ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 19 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 19 из 35Следующая ⇒

Попутно еще раз напоминаем, что наибольшим напряжением на базе мы будем считать наибольший «минус» на ней, именно тот самый «минус», который отпирает эмиттерный рn ‑переход и увеличивает эмиттерный ток. «Минус» напряжения U_эб откладывается по оси напряжений вправо от нуля. Это непривычно, но зато удобно. Конечно, более привычным было бы откладывать вправо от нуля не «минус», а «плюс». Но для этого уже пришлось бы вести речь не о «минусе» на базе, а о «плюсе» на эмиттере. И хотя по существу здесь нет никакой разницы (если на базе – 2 в относительно эмиттера, то на эмиттере + 2 в относительно базы; человек, живущий на первом этаже шестиэтажного дома, может сказать, что над ним пять этажей, а тот, кто живет на последнем этаже, может сказать, что под ним пять этажей), однако в интересах будущего лучше приучиться говорить о напряжении на базе относительно эмиттера, а не о напряжении на эмиттере относительно базы. Поэтому‑то мы а откладываем вправо от нуля отрицательное напряжение – U_эб , то есть «минус» на базе.

Итак, мы совместили с входной характеристикой транзистора график, показывающий, как с течением времени меняется входное напряжение U_эб . Теперь можно быстро узнать, каким будет эмиттерный ток в тот или иной момент времени. Для этого достаточно определить U_эб , затем провести вспомогательную прямую линию на входную характеристику и, наконец, по входной характеристике определить, каким будет ток при данном U_эб . Так, например, легко находим, что в момент а на базе действует напряжение U_эб = 200 мв и что этому напряжению соответствует ток I_э = 6 ма. Аналогично для момента б находим U_эб = 250 мв и I_э = 10 ма, а для момента в определяем U_эб = 150 мв и I_э = 2 ма.

Определяя ток для разных моментов времени, можно построить еще один важный график – зависимость входного тока I_э от времени t . Для удобства этот третий график (рис. 62–В ) располагаем справа от входной характеристики и ось тока I_э размечаем в том же масштабе, что и ось тока I_э на входной характеристике. Это позволит упростить само построение третьего графика, так как необходимую величину тока можно будет откладывать на нем, протянув вспомогательную прямую линию от входной характеристики.

Как видите, совмещенные графики для входной цепи строятся очень просто и позволяют наглядно представить себе, что произойдет с эмиттерным током (не забывайте – от него зависит и коллекторный ток!) при тех или иных изменениях смещения или самого входного сигнала.

Несколько сложней обстоит дело с построением совмещенных графиков, иллюстрирующих работу коллекторной цепи (рис. 63).

Рис. 63. Если известно, как меняется входное напряжение, и известно сопротивление нагрузки, то, пользуясь выходной характеристикой, можно построить график коллекторного тока и напряжения на коллекторе (на нагрузке).

Трудность состоит в том, что просто некуда приложить «самый главный» график, определяющий все поведение транзистора, в том числе и поведение коллекторной цепи. Речь идет о графике, который показывал бы, как меняется управляющее напряжение U_эб (листок Б ). По вертикальной и горизонтальной осям выходной характеристики (рис. 63–А ) откладываются соответственно коллекторный ток и коллекторное напряжение, которые в очень сильной степени зависят от U_эб . А изменения самого управляющего напряжения U_эб отражены лишь в том, что построена не одна, а целое семейство выходных характеристик и при изменении U_эб следует переходить с одной из них на другую (стр. 165). Поэтому есть лишь один способ хоть как‑нибудь отметить на выходной характеристике то, что происходит на входе транзистора. Нужно помечать тех «членов семейства», помечать те отдельные статические характеристики, которые соответствуют изменяющемуся входному напряжению.

Мы в дальнейшем будем помечать лишь три такие статические характеристики: одну – соответствующую наибольшему напряжению на базе U_{эб‑макс} , другую – соответствующую наименьшему напряжению на базе U_{эб‑мин} и третью – соответствующую напряжению постоянного смещения U_см . По этим трем характеристикам можно определить наибольший коллекторный ток I_{к‑макс} , наименьший коллекторный ток I_к‑мин и коллекторный ток покоя I_к‑п – постоянный ток в коллекторной цепи, когда сигнала нет. Попутно отметим, что этот ток очень часто определяет и энергию, Потребляемую от источника питания, так как он говорит о том, что потребляется от этого источника не в самом трудном случае (I_{к‑макс} , момент б ), не в самом легком случае (I_к‑мин , момент в ), а в среднем за длительное время.

