После того, как мы с вами стали изучать биполярные транзисторы, в личные сообщения стало приходить очень много сообщений именно про них. Самые распространенные вопросы звучат примерно так:

Если транзистор состоит из двух диодов, тогда почему бы просто не использовать два диода и не сделать из них простой транзистор?

Почему электрический ток течет от коллектора к эмиттеру (или наоборот), если транзистор состоит из двух диодов, которые соединены или катодами или анодами? Ведь ток потечет только через диод, включенный в прямом направлении, через другой он ведь течь не может?

А ведь правда ваша…Все логично… Но что-то мне кажется, что где-то есть подвох;-). А вот где эта самая “изюминка” мы и рассмотрим в этой статье…

Строение транзистора

Итак, как вы все помните из предыдущих статей, любой биполярный транзистор, скажем так, состоит из двух диодов. Для

эквивалентная схема выглядит вот так:

А для NPN транзистора

как-то вот так:

А что мудрить? Давайте проведем простой опыт!

У нас имеется всеми нами любимый советский транзистор КТ815Б. Он представляет из себя кремниевый транзистор NPN проводимости:

Собираем простую схемку с ОЭ (О бщим Э миттером), чтобы продемонстрировать его некоторые свойства. Этот опыт я показывал в предыдущих статьях. Но как говорится, повторение – мать учения.

Для демонстрации опыта нам понадобится маломощная лампочка накаливания и парочка Блоков питания . Собираем все это дело вот по такой схеме:

где у нас Bat1 – это блок питания, который у нас включается между базой и эмиттером, а Bat2 – блок питания, который у нас включается между коллектором и эмиттером, и в придачу последовательно цепляется еще лампочка.

Все это выглядит вот так:

Так как лампочка нормально светит при напряжении в 5 В, на Bat 2 я также выставил 5 В.

На Bat 1 плавно повышаем напряжение… и при напряжении в 0,6 В

у нас загорается лампочка. Следовательно, наш транзистор “открылся”

Но раз уж транзистор состоит из диодов, то почему бы нам не взять два диода и не “сделать” из них транзистор? Сказано – сделано. Собираем эквивалентную схему транзистора КТ815Б из двух диодов марки 1N4007.

На рисунке ниже я обозначил выводы диодов, как анод и катод, а также обозначил выводы “транзистора”.

Собираем все это дело по такой же схеме:

Так как наш транзистор КТ815Б были кремниевый, и диоды 1N4007 тоже кремниевые, то по идее транзистор из диодов должен открыться при напряжении 0,6-0,7 В. Добавляем напряжение на Bat1 до 0,7 В…

и…

нет, лампочка не горит ((

Если обратите внимание на блок питания Bat1, то можно увидеть, что потребление при 0,7 В составляло уже 0,14 А.

Проще говоря, если бы мы еще чуток поддали напряжение, то спалили бы диод “база-эмиттер”, если, конечно, вспомнить вольтамперная характеристику (ВАХ) диода.

Но почему, в чем дело? Почему транзистор КТ815Б, который по сути состоит из таких же кремниевых диодов пропускает через коллектор-эмиттер электрический ток, а два диода, спаянных также, не работают как транзистор? Где же зарыта собака?

А вы знаете, как в транзисторе расположены эти “диоды”? Если учесть, что N полупроводник – это хлеб, а тонкий слой ветчины – это P полупроводник, то в транзисторе они располагаются примерно вот так (на салат не смотрим):

Дело все в том, что база в транзисторе по ширине очень тонкая , как эта ветчина, а коллектор и эмиттер по ширине как эти половинки хлеба (немного преувеличиваю конечно, они чуть меньше), поэтому, транзистор, ведет себя как транзистор:-), то есть открывается и пропускает ток через коллектор-эмиттер.

Благодаря тому, что база очень тонкая по ширине, значит два P-N перехода находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга и между ними происходит взаимодействие. Это взаимодействие называется транзисторным эффектом. А какой может быть транзисторный эффект между диодами, у которых расстояние между двумя P-N переходами как до Луны?

Во всех экспериментах используются транзисторы КТ315Б, диоды Д9Б, миниатюрные лампы накаливания на 2,5В х 0,068А. Головные телефоны - высокоомные, типа ТОН-2. Переменный конденсатор - любой, ёмкостью 15...180 пФ. Батарея питания состоит из двух последовательно соединённых батарей по 4,5В типоразмера 3R12. Лампы можно заменить на последовательные соединённые светодиод типа АЛ307А и резистор номиналом 1 кОм.

ЭКСПЕРИМЕНТ 1
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА (проводники, полупроводники и изоляторы)

Электрический ток - это направленное движение электронов от одного полюса к другому под действием напряжения (батарея 9 В).

Все электроны имеют одинаковый отрицательный заряд. Атомы различных веществ имеют различное число электронов. Большинство электронов прочно связано с атомами, но имеются и так называемые «свободные», или валентные, электроны. Если к концам проводника приложить напряжение, то свободные электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи.

В некоторых материалах перемещение электронов относительно свободное, их называют проводниками; в других - перемещение затруднено, их называют полупроводниками; в третьих - вообще невозможно, такие материалы называют изоляторами, или диэлектриками.

Металлы являются хорошими проводниками тока. Такие вещества, как слюда, фарфор, стекло, шёлк, бумага, хлопок, относятся к изоляторам.

К полупроводникам относятся германий, кремний и др. Проводниками данные вещества становятся при определённых условиях. Это свойство используется при производстве полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов.

Рис. 1. Определение проводимости воды

Этот эксперимент демонстрирует работу простой электрической цепи и различие в проводимости проводников, полупроводников и диэлектриков.

Соберите схему, как показано на рис. 1, и выведите оголённые концы проводов на переднюю часть платы. Соедините оголённые концы вместе, лампочка будет гореть. Это говорит о том, что через цепь проходит электрический ток.

С помощью двух проводов можно проверить проводимость различных материалов. Для точного определения проводимости тех или иных материалов необходимы специальные приборы. (По яркости горения лампочки можно лишь определить, является ли исследуемый материал хорошим или плохим проводником.)

Присоедините оголённые концы двух проводников к куску сухого дерева на небольшом расстоянии друг от друга. Лампочка гореть не будет. Это означает, что сухое дерево является диэлектриком. Если оголённые концы двух проводников присоединить к алюминию, меди или стали, лампочка будет гореть. Это говорит о том, что металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

Опустите оголённые концы проводников в стакан с водопроводной водой (рис. 1, а). Лампочка не горит. Это означает, что вода является плохим проводником тока. Если в воду добавить немного соли и повторить опыт (рис. 1, б), лампочка будет гореть, что говорит о протекании тока в цепи.

Резистор 56 Ом в этой схеме и во всех последующих экспериментах служит для ограничения тока в цепи.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2
ДЕЙСТВИЕ ДИОДА

Целью данного эксперимента является наглядная демонстрация того, что диод хорошо проводит ток в одном направлении и не проводит - в обратном.

Соберите схему, как показано на рис. 2, а. Лампа будет гореть. Поверните диод на 180° (рис. 2, б). Лампочка гореть не будет.

А теперь попытаемся разобраться в физической сущности эксперимента.

Рис. 2. Действие полупроводникового диода в электронной цепи.

Полупроводниковые вещества германий и кремний имеют по четыре свободных, или валентных, электрона. Атомы полупроводника связываются в плотные кристаллы (кристаллическую решётку) (рис. 3, а).

Рис. 3. Кристаллическая решётка полупроводников.

Если в полупроводник, имеющий четыре валентных электрона, ввести примесь, например мышьяка, имеющего пять валентных электронов (рис. 3, б), то пятый электрон в кристалле окажется свободным. Такие примеси обеспечивают электронную проводимость, или проводимость n-типа.

Примеси, имеющие меньшую валентность, чем атомы полупроводника, обладают способностью присоединять к себе электроны; такие примеси обеспечивают дырочную проводимость, или проводимость p-типа (рис. 3, в).

Рис. 4. p-n-переходы в полупроводниковом диоде.

