Читать книгу «Юный радиолюбитель [7-изд]» онлайн.
Транзистор П213 (германиевый структуры р-n-р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214-П216 и некоторых других, 24 мм, масса — не более 20 г. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения.
КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n-р-n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм, масса — не более 6 г.
Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ. Такие транзисторы использованы в усилителе мощности любительского приемо-передатчика, о котором я буду рассказывать в двадцать третьей беседе, посвященной радиоспорту.
А теперь — несколько опытов.
В начале этой части беседы я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластине полупроводника. В этом нетрудно убедиться на опытах, для которых потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры р-n-р, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40-МП42. Между коллектором и базой транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А (рис. 87). Если положительный полюс батареи GB окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а отрицательный с базой (рис. 87, а), то лампочка должна гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 87, б) лампочка гореть не будет.
Рис. 87. Опыты с биполярным транзистором
Как объяснить эти явления? Сначала на коллекторный р-n переход ты подавал прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный р-n переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора IК. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити накала лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При другом включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора IКБО. У исправных маломощных низкочастотных транзисторов обратный ток коллектора не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела.
Проведи аналогичный опыт с эмиттерным p-n переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт — лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт — лампочка горит.
Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводи по схеме, показанной на рис. 88.
Рис. 88. Опыт, иллюстрирующий работу транзистора в режиме переключения
Между эмиттером и коллектором транзистора включи последовательно соединенные батарею 3336Л и ту же лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный — с коллектором (через нить накала). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедини проволочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удали перемычку, а вместо нее подключи к этим электродам последовательно соединенные резистор Rб сопротивлением 200–300 Ом и один гальванический элемент Gб, например, типа 332, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс — на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяй местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не должна. Повтори несколько раз этот опыт и ты убедишься в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тог да, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение.
Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда ты, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнул накоротко эмиттерный переход, коллекторный переход стал просто диодом, на который подавалось обратное напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, ты восстановил эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером ты подал на эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, и через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора — коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер база-коллектор пошел коллекторный ток транзистора IК, который во много раз больше тока цепи эмиттер база. Он-то и накалил нить лампочки. Когда же ты изменил полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (шел только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.
Какова роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя.
Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы. При открытом же транзисторе ток базы IБ был бы не более 2–3 мА, а ток коллектора IК составлял 60–75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока.
В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе UБ. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на рис. 88, называютрежимом переключения или, что то же самое, ключевым. Такой режим работы транзисторов используют в основном в приборах и устройствах электронной автоматики.
В радиовещательных приемниках и усилителях 3Ч транзисторы работают в режиме усиления. Отличается он от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора. Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно следующим опытом (рис. 89).
Рис. 89. Опыт, иллюстрирующий работу транзистора в режиме усиления
В коллекторную цепь транзистора V включи электромагнитный телефон В1, а между базой и минусом источника питания GB (батарея 3336Л) — резистор Rб сопротивлением 200–250 кОм. Второй телефон В2 подключи к участку база-эмиттер транзистора, но через конденсатор Ссв емкостью 0,1–0,5 мкФ. У тебя получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если твой приятель будет негромко говорить перед телефоном В2, включенным на входе усилителя, его разговор ты будешь слышать в телефонах В1, включенных на выходе усилителя. На вход усилителя вместо телефона В2 можно включить звукосниматель и проиграть грампластинку. Тогда в телефонах В1 будут хорошо слышны звуки мелодии или голос певца, записанные на грампластинке.
Каковы здесь функции резистора Rб, и конденсатора Ссв? Через резистор Rб на базу транзистора от батареи питания GB подастся небольшое отрицательное напряжение, называемое напряжением смещения, которое открывает транзистор и тем самым обеспечивает ему работу в режиме усиления. Без начального напряжения смещения эмиттерный р-n переход транзистора будет закрыт и, подобно диоду, будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. А конденсатор Ссв, выполняет функцию связующего элемента между телефоном В2 и базой транзистора. Он беспрепятственно пропускает колебания звуковой частоты и преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону. Без такого разделительного конденсатора база транзистора по постоянному току оказалась бы соединенной с эмиттером и режим усиления был бы нарушен.
