пряжения Ug (из-за постепенного разряда источника питания) падение напряжения Од бал на балластном резисторе Кбал будет соответственно уменьшаться, то С^ых может остаться постоянным. Для достижения этого эффекта должен уменьшиться ток 1, а следовательно, и ток It через стабилитрон. Из этих рассуждений можно сделать вывод, что стабилизация успешно действует лишь в некотором определенном диапазоне изменения напряжения. Она тем лучше, чем большее значение мы можем выбрать по сравнению с И^ых-

В случае, если оба напряжения И^ и Ц,ых заданы,остается изменять лишь величину Кбал. а именно таким образом, чтобы ток Ix стал больше, чем 1вых е^бал выбирают по возможности малым). С другой стороны, необходимо следить и за тем; чтобы мощность потерь стабилизатора не превысила допустимую. Поэтому Ran не может быть очень малым:

вх max ~ Ц;ых

бал min

ст max

Однако для дЬстижения эффекта стабилизации через стабилитрон в области пробоя-должен протекать некоторый определенный ток. Поэтому бал не может быть и слишком большим:

к iвx mm вых

бал max. т + г

ст min вых max

Для расчета воспользуемся паспортным значением 1ст max, тогда ток ст min найдем, считая, что он составляет 5-10% от /сттах

При выборе подходящего стабилитрона особое внимание нужно обратить на допустимую мощность потерь. Работать в режиме, граничащем с критическим, не следует, поскольку большие токи через диод вызьшают сильное его нагревание, а это в свою очередь ведет к изменению напряжения пробоя. Для достижения хорошего эффекта стабилизации рекомендуется входное напряжение выбирать по крайней мере вдвое большим, чем стабилизированное.

Чтобы лучше уяснить все эти рассуждения, произведем несложный расчет.

Пример. Дано: max =13,5 В (новая батарея); (4xmin=9 В (истощенная батарея); Ц,ых = 6,8 В; /вых ~ 5 мА.

Выбираем стабилитрон SZX 18/6,8 с параметрами Ur = 6,8 В и Рщах ~ = 250 мВт.

Получаем

250 мВт

fox шах ==-7ТГ-= 36,8 мА;

6,8 В

t/Bxmax-t4b.x - 13,5 В-6,8 В 6,7 В

cxmax-Bb.xmin 36,8мА-ь5мА 41.8 мА = 160 Ом;

бал max

вх mill ых

9,0 В - 6,8 В 2,2 В

t ст max - вых max 3,7 мА + 5 мА 8,7 мА

= 253 Ом.

Выбираем в качестве Rgan резистор сопротивлением 220 Ом.

В заключение выясним, как работает выпрямитель зарядного прибора (см. рис. 29, а). Для заряда аккумулятора необходимо постоянное напряжение примерно такого же значения, что и напряжение на его зажимах. Получают такое постоянное напряжение путем выпрямления снимаемого с трансформатора низкого переменного. Рассмотрим этот процесс более подробно.

Если трансформатор, напряжение на вторичной обмотке которого (Уг = 25 В, нагрузить на резистор, например с сопротивлением 2,4 кОм

25 В

(рис. 47, а), то через него потечет ток / = -= -= 10 мА.

R 2,4 кОм

Д

ДЙ1 МДз

1 l*>-

Рис. 47. К рассмотрению принципа работы выпрямителя: а - трансформатор, нагруженный на резистор, и переменное напряжение на нагрузочном резисторе; б - однополупериодный выпрямитель и выпрямленное напряжение на нагрузочном резисторе; в - двухполупериодный выпрямитель (схема Грсца) и выпрямленное напряжение на нагрузочном резисторе при выключении зарядного конденсатора.

Рис. 48. Типы транзисторов: а - транзисторы в пластмассовом корпусе; б транзисторы в металлическог-л корпусе; в - мощные транзисторы в пластмассовом корпусе; г - мощный транзистор в металлическом корпусе.