Полупроводниковый диод состоит из спая материалов p- и n- типов (p-n-переход) (рис. 4, а). В зависимости от полярности приложенного напряжения p-n-переход может либо способствовать (рис. 4, г), либо препятствовать (рис. 4, в) прохождению электрического тока. На границе двух полупроводников еще до подачи внешнего напряжения создаётся двоичный электрический слой с местным электрическим полем напряжённостью Е 0 (рис. 4, б).

Если через диод пропустить переменный ток, то диод будет пропускать только положительную полуволну (рис. 4 г), а отрицательная проходить не будет (см. рис. 4, в). Диод, таким образом, преобразует, или «выпрямляет», переменный ток в постоянный.

ЭКСПЕРИМЕНТ 3
КАК РАБОТАЕТ ТРАНЗИСТОР

Этот эксперимент наглядно демонстрирует основную функцию транзистора, являющегося усилителем тока. Небольшой управляющий ток в цепи базы может вызвать большой ток в цепи эмиттер - коллектор. Меняя сопротивление базового резистора, можно менять ток коллектора.

Соберите схему (рис. 5). Поставьте в схему поочерёдно резисторы: 1 МОм, 470 кОм, 100 кОм, 22 кОм, 10 кОм. Можно заметить, что с резисторами 1 МОм и 470 кОм лампочка не горит; 100 кОм - лампочка едва горит; 22 кОм - лампочка горит ярче; полная яркость наблюдается при подключении базового резистора 10 кОм.

Рис. 6. Транзистор со структурой n-p-n.

Рис. 7. Транзистор со структурой p-n-p.

Транзистор представляет собой, по существу, два полупроводниковых диода, имеющих одну общую область - базу. Если при этом общей окажется область с p-проводимостью, то получится транзистор со структурой n-p-n (рис. 6); если общая область будет с n-проводимостью, то транзистор будет со структурой p-n-p (рис. 7).

Область транзистора, излучающая (эмигрирующая) носители тока, называется эмиттером; область, собирающая носители тока, называется коллектором. Зона, заключённая между этими областями, называется базой. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между базой и коллектором - коллекторным.

На рис. 5 показано включение транзистора типа n-p-n в электрическую цепь.

При включении в цепь транзистора типа p-n-p полярность включения батареи Б меняется на противоположную.

Для токов, протекающих через транзистор, существует зависимость

I э = I б + I к

Транзисторы характеризуются коэффициентом усиления по току, обозначаемым буквой β, представляет собой отношение приращения тока коллектора к изменению тока базы.

Значение β лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен единиц в зависимости от типа транзистора.

ЭКСПЕРИМЕНТ 4
СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРА

Изучив принцип действия транзистора, можно продемонстрировать свойства конденсатора. Соберите схему (рис. 8), но не присоединяйте электролитический конденсатор 100 мкФ. Затем подключите его на некоторое время в положение А (рис. 8, а). Лампочка загорится и погаснет. Это говорит о том, что в цепи шел ток заряда конденсатора. Теперь поместите конденсатор в положение В (рис. 8, б), при этом руками не касайтесь выводов, иначе конденсатор может разрядиться. Лампочка загорится и погаснет, произошёл разряд конденсатора. Теперь снова поместите конденсатор в положение А. Произошёл его заряд. Положите конденсатор на некоторое время (10 с) в сторону на изолирующий материал, затем поместите в положение В. Лампочка загорится и погаснет. Из этого эксперимента видно, что конденсатор способен накапливать и хранить электрический заряд долгое время. Накопленный заряд зависит от ёмкости конденсатора.

Рис. 8. Схема, объясняющая принцип действия конденсатора.

Рис. 9. Изменение напряжения и тока на конденсаторе во времени.

Произведите заряд конденсатора, установив его в положение А, затем разрядите его, присоединив к выводам конденсатора проводники с оголёнными концами (проводник держите за изолированную часть!), и поместите его в положение В. Лампочка не загорится. Как видно из этого эксперимента, заряженный конденсатор выполняет роль источника питания (батареи) в цепи базы, но после использования электрического заряда лампочка гаснет. На рис. 9 представлены зависимости от времени: напряжения заряда конденсатора; тока заряда, протекающего в цепи.

ЭКСПЕРИМЕНТ 5
ТРАНЗИСТОР В КАЧЕСТВЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Соберите схему согласно рис. 10, но пока не устанавливайте резистор R1 и транзистор Т1 в схему. Ключ В должен быть подсоединён к схеме в точке А и Е, чтобы точку соединения резисторов R3, R1 можно было замыкать на общий провод (минусовая шина печатной платы).

Рис. 10. Транзистор в схеме работает как выключатель.

Подключите батарею, лампочка в цепи коллектора Т2 будет гореть. Теперь замкните цепь выключателем В. Лампочка погаснет, так как выключатель соединяет точку А с минусовой шиной, тем самым уменьшая потенциал точки А, следовательно, и потенциал базы Т2. Если выключатель вернуть в исходное положение, лампочка загорится. Теперь отсоедините батарею и подсоедините Т1, резистор R1 не подсоединяйте. Подключите батарею, лампочка снова загорится. Как и в первом случае, транзистор Т1 открыт и через него проходит электрический ток. Поставьте теперь резистор R1 (470 кОм) в точках С и D. Лампочка погаснет. Снимите резистор, и лампочка загорится снова.

Когда напряжение на коллекторе Т1 падает до нуля (при установке резистора 470 кОм), транзистор открывается. База транзистора Т2 подключается через Т1 к минусовой шине, и Т2 закрывается. Лампочка гаснет. Таким образом, транзистор Т1 выполняет роль выключателя.

В предыдущих экспериментах транзистор использовался как усилитель, теперь он использован в качестве выключателя.

Возможности применения транзистора в качестве ключа (выключателя) приведены в экспериментах 6, 7.

ЭКСПЕРИМЕНТ 6
АВАРИЙНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ

Особенностью данной схемы является то, что транзистор Т1, используемый в качестве ключа, управляется фоторезистором R2.

Имеющийся в данном наборе фоторезистор меняет своё сопротивление от 2 кОм при сильном освещении до нескольких сотен кОм в темноте.

Соберите схему согласно рис. 11. В зависимости от освещения помещения, где вы проводите эксперимент, подберите резистор R1 таким образом, чтобы лампочка горела нормально без затемнения фоторезистора.

Рис. 11. Схема аварийной сигнализации на основе фоторезистора.

Состояние транзистора Т1 определяется делителем напряжения, состоящим из резистора R1 и фоторезистора R2.

Если фоторезистор освещён, сопротивление его мало, транзистор Т1 закрыт, тока в его коллекторной цепи нет. Состояние транзистора Т2 определяется подачей положительного потенциала резисторами R3 и R4 на базу Т2. Следовательно, транзистор Т2 открывается, течёт коллекторный ток, лампочка горит.

При затемнении фоторезистора его сопротивление сильно увеличивается и достигает величины, когда делитель подаёт напряжение на базу Т1, достаточное для его открывания. Напряжение на коллекторе Т1 падает почти до нуля, через резистор R4 запирает транзистор Т2, лампочка гаснет.

На практике в подобных схемах в коллекторную цепь транзистора Т2 могут быть установлены другие исполнительные механизмы (звонок, реле и т. д.).

В этой и в последующих схемах может быть использован фоторезистор типа СФ2-9 или аналогичный.

ЭКСПЕРИМЕНТ 7
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ВКЛЮЧЕНИЯ СВЕТА

В отличие от эксперимента 6, в данном- эксперименте при затемнении фоторезистора R1 лампочка горит (рис. 12).

Рис. 12. Схема, включающая свет автоматически.

При попадании света на фоторезистор его сопротивление сильно уменьшается, что приводит к открыванию транзистора Т1, а следовательно, к закрытию Т2. Лампочка не горит.

В темноте лампочка включается автоматически.

Это свойство может использоваться для включения и выключения ламп в зависимости от освещённости.

ЭКСПЕРИМЕНТ 8
СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Отличительной особенностью данной схемы является большая чувствительность. В этом и ряде последующих экспериментов используется комбинированное соединение транзисторов (составной транзистор) (рис. 13).

Рис. 13. Оптоэлектронное сигнальное устройство.

