Глава 4 Полупроводниковые приборы

К полупроводникам относят вещества, занимающие по величине удельного электрического сопротивления (или проводимости) промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками (табл. 4.1).

Характерным признаком полупроводников, выделяющим их в особый класс веществ, является сильная зависимость их электропроводности от концентрации примесей и энергетических воздействий (температуры, света и др.). Например, даже при небольшом повышении температуры проводимость полупроводников резко возрастает (около 5 % на ГС), тогда как у металлов проводимость снижается, причем незначительно (на десятые доли процента на ГС). Введение в полупроводник даже небольшого количества легирующих примесей (около 10 %) существенно увеличивает его проводимость. В электронике находит применение лишь ограниченное число известных полупроводников — германий, кремний, арсенид галия. Бор, фосфор, мышьяк и другие используют в качестве легирующих примесей. Большинство полупроводниковых диодов изготавливаются на основе кремния.

Полупроводники, применяемые в электронике, имеют монокристаллическую структуру. Это значит, что по всему их объему атомы размещены в строго периодической последовательности на определенных постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. В такой идеальной кристаллической решетке все электроны связаны со своими атомами, поэтому такая структура не проводит электрический ток. Однако в полупроводниках сравнительно небольшие электрические воздействия (нагрев, облучение) приводят к отрыву некоторых электронов от своих атомов. Такие электроны называют электронами проводимости. Они перемещаются по кристаллической структуре и улучшают ее электропроводность. При уходе электрона из атома в кристаллической решетке образуется незаполненная связь (дырка). Ей присущ нескомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Это приводит к хаотическому возникновению дырок в связях других атомов, что эквивалентно хаотическому перемещению положительных зарядов. При наличии внешнего электрического поля дырка будет двигаться в направлении, определяемом силами поля, в кристалле возникает электрический ток. Движение электронов и дырок в полупроводнике обуславливает его собственную электропроводность. Она мала, ее можно улучшить, вводя в монокристалл легирующие примеси. Практически не существует полупроводников с чисто электронной или чисто дырочной проводимостью. Электропроводность полупроводников определяется основными носителями заряда, концентрация которых намного больше концентрации неосновных носителей. По функциональным возможностям полупроводниковые приборы можно разделить на три основных класса: диоды, транзисторы и тиристоры.

Диод (рис. 4.1) представляет собой пассивный нелинейный полупроводниковый прибор с двумя электродами — анодом и катодом.

Он проводит ток в прямом направлении, когда к аноду приложен положительный потенциал, а к катоду — отрицательный, и не проводит ток в обратном направлении. Пассивным он называется потому, что не усиливает мощность передаваемого сигнала.

Рис. 4.1. Полупроводниковый диод

Транзистор (рис. 4.2) это полупроводниковый прибор с тремя электродами, который может усиливать сигнал по мощности.

Рис. 4.2. Биполярный транзистор

Тиристор (рис. 4.3) это управляемый полупроводниковый прибор, который используется только в ключевом режиме (открыт-закрыт).

Рис. 4.3. Тиристор

Рассмотрим более подробно эти полупроводниковые приборы.

4.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Слово «диод» образовано от греческих слов «ди» — два и сокращенного «(электр)од». До сих пор мы изучали линейные элементы — резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Это значит, что при удвоении приложенного к ним напряжения сила тока тоже удваивается. Вольтамперная характеристика (ВАХ) этих элементов является прямой линией. Диод является нелинейным элементом, поэтому его ВАХ нелинейная (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Вольт-амперная характеристика диода

Обратный ток для диодов общего назначения измеряется в долях микроампер (обратите внимание на разный масштаб измерений прямого и обратного тока!), его обычно не принимают во внимание до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет значения напряжения пробоя. В этом случае обратный ток диода возрастает до значений, соизмеримых с прямым током, и диод выходит из строя.

Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U_aк, однако он не должен превышать определенного максимального значения I_макс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя.

На рис. 4.5 приведена ВАХ германиевого и кремниевого диодов для положительных напряжений. Следует иметь ввиду (см. рис. 4.5), что германиевые диоды открываются в прямом направлении при напряжении 0,2…0,4 В, а кремниевые — при 0,6…0,8 В, и что германиевые диоды имеют меньшее сопротивление в прямом, направлении чем кремниевые. И еще следует отметить: с повышением температуры и прямой и обратный токи увеличиваются.

Рис. 4.5. ВАХ германиевого и кремниевого диодов

По диапазону частот, в котором могут работать диоды, их подразделяют на низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ). По назначению НЧ диоды подразделяют на выпрямительные, стабилизирующие, импульсные, а ВЧ диоды — на детекторные, смесительные и другие.

Рассмотрим параметры диодов. Различают параметры номинального и предельного режимов работы. Номинальное значение параметра соответствует нормальному режиму работы. Параметры предельного режима характеризуют их максимально допустимые значения, при которых обеспечивается надежность прибора при длительной работе.

Здесь рассмотрим параметры наиболее широко распространенных групп выпрямительных (используемых для выпрямления переменного тока) и универсальных (используемых в качестве выпрямителей переменного тока высоких и низких частот, умножителей и преобразователей частоты, детекторов больших и малых сигналов и т. д.) диодов. Диоды применяют в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Средний выпрямленный (прямой) ток I_пр представляет собой ток (среднее значение за период), проходящий через диод, при котором обеспечивается его надежная и длительная работа. Значение этого тока ограничивается максимальной мощностью Р_макс, рассеиваемой диодом. Превышение этого тока ведет к тепловому пробою и повреждению диода.

Прямое падение напряжения U_{пр. ср} — среднее значение за период на диоде при прохождении через него допустимого прямого тока.

Допустимое обратное напряжение U_обр — среднее значение за период, при котором обеспечивается надежная длительная работа диода. Превышение обратного напряжения приводит к пробою и выходу диода из строя. С повышением температуры значения обратного напряжения и прямого тока снижаются.

Обратный ток I_обр — среднее значение за период обратного тока при допустимом U_обр. Чем меньше обратный ток, тем лучше выпрямительные свойства (свойства односторонней проводимости) диода. Повышение температуры на каждые 10^°С приводит к увеличению обратного тока у германиевого и кремниевого диодов в 1,5…2 раза и более.

Максимальная постоянная, или средняя за период, мощность Р_макс, рассеиваемая диодом, при которой он может длительно работать, не изменяя своих параметров.

Предельный режим использования диодов характеризует максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. макс} и максимальный выпрямленный ток I_{пр. макс}.

Основные параметры наиболее распространенных диодов приведены в таблице 4.2.

* _{В числителе — максимально допустимый импульсный прямой ток, в знаменателе — максимально допустимый постоянный или средний прямой ток.}

Если в вашей «кладовке» не оказалось нужного диода, то можно его заменить другим, т. е. найти ему аналог (см. табл. 4.3).

Внешний вид диодов показан на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Внешний вид диодов

Маркировка диода нанесена либо на корпусе, либо на выводах в одном случае буквами и цифрами, в другом цветными метками. Диоды Д9 маркируют цветными точками в середине корпуса: Д9Б — красной, Д9В — оранжевой, Д9Г — желтой, Д9Д — белой, Д9Е — голубой, Д9Ж — зеленой и голубой, Д9И — двумя желтыми, Д9К — двумя белыми, Д9Л — двумя зелеными. Около вывода анода на корпусе ставят красную точку.

Для диодов серии D220 принята иная система. Все они маркируются желтой точкой, вывод анода отмечается красной точкой, а вывод катода помечается синей точкой для диода Д220, черной для Д220А, зеленой для Д220Б.

А теперь допустим, что у вас оказался уже работавший в каком-либо устройстве диод. Как узнать, исправен он или нет? Если у вас есть авометр, тогда это не составит труда, для этого необходимо измерить его прямое R_пр и обратное R_обр сопротивления (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Измерение прямого и обратного сопротивлений диода с помощью авометра

Если прямое сопротивление составляет десятки ом, а обратное — несколько единиц или десятков килоом, то диод исправен. Чем меньше прямое сопротивление и больше обратное, тем выше качество диода. Если же и прямое и обратное сопротивления бесконечно большие, значит, диод перегорел. А если у вас авометра нет, то и это не беда. Возьмем батарею 3336Л (на 4,5 В) или «Крону» (на 9 В) и лампочку от карманного фонаря, подключим их так, как показано на рис. 4.8. Лампочка должна «гореть», когда «+» батареи подключен к аноду диода, — это говорит о том, что диод исправен.

Рис. 4.8. Проверка исправности диода с помощью батарейки и лампочки от карманного фонаря

При проверке диода омметром (авометром) следует учитывать, что из-за нелинейности ВАХ диода измеренные значения и зависят от напряжения источника питания омметра. Чем больше это напряжение, тем меньшими получаются значения R_пр и большими R_обр. Измеренные обратные сопротивления оказываются много меньше тех значений, которые соответствуют более высоким обратным напряжениям, прикладываемым к диодам в схемах различных устройств (рис. 4.9).

Это обстоятельство следует всегда учитывать, особенно при отбраковке выпрямительных диодов. Рекомендации по применению диодов (перенести сюда).

Рис. 4.9. В зависимости от величины обратного напряжения будет различно и сопротивление диода

4.2.1. Рекомендации по применению диодов

1. Для повышения надежности работы приборов в аппаратуре необходимо снижать температуру переходов, а также рабочие напряжения и токи: они должны быть существенно ниже предельно допустимых. Рекомендуется устанавливать напряжения и токи на уровне 0,5…0,7 от предельных значений. Не допускается также кратковременное превышение предельно допустимого режима при эксплуатации.

2. Если необходимое значение тока или напряжения превышает предельно допустимое для данного прибора значение, рекомендуется их параллельное или последовательное соединение. При параллельном соединении необходимо выравнивать токи через диоды с помощью резисторов с небольшим сопротивлением (до 10 Ом в зависимости от типа диода), включаемых последовательно с каждым диодом. При последовательном включении диодов обратные напряжения на них выравниваются с помощью шунтирующих резисторов или конденсаторов. Рекомендуемые сопротивления и емкости шунтов указываются в ТУ на диоды. Между последовательно или параллельно включенными диодами должна быть хорошая тепловая связь (например, установка на одном радиаторе). В противном случае распределение нагрузки между диодами будет неустойчивым.

3. Необходимо придерживаться принципа максимально возможного снижения температуры переходов и корпуса приборов.

Для охлаждения мощных диодов используют теплоотводяшие радиаторы, а также конструктивные элементы узлов и блоков аппаратуры. Крепление диодов к радиатору должно обеспечивать надежный тепловой контакт. Если корпус должен быть изолирован, то для уменьшения общего теплового сопротивления лучше изолировать радиатор от корпуса аппаратуры, чем диод от радиатора.

