Полевые транзисторы в практике начинающих радиолюбителей
Эта статья предназначена в раздел «Начинающему радиолюбителю». Задолго до появления в журнале «Радио» № 9 – 2007 г. статьи В. Андрюшкевича «Измерение параметров полевых транзисторов», руководствуясь теми же принципами и задачами, я сделал прибор, подобный описанному в статье, но, на мой взгляд, значительно проще схемотехнически и технологически. Думаю, начинающие радиолюбители оценят это. С другой стороны прибор В. Андрюшкевича точнее и универсальнее, создан на более современной элементной базе, с хорошими эргономическими свойствами, короче – более высокого уровня.
В свое время автор столкнулся с проблемой подбора распространенных полевых транзисторов (ПТ) для установки в конкретные схемы усилителей, истоковых повторителей, смесителей и др. Применяя известные стандартные схемы для измерения параметров ПТ и, убедившись в большом разбросе величин измеряемых параметров, было решено собрать простейший комбинированный прибор для измерения наиболее часто применяемых в практике радиолюбителей параметров: ток стока, напряжение отсечки, крутизна характеристики.
Сначала немного теории. Она излагается только для дальнейшего практического применения и понимания работы прибора, и не больше. Поэтому опущена физика работы ПТ и некоторые теоретические положения. Именно на практическом аспекте применяемых положений и сделан акцент. Надеюсь, что для начинающих радиолюбителей небольшое описание работы прибора будет полезным и применимым в создании реальной конструкции.
Передаточная (управляющая) характеристика полевых транзисторов с управляющим p-n – переходом.
На приведенном рисунке изображена схема измерения тока стока полевого транзистора. В обозначениях: затвор – з, сток – с, исток – и. Кроме тока стока важнейшей характеристикой ПТ является напряжение отсечки Uотс. Это напряжение между затвором и истоком (Uзи), при котором ток стока равняется почти 0, хотя обычно его принимают в 10 мкА.
Если Uзи равняется 0, то ток стока ПТ будет максимальным и называется током насыщения, или током полного открытого канала, или начальным током стока. Обозначается Iс.нач. (иногда Iс.о).
Если на затвор ПТ подавать напряжение смещения (оно же Uзи, на рис.1 это батарея 1,5v), и на абсциссе отразить Uотс., а на ординате Iс.нач. и другие величины тока стока при различном Uзи (смещении), то можно построить кривую, которая называется вольт-амперной характеристикой ПТ. Таким образом, как видно из графика, Ic зависит от величины Uотс.
Определение крутизны характеристики (S) по собранной схеме (рис.1) проводится по формуле:
S = Iс.нач. – Iс/Uзи., где Ic – выбранный оптимальный ток стока при котором будет работать ПТ.
На прямом ее участке, который всегда расположен на графике от 0 до величины Uотс./2 и называется квадратичным, выбирают ток стока Iс, при котором ПТ будет работать наиболее эффективно и не вносить нелинейных искажений в работу стандартной схемы линейного усилителя (рис.3). Обычно это половина квадратичного участка: Uотс./2, тогда Uзи приблизительно будет равно Uотс./4.
На практике Uзи равен падению напряжения на Rн (Uн). Т.е., можно выбрать по кривой S оптимальный ток Iс и далее определить Uзи (есть соответсвующие графики в справочниках – зависимость S от Iс и от Uзи, и наоборот). Далее по закону Ома определить Rн, который необходимо ставить в цепь истока ПТ линейного усилителя. Предположим, что выбран Iс = 6мА, при этом из данных по S-характеристике Uзи = Uн = 0,7 v. Тогда Rн =Uн/Iс = 0,7 v/0,006 А = 116 Ом.
Возможен и другой вариант: зная по характеристикам или измерениям Uотс. можно определить Uзи (=1/4 Uотс.) и далее по графику S определить Ic, а затем и величину Rн.
В работающем усилителе на ПТ можно не выпаивая измерить Uн (падение напряжения на Rн) и, зная номинал Rн из схемы, рассчитать Iс. Например, Iс = Uн/Rн = 0,7 v/116 Ом = 0,006 А (6мА). Сравнивая полученные данные с таблично-паспортными можно подобрать Rн для оптимального Ic.
Определение Uотс. возможно по схеме на рис.4.
Поскольку Ic зависит от Uзи, то S-характеристика может меняться (сдвигаться). Меняется она и при воздействии на ПТ температуры окружающей среды. Чтобы попасть на термостабильную точку, выбирают Uзи = Uотс. – 0,63v. На практике у реальных ПТ при фиксированном Uзи, Ic меняется от 0,1 до 0,5 мА (в справочной литературе есть соотв. графики этой передаточной характеристики).
На вольт-амперных характеристиках ПТ Uси находится в пределах до Uси.нас. – напряжения насыщения сток – исток, и обычно не превышает 2v (для КП303, а для других ПТ иногда больше). Эта характеристика называется выходной.