Принцип действия данной схемы не отличается от схемы . При определённом значении сопротивления резисторов R1 + R2 и сопротивления фоторезистора R3 в цепи базы транзистора Т1 протекает ток. В цепи коллектора Т1 тоже течёт ток, но в (3 раз больший тока базы Т1. Допустим, что (β=100. Весь ток, идущий через эмиттер Т1, должен пройти через переход эмиттер - база Т2. Тогда ток коллектора Т2 в β раз больше тока коллектора Т1, ток коллектора Т1 в β раз больше тока базы Т1, ток коллектора Т2 приблизительно в 10 000 раз больше тока базы Т1. Таким образом, составной транзистор можно рассматривать как единый транзистор с очень большим коэффициентом усиления и большой чувствительностью. Второй особенностью составного транзистора является то, что транзистор Т2 должен быть достаточно мощным, в то время как управляющий им транзистор Т1 может, быть маломощным, так как ток, проходящий через него, в 100 раз меньше тока, проходящего через Т2.

Работоспособность схемы, приведённой на рис. 13, определяется освещённостью помещения, где проводится эксперимент, поэтому важно подобрать сопротивление R1 делителя верхнего плеча так, чтобы в освещённой комнате лампочка не горела, а горела при затемнении фоторезистора рукой, затемнении комнаты шторами или при выключении света, если эксперимент проводится вечером.

ЭКСПЕРИМЕНТ 9
ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ

В этой схеме (рис. 14) для определения влажности материала также используется составной транзистор, обладающий большой чувствительностью. Смещение базы Т1 обеспечивается резистором R1 и двумя проводниками с оголёнными концами.

Проверьте электрическую цепь, слегка сжимая пальцами обеих рук оголённые концы двух проводников, при этом не соединяя их друг с другом. Сопротивление пальцев достаточно для срабатывания схемы, и лампочка загорается.

Рис. 14. Схема датчика влажности. Неизолированные концы проводников пронизывают промокательную бумагу.

Теперь оголённые концы пропустите через промокательную бумагу на расстоянии примерно 1,5-2 см, другие концы присоедините к схеме согласно рис. 14. Затем увлажните промокательную бумагу между проводами водой. Лампочка загорается (В данном случае уменьшение сопротивления произошло за счёт растворения водой имеющихся в бумаге солей.).

Если промокательную бумагу пропитать соляным раствором, а затем высушить и повторить опыт, эффективность эксперимента повышается, концы проводников можно разнести на большее расстояние.

ЭКСПЕРИМЕНТ 10
СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Данная схема аналогична предыдущей, разница лишь в том, что лампа горит при освещении фоторезистора и гаснет при затемнении (рис. 15).

Рис. 15. Сигнальное устройство на фоторезисторе.

Схема работает следующим образом: при обычном освещении фоторезистора R1 лампочка будет гореть, так как сопротивление R1 мало, транзистор Т1 открыт. При выключении света лампочка погаснет. Свет карманного фонарика или зажжённых спичек заставит лампочку снова гореть. Чувствительность цепи регулируется увеличением или уменьшением сопротивления резистора R2.

ЭКСПЕРИМЕНТ 11
СЧЁТЧИК ИЗДЕЛИЙ

Этот эксперимент надо проводить в полузатемнённом помещении. Все время, когда свет падает на фоторезистор, индикаторная лампочка Л2 горит. Если поместить кусок картона между источником света (лампочкой Л1 и фоторезистором, лампочка Л2 гаснет. Если убрать картон, лампочка Л2 загорается вновь (рис. 16).

Рис. 16. Счётчик изделий.

Чтобы эксперимент прошёл удачно, надо отрегулировать схему, т. е. подобрать сопротивление резистора R3 (наиболее подходящим в этом случае является 470 Ом).

Эта схема практически может быть использована для счта партии изделий на конвейере. Если источник света и фоторезистор размещены таким образом, что между ними проходит партия изделий, цепь то включается, то выключается, так как поток света прерывается проходящими изделиями. Вместо индикаторной лампочки Л2 используется специальный счётчик.

ЭКСПЕРИМЕНТ 12
ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ СВЕТА

Рис. 23. Делитель частоты на транзисторах.

Транзисторы Т1 и Т2 открываются поочерёдно. Управляющий сигнал посылается в триггер. Когда транзистор Т2 открыт, лампочка Л1 не горит. Лампочка Л2 загорается, когда транзистор Т3 открыт. Но транзисторы Т3 и Т4 открываются и закрываются поочерёдно, следовательно, лампочка Л2 загорается при каждом втором управляющем сигнале, посылаемом мультивибратором. Таким образом, частота горения лампочки Л2 в 2 раза меньше частоты горения лампочки Л1.

Это свойство может использоваться в электрооргане: частоты всех нот верхней октавы органа делятся пополам и создаётся тон октавой ниже. Процесс может повторяться.

ЭКСПЕРИМЕНТ 18
СХЕМА «И» ПО ЕДИНИЦАМ

В этом эксперименте транзистор используется в качестве ключа, а лампочка является индикатором выхода (рис. 24).

Эта схема является логической. Лампочка будет гореть, если на базе транзистора (точка С) будет высокий потенциал.

Допустим, точки А и В не соединены с отрицательной шиной, они имеют высокий потенциал, следовательно, в точке С также высокий потенциал, транзистор открыт, лампочка горит.

Рис. 24. Логический элемент 2И на транзисторе.

Примем условно: высокий потенциал - логическая «1» - лампочка горит; низкий потенциал - логический «0» - лампочка не горит.

Таким образом, при наличии в точках А и В логических «1», в точке С тоже будет «1».

Теперь соединим точку А с отрицательной шиной. Её потенциал станет низким (упадёт до «0» В). Точка В имеет высокий потенциал. По цепи R3 - Д1 - батарея потечёт ток. Следовательно, в точке С будет низкий потенциал или «0». Транзистор закрыт, лампочка не горит.

Соединим с землёй точку В. Ток теперь течёт по цепи R3 - Д2 - батарея. Потенциал в точке С низкий, транзистор закрыт, лампочка не горит.

Если обе точки соединить с землёй, в точке С также будет низкий потенциал.

Подобные схемы могут быть использованы в электронном экзаменаторе и других логических схемах, где сигнал на выходе будет лишь при наличии одновременных сигналов в двух и более входных каналах.

Возможные состояния схемы отражены в таблице.

Таблица истинности схемы И

ЭКСПЕРИМЕНТ 19
СХЕМА «ИЛИ» ПО ЕДИНИЦАМ

Эта схема противоположна предыдущей. Чтобы в точке С был «0», необходимо, чтобы в точках А и В также был «0», т. е. точки А и В надо соединить с отрицательной шиной. В этом случае транзистор закроется, лампочка погаснет (рис. 25).

Если теперь только одну из точек, А или В, соединить с отрицательной шиной, то в точке С все равно будет высокий уровень, т. е. «1», транзистор открыт, лампочка горит.

Рис. 25. Логический элемент 2ИЛИ на транзисторе.

При подсоединении точки В к отрицательной шине ток пойдёт через R2, Д1 и R3. Через диод Д2 ток не пойдёт, так как он включён в обратном для проводимости направлении. В точке С будет около 9 В. Транзистор открыт, лампочка горит.

Теперь точку А соединим с отрицательной шиной. Ток пойдёт через R1, Д2, R3. Напряжение в точке С будет около 9 В, транзистор открыт, лампочка горит.

Таблица истинности схемы ИЛИ

ЭКСПЕРИМЕНТ 20
СХЕМА «НЕ» (ИНВЕРТОР)

Этот эксперимент демонстрирует работу транзистора в качестве инвертора - устройства, способного менять полярность выходного сигнала относительно входного на противоположный. В экспериментах и транзистор не являлся частью действующих логических схем, он лишь служил для включения лампочки. Если точку А соединить с отрицательной шиной, то потенциал её упадёт до,«0», транзистор закроется, лампочка погаснет, в точке В - высокий потенциал. Это означает логическую «1» (рис. 26).

Рис. 26. Транзистор работает как инвертор.

Если точка А не соединена с отрицательной шиной, т. е. в точке А - «1», то транзистор открыт, лампочка горит, напряжение в точке В близко к «0» или это составляет логический «0».

В этом эксперименте транзистор является составной частью логической схемы и может использоваться для преобразования схемы ИЛИ в ИЛИ-НЕ и схемы И в И-НЕ.