4. Расстояние от корпуса до начала изгиба выводов должно быть не менее 5 мм. Расстояние от корпуса или изолятора до места лужения или пайки вывода должно быть не менее 3 мм. Для отвода тепла участок вывода между корпусом и местом пайки зажимается пинцетом с губками из красной меди. Жало паяльника должно быть надежно заземлено. Время пайки должно быть минимальным (2…3 с), температура плавления припоя не превышать 260 °C (например, припой ПОС-40).

5. Не рекомендуется располагать диоды ни в постоянных, ни в переменных сильных магнитных полях.

6. Устройство с диодами необходимо рассчитывать с учетом максимально возможных изменений параметров в диапазоне рабочих температур, а также в процессе эксплуатации и хранения.

4.2.2. Стабилитроны

Стабилитроны применяются для стабилизации напряжения источников постоянного тока, в качестве ограничителей, фиксаторов уровня, развязывающих элементов переключающих устройств, а также для фиксации уровней напряжений и токов в схемах, отсюда другое название кремниевых стабилитронов — опорные диоды.

В стабилитронах обратная ветвь ВАХ имеет крутой излом (рис. 4.10, а), обусловленный резким ростом тока, и используется для стабилизации постоянного напряжения. Обратное сопротивление стабилитрона при малых напряжениях велико, а при достижении напряжения стабилизации ток резко возрастает. На рис. 4.10, б приведена рабочая часть ВАХ стабилитрона. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока Д1 вызывает малое изменение напряжения ΔU.

Рис. 4.10. ВАХ стабилитрона

Прямая ветвь стабилитрона ничем не отличается от характеристики обычного диода и падение напряжения в прямом направлении равно примерно 0,6 В.

Основные параметры стабилитронов: напряжение стабилизации U_ст, максимальный I_{ст. макс} и минимальный I_{ст. мин} ток стабилизации, дифференциальное (динамическое) сопротивление r_диф ~= ΔU/ΔI, статическое сопротивление r_стат ~= U_ст/I_ст, температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации α_ст = ΔU∙100/(U_ст∙ΔТ)%/°С при постоянном токе стабилизации (табл. 4.4).

Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая ВАХ и, соответственно, чем меньше дифференциальное сопротивление r_диф, и чем меньше ТКН стабилизации.

Так как реальная ВАХ имеет некоторый наклон, то напряжение U_ст стабилизации зависит от тока I_ст стабилизации (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Напряжение стабилизации в реальных условиях зависит от тока стабилизации

Максимальный ток стабилизации I_{ст. макс} ограничен допустимой мощностью рассеивания Р_доп. Минимальный ток I_{ст. мин} стабилизации соответствует началу устойчивого режима стабилизации; при меньших токах в диоде возникает значительное напряжение шумов (такой режим работы используется на специальных полупроводниковых приборах — генераторах шума).

ТКН стабилизации зависит от рабочей силы тока, а также от напряжения стабилитрона.

На рис. 4.12 показана зависимость ТКН стабилизации α_ст от напряжения U_ст стабилизации. Как видно из рисунка, для высоковольтных стабилитронов α_ст больше нуля, а для низковольтных меньше нуля.

Рис. 4.12. График зависимости ТКН стабилизации стабилитрона от напряжения стабилизации

Для уменьшения ТКН стабилизации выпускаются термокомпенсированные стабилитроны, в которых соединены последовательно стабилитрон и р-n-переход (диод), включенный в прямом направлении. С повышением температуры падение напряжения на р-n-переходе (включенном в прямом направлении) уменьшается, а на обратно смещенном р-n-переходе (стабилитроне) растет. Таким способом у термокомпенсированных стабилитронов, например КС211, удается получить малый (у КС211Б α_ст = 0,02 %/°С, а, для сравнения, у КС650А α_ст = 0,2 %/°С).

На рис. 4.13 изображена схема параметрического стабилизатора напряжения, применяемая на практике.

Рис. 4.13. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения

При увеличении входного напряжения возрастет сила тока I в обшей цепи и сила тока через стабилитрон I_ст. Увеличится падение напряжения на балластном резисторе R_б. Напряжение на стабилитроне U_ст и на нагрузке R_н останутся практически неизменными. Обратите внимание: в схеме на катод стабилитрона подается «+» источника питания, а на катод — «—» источника!

Для стабилизации напряжения разной полярности выпускаются симметричные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ.

Диоды, у которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ, называют стабисторами. Стабисторы включаются в схему стабилизации напряжения как обычные диоды. В отличие от стабилитронов стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (около 0,7 В).

Для расширения диапазона стабилизации используют последовательное соединение в одном корпусе нескольких стабисторов.

Параметры стабисторов аналогичны параметрам стабилитронов, а их максимальная сила тока и мощность те же, что и у выпрямительных диодов. Стабисторы имеют отрицательный ТКН стабилизации. Для использования в качестве стабистора предназначены кремниевые диоды Д219С, Д22 °C, Д223С. Внешний вид всех стабилитронов одинаковый.

Если у вас нет стабилитрона на нужное напряжение, в этом случае надо собрать цепочку последовательно соединенных стабилитронов так, чтобы при протекании через них рабочего тока выполнялось равенство:

U_ст1 + U_ст2 + … + U_стn = U_ст,

где U_ст — требуемое напряжение стабилизации.

Так как напряжение стабилизации однотипных стабилитронов имеет значительный разброс, то для подбора стабилитронов надо собрать схему из последовательно соединенных источника постоянного напряжения с напряжением, превышающим напряжение стабилизации на 25…50 %, переменного резистора 500…1000 Ом, проверяемого стабилитрона и миллиамперметра. Для измерения напряжения стабилизации на стабилитроне надо иметь вольтметр с входным сопротивлением не менее 1 кОм/В (входное сопротивление универсального вольтметра не менее 45 кОм/В). С помощью переменного резистора устанавливают силу тока в цепи, равную рабочей силе тока стабилитрона, и измеряют напряжение стабилизации.

Для увеличения мощности рассеивания стабилитронов применяют радиаторы. В простейшем виде теплоотвод (радиатор) представляет собой две алюминиевые пластинки толщиной 2 мм и площадью 200…220 см².

Для эффективного отвода тепла пластины хорошо прижимают к корпусу стабилитрона. Чтобы улучшить тепловой контакт, надо со стабилитрона в местах соприкосновения его с пластинами удалить краску и смазать невысыхающей смазкой, например, силиконовой. Это позволяет увеличить силу тока стабилизации стабилитронов, например, типа Д808…Д813 в десятки раз.

Для проверки исправности стабилитронов Д808…Д813, Д815 и др. можно воспользоваться любым авометром. Если при измерении прямого сопротивления авометр покажет сопротивление 100… 150 Ом, а при измерении обратного сопротивления стрелка прибора не сдвинется с места (на шкале «Ω∙10»), то стабилитрон считается исправным.

Если у вас нет нужных стабилитронов, можно использовать регулируемый аналог на транзисторах (рис. 4.13, б). Он имеет такую же ВАХ, как и стабилитрон, причем напряжение стабилизации можно регулировать в пределах 3…20 В резистором R1. Аналог представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), охваченный отрицательной обратной связью (ООС) через делитель напряжения R1, R2, R3. Напряжение стабилизации определяется соотношением сопротивлений резисторов делителя, который устанавливают таким, чтобы напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT1 было равно 0,7 В. При увеличении, например, напряжения на аналоге напряжение на базе транзистора VTI тоже увеличится, что приведет к увеличению тока через транзистор VT2, а следовательно, к компенсации повышения выходного напряжения. При указанных на схеме номиналах элементов регулируемый аналог имеет следующие характеристики:

Для установки напряжения стабилизации аналог подключают к источнику с напряжением 20…30 В через балластный резистор R_б сопротивлением 5…10 кОм и подстроечным резистором R1 устанавливают необходимое напряжение на выводах аналога.

Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов. Это в ряде случаев оказывается конструктивно и экономически выгоднее, чем использование одного более мощного и высоковольтного стабилитрона. В целях резервирования (повышения надежности бесперебойной работы) стабилитроны одного типа могут быть включены параллельно. При этом суммарная мощность, рассеиваемая на всех стабилитронах, не должна превышать максимально допустимую мощность рассеивания одного стабилитрона данного типа. Стабилитроны средней и большой мощности при работе должны устанавливаться на радиаторах.

Для повышения надежности работы стабилитронов целесообразно их эксплуатировать на 20…30 % ниже предельных значений по мощности рассеивания.

4.3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.3.1. Общие сведения

«Транзистор» в переводе с английского означает «преобразователь сопротивления». Это полупроводниковый прибор, который служит для усиления и переключения сигналов.

Транзисторы, в которых прохождение тока через кристалл полупроводника обусловлено движением двух различных типов носителей заряда (электронов и дырок), называют биполярными. Особую группу составляют полевые, или униполярные транзисторы, которые работают с носителями заряда лишь одного знака (электронами или дырками), а также однопереходные транзисторы (двухбазовые диоды). Пока что мы будем вести речь о биполярных транзисторах, называя их просто транзисторами.

Выпускаются германиевые и кремниевые транзисторы. Они бывают р-n-р (читается «П-Н-П») и n-р-n (читается «Н-П-Н») структуры. УГО этих транзисторов и их диодные эквивалентные схемы приведены на рис. 4.14.

Рис. 4.14. УГО и эквивалентные схемы биполярных транзисторов

В настоящее время большинство транзисторов, в том числе транзисторы интегральных схем, выпускают на основе кремния, и они имеют, как правило, структуру n-р-n типа.

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим n- или p-слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б, а два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К.

Диодные эквивалентные схемы поясняют структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Кроме того, диодные эквивалентные схемы позволяют определить практически структуру и электроды неизвестного транзистора, о чем разговор пойдет ниже.

На рис. 4.15 показаны условные графические обозначения транзисторов n-р-n и р-n-р структуры, выполненные на основе германия и кремния, и типовые напряжения на их электродах.

Рис. 4.15. УГО транзисторов на основе германия и кремния и типовые напряжения на их электродах

А на рис. 1П показаны цоколевки и упрощенные изображения корпуса со стороны выводов наиболее широко применяемых в любительской практике биполярных транзисторов мощности, а на рис. 2П — цоколевка полевых транзисторов малой мощности (буквенные индексы транзисторов на рис. 1П и 2П опущены).