И еще одно попутное замечание: токи эмиттера I_э‑п и базы I_б‑п при отсутствии сигнала также называют токами покоя. Подсчитав I_к для разных моментов времени, можно легко построить график изменения этого тока с течением времени (листок В ). Для простоты построения график этот удобно расположить слева или справа от выходной характеристики, причем расположить так, чтобы оси I_к оказались совмещенными.

Отметив три статические характеристики, соответствующие наибольшему, наименьшему и среднему напряжению на входе транзистора, можно, пользуясь линией нагрузки, определить, как будет изменяться и напряжение U_бк на коллекторе (точнее – между коллектором и базой). Для этого достаточно опустить на горизонтальную ось вспомогательные линии от точек пересечения линии нагрузки с соответствующими статическими характеристиками. Определив границы изменения U_бк , можно очень просто построить график, показывающий, как меняется это напряжение с течением времени (листок Г ).

Мы все время считаем, что продукция усилителя – это переменная составляющая напряжения на нагрузке U_н~ . Но можно легко доказать, что переменное напряжение на нагрузке меняется в тех же пределах, что и напряжение на самом коллекторе. Действительно, нагрузка и коллекторная цепь самого транзистора образуют делитель, к которому приложено напряжение Е_к коллекторной батареи. В динамическом режиме сопротивление коллекторной цепи меняется, а сопротивление нагрузки, естественно, остается неизменным. Поэтому подводимое напряжение Е_к непрерывно перераспределяется между этими двумя участками делителя, причем сумма напряжений U_н + U_бк всегда остается неизменной и равной Е_к . Это значит, что если напряжение на нагрузке увеличится, например, на 2 в, то на те же 2 в уменьшится напряжение на коллекторе, и наоборот: на сколько увеличится U_бк , на столько же уменьшится и U_н . Иными словами, в динамическом режиме напряжение на нагрузке меняется на ту же величину, что и напряжение на коллекторе, и можно с равным успехом называть выходным сигналом транзисторного усилителя и переменную составляющую U_н~ , и переменную составляющую U_бк~ . А поэтому по построенному нами графику изменения U_бк можно в полной мере судить о выходном напряжении усилителя. Для удобства построения этот график «положен набок» и его ось U_бк совпадает с такой же осью выходной характеристики.

Вот мы подготовились к тому, чтобы с помощью входной и выходной характеристик попытаться оценить влияние тех или иных факторов на режим транзисторного усилителя. Выводы, которые сейчас будут сделаны, мы пронумеруем, с тем чтобы в дальнейшем, при рассмотрении практических схем, проще было на них ссылаться. В соответствии с «порядковым номером» того или иного вывода пронумерован и поясняющий листок на рис. 64.

Рис. 64. Входные и выходные характеристики позволяют сделать ряд полезных практических выводов о работе транзисторного усилителя.

Вывод первый. На работу усилителя в сильнейшей степени влияет постоянное отрицательное смещение U_см , проще говоря – «минус» на базе. При слишком малом смещении входное напряжение U_эб попадает в область загибов входной характеристики, а то и в область положительного напряжения на базе. А если на базе появляется «плюс», транзистор просто запирается, то есть работает с отсечкой.

Слишком большое смещение может привести к другой крайности – к чрезмерному эмиттерному току и, значит, к перегреву транзистора и выходу его из строя. Не думайте только, что этот перегрев из тех, которые можно обнаружить на ощупь, а если надо, то и перетерпеть. Даже ненадолго превысив допустимый эмиттерный (или коллекторный) ток, вы выведете транзистор из строя настолько быстро и аккуратно, что даже заметить этого не успеете.

По характеристике можно определить режим, при котором на базе действует одно только смещение. Сама точка на характеристике, соответствующая этому режиму, получила название рабочей точки. Так, например, на характеристике рис. 54 можно выбрать рабочую точку, соответствующую U_см = 200 мв, и при этом эмиттерный ток покоя I_э‑п будет равен 6 ма. А можно сместить рабочую точку вправо, выбрав смещение U_см = 250 мв, и получить при этом I_э‑п = 10 ма. Если вы допускаете шутки в серьезном деле, то можете считать, что само название «рабочая точка», очевидно, происходит от того, что на входной характеристике в том ее месте, которое соответствует выбранному смещению U_см , действительно ставят довольно жирную точку.