Таблица истинности схемы НЕ

ЭКСПЕРИМЕНТ 21
СХЕМА «И-НЕ»

Этот эксперимент сочетает в себе два эксперимента: 18 - схема И и 20 - схема НЕ (рис. 27).

Данная схема функционирует аналогично схеме , формируя на базе транзистора «1» или «0».

Рис. 27. Логический элемент 2И-НЕ на транзисторе.

Транзистор используется в качестве инвертора. Если на базе транзистора появляется «1», то на выходе точка - «0» и наоборот.

Если потенциалы в точке D сравнить с потенциалами в точке С , видно, что они инвертированы.

Таблица истинности схемы И-НЕ

ЭКСПЕРИМЕНТ 22
СХЕМА «ИЛИ-НЕ»

Этот эксперимент сочетает в себе два эксперимента: - схема ИЛИ и - схема НЕ (рис. 28).

Рис. 28. Логический элемент 2ИЛИ-НЕ на транзисторе.

Схема функционирует точно так же, как в эксперименте 20 (на базе транзистора вырабатывается «0» или «1»). Разница лишь в том, что транзистор используется в качестве инвертора: если «1» на входе транзистора, то «0» на его выходе и наоборот.

Таблица истинности схемы ИЛИ-НЕ

ЭКСПЕРИМЕНТ 23
СХЕМА «И-НЕ», СОБРАННАЯ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Эта схема состоит из двух логических схем НЕ, коллекторы транзисторов которых соединены в точке С (рис. 29).

Если обе точки, А и В, соединить с отрицательной шиной, то их потенциалы станут равными «0». Транзисторы закроются, в точке С будет высокий потенциал, лампочка гореть не будет.

Рис. 29. Логический элемент 2И-НЕ.

Если лишь точку А соединить с отрицательной шиной, в точке В логическая «1», Т1 закрыт, а Т2 открыт, течёт коллекторный ток, лампочка горит, в точке С логический «0».

Если точку В соединить с отрицательной шиной, то на выходе также будет «0», лампочка будет гореть, в этом случае Т1 открыт, Т2 закрыт.

И, наконец, если точки А и В имеют логическую «1» (не соединены с отрицательной шиной), оба транзистора открыты. На их коллекторах «0», ток течёт через оба транзистора, лампочка горит.

Таблица истинности схемы И-НЕ

ЭКСПЕРИМЕНТ 24
ДАТЧИК ТЕЛЕФОНА И УСИЛИТЕЛЬ

В схеме эксперимента оба транзистора используются в качестве усилителя звуковых сигналов (рис.30).

Рис. 30. Индуктивный датчик телефона.

Сигналы улавливаются и подаются на базу транзистора Т1 с помощью индуктивной катушки L, затем они усиливаются и подаются в телефон. Когда вы закончили собирать схему на плате, расположите ферритовый стержень вблизи телефона перпендикулярно входящим проводам. Будет слышна речь.

В этой схеме и в дальнейшем в качестве индуктивной катушки L используется ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 100-160 мм, марки 600НН. Обмотка содержит примерно 110 витков медного изолированного провода диаметром 0,15..0,3 мм типа ПЭЛ или ПЭВ.

ЭКСПЕРИМЕНТ 25
МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Если имеется в наличии лишний телефон (рис. 31), он может быть использован вместо катушки индуктивности в предыдущем эксперименте. В результате этого будем иметь чувствительный микрофонный усилитель.

Рис. 31. Микрофонный усилитель.

В пределах собранной схемы можно получить подобие устройства двусторонней связи. Телефон 1 можно использовать как приёмное устройство (подключение в точке А), а телефон 2 - как выходное устройство (подключение в точке В). При этом вторые концы обоих телефонов должны быть соединены с отрицательной шиной.

ЭКСПЕРИМЕНТ 26
УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ПРОИГРЫВАТЕЛЯ

С помощью граммофонного усилителя (рис. 32) можно слушать записи, не нарушая покоя окружающих.

Схема состоит из двух каскадов звукового усиления. Входным сигналом является сигнал, идущий со звукоснимателя.

Рис. 32. Усилитель для проигрывателя.

На схеме буквой А обозначен датчик. Этот датчик и конденсатор С2 являются ёмкостным делителем напряжения для уменьшения первоначальной громкости. Подстроечный конденсатор С3 и конденсатор С4 являются вторичным делителем напряжения. С помощью С3 регулируется громкость.

ЭКСПЕРИМЕНТ 27
«ЭЛЕКТРОННАЯ СКРИПКА»

Здесь схема мультивибратора предназначена для создания электронной музыки. Схема аналогична . Главным отличием является то, что резистор смещения базы транзистора Т1 является переменным. Резистор 22 кОм (R2), соединённый последовательно с переменным резистором, обеспечивает минимальное сопротивление смещения базы Т1 (рис. 33).

Рис. 33. Мультивибратор для создания музыки.

ЭКСПЕРИМЕНТ 28
МИГАЮЩИЙ ЗУММЕР МОРЗЕ

В этой схеме мультивибратор предназначен для генерирования импульсов с тональной частотой. Лампочка загорается при включении питания схемы (рис. 34).

Телефон в этой схеме включается в цепь между коллектором транзистора Т2 через конденсатор С4 и отрицательной шиной платы.

Рис. 34. Генератор для изучения азбуки Морзе.

С помощью этой схемы можно практиковаться в изучении азбуки Морзе.

Если вас не устраивает тон звука, поменяйте местами конденсаторы С2 и С1.

ЭКСПЕРИМЕНТ 29
МЕТРОНОМ

Метроном - это прибор для задания ритма (темпа), например, в музыке. Для этих целей ранее применялся маятниковый метроном, который давал как визуальное, так и слышимое обозначение темпа.

В данной схеме указанные функции выполняет мультивибратор. Частота темпа равна примерно 0,5 с (рис. 35).

Рис. 35. Метроном.

Благодаря телефону и индикаторной лампочке есть возможность слышать и зрительно ощущать заданный ритм.

ЭКСПЕРИМЕНТ 30
ЗВУКОВОЕ СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С АВТОМАТИЧЕСКИМ ВОЗВРАТОМ В ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ

Эта схема (рис. 36) демонстрирует применение одновибратора, работа которого описана в эксперименте 14. В исходном состоянии транзистор Т1 открыт, а Т2 закрыт. Телефон здесь используется в качестве микрофона. Свист в микрофон (можно просто подуть) или лёгкое постукивание возбуждает переменный ток в цепи микрофона. Отрицательные сигналы, поступая на базу транзистора Т1, закрывают его, а следовательно, открывают транзистор Т2, в цепи коллектора Т2 появляется ток, и лампочка загорается. В это время происходит заряд конденсатора С1 через резистор R1. Напряжение заряженного конденсатора С2 достаточно для открывания транзистора Т1, т. е. схема возвращается в своё первоначальное состояние самопроизвольно, лампочка при этом гаснет. Время горения лампочки составляет около 4 с. Если конденсаторы С2 и С1 поменять местами, то время горения лампочки увеличится до 30 с. Если резистор R4 (1 кОм) заменить на 470 кОм, то время увеличится с 4 до 12 с.

Рис. 36. Акустическое сигнальное устройство.

Этот эксперимент можно представить в виде фокуса, который можно показать в кругу друзей. Для этого необходимо снять один из микрофонов телефона и положить его под плату около лампочки таким образом, чтобы отверстие в плате совпадало с центром микрофона. Теперь, если подуть на отверстие в плате, будет казаться, что вы дуете на лампочку и поэтому она загорается.

ЭКСПЕРИМЕНТ 31
ЗВУКОВОЕ СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С РУЧНЫМ ВОЗВРАТОМ В ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ

Эта схема (рис. 37) по принципу действия аналогична предыдущей, с той лишь разницей, что при переключении схема не возвращается автоматически в исходное состояние, а производится это с помощью выключателя В.

Рис. 37. Акустическое сигнальное устройство с ручным сбросом.

Состояние готовности схемы или исходное состояние будет, когда транзистор Т1 открыт, Т2 закрыт, лампа не горит.