4.3.2. Схемы включения транзисторов

В рабочем режиме к электродам транзисторов подключают постоянное напряжение внешних источников питания. Помимо постоянных напряжений, к электродам подводят сигналы, подлежащие, например, усилению. В связи с этим различают входную цепь, в которую подводят сигнал, и выходную, в которой с нагрузки снимают сигнал. В зависимости от того, какой из электродов при включении транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают схемы с общей базой ОБ, общим эмиттером ОЭ и общим коллектором ОК. В схеме с общей базой (рис. 4.16, а) входной цепью является цепь эмиттера, выходной — цепь коллектора. В схеме с ОЭ (рис. 4.16, б,) входной является цепь базы, а выходной — цепь коллектора. В схеме с ОК (рис. 4.16, в) входной является цепь базы, а выходной — цепь эмиттера.

Рис. 4.16. Схема включения транзистора: а) с ОБ; б) с ОЭ; в) с ОК

Потенциал общего электрода схемы принимают равным нулю, а напряжения на других отсчитывают относительно потенциала общего электрода. Обозначения напряжений в цепях транзистора снабжают буквенными индексами, указывающими на электроды, между которыми оно включено, причем второй индекс относится к общему электроду схемы, например, U_бэ, U_кэ, U_бк и т. д.

Физические процессы, протекающие в транзисторах со структурой n-р-n и р-n-р, одинаковы. В транзисторах р-n-р, в отличие от транзисторов n-р-n, подается напряжение обратной полярности, а токи имеют противоположное направление.

В таблице 4.5 дается качественная оценка основных параметров схем с ОЭ, ОК и ОБ. Схема с ОЭ имеет наибольшее усиление по мощности и средние значения входного и выходного сопротивлений, поэтому она чаще других используется в усилителях.

4.3.3. Основные параметры транзисторов

Система параметров транзисторов насчитывает более пятидесяти параметров и характеристик. Как и для диодов, параметры транзисторов подразделяются на параметры, имеющие предельно допустимые значения (максимально и(или) минимально допустимые значения) и параметры, значения которых характеризуют свойства приборов.

Система предельно допустимых параметров включает в себя предельно допустимые значения напряжений коллектор-эмиттер, коллектор-база и база-эмиттер, предельно допустимые значения токов коллектора и базы и т. д. Предельно допустимые значения тока и напряжения обычно задаются для стационарных условий (например, постоянный ток коллектора), но могут приводиться и для импульсного режима работы. В этом случае оговаривается длительность импульса t_n и частота f.

Система основных параметров, как правило, зависит от функционального назначения транзистора, его мощности и частотного диапазона работы, а также от рабочего режима и температуры, причем с увеличением температуры зависимость параметров от режима сказывается более сильно. В справочниках приводятся, как правило, типовые (усредненные) зависимости параметров транзисторов от силы тока, напряжения, температуры, частоты и т. д. Эти зависимости должны использоваться при выборе типа транзистора и сравнительных расчетах, так как значения параметров транзисторов одного типа не одинаковы, а лежат в некотором интервале. Этот интервал ограничивается минимальным или максимальным значением, указанным в справочнике.

В конце книги некоторых справочников помещен алфавитно-цифровой указатель транзисторов и указаны страницы. Поэтому данные о любом транзисторе можно найти быстро.

Перечень основных предельных эксплуатационных параметров (исключая СВЧ-транзисторы и силовые транзисторы) приведен в таблице 4.6.

^*_{(при Uкб, В; Iк, А)}

4.3.4. Статические ВАХ транзистора

ВАХ содержит информацию о свойствах транзистора во всех режимах работы, в том числе о связях между параметрами. По ВАХ можно определить ряд параметров, не приводимых в справочниках, а также рассчитать цепи смещения, стабилизации режима, оценить работу транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений. В основном используются два семейства статических ВАХ: входные и выходные.

Входные характеристики устанавливают зависимость входного тока (тока базы в схеме с общим эмиттером) от напряжения между базой и эмиттером при определенном напряжении на коллекторе. Входная характеристика германиевого транзистора структуры р-n-р МП40 приведена на рис. 4.17, а; на рис. 4.17, б изображена такая же характеристика кремниевого транзистора КТ361 такой же структуры.

Рис. 4.17. Входная характеристика: а) германиевого транзистора МП40; б) кремниевого транзистора КТ361

При нулевом напряжении на коллекторе (относительно эмиттера) ход кривой обеих характеристик весьма схож, за исключением значений базовых напряжений, при которых начинают открываться транзисторы (у кремниевых транзисторов оно несколько больше). Из рисунков видно, что это, по сути дела, характеристики полупроводниковых диодов. При подаче на коллектор транзистора постоянного напряжения «диод» (т. е. эмиттерный переход) начинает работать в несколько измененном режиме, что отразится на его входной характеристике на рис. 4.17, а при U = 5 В).

Выходные характеристики устанавливают зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы (в схеме с ОЭ). На рис. 4.18 приведена выходная характеристика транзистора МП40.

Рис. 4.18. Выходные характеристики транзистора МП40

Если нанести на эту характеристику предельно допустимые значения тока коллектора, напряжений на коллекторе и рассеиваемую мощность, то получим область допустимой работы транзистора. Достаточно теперь в конкретном каскаде проанализировать режим транзистора (ток коллектора, напряжение на коллекторе, ток базы) и перенести измеренные параметры на характеристику, чтобы узнать, насколько близок режим работы транзистора к критическому режиму.

При изменении температуры входные и выходные характеристики смещаются. На рис. 4.19 в качестве примера показаны выходные характеристики транзистора при различных температурах.

Рис. 4.19. Выходные характеристики транзистора при различных температурах

Из рисунка видно, что с повышением температуры не только увеличивается коллекторный ток I_к, но и увеличивается наклон (крутизна) выходных характеристик. Для температурной стабилизации режима работы транзисторов вводят цепи обратной связи, а также применяют алюминиевые или медные радиаторы с большой поверхностью охлаждения.

4.3.5. Анализ усилительных каскадов

По схеме усилителя к электронной сирене (рис. 3.31) проанализируем основные параметры первого каскада — простейшего усилителя, собранного по схеме с общим эмиттером. Так, в цепи эмиттера у него отсутствует резистор для стабилизации режима работы, такой каскад вносил бы большие искажения. Здесь задача стабилизации режима работы каскада решена путем использования обратной отрицательной связи (ООС) по постоянному и переменному току.

В усилительных каскадах без стабилизирующего резистора в цепи эмиттера параметры усилителя можно определить по формулам:

1. Коэффициент усиления по напряжению:

К = I_к∙R_к/U_т,

где U_т — термический потенциал. При комнатной температуре U_т = 25,5 мВ.

Входное сопротивление:

R_вx = R_бэ = h_21э∙U_т/I_к,

где R_бэ — сопротивление участка база-эмиттер транзистора; h_21э — статический коэффициент передачи тока транзистора.

3. Выходное сопротивление:

R_вx = R_к∙R_кэ/(R_к + R_кэ),

где R_кэ — сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора.

Обычно R_кэ >> R_к. Taк, при токе коллектора в 1 мА типовое значение R_кэ примерно равно 100 кОм, а при токе 200 мкА оно равно примерно 500 кОм.

Необходимо помнить, что внутреннее сопротивление источника сигнала r и входное сопротивление транзистора R_вx  образуют делитель напряжения и напряжение источника сигнала будет распределяться между этими сопротивлениями. Надо учитывать и то, что сопротивление нагрузки усилителя (например, входное сопротивление следующего каскада) подключено по переменному току (сигналу) параллельно с R_к и R_кэ.

Значительно чаще находит применение схема с общим эмиттером и ООС по току (в цепи эмиттера имеется резистор R_э). Так, второй и третий каскады усилителя «электронного уха» выполнены именно по этой схеме.

1. Коэффициент усиления такого каскада:

где S = I_к/U_т — крутизна передаточной характеристики.

При увеличении сопротивления резистора R_э увеличивается глубина ООС и К —> R_к/R_э, а при уменьшении К —> I_к∙R_к/U_т.

Если вычислить коэффициент усиления второго каскада усилителя по приближенной формуле, то получим 4,7 и 3,3 соответственно.

2. Входное сопротивление

R_вx = R_бэ + h_21э∙R_э =h_21э∙(1/S + R_э)

Из этого выражения видно, что входное сопротивление легко определить, зная сопротивление резистора R_э и коэффициент передачи транзистора по току h_21э.

3. Выходное сопротивление:

R_вых ~= R_к

Следует остановиться на выборе рабочей точки на характеристике транзистора. В усилителе «электронного уха» установка рабочей точки осуществляется с помощью гасящего резистора. Если требуется стабильный режим работы, то обязательно надо использовать ООС по току, т. е. в цепь эмиттера включить резистор что и сделано в этом усилителе.

Теперь рассмотрим интересный пример. Транзистор имеет параметр — обратный ток коллектора I_кб0, который зависит от температуры: при повышении температуры на каждые 10 °C ток I_кб0 кремниевых транзисторов изменяется в 2,5 раза. Сам по себе ток незначителен: у маломощных транзисторов он составляет микроамперы, но от него зависит ток коллектора: I_к = I_кб0∙(h_21э + 1). Например, если I_кб0 = 5 мкА при 20 °C, то при 40 °C, а это обычная температура внутри работающего транзистора, он возрастает до 20 мкА, что приводит к увеличению тока коллектора на ΔI_к = ΔI_кб0∙(h_21э + 1) = 15∙(25 + 1) = 390 мкА, т. е. почти на 0,4 мА, а это уже заметно, т. к. рабочий ток коллектора составляет 1 мА. А если h_21э составляет сотни единиц, то ток коллектора увеличится в несколько раз.

Увеличение тока коллектора приводит к уменьшению тока базы, поскольку ток базы I_б = I_э — I_к. Изменение же тока базы приводит к изменению напряжения на базе, а даже незначительное изменение напряжения U_бэ приводит к значительному изменению тока коллектора транзистора. Поэтому очень важно обеспечить температурную стабилизацию режима работы транзистора.

Следует также отметить, что схема с ОЭ при больших токах базы и больших сопротивлениях резистора R_б чувствительна к пробою, поэтому, чтобы исключить работу транзисторного каскада с обрывом базы (т. е. при R_б = ), первым следует подключать (подпаивать) к схеме вывод базы, а отключать (отпаивать) последним.

Применение индуктивности в цепи базы транзистора при работе с короткими импульсами или импульсами с крутыми фронтами так же недопустимо, как и использование больших сопротивлений в цепи базы.

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) тоже ча<;то находит применение, т. к. имеет большое входное и малое выходное сопротивления. Его коэффициент усиления К ~= 1 (К < 1), входное сопротивление R_вх ~= h_21эR_э и почти не отличается от входного сопротивления схемы с общим эмиттером и ООС по току.

Выходное сопротивление:

где R_вн — внутреннее сопротивление входного источника сигнала.

