Teplotní závislost a nastavení pracovního bodu tranzistoru


a) Vliv teploty na vlastnosti tranzistoru:

Změny teploty mají vliv na změnu vlastností tranzistoru (PN přechodu), při zvyšování teploty se zvětšuje vlastní vodivost polovodiče, nevlastní vodivost se nemění. Změříme-li charakteristiky tranzistoru pro různé teploty dostaneme kombinovanou soustavu charakteristik s pomocným parametrem = konst.




Při zachování Uce a Ib se se zvyšující teplotou zvětšuje kolektorový proud Ic. Podstatný podíl na této teplotní závislosti kolektorového proudu má teplotně závislý zbytkový proud Icbo. Dále se se zvyšující teplotou tranzistoru klesá napětí na přechodu báze-emitor Ube lineárně přibližně o 2,2 mV na 1°C u křemíkových i germániových tranzistorů.

Protože se s teplotou tranzistoru mění tvar, sklon a odstup VA charakteristik, mění se přirozeně více či méně všechny statické i dynamické parametry tranzistoru. Nejzávažnější pro funkci obvodu s tranzistorem jsou obvykle změny proudového zesilovacího činitele h21e.

Pro pokles teploty platí vše obráceně.

Protože tranzistor je součástka teplotně závislá, je nutné provádět teplotní stabilizaci pracovního bodu, aby nedošlo k trvalým změnám nebo ke zničení.


b)Pracovní oblast tranzistoru:

Mezní hodnoty tranzistoru vymezují ve výstupních charakteristikách oblast, v níž je dovoleno volit klidový pracovní bod - tzv. pracovní oblast tranzistoru.






Základní mezní hodnoty:

- maximální napětí kolektor-emitor Uce max

- maximální kolektorový proud Ic max

- hyperbolou kolektorový ztráty Pc

- nulovým proudem báze Ib = 0, tzv. oblast zahrazení

- oblastí saturace (dána tzv. mezní přímkou)











c) Stabilizace pracovního bodu:

Poloha klidového pracovního bodu tranzistoru není ve skutečnosti neměnná, je určena dvěma nezávislými veličinami, např. kolektorovým proudem Ic a napětím kolektor-emitor Uce , které určují proudy všech ostatních elektrod. Tato poloha je hlavně závislá na teplotě, a proto je třeba vhodným uspořádáním obvodu docílit stabilizace pracovního bodu.

Druhy stabilizace:

- lineární stabilizace (zpětnovazební stabilizace) pomocí stejnosměrné zpětné vazby, jež má současně příznivý vliv na zmenšení změny pracovního bodu s rozptylem parametrů tranzistoru nebo změnou napájecího napětí

- nelineární stabilizace (kompenzační stabilizace) pomocí teplotně závislých prvků (termistor, dioda, žárovka, apod.), jež svým účinkem kompenzují vliv teploty na tranzistor


U
lineární stabilizace se používá následujících zapojení: stabilizace emitorovým odporem (obr. A), stabilizace kolektorovým rezistorem (obr. B), stabilizace kolektorovým a emitorovým odporem (obr. C), a stabilizace můstková (obr. D).


Typy lineární stabilizace


Stabilizace emitorovým odporem (obr. A):

Stabilizace, využívá zpětné vazby. Zvýší-li se teplota okolí, zvětší se kolektorový proud Ic a tudíž i emitorový proud Ie (Ie = Ic + Ib), úbytek napětí na emitorovém rezistoru Re*Ie se také zvětší, zmenší se rozdíl napětí mezi bází a emitorem Ube (Ube = Ubo - Re*Ie), kde Ubo je napětí báze proti společnému vodiči. Tento zmenšený úbytek napětí vyvolá v bázi zmenšený proud Ib. Důsledkem je, že skutečná změna kolektorového proudu Ic , vyvolaná změnou teploty , je menší, než by tomu bylo při stejné změně teploty v obvodu nestabilizovaném (nestabilizovaný obvod je obvod bez emitorového odporu Re).

Stabilizace kolektorovým rezistorem (obr. B):

Stabilizace, kde je využito napěťové zpětné vazby. Vlivem nežádoucího zvýšení teploty tranzistoru se zvýší i nežádoucně kolektorový proud Ic, tím se zvětší napětí na kolektorovém rezistoru Rc , tím se zmenší napětí kolektor-emitor Uce , a zmenší se bázový proud Ib přes rezistor Rb , v důsledku toho se zmenší kolektorový proud Ic , který měl snahu se původně zvýšit.


Stabilizace kolektorovým a emitorovým rezistorem (obr. C):

Stabilizace, kde se využívá záporná zpětná vazba v emitorovém obvodu pomocí emitorového odporu Re. Zvětšení kolektorového proudu Ic zapříčiní zvýšení emitorového proudu Ie (Ie = Ic + Ib), a tedy zvýšení napětí na kolektorovém rezistoru Rc , a tím se dále zmenší napětí báze-emitor Ube , což má za následek zmenšení proudu báze Ib přes rezistor Rb , a tím i žádané zmenšení kolektorového proudu Ic , který měl snahu se zvětšovat.


Můstková stabilizace (obr. D):

Stabilizace, kde se využívá proudová stejnosměrná záporná zpětná vazba. Bázové rezistory Rb1 a Rb2 tvoří dělič báze, kde je proud Ib1 >> Ib, takže se dělič chová jako zdroj stálého napětí. Zvětší-li teplota okolí celkový proud kolektoru Ic (i zbytkový), zvětší se i proud emitoru Ie , zvětší se napětí kolektor-emitor Uce , které působí proti napětí děliče, čímž zmenší napětí báze-emitor Ube , a tím dojde ke zmenšení kolektorového proudu Ic k původní hodnotě.








U nelineární stabilizace se používá především následujících zapojení: stabilizace termistorem (obr. A)


a stabilizace diodou (obr. B).



Typy nelineární stabilizace


Stabilizace termistorem (obr. A):

Při zvýšení teploty tranzistoru se zvětší kolektorový proud Ic , tím se odpor termistoru Rb2 (termistor je typu NTC; tj. zvětšování teploty zmenšuje odpor, a tím klesá i napětí děliče) zmenší, což zapříčiní zmenšení napětí báze-emitor Ube , a tím zmenšení proudu báze Ib , který zmenší kolektorový proud Ic , který měl tendenci se zvětšovat.

Tato stabilizace používá u výkonových koncových zesilovačů, kde je termistor připojen na chladič (popř. pouzdro tranzistoru).


Stabilizace diodou (obr. B):

Princip stabilizace je podobný stabilizaci termistorem.


d) Činitel teplotní stabilizace:

Aby bylo možné stabilizační obvody hodnotit a porovnávat, je zaveden tzv., činitel teplotní stabilizace.

Bezprostřední příčinou teplotní změny kolektorového proudu je teplotní změna zbytkového proudu kolektorového přechodu. Proto je činitel teplotní stabilizace S definován jako poměr změny klidového kolektorového proudu Ic k změně zbytkového proudu Icbo pro uvažovaný teplotní interval:

Ic

S = -----------

Icbo

Činitel stabilizace může nabývat v zapojení se společnou bází hodnot mezi 1 a 0. Nestabilizovanému obvodu odpovídá S = 1; ideálnímu případu dokonale stabilizovaného zapojení, tj. zapojení, v němž kolektorový proud se s teplotou vůbec nemění, odpovídá S = 0. V zapojení se společným emitorem se používá jiný zjednodušený vztah.










dlabos.wz.cz