TEPLOTNÁ  STABILIZÁCIA  PRACOVNÉHO  BODU  P0


       V predchádzajúcej téme sme si ukázali jeden zo spôsobov výpočtu súradníc kľudovího pracovného bodu P0.  Poloha kľudového pracovného bodu P0 nie je v skutočnosti stála. Nemení sa len vtedy, ak je teplota okolia zosilňovača konštantná a rovnaká ako teplota, pri ktorej sa merali charakteristiky tranzistora. Ak sa zmení teplota, táto zmena vždy vyvolá zmenu kolektorového prúdu o DIKt  a kľudový pracovný bod P0 sa posunie po statickej zaťažovacej priamke. Kolísanie polohy pracovného bodu P0  spôsobuje v prvom rade stratu zosilňovacích vlastností, na druhej strane môže spôsobiť prekročenie prípustnej kolektorovej straty a zničenie tranzistora. Preto musíme zabezpečiť obmedzenie vplyvu teplotných zmien, to je stabilizáciu pracovného bodu P0  tranzistora. Obvody, ktoré zabezpečujú žiadanú stálosť súradníc kľudového pracovného bodu P0 , sú stabilizačné obvody. Tieto obvody môžu byť realizované rôznymi spôsobmi, ale vždy ide o zápornú spätnú väzbu a to buď prúdovú, napäťovú alebo ich kombináciu. My si činnosť stabilizačného obvodu vysvetlíme na schéme tranzistorového zosilňovača, v ktorom je zavedená záporná prúdová spätná väzba pomocou emitorového odporu RE.  Situácia je znázornená na obrázku 1.  Na obrázku 2. sú zakreslené charakteristiky tranzistora s príslušnými zmenami obvodových veličín, súradníc pracovného bodu P0,  spôsobené vplyvom teploty, ale aj účinku stabilizačného rezistora  RE.

Zosilňovač so stabilizačným rezistorom Re

Graf teplotnej stabilizácie
Obr. 1.  Zosilňovač so stabilizačným rezistorom RE
(Farby obvodových veličín tranzistora sa zhodujú so súradnicami P0"  po zavedení prúdovevej zápornej SV)
Obr. 2.  Graf znazorňujúci zmeny obvodových veličín a polohy pracovného bodu P0  pri teplotnej stabilizácii

Pre potreby vysvetlenia procesu stabilizácie budeme predpokladať, že napätie UB  bude nemenné, teda konštantné. Zároveň bude za každých okolností platiť, že :

UB = UBE + URE = UBE + IE.RE             (1)

Pri stálej teplote okolia má pracovný bod  P0  súradnice :       P0 Î ( UKE , IK , IB , UBE ).

       Pri zvýšení teploty okolia sa zvýši počet minoritných nosičov náboja uvoľnených zo základného polovodičového materiálu (vlastná vodivosť) a z prímesí spôsobujúcich opačný typ vodivosti ako má príslušná elektróda (dôsledok nedokonalého vyčistenia základného materiálu), čím sa zvýši prúd v kolektorovej(1)  a emitorovej vetve tranzistora, pričom sa veľkosť vstupného signálu nezmenila (ním sa ovplyvňuje veľkosť nevlastnej vodivosti a tá sa teplotou nemení.)  Kolektorový prúd tranzistora sa zvýši z  IK  na  IK´, ktorý sa dá vyjadriť rovnicou :

IK´ = IK + DIKt

pričom  DIKt  je prírastok kolektorového prúdu vplyvom teploty  t.

Pracovný bod  P0  sa posunie do bodu  P0´, ktorý má súradnice :
P0´ Î ( UKE´, IK´, IB , UBE )

Aj vo vetve emitora platí, že vplyvom teploty sa emitorový prúd zvýši z  IE  na  IE´ a dá sa vyjadriť rovnicou:

IE´ = IE + DIKt

       Vplyvom zápornej spätnej väzby sa na rezistore  RE  zvýši napätie z  URE  na  URE´.  Z rovnice (1) vidieť, že ak narastie URE  musí klesnúť  UBE  pri konštantnom  UB. Poklesom  UBE  na hodnotu  UBE"  klesne cez vstupnú charakteristiku tranzistora prúd  IB  na hodnotu  IB"  a cez prevodovú charakteristiku tranzistora  T  klesne kolektorový prúd z pôvodnej hodnoty  IK na hodnotu  IK". Kolektorový prúd IK" má takú hodnotu, že platí :

