平衡式晶体管电压表

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本文介绍用一对锗三极管做成的电压表,用来测量微小的直流电压和电流。同时介绍简易高频探头的制法。把它们联结起来,就构成一台简单的超高频毫伏表,可以测量几百赫直到一百兆赫的微小交流电压。

工作原理它的原理见图1,电路是由一对适当选择配对的晶体管构成。如果两只管子完全相同而且R\(_{bl}\)=Rb2,R\(_{c1}\)=Rc2,那么,电路应当是平衡的。当输入端开路时,表头上没有电流通过。由于两只管子U\(_{be}\)相同,输入端短路时,对平衡没有影响,表头上仍然没有电流通过。当温度上升时,两只管子的iceo同样地变大,引起Rcl和R\(_{c2}\)上的电压降同样地增大,但表头两端电压仍是零伏,表针不动。当输入待测电流时,它使一只管子的ib增加,另一只管子的i\(_{b}\)减小,经过放大后,使一只管子的ic增大,另一只管子的i\(_{c}\)减小。这个不平衡电流大部分流过表头而指示出输入的大小。一只管子ic增大引起β增大,另一只管子i\(_{c}\)减小引起β减小,两者互相抵消,因此线性度也改善了。

图1
图1 🔍原图 (455×296)

实际电路如图2。由于全部耗电与电池自然放电的电流差不多,所以用不着关掉电源。图中未加电源开关,如需要可另行加上。还有锗管的饱和压降很小,用一节电池就够了。

图2
图2 🔍原图 (886×505)

元件的选择这个电路可以用各种小功率锗管做成,只要合乎以下要求:第一,它的穿透电流应当小,更重要的是两只管子的穿透电流的差应当尽量小,用分流公式可计算出流过表头的电流是:

im=β△i/(1+R\(_{m}\)/2Rc)

其中β是晶体管的放大倍数,R\(_{m}\)是表头的内阻。通常Rm《2R\(_{c}\)。

如果两只晶体管穿透电流相差很多,即使在某一温度下调平衡了,温度一变表针自己还会动。可以以△i\(_{ceo}\)≤10μA选择管子的标准。第二,它的放大倍数最好大一些而且相近。曾用3AX4和3AG14分别做过,效果都很好,但3AX1放大倍数太低,结果灵敏度不高;3AX31漏电流太大,结果不够稳定。表头希望用灵敏度高的,不但做成后电压表的内阻大,而且线性也较好。W1和W\(_{2}\)的数值有很大变通余地,W1由100千欧到1兆欧都可用,W\(_{2}\)如果采用3.3~4.7千欧的,R2 和R\(_{3}\)可以相应减小或省掉。W3从470欧到10千欧之间的都可以用。

刻度 尽量利用原来表头的刻度。如采用150微安的表头,3伏档可利用原来的刻度,把“50、100、150”用小刀刮去,用蘸水钢笔和绘图黑墨水添上“1、2、3”而成。在这条刻度下面,每隔0.3伏画一条长刻度线,每隔0.15伏画一条短刻度线,标上数字,就成了10伏或1伏、100毫伏档的刻度。如果采用100微安或50、200微安的表头,可以利用原来的刻度当10伏、1伏和100毫伏档的刻度,把每1/10个刻度等分为三格,画出朝下的刻度线,就成为其他各档的刻度。

安装 安装的方式可以根据实际情况设计,这里介绍的是做成一种台式的。面板是用1.5毫米铁板做的,是倾斜的,以便观察。除了波段开关、电位器W\(_{1}\)和接线柱以及直接焊在波段开关上的R5~R\(_{1}\)0外,放大部分的零件包括电位器W2、W\(_{3}\)都装在一块绝缘板上,利用表头的接线柱当安装架。电池用卡子固定在木匣底部,外观见图3。

图3
图3 🔍原图 (614×421)

调试把放大部分(图2虚线框以内的部分)装好后,准备一块内阻较高的万用表,就可以进行调试。在接通电源之前,先把R\(_{1}\)和W3都调到最大,把W\(_{1}\)和W2都调到中间位置。按上电源后调W\(_{1}\)使表针指零,然后用内阻较高的电压表(例如20,000Ω/V的万用表的10伏档)量e和c之间的电压,它应当是1伏左右。如果大于1伏,就把R1调小直到e-c电压为1伏。这样,调好了工作点,就可以保证良好的线性。用W\(_{1}\)调零以后,两个输入端b1和b\(_{2}\)之间很可能还有剩余的电压,需要用下列步骤消除:把b1、b\(_{2}\)短接,用W2调零,再把b\(_{1}\)、b2断开,用W\(_{1}\)调零,重复进行几次直到b1、b\(_{2}\)短接与否表针都指零。

上面这一部分作为一个整体可以看成是一只高灵敏度的表头,可以用试验普通表头的办法一样来测定它的灵敏度和内阻。例如用一节1.5伏电池和一只750千欧的电阻R\(_{1}\)串联,这时约有2微安的电流i1流过表头,调整一下W\(_{3}\)使表针满偏转(2微安)。然后在b1、b\(_{2}\)之间并联一个10千欧的电阻R3,如图4所示,记下表针的读数i\(_{2}\),按公式算出内阻Rm=\(\frac{i}{_{1}}\)-i2i\(_{2}\)R3。

图4
图4 🔍原图 (293×225)

根据试验情况,表的灵敏度即调到满刻度的电流也可能为别的数值。用3AX4试验的结果是满刻度3微安、内阻9.2千欧,用3AG14试验的结果是满刻度2微安、内阻22千欧。

各档的串联电阻可以用计算普通万用表一样的办法算出,这里就不赘述了。

高频探头这种电压表加上一只简易高频探头就可以用来测量直到100兆赫的微小高频电压。探头电路如图5,二极管D\(_{1}\)、D2用2AP3~7或2AP9~10都可以。整个探头需要装在一只金属屏蔽罩里,可以用电子管屏蔽罩、废电解电容壳或电子管收音机的中周变压器壳制成。零件安装在一块小绝缘板上。一个端子是连接外壳的鳄鱼夹子,另一个是一根较粗的铜丝做的探针。使用时用夹子夹被测电路的地线,用探针去触被测点(图6)。

图5
图5 🔍原图 (638×282)
图6
图6 🔍原图 (824×315)

一般来说,用探头测量高频电压,电表的刻度需要重新校准。对几百毫状以上的交流电压,表针读数值约为交流电压有效值的2.8倍。但对几十毫伏以下的交流电压,由于二极管本身是非线性的,灵敏度要大为下降,刻度成为平方律的,即刻度值正比于交流电压有效值的平方。每档每点都需要单独校准。但是,在只需要作定性的或比较的测量的时候可利用原有刻度,不再画另一组刻度。

我们利用此表测量过晶体管超外差收音机的振荡电压、高频信号发生器输出与频率的关系,检查甚高频振荡情况,测定视频放大器频率响应等,都收到满意的效果。(大钧)