§ 3.6. Схемы применения полупроводниковых триодов

Всякий полупроводниковый триод, как уже говорилось, является нелинейным элементом.

Величины сопротивлений R₆, R_э, R_K, коэффициенты усиления α (или β) или H-параметры системы непостоянны и зависят от режима работы схемы. Рассмотренный метод анализа схем предполагал работу полупроводникового триода в малой окрестности некоторой рабочей точки, когда характеристики триода могут быть линеаризованы. Таким образом, прежде всего для нормальной работы схемы должны быть обеспечены рабочие режимы полупроводникового триода.

Как следует из принципа действия триодов и его характеристик в схеме должны быть определены напряжение питания коллектора U_K0 и ток базы в рабочей точке 1_б0, соответствующие выбранному линейному участку. При этом величина U_K0 не должна превышать некоторого допустимого предельного значения U_{K макс}, а ток коллектора в рабочей точке соответствующего максимального значения I_{K макс.}

Кроме того, всегда существует некоторое предельное значение мощности, рассеиваемой на полупроводниковом триоде Р_Тмакс. Рассеиваемая мощность Р_Т определяется как сумма мощностей, рассеиваемых на переходах эмиттер — база Р_эб и база — коллектор Р_бк:

и может быть определена непосредственно из выражений для составляющих

Здесь напряжения эмиттер — база — U_эб0, база— коллектор — U_бко и токи эмиттера I_э0 и коллектора I_к0 — постоянные составляющие напряжений и токов в рабочей точке.

Нормальный режим работы триода, соответствующий выбранной рабочей точке, может быть обеспечен применением специальных источников питания перехода эмиттер — база или путем применения автоматического смещения (рис. 123). Особенность схем автоматического смещения при использовании транзисторов (в отличие от ламповых схем) состоит в том, что транзисторы обладают значительной температурной нестабильностью, и это обстоятельство требует специальных мер температурной компенсации, которые уменьшают смещение рабочей точки при изменении температуры. На рис. 123, б в качестве примера приведена схема каскада усиления на транзисторе. Смещение рабочей точки осуществляется за счет сопротивления R₄, по для температурной компенсации использована дополнительная цепь с сопротивлениями R₁ и R₂, которая создает смещение в противоположном направлении.

Такая комбинация сопротивлений позволяет одновременно обеспечить требуемое смещение и подобрать наиболее выгодные условия компенсации.

Зависимость параметров триода от температуры ограничивает область применения полупроводников. В настоящее время получили распространение полупроводниковые приборы на основе германия и на основе кремния. Германиевые диоды и транзисторы удовлетворительно работают в области температур от —60 до + 70° С, кремниевые от —60 до +120° С.

Соображения по выбору величин емкостей конденсаторов, шунтирующих сопротивление смещения, и принципы построения входных и выходных цепей в схемах с полупроводниковыми триодами те же, что и в ламповых схемах. Следует только всегда иметь в виду, что входные сопротивления схем с транзисторами обычно весьма малы, а выходные велики. Это обстоятельство вынуждает особенно внимательно относиться к согласованию сопротивлений как по входной, так и по выходной цепям.

Все сказанное справедливо для транзисторов как р—п—р - типа, так и для п—р—n - типа, различие в применении этих приборов будет состоять только в обратной полярности питания схем (на рис. 123 приведены схемы, справедливые для триода р—п—р.

Калашников

Схема опытов Милликена показана на рис. 305. Основной частью прибора является тщательно изготовленный плоский конденсатор, пластины которого присоединяются к источнику напряжения в несколько тысяч вольт. Напряжение между пластинами можно изменять и точно измерять. Мелкие капельки масла, получаемые с помощью специального пульверизатора, попадают через отверстие в верхней пластине в пространство между пластинами. Движение отдельной капельки масла наблюдают в микроскоп. Конденсатор заключен в защитный кожух, поддерживаемый при неизменной температуре, предохраняющей капельки от конвекционных токов воздуха.

Капельки масла при распылении заряжаются, и поэтому на каждую капельку действуют две силы: сила тяжести и сила, вызванная электрическим полем. Если U — напряжение между пластинами конденсатора, а d — расстояние между ними, то напряженность поля в конденсаторе есть Е =U/d. Поэтому на капельку с зарядом q действует сила поля

Вторая сила складывается из веса капельки и гидростатической силы со стороны окружающего воздуха (силы Архимеда):

где а — радиус капельки, δ — плотность масла, δ₀—плотность воздуха при условиях опыта, g — ускорение силы тяжести.

Подбирая должным образом знак заряда на пластинах конденсатора, можно сделать, направление силы F_Е противоположным направлению F_g. Если при этом F_Е > F_g то капелька будет двигаться вертикально вверх. Если F_Е < F_g , то капелька будет опускаться. Изменяя напряжение на конденсаторе, можно, очевидно, добиться и такого положения, чтобы обе силы были равны друг другу:

В этом случае капелька не будет ни опускаться, ни подниматься, а будет находиться в равновесии. Поэтому, определяя на опыте напряжение U, соответствующее равновесию капельки, и зная ее радиус а, можно по формуле (158.1) найти заряд капельки.

Для определения радиуса капельки наблюдают скорость ее дви­жения в отсутствии электрического поля. Как известно из механики, на шар, движущийся с малой скоростью в вязкой среде, действует сила трения, пропорциональная скорости (закон Стокса):

Здесь v — скорость движения шара, η — коэффициент вязкости среды. При установившемся движении шар приобретает постоянную скорость, при которой сила трения равна движущей силе F_g:

Измеряя скорость равномерного падения капельки v, можно по формуле (158.2) определить радиус капельки а.

Практически удобнее не уравновешивать капельку, а измерять скорость ее движения. Если при наличии ноля капелька приобретает скорость v₁, направленную вверх, то

Скорость равномерного падения капельки v в отсутствии электрического поля определяется уравнением (158.2). Из этих двух уравнений можно исклю­чить радиус капельки а, и тогда для заряда q получается выражение:

Поэтому, измеряя скорость равномерного движения капельки при наличии поля (v₁) и без ноля (v), можно Найти ее заряд по формуле (158.3).

При точных измерениях заряда приходится еще учитывать, что для очень малых капель (радиус которых невелик по сравнению со средним свободным пробегом атомов газа) закон Стокса требует поправки. Более точное выражение для силы трения имеет вид:

где р— давление газа, b — постоянная. Если давление р измерено в см рт. ст., a в см, то для воздуха при температуре 23° С b = 0,000617. Из формулы (158.4) ВИДНО, ЧТО для введения необходимой поправки в выражение (158.3) нужно заменить в нем коэффициент вязкости η на η / (1+b/ap).

В опытах Милликена сначала определяли заряд капельки q₀, полученный ею при распылении. Затем в пространстве между обкладками создавались ионы, для чего воздух в конденсаторе подвергался действию рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей или излучения радиоактивных препаратов. Ионы оседали на капельку, ее заряд ……

………….