Схема с общей базой редко используется, поэтому мы не будем приводить ее параметры.

Предельные параметры учитываются и при замене одного типа транзистора другим. Не рекомендуется, например, использовать высокочастотный транзистор там, где может работать низкочастотный. Высокочастотные транзисторы, как правило, очень чувствительны к перегрузкам, усилительные схемы на них подвержены самовозбуждению.

Для маломощных схем, работающих при малых коллекторных токах, необходимо выбирать маломощные транзисторы. Применение мощного транзистора в этом случае приведет к неустойчивой работе схемы. Кроме того, в первом каскаде высокочувствительных усилителей рекомендуется применять транзисторы с малым уровнем шумов.

При замене одного типа транзистора другим в УЗЧ целесообразно применять транзисторы со значением h_21э, не ниже, чем у заменяемого. При недостаточных методах стабилизации рабочей точки может потребоваться индивидуальный подбор сопротивления резистора в цепи базы для установки необходимого тока коллектора. При этом может оказаться, что заменяемый транзистор уже давно снят с производства или отсутствует в вашей «кладовке». В этом случае можно подобрать транзистор другого типа той же структуры с аналогичными или близкими параметрами. Для подбора таких транзисторов следует использовать справочник по транзисторам. Кроме того, в этом случае можно воспользоваться табл. 4.7, в которой транзисторы размещены по своему основному назначению, а последовательность размещения в группах такова, что все последующие транзисторы заменяют предыдущие. Возможна и обратная замена, когда предыдущий транзистор заменяет последующий из той же группы, но в этом случае качество работы каскада может ухудшиться. В скобках указаны транзисторы, снятые с производства.

Низкочастотные транзисторы в группах расположены с учетом возрастания гарантированного значения коэффициента h_21э. Высокочастотные транзисторы расположены в группах в порядке возрастания предельной частоты. Это связано с тем, что на высоких частотах усиление транзистора тем больше, чем выше его предельная частота.

Может оказаться, что транзисторов, пригодных к замене, у вас не оказалось. Тогда можно взять транзистор той же структуры и из того же полупроводникового материала, но более высокой частоты или мощности. Возможны и другие замены, например, германиевого транзистора кремниевым, и, наоборот. Но при этом почти всегда возникает необходимость скорректировать режим работы ступени усиления.

В тех случаях, когда необходимо произвести замену транзисторов, работающих в портативных радиовещательных приемниках, можно воспользоваться табл. 4.8. В ней обобщены сведения о транзисторах, применяемых в каскадах приемников различной ступени сложности с учетом их возможной взаимозаменяемости.

В табл. 4.9 и 4.10 даны рекомендации по замене транзисторов малой и большой мощности соответственно. Использование приведенных аналогов потребует, как правило, подбора деталей.

В некоторых случаях, особенно при использовании эмиттерных повторителей, усиление по току одного транзистора оказывается недостаточным. В этом случае можно применять составные транзисторы. Они применяются в случаях, когда требуется большой коэффициент усиления по току, т. е. применяются в схемах, работающих с большими токами (например, в стабилизаторах напряжения или выходных каскадах усилителей мощности, если необходимо обеспечить большое входное сопротивление).

Полученную схему составного транзистора можно представить как некоторый транзистор с выводами Э, Б, К (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Схема составного транзистора

Его параметры можно определить по формулам:

1. Коэффициент усиления по току К = К1∙К2.

2. Входное сопротивление R_вх = 2К∙(U_т/I_к')

3. Крутизна S = I_к/2U_т.

4. Выходное сопротивления R_вых = ²/₃∙R_кэ2

Чтобы транзистор VT2 (рис. 4.20, а) быстрее закрывался, часто параллельно его переходу эмиттер-база включают резистор R1.

Для получения составного транзистора можно также соединить параллельно два комплиментарных транзистора (рис. 4.20, б). При этом функции схемы определяются транзистором VT1, тогда как транзистор VT2 служит лишь для усиления тока. Его параметры можно определить по формулам:

1. Коэффициент усиления по току К = К1∙К2.

2. Входное сопротивление R_вх = К∙(U_т/I_к')

3. Крутизна S = I_к/U_т.

4. Выходное сопротивления R_вых = ¹/₂∙R_кэ2

Между базой и эмиттером транзистора VT2 также рекомендуется включать резистор R1. Обычно сопротивление R1 составляет несколько сотен ом в мощном составном транзисторе и несколько тысяч ом в маломощном составном транзисторе.

4.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (ПТ) — это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей (электронов или дырок, протекающим через проводящий канал). В отличие от биполярных транзисторов работа ПТ основана на использовании основных носителей заряда в полупроводнике. На рис. 4.21 показаны УГО полевых транзисторов.

Рис. 4.21. УГО полевых транзисторов

По конструктивному исполнению и технологии изготовления ПТ можно разделить на две группы: ПТ с управляющим р-n-переходом и ПТ с изолированным затвором.

Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком; электрод, через который в канал уходят носители заряда, — стоком; электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, — затвором. При подключении к истоку отрицательного (для n-канала), а к стоку положительного напряжения в канале возникает электрический ток, создаваемый движением электронов от истока к стоку, т. е. основными носителями заряда. В этом заключается существенное отличие ПТ от биполярного транзистора. Движение носителей заряда вдоль электронно-дырочного перехода (а не через переходы, как в биполярном транзисторе) является второй характерной особенностью ПТ.

ПТ с изолированным затвором имеют структуру, состоящую из металла, диэлектрика и полупроводника, поэтому их часто называют МДП-транзисторами, или МОП-транзисторами (металл — оксид — полупроводник). Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока — отрицательного при p-канале и положительного при n-канале. Это напряжение называют пороговым (U_пор).

В МДП — транзисторах со встроенным каналом проводящий канал образуется при напряжении на затворе, равном нулю. Током стока можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. При некотором положительном напряжении затвор-исток транзистора с p-каналом или отрицательном напряжении транзистора с n-каналом ток в цепи стока прекращается. Это напряжение называют напряжением отсечки (U_{3И. отс}).

ПТ в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов ПТ подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом на затвор (рис. 4.22, а); с общим стоком и входом на затвор (рис. 4.22, б); с общим затвором и входом на исток (рис. 4.22, в). По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для ПТ типовой является схема с общим истоком.

Рис. 4.22. Схемы включения ПТ

4.4.1. Основные параметры полевых транзисторов

1. Начальный ток стока I_{С. нач}, — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю, и напряжении на стоке, равном или превышающем напряжение насыщения.

2. Остаточный ток стока I_{С. ост} — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки.

3. Ток утечки затвора I_3.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой.

4. Напряжение отсечки U_{3И. отс} — напряжение между затвором и истоком транзистора с р-n-переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

5. Пороговое напряжение U_{3И. пор} — напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения (обычно 10 мкА).

6. Крутизна характеристик S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Значение S зависит от рабочей точки транзистора. Измеряют S на низкой частоте (обычно 50… 1500 Гц).

В таблице 4.11 приведены основные параметры некоторых наиболее распространенных ПТ.

Частотные свойства ПТ определяются постоянной времени RC-цепи затвора. Поскольку входная емкость у транзистора с р-n-переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, не превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц. У ПТ с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у ПТ с р-n-переходом.

Тепловые параметры ПТ характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. В отличие от биполярных транзисторов, у которых при повышении температуры ток коллектора возрастает, ток стока ПТ в зависимости от выбранного режима может увеличиваться, уменьшаться или оставаться постоянным. На рис. 4.23 приведены стоко-затворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки.

Рис. 4.23. Стоко-затворные характеристики ПТ при температурах:

_{1) +85 °C; 2) +25 °C; 3) -60 °C}

Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же, как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе ПТ и режима его работы.

В ПТ с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры.

При конструировании устройств на ПТ следует учитывать, что с увеличением напряжения отсечки термостабильная точка смещается в область малых токов стока, где относительная крутизна характеристики невелика. Поэтому в устройствах, которые должны иметь минимальную температурную нестабильность, необходимо применять транзисторы с индексом Е (Ж), у которых напряжение отсечки мало, а термостабильная точка находится в средней части стоко-затворной характеристики с относительно большой крутизной. У транзисторов же последних групп (КП102К, КП102Л) термостабильная точка находится в самом начале характеристики, где ее крутизна и ток стока относительно невелики, хотя и больше, чем у транзисторов КП102Е.

4.4.2. Максимально допустимые параметры

Они определяют значения конкретных режимов ПТ, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации, при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение затвор — исток U_{3И. max}, затвор — сток U_3C.max, сток — исток U_{CИ. max}, максимально допустимое напряжение сток — подложка U_{СП. max}, исток — подложка U_{ИП. max}, затвор — подложка U_{3П. max}. Максимально допустимый постоянный ток стока I_{С. max} максимально допустимый прямой ток затвора, I_{З(пр). max} — максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Р_max.

Все основные и максимально допустимые параметры ПТ можно найти в справочниках по транзисторам.

4.4.3. Вольт-амперные характеристики ПТ

Они устанавливают зависимость тока стока I_с от одного из напряжений U_си или U_зи при фиксированной величине второго.

Статические стоковые характеристики ПТ с управляющим р-n-переходом представляют собой выраженную графически зависимость I_с = φ(U_си) при U_зи = const. При U_зи = 0 и малых значениях U_си ток стока изменяется прямо пропорционально напряжению (начало участка АБ, рис. 4.24, а). В точке Б из-за заметного сужения стокового участка канала и уменьшения его общей проводимости намечается некоторое отклонение характеристики от прямой линии.

Рис. 4.24. ВАХ ПТ с р-n переходом и n-каналом:

_{а) стоковые; б) стоко-затворные}

На участке БВ существенное сужение стокового участка канала и значительное уменьшение его общей проводимости замедляют рост тока I_с с увеличением U_си. В точке В при U_{CИ. нас} = |U_{3И. отс}| ток стока достигает значения насыщения и при дальнейшем увеличении U_си остается почти неизменным. Этот ток называется начальным током стока I_{С. нач}. При U_{CИ. проб} возникает электрический пробой стокового участка управляющего р-n-перехода и ток стока резко возрастает. При подаче некоторого отрицательного напряжения на затвор (U_зи < 0) управляющий р-n-переход расширяется, сужая токопроводящий канал, что приводит к уменьшению исходной проводимости канала и более пологому ходу начального участка данной статической стоковой характеристики. При этом значения U_{CИ. нас} и I_{CИ. нас} уменьшаются. Несколько меньшим оказывается и напряжение электрического пробоя, так как обратное напряжение на стоковом участке управляющего р-n-перехода представляет собой сумму U_си + |U_зи|. Аналогичный вид имеют и все остальные характеристики семейства. Геометрическое место точек, соответствующих перекрытию токопроводящего канала и наступлению режима насыщения на графике (рис. 4.24, а), показано штриховой линией.