Схема и работа с прибором.
Реальная схема прибора для измерения параметров ПТ не отличается от приведенных выше схем для измерения Ic и Uотс. Просто прибор стал более универсальным, своего рода стендом для измерения параметров ПТ.
При известном Ic (желаемом, оптимальном, из справочников) сначала определяют Ic.нач. Для этого устанавливают тип канала ПТ переключателями SА2 и SA3 («n – p канал»), а переключатель SA4 («Параметр») устанавливают в положение «Iс.нач.». Микроамперметр (мультиметр) подключают к клеммам ХТ2. Подсоединив ПТ к планке с клеммами ХТ4 включают прибор, нажимают кнопку SB1 «Измерение» и считывают Iс.нач.
Далее определяют Ic, переведя переключатель SA4 в положение «Ic». Пи этом резистором R2 («Уст. Uзи») изменяют (по шкале этого резистора) Uотс. от величины при которой ток стока будет минимальным (около 10 мкА) до величины, близкой ¼Uотс. Микроамперметр покажет Ic: вместе с величиной Uзи на графике они образуют точку на квадратичном участке кривой. Потом рассчитывают крутизну характеристики (S) ПТ:
S = Ic.нач - Ic/Uзи, где Uзи =1/4Uотс.(эмпирически подобранное соотношение).
Можно сначала определить Uотс. (переключатель SА4 в соответствующем положении), разделить эту величину на 4, получив Uзи, а вслед за этим и Ic по графику.
При измерении Uотс. (когда мультиметр подключают к клеммам вольтметра) важно, если пользуются одним и тем же мультиметром, не забыть замкнуть между собой клеммы милли(микро)амперметра ХТ2 перемычкой S1.
Uси обычно равно 10 v. В приборе можно его менять, т.к. в справочниках иногда приводятся графики ВАХ при другом напряжении. То же самое можно сказать и об Uзи – его величину можно менять. Для этих целей служат регулируемые стабилизаторы положительного и отрицательного напряжения, которые используются для питания цепи стока ПТ от 2 до 15 v, а цепи затвора - от 0 до -5 v. Иногда при измерении параметров 2-х затворных ПТ требуется на второй затвор подавать положительное напряжение. Для этой цели в приборе установлен переключатель SA2.2, меняющий полярность напряжения, получаемого со стабилизатора смещения, на противоположную. Собственно только поэтому этот переключатель не совмещен с переключателем типа канала. Клемму «К» на планке ХТ4 можно использовать (или дополнительно установить еще одну) для подключения второго затвора, коммутировав ее с выходом стабилизатора напряжения смещения (на схеме не показано).
Регуляторы напряжения следует проградуировать – тогда не понадобиться применять дополнительные клеммы и приборы для измерения Uси и Uзи. Чтобы не менять местами щупы мультиметра при измерениях, клеммы ХТ2 и ХТ3 включены в схеме через соответствующие диодные мосты, а полярность питающих напряжений меняется на противоположную, переключателем SА2. Величины самих же напряжений следует устанавливать такими, какие приводятся в справочниках.
Часто можно слышать об опасности повреждения ПТ статическим электричеством, наводящимся из электросети через БП (также и от паяльника, от рук, одежды и т.д.). Конечно, оптимальным является питание прибора от «Кроны» и элемента типа АА, при этом риск повреждения ПТ сетевой статикой минимален. И если напряжений указанных батарей для измерения маломощных ПТ достаточно, то так и следует поступить – вставить в прибор эти две батареи. С другой стороны, мой практический опыт работы с изготовленным прибором ни разу не привел к повреждению ПТ. Очевидно, что этому способствовали определенные свойства конструкции и соблюдение обычных правил при работе с полевыми транзисторами. В трансформаторе Т1 применена тефлоновая межобмоточная изоляция, подача питания на подсоединенный к прибору ПТ в схеме – через кнопку SB1 «Измерение». Кстати, трансформатор, наиболее доступный и подходящий для данного прибора по величине напряжений на вторичных обмотках – ТВК-70Л2.
Самое простое правило – выводы ПТ перед и при подсоединении к клеммам прибора всегда должны быть закорочены (несколько витков мягкого луженого тонкого провода вокруг выводов у основания транзистора). При измерениях провод, естественно, снимается.
Прибор смонтирован в корпусе старенького АВО-63, где удалось разместить блок питания и использовать штатную стрелочную измерительную головку. Внешний вид прибора показан на рис.6. Выводы испытуемого ПТ подключаются к разъему на конце короткого шлейфа от БП персонального компьютера.
Рис.6
В заключение следует заметить, что приведенная схема не догма и при воплощении в реальный прибор для радиолюбителя тут целое поле возможностей и вариантов изменения схемотехники и конструктива.
Василий Кононенко (RA0CCN).