На входной характеристике можно выделить две крайние точки, соответствующие наибольшему допустимому току I_э‑доп и напряжению, при котором заканчивается загиб (у нас это 150 мв). Участок характеристики, который лежит между этими крайними точками, называется прямолинейным участком. Для того чтобы полностью использовать этот участок, нужно подобрать смещение («рабочую точку»), соответствующее его середине.

Вывод второй. Увеличение смещения влечет за собой повышение токов покоя I_э‑п и I_к‑п , а значит, увеличение мощности, потребляемой от источников питания. Поэтому не стоит увеличивать смещение без надобности, и наоборот, если это возможно, смещение следует уменьшать, повышая таким образом экономичность усилителя.

Вывод третий. Напряжение смещения U_см следует устанавливать с учетом того, какой входной сигнал будет подводиться к усилителю. Если напряжение сигнала невелико, то незачем пользоваться всем прямолинейным участком входной характеристики и добиваться, чтобы ток покоя попадал на середину этого участка. В случае малого сигнала смещение может быть небольшим. При этом и токи покоя I_э‑п и I_к‑п будут небольшими.

Вывод четвертый. Выбор рабочей точки в середине прямолинейного участка позволяет подвести к усилителю входной сигнал, самый большой из всех возможных. Если же почему‑либо окажется, что входной сигнал все равно выходит за пределы дозволенного, то в этом случае можно уменьшить его с помощью обычного потенциометра (например, регулятора громкости).

Здесь могут возникнуть серьезные опасения. С помощью потенциометра действительно можно менять входное напряжение и при достаточно большом U_сиг выходить из прямолинейного участка или входить в него. Но не опасно ли пользоваться усилителем, который работает в подобном режиме? Ведь достаточно слегка повернуть ручку регулятора, чтобы напряжение на базе превысило допустимую величину.

Скажем прямо, такие опасения не лишены оснований – слишком большим напряжением сигнала действительно можно вывести из строя эмиттерный переход. Однако в усилителях, собранных по уже рассчитанным и проверенным схемам, до этого дело обычно не доходит. Напряжение на базе приходится ограничивать еще задолго до того, как наступает опасность «теплового разрушения» эмиттерного перехода. Как правило, увеличение входного сигнала становится невозможным из‑за искажений, возникающих в выходной цепи. Но это уже, как говорится, совсем другая история.

Вывод пятый. В коллекторной цепи имеются два главных героя, определяющих степень искажения сигнала, усиление и режим транзистора: это нагрузка и питающая батарея. Повышение напряжения питания Е_к , как это ни странно, само по себе ничего не дает. Может оказаться так, что, повысив постоянное напряжение на коллекторе, вы ничего не выиграете и переменное выходное напряжение (а значит, и выходная мощность) каким было, таким и останется. Происходит это потому, что само повышение коллекторного напряжения практически не влияет на коллекторный ток – выходные характеристики идут очень полого. А поскольку повышение Е_к не увеличивает I_к , то оно не увеличивает и напряжение U_н, которое, как известно, пропорционально коллекторному току.

Законный вопрос: если коллекторное напряжение так уж не влияет на коллекторный ток и, следовательно, на выходной сигнал, то, может быть, стоит понизить это напряжение? Зачем в карманном приемнике батарея с напряжением 9 в, если можно ограничиться 1,5 в или еще меньшим напряжением? Разумеется, вопросы эти возникают только потому, что о роли питающего напряжения было рассказано далеко не все. Увеличение Е_к если само и не повышает выходную мощность, то дает возможность ее повысить – для этого нужно увеличить входной сигнал или сопротивление нагрузки или сделать и то и другое одновременно. Проще говоря, повышение Е_к поднимает «потолок» выходной мощности.

Вывод шестой. Чем выше питающее напряжение, тем большим может быть «размах» управляющего напряжения U_эб и тем, следовательно, больше будут меняться коллекторный ток и коллекторное напряжение.

