это большая, очень большая величина. Ведь нормальный, управляемый ток коллектора, возникающий за счет впрыскивания зарядов из базы у маломощного транзистора обычно составляет 2–5 ма. Иными словами, в схеме ОЭ коллекторный ток при нагревании транзистора может увеличиться не на несколько процентов, как в схеме ОБ, а в несколько раз!

Так оборачивается для нас серьезной неприятностью одно из главных достоинств схемы ОЭ — усиление по току. Усиливая полезный ток — ток сигнала, — схема ОЭ «по инерции» усиливает нестабильный и неуправляемый ток I_ко, который вынужден проходить через эмиттерный рn– переход. (Другого пути для этого тока нет — неосновным зарядам, попавшим из базы в коллектор, проще всего вернуться обратно в базу, пробравшись через всю коллекторную цепь и через эмиттер.)

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.