Усилитель мощности - ликбез

         

ТЕМПЕРАТУРНАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ


Итак, мы убедились в необходимости достаточно обоснованного вы­бора положения работай точки маломощных и, особенно, мощных транзисторов. Но, если не принять специальных мер, то положение этой точки на характе­ристике самопроизвольно изменится при работе транзистора в результате из­менения температуры окружающей среды и нагревания самого транзистора про­ходящими через него токами.

В цепи коллектора протекает обратный ток IкБо, который зависит от тем­пературы: при повышении температуры на каждые 10° С ток IKБO германие­вого транзистора удваивается, а у кремниевых IKБO изменяется в 2,5 раза (правда, по значению этот ток значительно меньше, чем у германиевого тран­зистора, поэтому кремниевые более температуроустойчивы). Сам по себе ток IКБО незначителен; у маломощных транзисторов он составляет микроамперы, но от него зависит ток коллектора Iк = Iкбо(h21э + 1) Например, если ток IКбо при 20° С составляет 5 мкА, то при 40° С, а это обычная температура внутри работающего транзистора, он возрастает до 20 мкА. И хотя увеличе­ние тока на 16 мкА — это очень мало, ток коллектора изменится (при й31Э= = 25) на ДIк=ДIКБО(h21Э + 1) = 15(25+1) =390 мкА, т. е. почти на 0,4 мА, а это уже заметно, так как рабочий ток коллектора составляет 1 imA.

Рис. 10. Токи и напряжения в тран­зисторном усилительном каскаде

Увеличение тока коллектора приводит к уменьшению тока базы, посколь­ку ток базы IБ равен разности токов эмиттера и коллектора. Изменение же то­ка базы приводит к изменению напряжения на базе, а даже незначительное из­менение напряжения база — эмиттер приводит к значительным изменениям то­ков транзистора. Отсюда понятна зависимость режима работы транзистора от температурного изменения обратного тока коллектора IКБО. Для уменьшения этой зависимости необходимо снизить влияние изменения тока базы на значе­ние напряжения на базе. Если увеличить ток делителя Iд в цепи базы (рис. 10), то уменьшится зависимость напряжений U± и Uz от тока базы IБ.


Но для этого придется уменьшить сопротивле­ние резисторов R1 и R2, что приведет к увеличению потребления энергии от источника питания и уменьшению вход­ного сопротивления каскада, так как эти резисторы шунтируют цепь базы тран­зистора. Поэтому на практике ток дели­теля Iд для маломощных каскадов вы­бирают из условия: Iд>(5-10)IБ, а для мощных каскадов: Iд>(1-5)IБ. Чтобы не ухудшать КПД каскада, ток Iд выбирают не более 10 — 15% тока коллектора.

Более действенный способ борьбы с температурной нестабильностью тран­зисторного каскада — включение в эмиттерную цепь резистора R3. При изме­нении токов Iк и IБ происходит изменение и тока эмиттера Iд. При увели­чении тока Iэ увеличивается и падение напряжения IэRэ


на резисторе RЭ, вследствие чего напряжение между базой и эмиттерам транзистора UБЭ = = — IДR2 + Uэ становится менее отрицательным, что препятствует дальнейшему увеличению тока IЭ. Таким образом в цепи RЭCЭ создается напряжение только за счет постоянной составляющей эмиттерного тока I3, которая зависит от температуры транзистора. С повышением температуры ток эмиттера возрастает, в результате увеличивается напряжение в цепи RЭC3. Но это приводит к умень­шению напряжения между базой и эмиттером транзистора, что сдерживает рост эмиттерного тока. В этом и заключается метод температурной стабили­зации режима каскада за счет ООС по постоянному току. Чем ниже граничная усиливаемая частота, тем больше должна быть емкость конденсатора Сэ. На практике в усилителе звуковых частот она должна быть не менее 500 — 1000 мкФ в маломощных каскадах предварительного усиления и 1500 — 2000 мкФ в оконечных трансформаторных мощных каскадах.

Из рис. 10 следует, что чем больше сопротивление резистора R3, тем эффективнее ООС по току и лучше стабилизация. Однако увеличение сопротивления резистора R3 требует увеличения напряжения питания Ек: U Кэ= = — Ek+IkRk+I3RЭ. Падение напряжения на резисторе RB не должно превы­шать значения U3 = (0,1 — 0,2)EK, тогда Rэ= (0,1 — 0,2)EK/Iэ.


Из этого условия выбирают сопротивление резистора Ra.

Сопротивления резисторов делителя базовой цепи (с учетом рассмотренных условий) можно рассчитать по формулам:



Применяют и другие схемы температурной стабилизации режима (рис.11). Они обеспечивают меньшую стабилизацию, чем схема на рис. 10, но более эко­номичны в отношении источника питания (так как через резистор R1 проте­кает только небольшой ток базы). Кроме того они меньше шунтируют входное сопротивление транзистора, а значит, входное сопротивление таких каскадов вы­ше, чем каскада, работающего по схеме на рис. 10. Наконец, для них требуется меньше деталей, что тоже немаловажно.



Рис. 11. Схема каскада с фиксированным током базы (а) и схема усилительного каскада с ООС по коллекторному напряжению (б)

Сопротивление резистора R1 в схеме на рис. 11,a можно подсчитать по формуле R1~EK/IB, а на рис. 11,6 R1=UКЭ/IБ.


Содержание раздела