Статическая стоко-затворная характеристика (характеристика управления) I_с = φ(U_зи) приведена на рис. 4.24, б. Так как ПТ обычно работает в режиме насыщения, то, как правило, рассматривают стоко-затворную характеристику для этого режима работы. Начальный участок при U_{3И. отс} соответствует установлению в транзисторе остаточного тока I_{С. ост}, имеющего значение несколько микроампер. При U_зи = 0 значение тока стока достигает максимальной величины I_C.max.

Статические стоковые характеристики МДП-транзисторов с индуцированным каналом имеют аналогичный характер (рис. 4.25).

Рис. 4.25. ВАХ ПТ с индукционным каналом р-типа: а) стоковые; б) стоко-затворные

При определенном напряжении |U_ЗИ| < |U_{ЗИ. пор}| канал находится практически в закрытом состоянии (I_С = I_{С. ост}). При увеличении напряжения U_ЗИ > U_{ЗИ. пор} происходит смещение тока насыщения в сторону увеличения. Начальный участок стоко-затворной характеристики при U_{ЗИ. пор} соответствует I_С = I_{С. ост}, аналогично ПТ с р-n-переходом.

В МДП-транзисторе с индуцированным каналом с подложкой p-типа при U_зи = 0 канал n — типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении U_{ЗИ. пор} < 0 проводимость канала значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид, изображенный на рис. 4.26, а, а стоко-затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока I_{С. нач} (рис. 4.26, б).

Рис. 4.26. ВАХ ПТ со встроенным каналом n-типа: а) стоковые; б) стоко-затворные

Особенностью МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения (U_зи = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП-транзистор со встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рис. 4.26.

Токи утечки затвора ПТ очень малы, но они резко возрастают при загрязнении изолятора вывода затвора и при увеличении влажности. Поэтому для обеспечения малых токов затвора рекомендуется перед монтажом промыть изолирующую часть корпуса ПТ в спирте, затем высушить и покрыть влагостойким лаком (например, УР-231 или Э-4100).

ПТ чувствительны к перегрузкам на затворе, даже если напряжение вызвано маломощным источником.

Некоторые трудности взаимной замены ПТ заключаются в разнообразии технологии их изготовления, в результате чего наблюдается несовместимость свойств транзисторов разных групп.

В таблице 4.12 приведены группы замены, причем при замене транзистором внутри группы может потребоваться лишь коррекция режима работы. Замена транзисторов между различными группами уже обусловливает либо изменение полярности напряжения питания, либо пересчета (подбора) деталей цепей смещения и изменение полярности напряжения питания.

При замене ПТ необходимо в первую очередь исходить из того, что заменяющий транзистор должен иметь возможно близкие значения двух параметров: тока стока при напряжении смещения между затвором и истоком, равном нулю, и напряжения отсечки — напряжения между затвором и истоком, при котором ПТ закрывается и ток не превышает 10 мкА. Это позволяет практически исключить необходимость коррекции режима работы по постоянному току. Усилительные свойства каскада будут зависеть уже только от крутизны характеристики и предельной частоты ПТ.

4.4.4. Рекомендации по применению ПТ

ПТ имеют ВАХ, подобные ламповым, и обладают всеми преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, где в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RC-генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, УНЧ, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC-фильтрах низких частот. ПТ с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах.

Кроме того, следует учитывать, что:

1. На затвор ПТ с р-n-переходом не рекомендуется подавать напряжение, смещающее переход в прямом направлении (отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительное для транзисторов с n-каналом).

2. ПТ с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимо пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а также руки монтажника при помощи специального металлического браслета. Не следует применять одежду из синтетических тканей. Целесообразно подсоединять ПТ к схеме, предварительно закоротив его выводы.

4.5. ТИРИСТОРЫ

Тиристоры — это полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой, которые могут находиться в одном из двух состояний: «закрыто» или «открыто». Эта особенность приборов отражена в их названии: «тира» — по-гречески означает «дверь».

Их используют для включения и выключения тока через реле, электродвигатели, лампы накаливания, для создания мощных импульсов тока вследствие разряда конденсаторов, а также для управления током через другие силовые нагрузки. Тиристор является ключевым элементом. Через тиристор, находящийся в выключенном состоянии, проходит незначительный ток утечки. Если тиристор включен и находится в проводящем состоянии, то при протекании значительного тока (достигающего иногда десятков и сотен ампер) остаточное напряжение на нем мало и не превышает десятых долей единиц вольт.

Тиристор, имеющий выводы только от крайних слоев, называется диодным тиристором или динистором; при дополнительном выводе от одного из средних слоев он называется триодным тиристором или тринистором. Тиристоры также бывают запираемые и симметричные (семисторы).

Условное графическое изображение тиристоров приведено на рис. 4.27; на анод подается положительное напряжение источника питания, а на катод. — отрицательное.

Рис. 4.27. УГО динистора и тринистора

Вольт-амперная характеристика динистора представлена на рис. 4.28.

Рис. 4.28. ВАХ динистора

Участок ОА соответствует выключенному (закрытому) состоянию динистора. На этом участке через динистор протекает ток утечки I_зс и его сопротивление очень велико (порядка нескольких мегаом). При превышении напряжения до определенного значения U_ПРК (точка А характеристики) ток через динистор резко возрастает. Дифференциальное сопротивление динистора (т. е. сопротивление переменному току) в точке А равно нулю. На участке АБ дифференциальное сопротивление динистора отрицательное, этот участок соответствует неустойчивому состоянию динистора. При включении последовательно с динистором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участок БВ, соответствующий включенному состоянию динистора. На этом участке дифференциальное сопротивление динистора положительное. Для поддержания динистора в открытом состоянии через него должен протекать ток не менее I_уд. Снижая напряжение на динисторе, можно уменьшить ток до значения меньшего, чем I_уд, и перевести динистор в выключенное состояние.

Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 4.29), снятая при нулевом токе управляющего электрода, подобна характеристике динистора. Рост тока управляющего электрода (от I_у =0 до I_уз) приводит к смещению ВАХ в сторону меньшего напряжения включения (от U_ПРК0 до U_ПРК3). При достаточно большом токе управляющего электрода, называемом током спрямления, ВАХ тринистора вырождается в характеристику обычного диода, теряя участок отрицательного сопротивления. Для выключения тринистора необходимо, снижая напряжение на нем, уменьшить ток через тринистор до значения, меньшего, чем I_уд.

Рис. 4.29. ВАХ тринистора

Запираемые триодные тиристоры в отличие от обычных триодных тиристоров способны переключаться из отпертого состояния в запертое не только при уменьшении анодного тока, но и при подаче сигнала отрицательной полярности на управляющий электрод. Структура запираемого тринистора аналогична структуре обычного тринистора.

Симметричные тиристоры (семисторы) имеют пятислойную структуру и обладают отрицательным сопротивлением на прямой и обратной ветвях ВАХ. Обратная ветвь ВАХ симметричного тиристора расположена в третьем квадранте и аналогична прямой ветви. Они включаются при подаче управляющего импульса не только при прямом, но и обратном напряжении на аноде, поэтому такие тиристоры могут работать в цепях управления переменным током. Отпирание семисторов производится посредством сигналов управления, запирание — снятием разности потенциалов между силовыми электродами (анодом и катодом).

4.5.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТИРИСТОРОВ

1. Максимально допустимое постоянное обратное напряжение U_{ОБР. max} — предельно допустимое обратное напряжение на тиристоре (на аноде отрицательное напряжение). Для тиристоров некоторых типов это значение не оговорено и подача обратного напряжения на эти тиристоры не допускается.

2. Максимально допустимое постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии U_{З. max} — максимальное постоянное прямое напряжение, при котором тиристор находится в закрытом состоянии.

3. Постоянный отпирающий ток управляющего электрода I_{У. min} — минимальный постоянный ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое.

4. Напряжение в открытом состоянии U_ОТКР — основное напряжение на тиристоре при определенном токе в открытом состоянии.

5. Постоянный прямой ток управляющего электрода I_{У. max} — максимальное значение силы тока управляющего электрода.

6. Удерживающий ток I_уд — минимальный основной ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

7. Ток выключения I_ВЫКЛ — ток анода, при котором тиристор выключается.

8. Время включения Т_вкл и время выключения Т_выкл — характеризуют быстродействие тиристора.

Основные параметры тиристоров приведены в табл. 4.13 и 4.14.

Важной особенностью тиристоров является их способность работать в импульсных режимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи в открытом состоянии. Например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0,2 А допускают импульсный ток до 10 А (при длительности импульса не более 10 мкс).

В ряде устройств, в которых напряжение источника питания превышает наибольшее постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии одного динистора, используется последовательное соединение нескольких (обычно однотипных) динисторов (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Последовательное включение динисторов

Для выравнивания напряжения на динисторах применяют резисторы R_ш. Сопротивление шунтируемых резисторов рассчитывают по формуле:

где U_3.C.max — наибольшее постоянное прямое напряжение динистора в закрытом состоянии; U_пит — напряжение источника питания; I_З.С. — ток в закрытом состоянии; m — число последовательно соединенных динисторов.

В крайнем случае нужный динистор можно заменить регулируемым аналогом (рис. 4.31, а). Он позволяет регулировать напряжение включения в больших пределах. Зависимость напряжения включения от сопротивления резистора R1 показана на рис. 4.31, б.

Рис. 4.31. Регулируемый аналог динистора

Аналог тринистора КУ101 показан на рис. 4.32, а аналог запираемого тринистора показан на рис. 4.33.

Рис. 4.32. Аналог тиристора КУ101.

Рис. 4.33. Аналог запираемого тиристора

4.6. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

4.6.1. Испытатель тиристоров

Прибор позволяет проверить тиристор на работоспособность.

Он состоит (рис. 4.34) из понижающего трансформатора Т1 с напряжением на вторичной обмотке 6,3 В, рассчитанный на ток примерно 0,5 А, однополупериодного выпрямителя на диоде VD1 и фильтра на конденсаторе С1. Электроды тринистора подключаются к прибору с помощью зажимов, например типа «крокодил». Индикатором исправности тринистора служит лампа накаливания HL1 6,3 В х 0,28 А.