Легкий свист в микрофон даёт сигнал, который запирает транзистор Т1, при этом открывая транзистор Т2. Сигнальная лампочка загорается. Она будет гореть до тех пор, пока транзистор Т2 не закроется. Для этого необходимо закоротить базу транзистора Т2 на отрицательную шину («землю») с помощью ключа В. К подобным схемам можно подключать другие исполнительные устройства, например реле.

ЭКСПЕРИМЕНТ 32
ПРОСТЕЙШИЙ ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЁМНИК

Начинающему радиолюбителю конструирование радиоприёмников следует начинать с простейших конструкций, например с детекторного приёмника, схема которого представлена на рис. 38.

Работает детекторный приёмник следующим образом: электромагнитные волны, посылаемые в эфир радиостанциями, пересекая антенну приёмника, наводят в ней напряжение с частотой, соответствующей частоте сигнала радиостанции. Наведённое напряжение поступает во входной контур L, С1. Другими словами, этот контур называется резонансным, так как он заранее настраивается на частоту желаемой радиостанции. В резонансном контуре входной сигнал усиливается в десятки раз и после этого поступает на детектор.

Рис. 38. Детекторный приёмник.

Детектор собран на полупроводниковом диоде, который служит для выпрямления модулированного сигнала. Низкочастотная (звуковая) составляющая пройдёт через головные телефоны, и вы услышите речь или музыку в зависимости от передачи данной радиостанции. Высокочастотная составляющая продетектированного сигнала, минуя головные телефоны, пройдёт через конденсатор С2 на землю. Ёмкость конденсатора С2 определяет степень фильтрации высокочастотной составляющей продетектированного сигнала. Обычно ёмкость конденсатора С2 выбирают таким образом, чтобы для звуковых частот он представлял большое сопротивление, а для высокочастотной составляющей его сопротивление было мало.

В качестве конденсатора С1 можно использовать любой малогабаритный конденсатор переменной ёмкости с пределами измерения 10...200 пФ. В данном конструкторе для настройки контура используется керамический подстроечный конденсатор типа КПК-2 ёмкостью от 25 до 150 пФ.

Катушка индуктивности L имеет следующие параметры: число витков - 110±10, диаметр провода - 0,15 мм, тип - ПЭВ-2, диаметр каркаса из изоляционного материала - 8,5 мм.

АНТЕННА

Правильно собранный приёмник начинает работать сразу при подключении к нему наружной антенны, которая представляет собой кусок медного провода диаметром 0,35 мм, длиной 15-20 м, подвешенного на изоляторах на некоторой высоте над землёй. Чем выше будет находиться антенна над землёй, тем лучше будет приём сигналов радиостанций.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Громкость приёма возрастает, если к приёмнику подключить заземление. Провод заземления должен быть коротким и иметь небольшое сопротивление. Его конец соединяется с медной трубой, идущей в глубь грунта.

ЭКСПЕРИМЕНТ 33
ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЁМНИК С УСИЛИТЕЛЕМ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Эта схема (рис. 39) аналогична предыдущей схеме детекторного приёмника с той лишь разницей, что здесь добавлен простейший усилитель низкой частоты, собранный на транзисторе Т. Усилитель низкой частоты служит для увеличения мощности сигналов, продетектированных диодом. Схема настройки колебательного контура соединена с диодом через конденсатор С2 (0,1 мкФ), а резистор R1 (100 кОм) обеспечивает диоду постоянное смещение.

Рис. 39. Детекторный приёмник с однокаскадным УНЧ.

Для нормальной работы транзистора используется источник питания напряжением 9 В. Резистор R2 необходим для того, чтобы обеспечить подачу напряжения на базу транзистора для создания необходимого режима его работы.

Для этой схемы, как и в предыдущем эксперименте, необходимы наружная антенна и заземление.

ЭКСПЕРИМЕНТ 34

ПРОСТОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРИЁМНИК

Приёмник (рис. 40) отличается от предыдущего тем, что вместо диода Д установлен транзистор, который одновременно работает и как детектор высокочастотных колебаний, и как усилитель низкой частоты.

Рис. 40. Однотранзисторный приёмник.

Детектирование высокочастотного сигнала в этом приёмнике осуществляется на участке база - эмиттер, поэтому специального детектора (диода) такой приёмник не требует. Транзистор с колебательным контуром связан, как и в предыдущей схеме, через конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ и является развязывающим. Конденсатор С3 служит для фильтрации высокочастотной составляющей сигнала, которая также усиливается транзистором.

ЭКСПЕРИМЕНТ 35
РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЁМНИК

В этом приёмнике (рис. 41) регенерация используется для улучшения чувствительности и избирательности контура. Эту роль выполняет катушка L2. Транзистор в этой схеме включён несколько иначе, чем в предыдущей. Напряжение сигнала с входного контура поступает на базу транзистора. Транзистор детектирует и усиливает сигнал. Высокочастотная составляющая сигнала не сразу поступает на фильтрующий конденсатор С3, а проходит сначала через обмотку обратной связи L2, которая находится на одном сердечнике с контурной катушкой L1. Благодаря тому, что катушки размещены на одном сердечнике, между ними существует индуктивная связь, и часть усиленного напряжения высокочастотного сигнала из коллекторной цепи транзистора снова поступает во входной контур приёмника. При правильном включении концов катушки связи L2 напряжение обратной связи, поступающее в контур L1 за счёт индуктивной связи, совпадает по фазе с приходящим из антенны сигналом, и происходит как бы увеличение сигнала. Чувствительность приёмника при этом повышается. Однако при большой индуктивной связи такой приёмник может превратиться в генератор незатухающих колебаний, и в телефонах прослушивается резкий свист. Чтобы устранить чрезмерное возбуждение, необходимо уменьшить степень связи между катушками L1 и L2. Достигается это либо удалением катушек друг от друга, либо уменьшением числа витков катушки L2.

Рис. 41. Регенеративный приёмник.

Может случиться, что обратная связь не даёт желаемого эффекта и приём станций, хорошо слышимых ранее, при введении обратной связи прекращается вовсе. Это говорит о том, что вместо положительной обратной связи образовалась отрицательная и нужно поменять местами концы катушки L2.

На небольших расстояниях от радиостанции описываемый приёмник хорошо работает без внешней антенны, на одну магнитную антенну.

Если слышимость радиостанции низкая, к приёмнику все же нужно подключить наружную антенну.

Приёмник с одной ферритовой антенной необходимо установить так, чтобы приходящие от радиостанции электромагнитные волны создавали в катушке колебательного контура наибольший сигнал. Таким образом, когда вы при помощи переменного„конденсатора настроились на сигнал радиостанции, если слышимость плохая, поворачивайте схему для получения сигналов в телефонах нужной для вас громкости.

ЭКСПЕРИМЕНТ 36
ДВУХТРАНЗИСТОРНЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЁМНИК

Эта схема (рис. 42) отличается от предыдущей тем, что здесь используется усилитель низкой частоты, собранный на транзисторах Т2.

С помощью двухтранзисторного регенеративного приёмника можно вести приём большого количества радиостанций.

Рис. 42. Регенеративный приёмник с усилителем низкой частоты.

Хотя в данном конструкторе (набор № 2) имеется лишь катушка для длинных волн, схема может работать как на средних, так и на коротких волнах, при использовании соответствующих подстроечных катушек. Их можно изготовить самим.

ЭКСПЕРИМЕНТ 37
«ПЕЛЕНГАТОР»

Схема этого эксперимента аналогична схеме эксперимента 36 без антенны и «земли».

Настройтесь на мощную радиостанцию. Возьмите плату в руки (она должна находиться горизонтально) и вращайте, пока не исчезнет звук (сигнал) или, по крайней мере, уменьшится до минимума. В этом положении ось феррита точно указывает на передатчик. Если теперь повернуть плату на 90°, сигналы будут хорошо слышны. Но более точно местонахождение радиостанции можно определить графоматематическим методом, используя при этом компас для определения угла по азимуту.

Для этого необходимо знать направление расположения передатчика с разных позиций - А и В (рис. 43, а).

Допустим, мы находимся в точке А, определили направление расположения передатчика, оно составляет 60°. Переместимся теперь в точку В, при этом замерим расстояние АВ. Определим второе направление расположения передатчика, оно составляет 30°. Пересечение двух направлений и является местонахождением передающей станции.