Включив между этим резистором и трансформатором диод Л, например SY200 (рис. 47, б), увидим, что он действусг на протекающий ток как вентиль. Мы знаем уже, что ток через диод может беспрепятственно протекать только в одном направлении. Отрицательная полуволна напряжения отсекается. Это отчетливо обнаруживается на графике изменения падения напряжения на резисторе R. Таким образом, мы уже получим выпрямленное напряжение, постоянное по направлению. Однако значение его, к сожалению, далеко не постоянно во времени. Такое напряжение называют пульсирующим. Этот недостаток устраняется с помощьЪ особой схемы из четырех диодов - схемы Греца (рис. 47, в). Из графика видно, что у выпрямителей данного типа вторая полуволна также используется для получения постоянного напряжения, в результате чего пульсация существенно уменьшается. Процесс выпрямления в такой схеме кратко можно пояснить следующим образом. При положительной полуволне ток протекает по цепи: обмотка трансформатора, Дз, R, и вновь попадает в обмотку. Диоды Дх и Л4 при этом заперты. При отрицательной полуволне ток течет через Д4, R иДу, причем через R он течет в том же направлении, что и в первом случае. Диоды Лг и Лз в это время заперты.

Транзистор - наш усилительный элемент

Транзистор - второй полупроводниковый прибор из рассматриваемых' в данной книге (рис. 48). Этот прибор за очень короткое время получил широкое распространение, а в приборах с дистанционным управлением, например, полностью вытеснил электронные лампы. Объясняется это прежде .всего тем, что транзистор работает при низких напряжениях

Эмиттер) fp-зона)

Кристалл ч/германия

Иоллентор (К)

Эмиттер

Индий

Иоляектор

Ю-кратиое увеличение

Граница раздела

Рис. 49. Структура и схемное обозначение германиевого плоскостного

р- п-р-транзистора.

питания (1,5-15 В) , не требует накала (а значит, и расхода мощности на него), обладает малыми габаритными размерами и массой и отличается высокой работоспособностью в течение длительного времени, вследствие чего транзисторные схемы значительно экономичнее ламповых. Познакомимся более подробно с устройством и принципом работы транзистора. Обратимся вновь к рис. 40, на котором показана структура плоскостного диода с р-п-переходом. Если в германиевый кристалл плоскостного диода вплавить с противоположной р-п-переходу стороны еще одну индиевую таблетку (в соответствии со схемой, показанной на рис. 49), то получится структура с чередованием р-, и- и р-зон и двумя граничными слоями (переходами). Эти три зоны носят название: эмиттер, база и коллектор. Именно таким путем получаются плоскостные р-п-р-транзис-торы.

Мы видим, что плоскостной транзистор - близкий родственник плоскостного диода. Поэтому при разъяснении переходных процессов в нем мы можем воспользоваться сведениями, полученными при знакомстве с диодами. Для последующего рассмотрения представим себе р-и-р-транзистор так, как это показано на схематическом разрезе (рис. 50, с). Сперва подключим мысленно коллектор к отрицательному, а эмиттер - к положительному полюсу источника постоянного напряжения. Поскольку в транзисторе имеет место чередование р-, п- и р-зон, процессы в граничном слое между базой и коллектором аналогичны в принципе процессам в диоде, включенном в запорном направлении, тогда как граничный слой между базой и эмиттером аналогичен диоду, включенному в пропускном направлении. Но если это так, то через коллекторный переход может протекать дищь относительно небольшой обратный ток порядка нескольких микроампер. Сила этого тока определяется главным образом температурой окружающей среды, в связи с чем его называют тепловым (неуправляемым) током и обозначают /ко- В этом отношении транзистор практически не отлилается по своим свойст-

Рис. 50. p-n-f>-TpaH3HcTop: а - к об-ы яснению процесса проводимости; б-изменение потенциала.

(Пропускное иалраВленае) рт

База( п-зона}

(Запорное р2 направление/

вам от диода. Совсем иная картина получается, если между базой и эмиттером включить добавочно источник напряжения, противоположного напряжению коллекторной батареи. Поясним поведение транзистора в этом случае с помощью схемы проводимости (рис. 50, с) и диаграммы распределения потенциалов (рис. 50, б). На диаграмме штриховой линией показано распределение потенциалов при отсутствии внешних смещающих напряжений. Виднь[ два перепада потенциалов в граничных слоях С, и G. При подключении коллекторного и эмиттерного напряжений разность потенциалов между базой и эмиттером понизится на величину Vq и приобретет значение < кр: Таким образом, граничный слой

Qi окажется включенным в пропускном направлении. Уже при достаточно небольших значениях И^ через переход может протекать большой ток h- Разность потенциалов между базой и коллектором, напротив, становится больше на величину приложенного напряжения t/gK, так что граничный слой 6*2 оказывается включенным в запорном направлении.