В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические (на рис. 89 график а). Это напряжение создавало в цепи эмиттер-база колебания постоянного тока (график б), которые управляли значительно большим током в коллекторной цепи (график в). Происходило усиление входного сигнала. Усиленный же транзистором сигнал преобразовывался телефонами В1, включенными в цепь коллектора, в звуковые колебания. Транзистор работал в режиме усиления.
Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (на рис. 89 — левые участки графиков б и в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полу периодов, когда напряжения сигнала и смешения противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току. Если нагрузкой транзистора будут не телефоны, а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30–50 раз.
Точно так работают и транзисторы структуры n-р-n. Но для них полярность включения батареи, питающей цепи базы и коллектора, должна быть не такой, как у р-n-р транзисторов, а обратной.
Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1–0,2 В, а для кремниевых транзисторов 0,5–0,7 В. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.
Итак, биполярный транзистор, независимо от его структуры, является трехэлектродным прибором. Его электроды — эмиттер, коллектор и база. Для использования транзистора в качестве усилителя напряжения, тока или мощности входной сигнал, который надо усилить, можно подавать на два каких-либо электрода и с двух электродов снимать усиленный сигнал. При этом один из электродов обязательно будет общим. Он-то и определяет название способа включения транзистора: по схеме общего эмиттера (ОЭ), по схеме общего коллектора (ОК), по схеме общей базы (ОБ).
Включение р-n-р транзистора по схеме ОЭ показано на рис. 90, а. Напряжение источника питания Uип на коллектор транзистора V подается через резистор RК, являющийся нагрузкой, на эмиттер — через общий «заземленный» проводник, обозначаемый на схемах знаком «┴». Входной сигнал через конденсатор связи Ссв подается к выводам базы и эмиттера, т. е. к участку база-эмиттер транзистора, а усиленный сигнал снимается с выводов эмиттера и коллектора. Эмиттер, следовательно, при таком включении транзистора является общим для входной и выходной цепей.
Вспомни схемы и рисунки, которыми в этой беседе ты пользовался, заставляя транзистор работать в режимах усиления и переключения. Да, транзистор ты включал по схеме ОЭ. И это не случайно: транзистор, включенный таким способом, в зависимости от его усилительных свойств может дать 10-200-кратное усиление сигнала по напряжению и 20-100-кратное усиление сигнала по току. Благодаря этому способ включения транзистора но схеме ОЭ пользуется у радиолюбителей наибольшей популярностью.
Рис. 90. Схемы включения р-п-р транзисторов
Существенным недостатком усилительного каскада на транзисторе, включенном по такой схеме, является его сравнительно малое входное сопротивление всего 500-1000 Ом, что усложняет согласование усилительных каскадов, транзисторы которых включают по такой же схеме. Объясняется это тем, что в данном случае эмиттерный р-n переход транзистора включен в прямом, т. е. пропускном, направлении. А сопротивление пропускного перехода, зависящее от прикладываемого к нему напряжения, всегда мало. Что же касается выходного сопротивления такого каскада, то оно достаточно большое (2-20 кОм) и зависит от сопротивления нагрузки RK и усилительных свойств транзистора.
Включение транзистора по схеме ОК ты видишь на рис. 90, б. Входной сигнал подается на базу и эмиттер через эмиттерный резистор Rэ, который является частью коллекторной цепи. С этого же резистора, выполняющего функцию нагрузки транзистора, снимается и выходной сигнал. Таким образом, этот участок коллекторной цепи является общим для входной и выходной цепей, поэтому и название способа включения транзистора — ОК. Каскад с транзистором, включенным по такой схеме, по напряжению даст усиление меньше единицы. Усиление же по току получается примерно такое же, как если бы транзистор был включен по схеме ОЭ. Но зато входное сопротивление такого каскада может составлять 10-500 кОм, что хорошо согласуется с большим выходным сопротивлением каскада на транзисторе, включенном по схеме ОЭ.
По существу, каскад не дает усиления по напряжению, а лишь как бы повторяет подведенный к нему сигнал. Поэтому транзисторы, включаемые по такой схеме, называют также эмиттерными повторителями. Почему эмиттерными? Потому что выходное напряжение на эмиттере транзистора практически полностью повторяет входное напряжение.