Рис. 4.34. Схема испытателя тиристоров

Вначале тринистор проверяют на постоянном токе. Для этого переключатель рода испытаний SA1 устанавливают в нижнее по схеме положение. Если кнопка SB1 не нажата, то при исправном тринисторе лампа HL1 гореть не должна. При нажатии на кнопку SB1 на управляющий электрод тринистора через резистор R1 поступает управляющее напряжение и он переходит в открытое состояние. По цепи потечет ток, загорится индикаторная лампа HL1. После отпускания кнопки лампа продолжает гореть. Чтобы ее выключить, надо разомкнуть цепь питания тринистора, т. е. перевести переключатель SA1 в среднее положение «Выкл».

Для проведения испытаний тринистора на переменном токе переключатель SA1 ставят в верхнее по схеме положение. Теперь индикаторная лампа HL1 будет гореть только при нажатой кнопке SB1, так как при разомкнутых контактах кнопки первая же отрицательная полуволна переменного тока отключит тринистор.

Если тринистор пробит, то индикаторная лампа будет гореть при не нажатой кнопке как на постоянном, так и на переменном токе. Если же в тринисторе обрыв, то лампа не загорится при нажатой кнопке.

Выпрямительный диод VD1 может быть любым на ток 300…500 мА, например, Д202, Д205, Д226, Д229. Резистор R1 выбирают из расчета, чтобы ток управляющего электрода не превышал максимально допустимое значение для данного типа тринистора.

4.6.2. Универсальный вольтметр

Прибор позволяет измерять напряжение постоянного тока от 0 до 1000 В, напряжение звуковой частоты от 0,1 В до 25 В и высокой частоты до 100 кГц. Входное сопротивление его составляет 2 МОм на пределе измерения напряжения постоянного тока 1 В и 4,5 МОм на остальных пределах (10, 100, 1000 В).

Принципиальная схема вольтметра приведена на рис. 4.35.

Рис. 4.35. Схема универсального вольтметра

Транзисторы VT1 и VT2 образуют парафазный истоковый повторитель. Затворы полевых транзисторов VT1 и VT2 соединены с делителем напряжения R5, R14, средняя точка которого подключена к истокам транзисторов.

Таким образом, между затвором и истоком каждого транзистора действует половина измеряемого напряжения, но с разной полярностью. Это приводит к тому, что в одном плече ток стока уменьшается, в другом — увеличивается, и между точками а и б появляется разность потенциалов, отклоняющая стрелку амперметра РА1 пропорционально приложенному напряжению.

Элементы C1, VD1, R7, С7, образующие выпрямитель переменного напряжения звуковой частоты с ФНЧ, обеспечивают измерение звуковой частоты.

Напряжение высокой частоты измеряют с помощью выносной головки, схема которой показана на рис. 4.36.

Рис. 4.36. Схема выносной головки для измерения высокой частоты

Питают прибор от батареи с напряжением 9 В. Транзисторы для вольтметра должны быть подобраны близкими по параметрам, т. е. могут быть использованы подобранные в пары транзисторы КП103КР, КП103ЛР или же КП302А, КП303В, КП303Д, но в последнем случае следует изменить полярность включения батареи. Можно также использовать сборки сильноточных согласованных пар полевых транзисторов типа КР504НТЗ, КР504НТ4.

При налаживании прибора на пределе 1 В подбирают сопротивления резисторов R8, R12, R11 так, чтобы при подаче на вход напряжения 1 В отклонение стрелки микроамперметра соответствовало 100 мкА. Если необходимо, производят регулировку резистором R9. Затем проверяют линейность шкалы, для чего напряжение на входе изменяют ступенями через 0,1 В в пределах от 0 до 1 В. Если линейность нарушена, восстанавливают ее регулировкой резисторов R8, R12, R9. Заменять шкалу микроамперметра не нужно.

4.6.3. Индикатор радиоактивности

Схема индикатора очень простая, имеет минимум деталей и не сложна в наладке (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Схема индикатора радиоактивности

При всей простоте прибор имеет звуковую и оптическую индикацию — из телефонного капсюля типа ТМ-2 слышны щелчки, их интенсивность указывает на относительный уровень радиоактивного фона; одновременно со щелчками видны вспышки неоновой лампы типа МН-3. Настройка прибора сводится к правильному подключению выводов трансформатора к другим элементам схемы. Трансформатор преобразователя напряжения намотан на ферритовом кольце типономинала К18 с магнитной проницаемостью М2000. Первая обмотка содержит 4 витка провода ПЭЛ 0,1 мм, вторая 4 витка провода ПЭЛ 0,5 мм, третья — 900 витков провода ПЭЛШО 0,1 мм. В качестве высоковольтного диода можно применить диод МД218М или кремниевый диодный столб 2Ц102А.

4.6.4. Пробник для проверки однопереходных транзисторов

Многие радиолюбители, не имея специального прибора для измерения параметров однопереходных транзисторов, сравнивают измеренные авометром сопротивления р-n-перехода транзистора с паспортными значениями. Однако этот метод не всегда дает объективные результаты. Более полное представление о работоспособности однопереходного транзистора может дать пробник (рис. 4.38).

Рис. 4.38. Схема пробника для поверки однопереходных транзисторов

Испытуемый транзистор после подключения его к пробнику совместно с элементами схемы R1, R2, R3, C1 образует релаксационный генератор, настроенный на частоту около 830 Гц. Если транзистор VT1 исправен, то переменное напряжение, усиленное по мощности эмиттерным повторителем на транзисторе VT2, поступает на диод VD1 и светодиод VD2 и после выпрямления вызовет свечение светодиода.

Если после подключения испытуемого транзистора светодиод VD2 не излучает, то это укажет на неисправность однопереходного транзистора.

4.7. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ. ПРОСТЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ДИОДАМИ И СТАБИЛИТРОНАМИ

4.7.1. Как снять ВАХ диода? (рис. 4.39)

Рис. 4.39. Как снять ВАХ диода

Основная характеристика диода — вольт-амперная, показывает зависимость прямого тока через диод от прямого напряжения на нем. Поэтому для снятия этой характеристики нужно собрать установку по приведенной схеме, использовав в ней гальванический элемент на напряжение 1,5 В, вольтметр и миллиамперметр. Изменяя переменным резистором напряжение на диоде и измеряя его вольтметром, определяют для каждого значения напряжения соответствующий ему ток. В итоге получится набор координат точек, которые нужно перенести на график и вычертить по ней линию — характеристику данного диода. Чтобы характеристика была более точной, нужно учитывать падение напряжения на миллиамперметре, вычитая его из показаний вольтметра.

Для примера на рисунке приведены сравнительные характеристики германиевого диода Д9Б и кремниевого КД103А.

На графике не приведена обратная ветвь характеристики, т. е. зависимость тока через диод, включённый в обратном направлении (катодом к плюсовому выводу вольтметра) от напряжения на нем. При желании ее не трудно построить, поменяв местами выводы диода и включив вместо миллиамперметра РА микроамперметр. Убедитесь сами, что обратный ток для кремниевого диода ничтожно мал по сравнению с германиевым.

4.7.2. Регулятор мощности на одном диоде (рис. 4.40)

Рис. 4.40. Регулятор мощности на одном диоде

Если выключатель SA1 замкнут, лампа накаливания светится на полную яркость. Ели выключатель разомкнуть, то яркость свечения лампы уменьшится. Вместо лампы накаливания можно подключить паяльник, для чего диод с выключателем следует вмонтировать в подставку для паяльника. Когда паяльником не пользуются, выключатель SA1 размыкают и паяльник работает в режиме «недокала». Во время пайки выключатель замыкают и паяльник нагревается до заданной температуры. Такой режим позволяет продлить срок службы жала паяльника.

На практике обычно паяльник выключают из сети, когда есть перерыв в пайке (чтобы жало паяльника не покрылось окалиной при перегревании паяльника), а при необходимости пайки его снова включают в сеть. Преимущества предложенного способа в том, что время разогрева паяльника значительно уменьшается.

4.7.3. Управление люстрой по двум проводам (рис. 4.41)

Рис. 4.41. Управление люстрой по двум проводам

Люстра может работать в трех режимах:

а) горит лампа EL1 (включен выключатель SA2);

б) горит лампа EL2 (включен выключатель SA1;

в) горят обе лампы (включены оба выключателя).

Лампы EL1 и EL2 разной мощности, либо вместо EL2 можно включить две лампы одинаковой мощности. Следует учитывать, что лампы в люстре работают в режиме «недокала», поэтому для увеличения яркости свечения необходимо брать лампы большей мощности. Но режим «недокала» имеет и положительную сторону — значительно повышается срок службы ламп.

4.7.4. Простейший генератор шума (рис. 4.42)

Рис. 4.42. Простейший генератор шума

Помимо генераторов сигналов синусоидальной, импульсной, треугольной и других форм, в измерительной технике пользуются и генераторами шума. Особенность сигнала генератора шума в его хаотической форме и сравнительно широкой полосе частот — от сотен герц до десятков мегагерц.

Чтобы собрать его, понадобятся три батареи 3336, соединенные последовательно, переменный резистор R1 сопротивлением 10, 15 или 22 кОм, стабилитрон VD1 типа Д808 или Д809, резистор нагрузки R2 сопротивлением от 120 до 180 Ом и фильтрующий конденсатор С1 емкостью 4700…10000 пФ — он предотвращает попадание высокочастотных шумовых сигналов в цепь источника питания (рис. 4.42, а).

Установив сначала движок переменного резистора в крайнее правое по схеме положение, подсоедините к генератору источник питания и подключите к резистору нагрузки R2 входные щупы осциллографа. Входным аттенюатором или регулятором усиления осциллографа подберите наибольшую чувствительность осциллографа. На экране должна появиться несколько размытая (утолщенная) линия развертки. Плавно перемещая движок переменного резистора в сторону левого по схеме вывода, понаблюдайте за увеличением «размытости» — она может стать наибольшей примерно в среднем положении движка. Это и есть максимальный сигнал шума на выходе генератора, его амплитуда может составлять от десятков микровольт до единиц милливольт (рис. 4.42, б).

Попробуйте включить вместо VD1 другой экземпляр стабилитрона Д808 или Д809 и заметьте амплитуду шумового сигнала. Уверенно найдется стабилитрон, «генерирующий» наибольший сигнал. Вообще, «шумят» практически все стабилитроны серий Д808-Д813, Д814А-Д814В. А вот стабилитроны КС133А, КС147А и многие другие непригодны для работы в схеме генератора шума.

Следует также помнить, что напряжение батареи GB1 зависит от используемого стабилитрона, оно должно превышать напряжение стабилизации хотя бы на 2 В.

Если вы теперь соедините нижний по схеме вывод резистора R2 с общим проводом («заземлением») лампового или транзисторного радиоприемника, а верхний вывод резистора подключите к антенному гнезду, то на всех диапазонах (ДВ, СВ, КВ, УКВ) услышите в динамической головке приемника шум.