Попадая через открытый переход С, из эмиттера в базу (из-за пониженного потенциального барьера р^ это легко осуществляется уже при весьма небольших значениях напряжения б'э), дырки оказываются там под воздействием сильного поля граничного слоя G- В основной своей массе они увлекаются к коллекторному переходу. Небольшая их часть рекомбинирует в базе с электронами, образуя базовый ток 1. Под воздействием напряжения дырки сильно разгоняются. При этом они приобретают столь большую энергию, что способны преодолевать во внешнем контуре значительное сопротивление. Поскольку коллектор улавливает лишь те дырки, что вошли из эмиттера в базу благодаря приложенному напряжению (Убэ, мы получаем, таким образом, возможность управлять коллекторным током с помощью напряжения V (или тока /б) -

Какие выгоды зто сулит нам? В зависимости от типа и экземпляра транзистора в базе рекомбинируют около 2% (а то и менее) носителей заряда. Но это означает, что базовый ток 1 составляет всего 2% (и менее)

от тока коллектора /к- Эмитгерный переход включен в пропускном направлении, значит, для управления коллекторным током нужна лишь небольшая мощность. Напряжение, приложенное к запертому коллекторному переходу, больше напряжения, отпирающего эмиттерный переход. Таким образом, с помощью малой входной мощности =/б^4э управляют большой выходной мощностью Рвы x =/кЦ<э> гдс (Укз - напряженис между коллектором и эмиттером. Это свойство транзистора называют усилением. Таким образом, ясно, для чего мы будем применять транзистор. Для нас он является тем самым элементом, с помощью которого можно решить почти все задачи усиления в технике дистанщюнного управления. Остается добавить, что рассмотренный механизм токопрохож-дения остается полностью справедливым и для случая п'-р-п-транзисто-ров, если только изменить полярность источников приложенных напряжений. Оба типа транзисторов будут в равной мере встречаться в наших схемах (иногда даже в одной и той же схеме).

Мы экспериментируем Для лучшего уяснения эксплуатащюнных

с транзисторами свойств транзистора снимем уже известным

способом его характеристики. Для этого соберем схему в соответствии с рис. 51. В качестве переменного резистора возьмем углеродистый тонкослойный потенщюметр (2 Вт). Базовое напряжение получим от плоской батареи, коллекторное напряжение Кк - от шести круглых батарей (по 1,5 В). Для измерения токов воспользуемся двумя авометрами. Изобразим характеристики в виде графиков, подобных представленным на рис. 52.

Учтем также еще одно обстоятельство. Мы уже знаем, что полупроводники чувствительны к температуре. В процессе работы транзистора выделяется много тепла, что может привести к разрушению транзистора. Поэтому заводом-изготовителем даются паспортные значения допустимой полной мощности потерь Рщах или допустимой максимальной температуры перехода. У транзистора GC 122 при 20° С мощность потерь составляет ~120 мВт. Отводя возникающее тепло с помощью радиатора (высота / =9мм; диаметр =10мм) можно довести мощность потерь до 200 мВт, откуда видно, какую большую роль играет в транзисторных схемах охлаждение.

Из сказанного следует, что для предотвращения выхода транзистора из строя ни в коем случае нельзя превышать допустимых значений мощности потерь Рдоп- Наибольшая доля общей мощности потерь падает на мощность, рассеиваемую коллектором, Рк- Поэтому мощностью

потерь в эмиттере можно пре- небречь и полагать Р = Р^. Вели-

чина Р^ определяется по фор- мулеРк =/KtK3- Зная Рк, при

изменении и^э от 1,5 до 9 В на-

кэБ^---

Рис. 51. Схема для снятия характеристик транзистора.

Q5 0,4 О? 0,2 0,1 О 0 3 1б,мА

f,5 6 7,5

Рис. 52. Семейство характеристик транзистора GC122.