Рис. 43. Схема пеленгации радиостанции.

Если у вас есть карта с расположением на ней радиовещательных станций, то есть возможность точно определить ваше местонахождение.

Настройтесь на станцию А, пусть она будет расположена под углом 45°, а затем настройтесь на станцию В; её азимут, допустим, равен 90°. Учитывая эти углы, проведите на карте через точки А и В линии, их пересечение и даст ваше местонахождение (рис. 43, б).

Таким же способом корабли и самолёты ориентируются в процессе движения.

КОНТРОЛЬ ЦЕПИ

Чтобы во время экспериментов схемы работали надёжно, необходимо удостовериться, что батарея заряжена, все соединения чистые, а все гайки надёжно завинчены. Выводы батареи должны быть правильно соединены; при подключении необходимо строго соблюдать полярность электролитических конденсаторов и диодов.

ПРОВЕРКА КОМПОНЕНТОВ

Диоды могут быть проверены в ; транзисторы - в ; электролитические конденсаторы (10 и 100 мкФ) - в . Головной телефон также можно проверить, подключив его к батарее,- в наушнике будет слышно «потрескивание».

Чистые полупроводники имеют одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такие полупроводники для изготовления полупроводниковых приборов не используются, о чем было сказано .

Для производства транзисторов (под ними в данном случае подразумеваются также диоды, микросхемы и собственно все полупроводниковые приборы) применяются полупроводники n и p типов: с электронной и дырочной проводимостью. В полупроводниках типа n основными носителями зарядов являются электроны, а в полупроводниках типа p - дырки.

Полупроводники с требуемым типом проводимости получаются путем легирования (добавления примесей) к чистым полупроводникам. Количество этих примесей невелико, но свойства полупроводника меняются до неузнаваемости.

Легирующие примеси

Транзисторы не были бы транзисторами, если бы в их производстве не применялись трех и пятивалентные элементы, которые используются в качестве легирующих примесей. Без этих элементов просто невозможно было бы создание полупроводников различной проводимости, создание p-n (читается пэ - эн) перехода и транзистора в целом.

В качестве трехвалентных примесей с одной стороны используются индий, галлий, алюминий. Их внешняя оболочка содержит всего 3 электрона. Такие примеси отбирают электроны у атомов полупроводника, в результате чего проводимость полупроводника становится дырочной. Такие элементы называются акцепторами - «берущий».

С другой стороны это сурьма и мышьяк, - пятивалентные элементы. На внешней орбите у них по 5 электронов. Вступая в стройные ряды кристаллической решетки, они не могут найти места для пятого электрона, он остается свободным, а проводимость полупроводника становится электронной или типа n. Такие примеси называются донорами - «дающий».

На рисунке 1 показана таблица химических элементов, которые находят применение в производстве транзисторов.

Рисунок 1. Влияние примесей на свойства полупроводников

Даже в химически чистом кристалле полупроводника, например, германия, содержатся примеси. Количество их невелико - один атом примеси на один миллиард атомов собственно германия. А в одном кубическом сантиметре получается примерно пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных тел, которые называются примесными атомами. Вроде очень много?

Вот тут самое время вспомнить, что при токе в 1 A через проводник проходит заряд в 1 Кулон, или 6*10^18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду. Другими словами примесных атомов «не так уж и много» и они придают полупроводнику совсем незначительную проводимость. Получается то ли плохой проводник, то ли не очень хороший изолятор. В общем, полупроводник.

Как получается полупроводник с проводимостью n

Давайте, посмотрим, что произойдет, если в кристалл германия ввести пятивалентный атом сурьмы или мышьяка. Достаточно наглядно это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Введение в полупроводник 5-ти валентной примеси.

Небольшой комментарий к рисунку 2, который следовало бы сделать раньше. Каждая прямая между соседними атомами полупроводника на рисунке должна быть двойной, показывая, что в связи участвуют два электрона. Такая связь называется ковалентной и показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Ковалентная связь в кристалле кремния.

Для германия рисунок был бы абсолютно такой же.

Пятивалентный примесный атом внедряется в кристаллическую решетку, поскольку деваться ему просто некуда. Четыре валентных электрона из своих пяти он использует для создания ковалентных связей с соседними атомами, происходит внедрение в кристаллическую решетку. А вот пятый электрон останется свободным. Самое интересное в том, что атом самой примеси в этом случае становится положительным ионом.

Примесь в этом случае называют донором, она дает полупроводнику дополнительные электроны, которые будут основными носителями заряда в полупроводнике. Сам полупроводник, получивший дополнительные электроны от донора, будет полупроводником с электронной проводимостью или типа n - negative.

Примеси вводятся в полупроводники в небольших количествах, всего один атом на десять миллионов атомов германия или кремния. Но это в сто с лишним раз больше, чем содержание собственных примесей в самом чистом кристалле, о чем было написано чуть выше.

Если теперь к получившемуся полупроводнику типа n присоединить гальванический элемент, как показано на рисунке 4, то электроны (кружки с минусом внутри) под действием электрического поля батарейки устремятся к ее положительному выводу. Отрицательный полюс источника тока отдаст в кристалл столько же электронов. Поэтому через полупроводник потечет электрический ток.

Рисунок 4.

Шестиугольники, у которых внутри знак плюс, есть не что иное, как атомы примеси, отдавшие электроны. Теперь это положительные ионы. Итог выше сказанного таков: введение в полупроводник примеси - донора обеспечивает впрыск свободных электронов. В результате получается полупроводник с электронной проводимостью или типа n.

Если в полупроводник, германий или кремний, добавить атомы вещества с тремя электронами на внешней орбите, например индия, то результат будет, прямо сказать, противоположный. Это объединение показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Введение в полупроводник 3-х валентной примеси.

Если теперь к такому кристаллу присоединить источник тока, то перемещение дырок примет упорядоченный характер. Фазы перемещения показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Фазы дырочной проводимости

Дырка, находящаяся в первом атоме справа, это как раз трехвалентный атом примеси, захватывает электрон у соседа слева, в результате чего в нем остается дырка. Эта дырка в свою очередь заполняется электроном, оторванным от соседа (на рисунке он опять слева).

Таким способом создается перемещение положительно заряженных дырок от положительного к отрицательному полюсу батареи. Так продолжается до тех пор, пока дырка не подойдет вплотную к отрицательному полюсу источника тока, и заполнится от него электроном. В то же время электрон из ближайшего к плюсовому выводу источника покидает свой атом, получается новая дырка и процесс повторяется сначала.

Чтобы не запутаться, какого типа получается полупроводник при введении примеси, достаточно запомнить, что в слове «донор» есть буква эн (negative) - получается полупроводник типа n. А в слове акцептор присутствует буква пэ (positive) - полупроводник с проводимостью p.

Обычные кристаллы, например, германия, в том виде, в котором они существуют в природе, для производства полупроводниковых приборов непригодны. Дело в том, что обычный природный кристалл германия состоит из сросшихся между собой маленьких кристаллов.

Сначала исходный материал очищался от примесей, после чего германий расплавляли и в полученный расплав опускали затравку, - маленький кристалл с правильной решеткой. Затравка медленно вращалась в расплаве и постепенно поднималась вверх. Расплав обволакивал затравку и остывая формировал монокристаллический стержень больших размеров с правильной кристаллической решеткой. Внешний вид полученного монокристалла показан на рисунке 7.

Рисунок 7.

В процессе изготовления монокристалла в расплав добавляли легирующую примесь месь p или n типа, тем самым получая требуемую проводимость кристалла. Этот кристалл разрезали на маленькие пластинки, которые в транзисторе становились базой.

Коллектор и эмиттер изготавливали разными способами. Самый простой сводился к тому, что на противоположные стороны пластинки подкладывали маленькие кусочки индия, которые приваривали, разогревая место контакта до 600 градусов. После остывания всей конструкции, насыщенные индием участки, приобретали проводимость типа p. Полученный кристалл устанавливали в корпус и присоединяли выводы, в результате чего получались сплавные плоскостные транзисторы. Конструкция этого транзистора показана на рисунке 8.

Рисунок 8.

Такие транзисторы выпускались в шестидесятых годах двадцатого века под маркой МП39, МП40, МП42 и т.п. Сейчас это уже практически музейный экспонат. Наибольшее применение находили транзисторы структуры туры p-n-p.