Если установить в генераторе вместо резистора R2 переменный и подавать сигнал на антенный вход приемника с его движка, то громкость шума удастся изменять перемещением движка резистора. А если бы удалось измерить амплитуду выходного шумового сигнала в разных положениях движка, можно было бы либо сравнивать приемники по чувствительности, либо просто определять чувствительность того или иного приемника. Кроме того, с помощью генератора шума нетрудно отыскивать неисправность во входных цепях приемника и даже телевизора.

4.7.5. Получение прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения (рис. 4.43)

Рис. 4.43. Получение прямоугольных импульсов из синусоидального напряжения

Схема представляет собой ограничитель синусоидального сигнала, выполненный на базе стабилитрона.

В качестве понижающего трансформатора можно использовать унифицированный трансформатор кадровой развертки телевизоров TBK-110ЛM. На его обмотке имеется напряжение амплитудой около 20 В. Во время положительного полупериода напряжения на вторичной обмотке трансформатора стабилитрон выполняет свою основную функцию, в результате чего на его выводах можно наблюдать с помощью осциллографа ограниченную сверху полуволну синусоиды.

Амплитуда прямоугольного импульса зависит от напряжения стабилизации стабилитрона. Во время отрицательного полупериода синусоидального напряжения на вторичной обмотке трансформатора стабилитрон работает как обычный диод, падение напряжения на нем будет составлять доли вольта. В итоге на выходе схемы будет сигнал прямоугольной формы, «основание» которого немного (доли вольта) смещено вниз относительно линии развертки (осциллограф работает в режиме открытого входа).

Балластный резистор R1 выбирается из условия, чтобы максимальный ток через стабилитрон был больше I_мин и меньше I_макс.

4.7.6. Стабилитрон — ограничитель постоянного напряжения (рис. 4.44)

Рис. 4.44. Стабилитрон — ограничитель постоянного напряжения

Представьте ситуацию, когда вашему транзисторному приемнику требуется питание, скажем, 9 В, а в распоряжении есть блок питания с фиксированным напряжением 15 В. Как быть?

Конечно, первая мысль — включить в цепь питания постоянный резистор, гасящий излишек напряжения. Но такой способ неприемлем из-за того, что в зависимости от громкости звука будет изменяться потребляемый приемником ток, а значит, и напряжение на нем.

Если же вместо гасящего резистора включить в цепь питания стабилитрон (см. рисунок), проблема будет решена. Теперь напряжение на нагрузке (приемнике) станет равным разности напряжений блока питания и стабилизации стабилитрона. В этом легко убедиться с помощью вольтметра постоянного тока.

Поскольку у разных экземпляров стабилитронов может отличаться напряжение стабилизации, более точно (если это нужно) выходное напряжение можно подобрать включением диода VD2 последовательно со стабилитроном. Тогда общее «гасящее» напряжение составит сумму напряжений стабилизации и прямого для данного диода. В свою очередь диод ставят либо германиевый (у него прямое напряжение может быть около 0,5 В), либо кремниевый (до 1,2 В), либо два-три последовательно соединенных диода.

Можно также соединять последовательно несколько стабилитронов (даже с разными напряжениями стабилизации) для получения нужного «гасящего» напряжения.

При выборе диодов и стабилитронов следует учитывать, чтобы ток нагрузки не превышал максимального значения выпрямленного тока для каждого диода и максимальный ток стабилизации для каждого стабилитрона. И еще следует помнить, что стабилитрон следует включать в обратном направлении, а диод — в прямом.

4.7.7. Как «растянуть» шкалу вольтметра (рис. 4.45)

Рис. 4.45. Как «растянуть» шкалу вольтметра

Контролируя какое-то напряжение, иногда бывает нужно либо следить за его колебаниями, либо более точно измерять. Скажем, при эксплуатации автомобильной аккумуляторной батареи важно следить за изменениями ее напряжения в диапазоне 12…15 В. Именно этот диапазон желательно было бы разместить на всей шкале стрелочного индикатора вольтметра. Но, как вы знаете, отсчет на любом из диапазонов практически всех измерительных приборов идет от нулевого значения и добиться более высокой точности отсчета на интересующем участке невозможно.

И тем не менее существует способ «растяжки» практически любого участка шкалы (начало, середина, конец) вольтметра постоянного тока. Для этого нужно воспользоваться свойством стабилитрона открываться при определенном напряжении, равном напряжению стабилизации. К примеру, для растяжки конца шкалы диапазона 0…15 В достаточно использовать стабилитрон в такой же роли, что и в предыдущем эксперименте.

Стабилитрон VD1 включен последовательно с однопредельным вольтметром, составленным из стрелочного индикатора РА1 и добавочного резистора R2. Как и в предыдущем эксперименте, на стабилитроне падает часть измеряемого напряжения, равного напряжению стабилизации стабилитрона. В результате на вольтметр будет поступать напряжение, превышающее напряжение стабилизации. Это напряжение и станет своеобразным нулем отсчета, а значит, на шкале «растянется» лишь разница между наибольшим измеряемым напряжением и напряжением стабилизации стабилитрона.

Показанное на рисунке устройство рассчитано на контроль напряжения аккумуляторной батареи в диапазоне от 10 до 15 В, но этот диапазон можно изменять по желанию соответствующим подбором стабилитрона и резистора R2.

Резистор R2 в принципе не обязателен. Но без него, пока стабилитрон закрыт, стрелка индикатора остается на нулевой отметке. Введение резистора позволяет наблюдать напряжение до 10 В на начальном участке шкалы, но этот участок будет сильно «сжат».

Собрав показанные на схеме детали и соединив их со стрелочным индикатором РА1 (микроамперметр М2003 с током полного отклонения стрелки 100 мкА и внутренним сопротивлением 450 Ом), подключите щупы ХР1 и ХР2 к блоку питания с регулируемым выходным напряжением. Плавно увеличивая напряжение до 9…9,5 В, вы заметите небольшое отклонение стрелки индикатора — всего на несколько делений в начале шкалы. Как только при дальнейшем увеличении напряжения оно превысит напряжение стабилизации, угол отклонения стрелки будет резко возрастать. Примерно с напряжения 10,5 до 15 В стрелка пройдет почти всю шкалу. Чтобы убедиться в роли резистора R1, отключите его и повторите эксперимент. До определенного входного напряжения стрелка индикатора останется на нулевой отметке.

4.7.8. Подключение кассетного магнитофона или приемника к автомобильной сети (рис. 4.46)

Рис. 4.46. Подключение кассетного магнитофона или приемника к автомобильной сети

Отправляясь в автомобильное путешествие, вы наверняка возьмете с собой транзисторный приемник или кассетный магнитофон. Чтобы можно было питать в пути приемник от аккумуляторной батареи, изготовьте простейшую приставку-стабилизатор. Ее можно включать с помощью специальной вилки ХР1 в гнездо «прикуривателя» или подключать проводами с зажимами «крокодил» на конце непосредственно к выводам аккумуляторной батареи. Проводники же питания приемника соединяют (с соблюдением полярности) с гнездами (или розеткой) XS1.

Мощность такого стабилизатора небольшая, поэтому подключать к нему можно лишь нагрузку с максимально потребляемым током до 12 мА. В случае же питания магнитофона, потребляющего ток до 150 мА, придется установить вместо Д814Б более мощный стабилитрон Д815В и дополнительно включить между его катодом и выводом резистора любой кремниевый выпрямительный диод (анодом к резистору), рассчитанный на ток более 150 мА. Кроме того, придется заменить и балластный резистор — теперь он должен быть сопротивлением около 12 Ом и мощностью не менее 4 Вт (резистор ПЭВ-7,5 либо два резистора MЛT-2 сопротивлением по 24 Ома, соединенные параллельно).

4.7.9. Транзистор — переменный резистор (рис. 4.47)

Рис. 4.47. Транзистор — переменный резистор

Для проведения этого эксперимента понадобятся маломощный транзистор, например, любой из серии МП39, постоянный и переменный резисторы, гальванический элемент и омметр. Соединив детали по схеме рисунка, установите движок переменного резистора R2 в нижнее по схеме положение. Поскольку транзистор закрыт, омметр PI зафиксирует сравнительно большое сопротивление между выводом коллектора и эмиттера — оно зависит от того, какой транзистор использован — кремниевый или германиевый.

Начинайте медленно перемещать движок переменного резистора вверх по схеме. Почти сразу стрелка омметра начнет отклоняться в сторону меньших сопротивлений. Когда движок резистора окажется вблизи верхнего вывода или соединится с ним, сопротивление между выводами коллектора и эмиттера может упасть до единиц ом. Происходит так потому, что при изменении напряжения между базой и эмиттером транзистора изменяется и его внутреннее сопротивление. Таким образом, с помощью транзистора и резистора сопротивлением 1,5 кОм удалось получить переменный резистор с пределами изменения сопротивления от нескольких ом до сотен килоом. Иначе говоря, из резистора малого сопротивления (1,5 кОм) удалось получить такой же переменный резистор большого сопротивления (к тому же мощный).

Такой вариант может быть использован в тех случаях, когда требуется переменный резистор мощностью, скажем, 5 или 10 Вт, найти который не так-то просто. Вот тут-то и придет на помощь способность транзистора быть и мощным переменным резистором. Правда, транзистор придется применить тоже мощный, например, серий ГТ402, ГТ404, П213—П216.

В любом варианте включать транзистор в цепь регулирования, например, последовательно с электродвигателем постоянного тока для детских игрушек, нужно в соответствии с полярностью, показанной у выводов коллектора и эмиттера на рисунке.

Если используется транзистор структуры n-р-n, то следует изменить не только полярность его подключения, но и полярность источника, питающего базовую цепь.

Для ограничения допустимой мощности, выделяющейся на «транзисторном» переменном резисторе, в цепь коллектора включают резистор R_д соответствующего сопротивления. Кроме того, при режимах транзистора, близких к предельно допустимым, желательно установить транзистор на теплоотвод. А если вы задались целью обеспечить вполне определенные пределы изменения сопротивления транзистора, придется точнее подобрать резисторы R1 и R2.

4.7.10. Транзистор в качестве стабилитрона (рис. 4.48)

Рис. 4.48. Транзистор в качестве стабилитрона

Эмиттерный переход транзистора подобен диоду, пропуская постоянный ток в одном направлении — от эмиттера к базе, если транзистор структуры р-n-р, либо от базы к эмиттеру в случае транзистора структуры n-р-n. Если же этот переход включить в цепь постоянного тока «наоборот», он начнет выполнять функции уже известного вам стабилитрона (рис. 4.48, а).