ходим соответствующие значения токов и строим точки на координатной плоскости (см. рис. 52). Соединяя эти точки, получаем кривую, называемую гиперболой мощности потерь (штрих-пунктирная кривая). Работа вне области, ограниченной этой гиперболой, исключается. При снятии транзисторных выходных характеристик =/((3) при = const будем поступать следующим образом: установим потенциометром значение базового тока /б = 0,1 мА. Затем измерим коллекторный ток для значений Ц<.э = 1,5; 3; . . . ; 9 В. Нанеся значения и t/кэ на координатную плоскость и соединив соответствующие точки кривой, получим выходную характеристику для тока базы 0,1 мА. Последующие характеристики семейства получим таким же путем для базовых токов 0,2; 0,3; 0,4 и 0,5 мА. Снимая характеристики, мы убеждаемся, что они в большей или меньшей мере отличаются от представленных на рис. 52. Характеристику = =/(б) при {Укэ = const получим путем переноса соответствующих точек с характеристик /(бэ)-

Прежде чем перейти непосредственно к усилительным схемам, познакомимся еще с двумя параметрами транзисторов. Первый из них - остаточный ток коллектора. Измеряют его по той же самой схеме, приведенной на рис. 51, установив коллекторное напряжение равным 6 В и отключив базу от потенциометра. Протекающий при этом остаточный ток /эо не должен превышать 100 мкА. Если он окажется больше или будет расти во время измерений, то транзистор для целей усиления непригоден.

Второй весьма важный параметр определим с помощью характеристики /к=/(/б)- Для этой цели выделим на ней участок между двумя значениями 1 и определим крутизну характеристики. Эта крутизна будет не чем иным, как коэффициентом усиления по току при коротком замыкании входной цепи, который часто называется также коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером Q (или Л 21):

j3 =

В соответствии с характеристиками (см. рис. 52) , получим

13=----=70.

0,1 мА

Параметр j3 является коэффициентом усиления малых сигналов в отличие от коэффициента усиления больших сигналов В, равного

i) кэ о

В ---

Для испытуемого транзистора при кэ = 3 В; /кэо=0,05 мА; 1 = = 14,5 мА; Iq = 0,2 мА

14,5 мА - 0,05 мА 14,45 мА В=-.=-=72.

0,2 мА 0,2 мА

Таким образом, видим, что разница между В и j3 ничтожна.

При усилении малых сигналов транзистор работает в таком режиме, что используется лишь небольшая часть рабочего диапазона его характеристик. С усилением малых сигналов мы будем встречаться, как правило, в приемных устройствах. Для решения этой задачи необходимы транзисторы с высокими усилительными свойствами во всем диапазоне рабочих частот. Мощность потерь, а следовательно, и саморазогрев у таких транзисторов должны быть незначительными.

В отличие от этого при усилении больших сигналов значения входных и выходных напряжений и токов сравнимы со значениями напряжений и токов используемых рабочих диапазонов. Особенно внимательно надо следить за тем, чтобы не превышалась максимально допустамая мощность потерь в пределах всего рабочего диапазона частот. С усилением большиз^ сигналов связана работа оконечных каскадов передатчика системы дисташ! ционного управления. Усиление больших сигналов мы должны обеспечить сами, причем по возможности простыми средствами. При дальнейшем рассмотрении мы всегда должны ориентироваться на коэффициент усиления по току В. Именно он является для нас критерием качества транзистора. Чем больше В, тем большее усиление можно получить от схемы.

Теперь нам предстоит построить прибор, с помощью которого можно определить коэффициент усиления по току В.

Мы строим прибор для С помощью этого прибора возможно грубое

проверки транзисторов измерение коэффициента усиления по току

и коллекторного тока р-п-р-и п-р-п-трш-зисторов. Кроме того, с его помощью можно проверять диоды и электро- литические конденсаторы.

Прибор будем строить по схеме, приведенной на рис. 53. Готовое устройство показано на рис. 54. Переключая батарею и измерительный прибор, можно в равной мере производить измерения параметров как р-п-р-,так и п-р-п-транзисторов. С учетом того, что у некоторых типов транзисторов цоколевка имеет структуру не э-б-к, как обычно, а б-к-э, в приборе должны быть предусмотрены транзисторные панели обоих вариантов. Для измерений воспользуемся авометром. Стоит вставить транзистор в панель, и стрелка прибора отклонится: мы измерим остаточный ток, который, как уже говорилось выше, не должен превы-

р-п-р Пропускное направление

ВЧООБ^т

9, 39к

201 (

I I П-Р-П I

\ \ Запорное Р ! р напраЁпение

Ч,5В

ЛЛ ЛЛ АЛ ЛЛ

Рис. 53. Схема прибора для проверки транзисторов.