IK = IK" + DIKt

Tým sa posunie pracovný bod  P0´  na statickej zaťažovacej priamke tranzistora  T  do bodu  P0" , ktorý zodpovedá polohou pôvodnému pracovnému bodu  P0.  Pracovný bod  P0"  má však iné vstupné súradnice a to :

P0" Î ( UKE , IK , IB" , UBE" )

       Je prirodzené, že v reálnom obvode sa nemôže pracovný bod  P0"  úplne presne umiestniť na zaťažovacej priamke do polohy pôvodného pracovného bodu  P0.  Je to preto, lebo by zanikla akákoľvek regulačná odchýlka a stabilizačný obvod by nemal čo stabilizovať (odstraňovať.) Samozrejme, súradnice výstupných obvodových veličín nebudú mať úplne rovnaké hodnoty ako pôvodné  UKE  a  IK.


       Na stabilizáciu pracovného bodu  P0  sa používajú aj iné zapojenia obvodových prvkov v tranzistorových zosilňovačoch. Dve zapojenia sú znázornené na obrázkoch 3. a 4.

Napäťová záporná SVMostíkové zapojenie zápornej SV
Obr. 3.  Napäťová záporná spätná väzbaObr. 4.  Mostíkové zapojenie prúdovej zápornej spätnej väzby

        Napäťová záporná spätná väzba je založená na skutočnosti, že pri zvýšení kolektorového prúdu  IK  na hodnotu IK´  z dôvodu zvýšenia teploty tranzistora, sa napätie  UKE  zníži na hodnotu UKE´ , čím sa zníži aj bázový prúd  IB  na hodnotu  IB''  a cez vstupnú charakteristiku tranzistora sa zmení napätie  UBE  na hodnotu  UBE'' , čo má za následok privretie tranzistora. Platí všeobecná rovnica :

Privretie tranzistora spôsobí zníženie kolektorového prúdu z hodnoty  IK´  na hodnotu  IK  a nárast kolektorového napätia  UKE´  na pôvodnú hodnotu  UKE . Aj tu platí, že výsledný pracovný bod  P0''  má súradnice  UKE , IK , IB'', UBE''.

       Mostíkové zapojenie prúdovej zápornej spätnej väzby sa vyznačuje vyššou stabilitou napätia  UB medzi bázou tranzistora a elektrickou zemou. Je to zabezpečené odporovým deličom  RB1 , RB2 , ktorý sa volí tak, aby ním tiekol asi 10-krát väčší prúd ako vteká do bázy tranzistora  T.




(1)Poznámka na záver !

       Prúd minoritných nosičov sa v technickej praxi označuje pojmom  "zvyškový prúd tranzistora"  a pre zapojenie SB sa označuje prúdom IKB0  a pre zapojenie SE prúdom  IKE0 , pričom platí :

IKE0 = IKB0.(1 + h21E)

Zároveň pre prúd IKB0  platí, že pri vzraste teploty o 1° C  vzrastie prúd IKB0  asi o 7%, t.j. pri zvýšení teploty o 10° C  vzrastie prúd IKB0  na skoro dvojnásobok. Jednotky sú  nA/°C až  mA/°C podľa typu tranzistora a jeho zapojenia.

       Tiež pre napätie UBE  platí, že nárastom teploty sa toto napätie znižuje lineárne a to v značne veľkom teplotnom rozsahu PN priechodu B-E . Teplotný súčiniteľ napätia UBE  je priemerne -2,2 mV/°C  a to tak pre germaniové ako aj kremíkové tranzistory. Je však potrebné poznamenať, že zmena napätia UBE  vplyvom teploty ovplyvňuje v konečnom dôsledku zmenu kolektorvého prúdu IK  menej ako zmena zvyškového prúdu IKB0 , poprípade IKE0,  vyvolaná tou istou zmenou teploty tranzistora. Lineárna zmena napätia UBE  sa využíva v praxi pri konštrukcii elektronických teplomerov.





!!!   Použitie obsahu stránok alebo ich častí na "kvaziautorské" a komerčné účely je v rozpore s autorskými právami a je možné len so súhlasom autora   !!!

Spracoval :  Ing. Alexander Žatkovič
Prípadné pripomienky alebo otázky zasielajte na adresu