Вывод седьмой. Чем выше питающее напряжение Е_к , тем большую нагрузку можно включить в коллекторную цепь, не опасаясь ни попадания в область искажений, ни того, что U_бк в какие‑то моменты окажется слишком близким нулю. А это значит, чем больше Е_к , тем большее усиление можно «выжать» из одного транзистора, увеличивая R_н . Здесь, правда, существует новая опасность – при чрезмерном усилении усилитель может превратиться в генератор (см. стр. 303), и поэтому всегда существует некоторый предел усиления, дальше которого продвинуться просто не удается.

Вывод восьмой. Чудес не бывает. Нужно отдать себе отчет в том, что, пытаясь поднять усиление, увеличить переменную составляющую коллекторного тока, переменную составляющую коллекторного напряжения, а значит, выходную мощность и повышая для достижения всех этих целей питающее напряжение, мы одновременно увеличиваем мощность потребляемую от источника питания.

Вывод девятый. Если, несмотря на все эти предостережения, вы все же захотите подвести к транзистору как можно большее питающее напряжение, то не забывайте, что существует граница – допустимая мощность – и что переходить эту границу можно только в том случае, если вы хотите избавиться от своего транзистора и не можете найти для этого более простой способ. Специалисты рекомендуют всегда иметь некоторый запас и считают, что разумный потолок коллекторного напряжения на 10–20 % меньше допустимой величины.

Вывод десятый. Увеличивая сопротивление нагрузки в погоне за большим усилением сигнала, можно попасть в другую запретную зону – в область выходной характеристики, где происходит искажение формы сигнала. Это объясняется просто: чем больше сопротивление R_н , тем большая часть Е_к достается этому сопротивлению и тем, следовательно, меньшее напряжение остается на самом коллекторе. Увеличивая R_н , можно до того «доувеличить» U_н , что на коллекторе в некоторые моменты вообще ничего не останется и из‑за этого сильно исказится форма выходного сигнала.

Вывод одиннадцатый. Чем меньше сопротивление нагрузки R_н , тем круче идет нагрузочная прямая. И это вполне понятно: с уменьшением R_н уменьшается теряемое на нем напряжение U_н и, следовательно, растет напряжение на коллекторе. При отсутствии нагрузки, то есть когда R_н = 0, нагрузочная прямая представляет собой вертикальную линию и говорит о том, что ток в коллекторной цепи меняется, а напряжение на коллекторе остается неизменным. (А с чего бы ему меняться, если теперь питающее напряжение Е_к не делится ни на какие части и целиком подводится к коллектору?) При коротком замыкании нагрузки (R_н = 0) транзистор легче чем когда бы то ни было может перейти предельно допустимую мощность.

Вывод двенадцатый. Дать рецепт подбора правильного режима транзистора на все случаи жизни невозможно. Напряжение смещения U_см , напряжение питания Е_к сопротивление нагрузки R_н , напряжение сигнала U_сиг сложным образом связаны между собой и все вместе еще более сложным образом влияют на условия работы усилителя, на такие его показатели, как усиление, мощность усиленного сигнала, надежность и др. Поэтому, изменяя один из показателей (U_сиг, U_см, Е_к или R_н ), подумайте, как при этом нужно и как можно изменить другие показатели и как в итоге изменится весь режим в целом.

Какими бы интересными и полезными ни показались все эти выводы о работе транзисторного усилителя, мы обязаны сделать еще один, по смыслу неприятный, а по счету тринадцатый вывод. Все характеристики мы строили и все выводы по ним делали только для одной главной схемы транзисторного усилителя, а таких главных схем существует три. Чем отличаются две другие схемы от той, с которой мы уже знакомы? Как выглядят для этих двух новых, неизвестных пока схем входные и выходные характеристики? Действительны ли для них сделанные нами двенадцать практических выводов?

Ответ на эти вопросы сможет быть дан лишь после того, как мы детально познакомимся со всеми тремя главными схемами транзисторных усилителей.

«2 + 2 = 3»

Предметом нашего дальнейшего разговора будет именно это странное равенство. Конечно, если бы мы занимались арифметикой, то здесь не о чем было бы говорить – ошибка слишком очевидна. Но в данном случае «2 + 2 = 3» относится к схемам электронных усилителей и является попыткой в шутливой форме отобразить такой факт: два провода, по которым слабый сигнал вводится в усилитель, и два провода, по которым усиленный сигнал выводится из усилителя, нужно подключить к трем выводам транзистора. То есть четыре провода нужно подключить к трем, «2 + 2 = 3».

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 148; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 14 15 16 17 181920 21 22 23 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!