На этой схеме и далее сопротивления

Рис. 54. Монтаж прибора для проверки транзисторов (вид изнутри).

резисторов от О до 999 Ом даются без указания единиц измерения, от 10 до 999 10 Ом - в килоомах с обозна-

чением единицы измерения буквой к .

шать 0,1 мА. У кремниевых транзисторов остаточный ток имеет порядок нескольких наноампер. Стрелка нашего прибора при столь малом токе может и не отклониться. Для измерения коэффициента усиления по току через балластное сопротивление R или R2 следует пропустить определенный, известный заранее базовый ток Iq , тогда с учетом отношения / б мы сможем проградуиро-вать шкалу для непосредственного отсчета параметра..Рассчитаем прибор для проверки транзисторов на два диапазона с верхними пределами В, равными соответственно 100 и 500, чтобы можно было проверять и транзисторы с очень большими коэффициентами усиления (кремниевые). В силу того, что /кэо (порядка 5 мкА) значительно меньше, чем /к (порядка 10 мА), пренебрежем величиной эо - Тогда

кэ о

При в - 100 и /к = 10 мА базовый ток должен быть равен

4 10 мА

-=0,1 мА.

Этот ток устанавливается с помощью резистора в цепи базы, сопротивление которого рассчитаем, зная напряжение, падающее на этом резисторе, IIr& =Uo- 1/бэ (Ц) - напряжение на зажимах, Щэ - напряжение между базой и эмиттером) и базовый ток /g. Предполагая,что [э =0,5 В,получим

6 =

f/o - f/бэ

4,5 В - 0,5 В 0,1 мА

= 40 кОм.

Выберем по шкале номиналов резистор с ближайшим к Kg значением сопротивления - 39 кОм.

Аналогично рассчитаем значение сопротивления в цепи базы для В = 500.

Следующей нашей задачей является получение от транзистора эффекта усиления. Электрические сигналы приходят в форме электрических колебаний, т. е. переменного напряжения, которое должно быть усилено. Каким же образом это осуществить? Известно, что с помощью малого тока базы можно управлять значительно большим током коллектора, добиваясь таким образом усиления по току. Для того чтобы достичь при этом усиления по напряжению, усиленный ток следует пустить через резистор. Включим резистор в коллекторную цепь схемы, приведенной на рис. 51. Тогда на этом коллекторном сопротивлении будет падать напряжение = IRk Назовем Кк нагрузочным сопротивлением и, задавшись его значением, равным 470 Ом, рассмотрим, как ведет себя транзистор, нагруженнный на это сопротивление. Исходить при этом будем из двух предельных случаев:

1. Если транзистор заперт, его сопротивление велико по сравнению с Rk - Напряжение питания Е,= 9 В практически целиком падает на транзисторе. Мы получаем точку 11=9 В, /к = О и наносим ее на график (см. рис. 52).

2. Если транзистор проводит, его сопротивление очень мало по сравнению с Rj.B предельном случае - в режиме насыщения - оно равно нулю. Тогда все напряжение питания падает на резисторе ft- Падение напряжения на транзисторе равно нулю и через него течет коллекторный ток насыщения

Е^ 9В

Точку 14:э = О, /к = 20 мА также наносим на график. Соединяя обе точки прямой линией, получаем нагрузочную характеристику. Она пересекает все кривые семейства выходных характеристик; точка пересечения с характеристикой, соответствующей заданному /g, называется рабочей точкой. При изменении тока базы сдвигается и рабочая точка. Выберем рабочую точку с таким расчетом, чтобы по обе стороны от нее на нагрузочной характеристике можно было производить одинаковые регулировки. Для этого необходим совершенно определенияй ток. В нашем случае он должен быть несколько больше 0,1 мА.

Транзистор играет Проделаем несложный эксперимент. Соберем

роль усилителя экспериментальной плате схему в соответ-

ствии с рис. 55. Если движок потенциометра находится в нижнем положении, то базовый ток отсутствует и мы можем считать со шкалы миллиамперметра остаточный коллекторный ток /кэо-Будем теперь повйшать напряжение tfej. Появится и начнет расти базовый ток /д. Коллекторный ток также будет расти вплоть до своего максимального значения 10 мА (коллекторный ток насыщения). Что же касается