Чтобы убедиться в сказанном, подберите маломощный низкочастотный транзистор, например, любой из серий МП39—МП42, либо высокочастотный, скажем, П416А, и соедините его выводы эмиттера и базы с другими деталями, показанными на рисунке.

Вольтметр PV1, контролирующий напряжение на эмиттерном переходе, — со шкалой на 5 или на 10 В. Движок переменного резистора должен находиться в исходном положении — нижнем по схеме. Начав перемещать движок резистора вверх по схеме, наблюдайте за показаниями вольтметра.

Вначале напряжение будет расти пропорционально перемещению движка, а затем отклонение стрелки вольтметра резко замедлится, что укажет на вхождение эмиттерного перехода в режим стабилизации. Даже когда движок окажется в крайнем верхнем по схеме положении, т. е. когда на цепь из резистора R2 (его можно считать балластным) и эмиттерного перехода транзистора будет подано полное напряжение батареи GB1 (12…14 В), измеряемое вольтметром напряжение не превысит нескольких вольт.

Чтобы еще более убедиться в стабилизирующем действии эмиттерного перехода, нужно контролировать одновременно напряжение до резистора R2 и после него. Если второго вольтметра нет, можно при каждом фиксированном положении движка резистора подключать вольтметр PV1 попеременно то к эмиттерному переходу, то к переменному резистору.

А если в цепь эмиттерного перехода включить еще и миллиамперметр (на схеме показано крестиком), то можно следить не только за изменениями напряжения, но и за током, протекающим через стабилитрон, и в итоге снять вольт-амперную характеристику «стабилитрона». Ее вид может соответствовать одной из показанных на рис. 4.48, б для транзистора П416А или П422. Вообще же семейство ВАХ свидетельствует о том, что эмиттерный переход каждого экземпляра даже одного типа транзистора обладает своим напряжением стабилизации. Поэтому из набора транзисторов всегда можно выбрать то, что удовлетворяет заданному напряжению стабилизации.

И еще. Если у обычного стабилитрона минимальный ток стабилизации составляет 3 мА, то у нашего стабилитрона он равен 1 мА. Номинальный ток стабилизации составляет примерно 5 мА. Кроме указанных германиевых транзисторов в подобном режиме способны работать и кремниевые — серий КТ301, КТ306, КТ312, КТ315, КТ316. Напряжение стабилизации их лежит в пределах 7…12 В.

4.7.11. Транзистор как выпрямительный диод (рис. 4.49)

Рис. 4.49. Транзистор как выпрямительный диод

Возьмите любой мощный транзистор, скажем, серии П213, оксидный конденсатор емкостью 50…100 мкФ на напряжение не ниже 25 В и понижающий трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 8…12 В. Соедините эти детали в соответствии со схемой и включите трансформатор в сеть, а к выводам конденсатора прикоснитесь щупами вольтметра постоянного тока. Стрелка вольтметра зафиксирует значение постоянного напряжения, которое, конечно, будет превышать значение переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Как видите, в данном случае в качестве выпрямительного диода работает коллекторный переход транзистора. Подключая к выходу выпрямителя различную нагрузку, нетрудно убедиться, что «транзисторный» диод способен выдерживать токи в сотни миллиампер без ощутимого нагрева корпуса транзистора.

Конечно, роль диода может выполнять и эмиттерный переход, но допустимый ток через него значительно ниже. Хотя на практике в подобных выпрямителях используются мощные диоды, «транзисторный» вариант все же следует взять на вооружение. Ведь нередко в радиоаппаратуре, в том числе и самодельной, мощные транзисторы выходят из строя вследствие пробоя — короткого замыкания между коллектором и эмиттером.

Не выбрасывайте такой транзистор, приберегите его на случай использования в выпрямителе. Для германиевых транзисторов коллектор будет выполнять роль анода диода, а база — катода, для кремниевых — наоборот. Предельно допустимое обратное напряжение транзисторов-диодов может достигать 30…40 В, а ток — 1…6 А.

Транзисторы старых выпусков П201—П203 допускают ток 1 А, транзисторы серий П213—П217 — 3 А, П210 — 6 А. Конечно, эти цифры справедливы при использовании транзистора с теплоотводом.

Интересно, что площадь теплоотвода может быть меньше, чем в случае использования транзистора по своему прямому назначению при таких же токах. Объясняется это тем, что в «диодном» режиме на транзисторе рассеивается меньшая мощность: при прямом токе мало падение напряжения на открытом переходе коллектор-база, при обратной полярности мал ток через закрытый переход. Так, для транзистора П210 теплоотвод можно составить из пяти сложенных вместе свинцовых шайб диаметром 45…50 мм.

4.7.12. Устройство для термоиспытаний транзисторов (рис. 4.50)

Рис. 4.50. Устройство для термоиспытаний транзисторов

Для проверки влияния температуры на параметры транзисторов (например, при подборе идентичных транзисторов) в любительских условиях удобно использовать в качестве нагревателя постоянные проволочные эмалированные резисторы ПЭВ-20. Сопротивление резисторов выбирают в зависимости от напряжения источника питания и требуемой температуры нагрева. Испытываемый транзистор вставляют в отверстие в трубчатом каркасе резистора, как показано на рисунке. При необходимости диаметр этого отверстия можно несколько увеличить, обработав его наждачной бумагой, намотанной на круглую оправку.

Изменяя ток в цепи резистора-нагревателя (с помощью автотрансформатора, реостата или другим способом), температуру нагрева можно изменять в широких пределах. Градуируют устройство с помощью термометра, помещенного внутрь резистора.

4.7.13. Определение цоколевки транзистора (рис. 4.51)

Рис. 4.51. Определение цоколевки транзистора

Если обозначение транзистора, нанесенное на его корпусе, стерлось или нет под рукой справочника по полупроводниковым приборам, то для определения цоколевки транзистора и структуры его проводимости можно воспользоваться авометром (тестером).

Сначала определяют базовый вывод транзистора. Для этого плюсовый щуп прибора (в режиме измерения малых сопротивлений) подключают к одному из выводов транзистора, а минусовый — поочередно к двум остальным.

Внимание: минусовым щупом здесь и далее назван тот щуп, который подключен к так называемой общей клемме прибора, иногда маркируемой знаком «-» (применительно к режимам измерений токов и напряжений). В режиме измерения сопротивлений полярность напряжения на зажимах авометра обратная. Это следует иметь ввиду.

Так как полярность напряжения между электродами транзистора может меняться, то таких пар, очевидно, будет шесть: Э₊-Б_-, Э₊-К_-, Б₊-К_-, Э_--Б₊, Э_--К₊, Б_--К₊, где знаки «+» и «-» низкое, а в другом высокое, то его плюсовый щуп нужно подключить к другому выводу и снова измерить сопротивление между ним и остальными двумя выводами, пока не удастся найти вывод, имеющий малое сопротивление относительно двух других выводов. Найденный таким образом вывод является базовым, а транзистор имеет структуру n-р-n.

Если приведенным выше способом найти базовый вывод не удается, необходимо изменить полярность подключения авометра, т. е. к одному из выводов подключить минусовый щуп авометра, а затем найти базовый вывод р-n-р-транзистора.

Определение базового вывода большинства широко распространенных низкочастотных транзисторов упрощается, если помнить, что они выполнены с выводом базы на корпус.

С помощью авометра можно определить и выводы эмиттера и коллектора маломощных транзисторов. Для этого между предполагаемым выводом коллектора и базовым выводом подключают резистор сопротивлением в 1 кОм. Затем плюсовый щуп авометра подключают к предполагаемому выводу коллектора, а минусовый — к предполагаемому выводу эмиттера n-р-n-транзистора и определяют сопротивление по прибору. После этого предполагаем иное расположение выводов коллектора и эмиттера и снова измеряем сопротивление. Плюсовый щуп авометра будет соединен с коллектором в том случае, когда сопротивление между выводами окажется минимальным.

У р-n-р-транзисторов коллекторный и эмиттерный выводы можно определить таким же способом, но сопротивление между эмиттером и коллектором окажется меньшим, когда с коллектором будет соединен минусовый щуп авометра. При этом нужно помнить, что у всех мощных транзисторов, предназначенных для крепления на радиаторах, коллектор выведен на корпус. Следует, однако, иметь в виду, что подвергать такому испытанию высокочастотные транзисторы нежелательно, чтобы не повредить эмиттерный переход.

Следует иметь в виду также, что любой из омметров можно представить в виде источника э.д.с. Е с внутренним сопротивлением R_вн (рис. 4.51, а). Если присоединить к такому источнику один из р-n-переходов транзистора, например, эмиттерный, то через переход потечет ток I, равный приблизительно E/R_вн. Очевидно, при малом значении внутреннего сопротивления омметра ток I может превысить максимальный прямой ток через переход и повредить испытываемый транзистор. Если же присоединить к омметру эмиттерный переход так, как показано на рис. 4.51, б, то испытываемый транзистор можно повредить напряжением. Действительно, при R_м >> R_пр это напряжение, равное приблизительно Е, может превысить максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе. Поэтому, прежде чем проверять транзистор омметром, необходимо выяснить, чему равны э.д.с. Е и внутреннее сопротивление R_вн омметра, сравнить ток I и напряжение U с предельными для данного типа транзистора значениями прямого тока и обратного напряжения. После такой проверки можно считать, что транзистор является исправным. Но этого недостаточно, чтобы сделать заключение о его пригодности для данной конструкции, — он еще должен иметь заданный статический коэффициент передачи тока базы. Значит, нужно измерить этот параметр, прежде чем впаивать этот транзистор в собираемое устройство.

4.7. ЗАДАЧИ

1. Определите крутизну S характеристики полупроводникового диода, если при увеличении прямого напряжения от 0,4 до 0,6 В ток через диод возрос на 5 мА.

2. На входе схемы, составленной из последовательно соединенных диода и резистора R, действует источник синусоидального напряжения с амплитудой Е_m = 2,4 В. Определите максимальное и минимальное значения напряжения на резисторе, если прямое и обратное сопротивления диода по переменному току соответственно равны 20 Ом и 300 кОм. Влиянием емкости диода и внутренним сопротивлением источника сигнала можно пренебречь.

Задачу решите для случаев: a) R = 100 Ом; б) R = 300 кОм. Сравнить влияние сопротивления резистора R на величину выходного напряжения (U_R).

3. Определите ток базы, если ток эмиттера I_Э = 5 мА, а ток коллектора I_К = 4,7 мА; током I_КБ0 пренебречь.

4. Определите ток базы и коэффициент передачи тока базы у биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, если приращение тока коллектора равно 17 мА, а тока эмиттера — 18 мА.

5. Определите коэффициент передачи биполярного транзистора по току в схеме с общим эмиттером, если коэффициент передачи по току в схеме с общей базой равен 0,95.