Материал: Физические основы электроники

126

Для простоты будем считать, что ток базы Iб нарастает в течение фронта tф1 линейно до величины Iк max и в течение фронта tф2 спадает

до величины обратного тока коллекторного перехода Iк0 . На рис. 3.41, в показано изменение напряжения на коллекторе Uк от максимального значения, приближенно равного Eк , до минимального значения Uк0 .

На рис. 3.40, г представлена мощность P , рассеиваемая на транзисторе:

где T – период следования импульсов; tф1 и tф2 – длительность фронта

нарастания и спадания тока; uк и iк – мгновенное значение тока и напряжения в течение фронтов нарастания и спадания; tи – длительность импульса коллекторного тока; tп – длительность паузы между

импульсами.

Из выражения (3.57) следует, что второе слагаемое, несмотря на большую величину Iк max , исчезающе мало, т. к. U к0 0 . То же можно

сказать и о четвертом слагаемом, которое очень мало из-за того, что Iк0 0 . Таким образом получается, что мощность, рассеиваемая на

транзисторе, работающем в ключевом режиме, а следовательно и нагрев транзистора в основном определяется длительностью фронтов tф1 и tф2

и частотой следования импульсов f T1 . Потери мощности на транзи-

сторе, обусловленные указанными причинами, называются динамиче-

скими потерями, или потерями на переключение. С целью снижения этих потерь следует уменьшать длительность фронтов нарастания и спадания тока транзистора. Для этого служат так называемые форсирующие цепи, которые принудительно ускоряют процесс нарастания и спадания тока. В ключевом режиме КПД оказывается очень высоким, близким к 100 %. Этот режим преимущественно используется в силовых транзисторах, работающих в схемах бесконтактных прерывателей постоянного и переменного тока.

Выводы

1.КПД усилительного каскада определяется режимом работы транзистора и связан с углом отсечки.

127

2.Различают режимы работы транзистора с отсечкой выходного тока (AB, B, C, D) и без отсечки (A), когда выходной ток протекает в течение всего периода входного сигнала.

3.Усилительный каскад, работающий с отсечкой выходного тока, имеет наибольший КПД.

3.12. Влияние температуры на работу усилительных каскадов

Транзисторы, установленные в электронной аппаратуре, во время работы подвергаются нагреванию как за счет собственного тепла, выделяющегося при протекании по ним тока, так и за счет внешних источников тепла, например расположенных рядом нагревающихся деталей. Как уже указывалось выше, изменение температуры оказывает значительное влияние на работу полупроводниковых приборов. В этом отношении не составляют исключения и транзисторы. В качестве иллюстрации этого приведем пример изменения под действием температуры входных и выходных статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 3.41).

Расчеты показывают, что при таком значительном изменении характеристик, а с ними и параметров, работа усилительного каскада в условиях меняющейся температуры может стать совершенно неудовлетворительной. Для устранения этого недостатка в схемы усилителей вводится температурная стабилизация. В первую очередь это касается стабилизации положения начальной рабочей точки. Наибольшее распространение для этой цели получили две схемы стабилизации: эмиттерная стабилизация и коллекторная стабилизация.

60 С

20 С

Uбэ

Рис. 3.41. Влияние температуры на статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

128

3.12.1.Схема эмиттерной стабилизации

Всхеме усилительного каскада на рис. 3.42 в цепь эмиттера включено сопротивление Rэ , шунтированное конденсатором Cэ . Для созда-

ния смещения здесь используется делитель напряжения R1 R2. В соответствии с выбранным положением начальной рабочей точки, определяемой напряжением смещения, в коллекторной цепи транзисто-

Полярность этого падения напряжения направлена навстречу падению напряжения на сопротивлении R2 делителя напряжения, создаю-

щего напряжение смещения, поэтому результирующее напряжение, определяющее смещение рабочей точки, составляет

мое в (3.59). Это приводит к снижению величины напряжения на базе Uбэ0 , к уменьшению тока базы смещения Iб см и к снижению начально-

го коллекторного тока Iк0 , т. е. в данной схеме имеет место передача

части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную, что называется обратной связью.

Eк

Рис. 3.42. Схема эмиттерной стабилизации положения рабочей точки

129

Если подаваемый с выхода на вход усилителя сигнал обратной связи находится в противофазе с входным, ослабляет его, то такая обратная связь называется отрицательной, а если наоборот – сигнал обратной связи находится в фазе с входным сигналом и усиливает его, то такая обратная часть называется положительной.

В нашем случае сигнал обратной связи U Rэ вычитается из напря-

жения U R 2 , приложенного к входу усилителя, т. е. обратная связь здесь отрицательная, а поскольку сигнал обратной связи URэ Iк0Rэ пропор-

ционален выходному (коллекторному) току, то такая обратная связь называется обратной связью по току. Легко показать, что отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя, но зато стабилизирует его начальную рабочую точку. Для того чтобы усиливаемый полезный сигнал (сигнал переменного тока) не ослаблялся под действием вводимой обратной связи, параллельно сопротивлению обратной связи Rэ включается конденсатор Cэ . Имея малое сопротивле-

ние по переменной составляющей, он пропускает ее через себя, а постоянная составляющая Iк0 протекает через Rэ . Поэтому в сигнале

обратной связи нет падения напряжения от переменной составляющей,

иследовательно не будет уменьшаться коэффициент усиления.

3.12.2.Схема коллекторной стабилизации

Всхеме коллекторной стабилизации (рис. 3.43, а) стабилизация осуществляется введением отрицательной обратной связи по напряжению. Действительно, при повышении температуры возрастает начальный ток коллектора Iк0 . Это приводит к увеличению падения напряже-

т. е. отрицательный потенциал коллектора относительно эмиттера будет уменьшаться, а поскольку он через резистор Rб приложен к базе транзи-

стора, то и отрицательный потенциал базы относительно эмиттера будет уменьшаться, т. е. будет снижаться начальный базовый ток (ток смещения), а начальный коллекторный ток вернется к прежнему значению.

Здесь, так же как и в предыдущей схеме, под действием сигнала обратной связи стабилизируется начальный коллекторный ток Iк0 . Что-

бы при этом не снижать коэффициент усиления по переменной составляющей и не ослаблять полезный сигнал, в схему вводят конденсатор Cф (рис. 3.43, б). В этом случае резистор Rб заменяют двумя резисто-

130