В 1955 году был разработан диффузионный транзистор. По этой технологии для образования областей коллектора и эмиттера пластинку германия помещали в газовую атмосферу, содержащую пары нужной примеси. В этой атмосфере пластинку нагревали до температуры чуть ниже точки плавления и выдерживали необходимое время. В результате атомы примеси проникали в кристаллическую решетку, образовывая p-n переходы. Такой техпроцесс известен как метод диффузии, а сами транзисторы получили название диффузионных.

Частотные свойства сплавных транзисторов, надо сказать, оставляют желать лучшего: граничная частота не более нескольких десятков мегагерц, что позволяет использовать их в качестве ключа на низких и средних частотах. Такие транзисторы получили название низкочастотных, и уверенно будут усиливать лишь частоты звукового диапазона. Хотя на смену сплавным германиевым транзисторам давно уже пришли кремниевые, германиевые транзисторы производятся до сих пор для специальных применений, где требуется низкое напряжение для смещения эмиттера в прямом направлении.

Кремниевые транзисторы выпускаются по планарной технологии. Это значит, что все переходы выходят на одну поверхность. Они почти полностью вытеснили германиевые транзисторы из схем на дискретных элементах и применяются как компоненты интегральных схем, где германий никогда не использовался. В настоящее время германиевый транзистор найти очень нелегко.

Продолжение читайте в следующей статье.

Количество областей применения устройств, называемых солнечными батареями, увеличивается с каждым днем. Они находят все более широкое применение в военно-космических отраслях, промышленности, сельском хозяйстве, в быту. Несмотря на то что приобрести такую батарею по разумной цене становится все проще, интересно изготовить ее своими руками.

В этой статье даются практические советы по изготовлению своими руками солнечной батареи, которая может использоваться как источник тока для маломощных радиолюбительских конструкций.

Самодельная солнечная батарея из диодов или транзисторов - устройство, интересное не только с точки зрения практического применения, но и для понимания принципа ее работы. Причем для ее изготовления лучше использовать полупроводниковые приборы, выпущенные 30-40 лет назад.

Как работает солнечная батарея?

Солнечная батарея как устройство, преобразующее энергию света в электрическую энергию, известно уже достаточно давно. Ее работа основана на явлении внутреннего фотоэффекта в p-n переходе. Внутренний фотоэффект - явление возникновения в полупроводнике дополнительных носителей тока (электронов или дырок) при поглощении света.

Электроны и дырки разделяются p-n переходом так, что электроны концентрируются в n-области, а дырки - в p-области, в результате между этими областями возникает ЭДС. Если к ним подключить внешнюю нагрузку, то при освещении p-n перехода в ней возникнет ток. Энергия солнца превращается в электрическую энергию.

ЭДС и сила тока в таком полупроводнике определяется следующими факторами:

• материалом полупроводника (германий, кремний и т.д.);
• площадью поверхности р-n перехода;
• освещенностью этого перехода.

Сила тока, создаваемая одним элементом, очень мала, и для достижения желаемого результата нужно собирать модули из большого числа таких элементов. Такой источник тока не боится коротких замечаний, поскольку величина силы тока, создаваемого им, ограничена некоторым максимальным значением - обычно несколько миллиампер.

Самодельная солнечная батарея из полупроводниковых диодов или транзисторов

Необходимые для создания солнечной батареи р-n переходы есть и у полупроводниковых диодов, и у транзисторов. У диода 1 р-n переход, а транзистор имеет 2 таких перехода - между базой и коллектором, между базой и эмиттером. Возможность использования полупроводникового прибора в этом качестве определяется 2-мя условиями:

• должна существовать возможность открыть р-n переход;
• площадь р-n перехода должна быть достаточно большой.

Самодельная транзисторная солнечная батарея

Второе условие обычно выполняется для мощных плоскостных транзисторов. Кремниевый n-р-n транзистор КТ801 (а) интересен тем, что у него легко открыть переход. Достаточно надавить плоскогубцами крышку и аккуратно снять ее. У мощных германиевых транзисторов П210-П217 (б) нужно аккуратно разрезать крышку по линии АА и снять ее.

Подготовленные транзисторы, прежде чем использовать их в качестве элементов солнечной батареи, следует проверить. Для этого можно использовать обычный мультиметр. Переключив прибор в режим измерения тока (предел несколько миллиампер), включить его между базой и коллектором или эмиттером транзистора, переход которого хорошо освещен. Прибор должен показать небольшой ток - обычно доли миллиампера, реже чуть больше 1 мА. Переключив мультиметр в режим измерения напряжения (предел 1-3 В), мы должны получить значение выходного напряжения порядка нескольких десятых долей вольта. Желательно рассортировать их по группам с близкими значениями выходных напряжений.

Для увеличения выходного тока и рабочего напряжения применяется смешанное соединение элементов. Внутри групп элементы с близкими значениями выходных напряжений соединяются параллельно. Общий выходной ток группы равен сумме токов отдельных элементов. Группы между собой включаются последовательно. Их выходные напряжения складываются. Для транзисторов со структурой n-р-n полярность выходного напряжения будет противоположной.

Для сборки источника тока лучше разработать монтажную плату из фольгированного стеклотекстолита. После распайки элементов, плату лучше поместить в корпус подходящих размеров и закрыть сверху пластиной из оргстекла. Источник тока из нескольких десятков транзисторов генерирует напряжение в несколько вольт при выходном токе в несколько миллиампер. Ее можно использовать для подзарядки маломощных аккумуляторов, для питания маломощного радиоприемника и других маломощных электронных устройств.

Самодельная диодная солнечная батарея

Может быть изготовлена своими руками и солнечная батарея на диодах. В качестве примера опишем изготовление батарей на плоскостных кремниевых диодах КД202. . Вместо них можно использовать другие полупроводниковые выпрямители: Д242, Д237, Д226 и т.д.

Чтобы открыть р-n переход диода КД202, нужно проделать следующие операции:

1. Зажав диод в тисках за фланец, отрезать, а затем аккуратно расправить вывод анода, чтобы потом можно было легко освободить припаянный к р-n переходу медный провод.
2. Приложив к сварному соединению нож или другой острый предмет, легкими ударами, поворачивая в тисках диод, отделить защитный фланец.

Примерно так же можно отделить защитный фланец и других диодов.

В солнечной батарее подготовленные диоды, как и транзисторы в приведенной выше схеме, соединяются смешанно. В каждой группе элементы также соединяются параллельно: с одной стороны между собой соединяются аноды диодов, а с другой - катоды. Отбирать элементы по группам можно так же, как и транзисторы. Чем больше в таком источнике тока отдельных элементов, тем больше его мощность.

Источник тока из 5 групп по 10 диодов генерирует напряжение порядка 2,5 В при силе тока 20-25 мА. Для изготовления самодельного источника тока допустимо использование выпрямительных диодов малой мощности типа Д223. Они удобны тем, что у них легко открыть для света р-n переход. Для этого достаточно подержать их некоторое время в ацетоне, после чего защитная краска легко очищается со стеклянного корпуса.

Не забывайте, что при работе с полупроводниковыми приборами, не следует забывать, что они легко выходят из строя при перегреве. Для пайки следует применять легкоплавкий припой и маломощный паяльник, стараясь не прогревать слишком долго место спайки.

Нетрудно заметить, что изготовление и сборка самодельной полупроводниковой солнечной батареи - задача не очень сложная для человека, знакомого с азами конструирования электронных устройств. Попробуйте - у вас все получится!

Мы узнали как устроен транзистор, в общих чертах рассмотрели технологии изготовления германиевых и кремниевых транзисторов и разобрались как они маркируются .

Сегодня мы проведем несколько опытов и убедимся, что биполярный транзистор действительно состоит из двух диодов , включенных встречно, и что транзистор является усилителем сигнала .

Нам понадобится маломощный германиевый транзистор структуры p-n-p из серии МП39 – МП42, лампа накаливания, рассчитанная на напряжение 2,5 Вольта и источник питания на 4 – 5 Вольт. Вообще, для начинающих радиолюбителей я рекомендую собрать небольшой регулируемый , с помощью которого Вы будете питать свои конструкции.

1. Транзистор состоит из двух диодов.

Чтобы убедиться в этом, соберем небольшую схему: базу транзистора VT1 соединим с минусом источника питания, а вывод коллектора с одним из выводов лампы накаливания EL . Теперь если второй вывод лампы соединить с плюсом источника питания, то лампочка загорится.

Лампочка загорелась потому, что на коллекторный переход транзистора мы подали прямое — пропускное напряжение, которое открыло коллекторный переход и через него потек прямой ток коллектора Iк . Величина этого тока зависит от сопротивления нити накала лампы и внутреннего сопротивления источника питания.

А теперь рассмотрим эту же схему, но транзистор изобразим в виде пластины полупроводника.

Основные носители заряда в базе электроны , преодолевая p-n переход, попадают в дырочную область коллектора и становятся неосновными. Ставшие неосновными, электроны базы поглощаются основными носителями в дырочной области коллектора дырками . Таким же образом дырки из области коллектора, попадая в электронную область базы, становятся неосновными и поглощаются основными носителями заряда в базе электронами .

На контакт базы, соединенный с отрицательным полюсом источника питания, будет поступать практически неограниченное количество электронов , пополняя убывание электронов из области базы. А контакт коллектора, соединенный с положительным полюсом источника питания через нить накала лампы, способен принять такое же количество электронов, благодаря чему будет восстанавливаться концентрация дырок в области базы .

Таким образом, проводимость p-n перехода станет большой и сопротивление току будет мало, а значит, через коллекторный переход будет течь ток коллектора Iк . И чем больший будет этот ток, тем ярче будет гореть лампа.

Лампочка будет гореть и в случае, если ее включить в цепь эмиттерного перехода. На рисунке ниже показан именно этот вариант схемы.

А теперь немного изменим схему и базу транзистора VT1 подключим к плюсу источника питания. В этом случае лампа гореть не будет, так как p-n переход транзистора мы включили в обратном направлении. А это значит, что сопротивление p-n перехода стало велико и через него течет лишь очень малый обратный ток коллектора Iкбо не способный раскалить нить накала лампы EL . В большинстве случаев этот ток не превышает нескольких микроампер.

А чтобы окончательно убедиться в этом, опять рассмотрим схему с транзистором, изображенным в виде пластины полупроводника.

Электроны, находящиеся в области базы , переместятся к плюсу источника питания, отдаляясь от p-n перехода. Дырки, находящиеся в области коллектора , также будут отдаляться от p-n перехода, перемещаясь к отрицательному полюсу источника питания. В результате граница областей как бы расширится , отчего образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Но, так как в каждой из областей базы и коллектора присутствуют неосновные носители заряда, то небольшой обмен электронами и дырками между областями происходить все же будет. Поэтому через коллекторный переход будет протекать ток во много раз меньший, чем прямой, и этого тока не будет хватать, чтобы зажечь нить накала лампы.

2. Работа транзистора в режиме переключения.

Сделаем еще один опыт, показывающий один из режимов работы транзистора.
Между коллектором и эмиттером транзистора включим последовательно соединенные источник питания и ту же лампу накаливания. Плюс источника питания соединим с эмиттером, а минус через нить накала лампы с коллектором. Лампа не горит. Почему?

Все очень просто: если приложить напряжение питания между эмиттером и коллектором, то при любой полярности один из переходов окажется в прямом, а другой в обратном направлении и будет мешать прохождению тока. В этом не трудно убедиться, если взглянуть на следующий рисунок.

На рисунке видно, что эмиттерный переход база-эмиттер включен в прямом направлении и находится в открытом состоянии и готов принять неограниченное количество электронов. Коллекторный переход база-коллектор, наоборот, включен в обратном направлении и препятствует прохождению электронов к базе.

Отсюда следует, что основные носители заряда в области эмиттера дырки , отталкиваемые плюсом источника питания, устремляются в область базы и там взаимопоглощаются (рекомбинируют) с основными носителями заряда в базе электронами . В момент насыщения, когда с той и с другой стороны свободных носителей заряда не останется, их движение прекратится, а значит, перестает течь ток. Почему? Потому что со стороны коллектора не будет подпитки электронами.

Получается, что основные носители заряда в коллекторе дырки притянулись отрицательным полюсом источника питания, а некоторые из них взаимно поглотились электронами , поступающими со стороны минуса источника питания. А в момент насыщения, когда с обеих сторон не останется свободных носителей заряда, дырки, за счет своего преобладания в области коллектора, заблокируют дальнейший проход электронам к базе.

Таким-образом между коллектором и базой образуется зона обедненная дырками и электронами, которая будет оказывать току большое сопротивление.

Конечно, благодаря магнитному полю и тепловому воздействию мизерный ток все же протекать будет, но сила этого тока так мала, что не способна раскалить нить накала лампы.

Теперь в схему добавим проволочную перемычку и ей замкнем базу с эмиттером. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, опять не будет гореть. Почему?

Потому что при замыкании базы и эмиттера перемычкой коллекторный переход становится просто диодом, на который подается обратное напряжение. Транзистор находится в закрытом состоянии и через него идет лишь незначительный обратный ток коллектора Iкбо .

А теперь схему еще немного изменим и добавим резистор Rб сопротивлением 200 – 300 Ом, и еще один источник напряжения Gб в виде пальчиковой батарейки.
Минус батарейки соедините через резистор Rб с базой транзистора, а плюс батарейки с эмиттером. Лампа загорелась.

Лампа загорелась потому, что мы подключили батарейку между базой и эмиттером, и тем самым подали на эмиттерный переход прямое отпирающее напряжение. Эмиттерный переход открылся и через него пошел прямой ток, который открыл коллекторный переход транзистора. Транзистор открылся и по цепи эмиттер-база-коллектор потек коллекторный ток Iк , во много раз больший тока цепи эмиттер-база . И благодаря этому току лампочка загорелась.

Если же мы поменяем полярность батарейки и на базу подадим плюс, то эмиттерный переход закроется, а вместе с ним закроется и коллекторный переход. Через транзистор потечет обратный коллекторный ток Iкбо и лампочка потухнет.

Резистор Rб ограничивает ток в базовой цепи. Если ток не ограничивать и на базу подать все 1,5 вольта, то через эмиттерный переход потечет слишком большой ток, в результате которого может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя. Как правило, для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

И опять разберем эту же схему, но транзистор представим в виде пластины полупроводника.

При подаче отпирающего напряжения на базу транзистора открывается эмиттерный переход и свободные дырки из эмиттера начинают взаимопоглощаться с электронами базы , создавая небольшой прямой базовый ток Iб .

Но не все дырки, вводимые из эмиттера в базу, рекомбинируют с ее электронами. Как правило, область базы делается тонкой , а при изготовлении транзисторов структуры p-n-p концентрацию дырок в эмиттере и коллекторе делают во много раз большей, чем концентрацию электронов в базе , поэтому лишь малая часть дырок поглощается электронами базы.

Основная же масса дырок эмиттера проходит базу и попадает под действие более высокого отрицательного напряжения действующего в коллекторе, и уже вместе с дырками коллектора перемещается к его отрицательному контакту, где и взаимопоглощается вводимыми электронами отрицательным полюсом источника питания GB .

В результате этого сопротивление коллекторной цепи эмиттер-база-коллектор уменьшится и в ней течет прямой коллекторный ток Iк во много раз превышающий базовый ток Iб цепи эмиттер-база .

Чем больше больше дырок вводится из эмиттера в базу, тем значительнее ток в коллекторной цепи. И, наоборот, чем меньше отпирающее напряжение на базе, тем меньший ток в коллекторной цепи.

Если в момент работы транзистора в базовую и коллекторную цепи включить миллиамперметр, то при закрытом транзисторе токов в этих цепях практически не было бы.

При открытом же транзисторе ток базы Iб составлял бы 2-3 mA, а ток коллектора Iк был бы около 60 – 80 mA. Все это говорит о том, что транзистор может быть усилителем тока .

В этих опытах транзистор находился в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием отпирающего напряжения на базе Uб . Такой режим транзистора называют режимом переключения или ключевым . Такой режим работы транзистора используют в приборах и устройствах автоматики.

На этом закончим, а в следующей части разберем работу транзистора в на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.