ВОСПОМИНАНИЕ № 10. ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. 8 страница

рис. 27 –15

В качестве «бесплатного приложения» познакомимся с одной остроумной схемой спасения диода от опасного обратного напряжения (рис. 27–16 ). Эта схема применяется почти во всех вольтметрах, где большое переменное напряжение нужно измерить с помощью стрелочного прибора постоянного тока. Для этого прежде всего используют простейший выпрямитель – диод Д₁ который под действием измеряемых напряжений создает в цепи прибора постоянный ток. При этом, естественно, по отклонению стрелки можно определять величину подводимого напряжения U_~ .

рис. 27 –16

Но обратное сопротивление может оказаться больше добавочных сопротивлений вольтметра, и тогда при измерении достаточно высокого U_~ диод может выйти из строя. И именно в тот момент, когда на него действует обратное напряжение. Эту возможность как раз и исключает диод Д₂ . Во время обратных для Д₁ полупериодов диод Д₂ пропускает ток и шунтирует участок аб . Поэтому сопротивление участка аб никогда не бывает большим и напряжение на Д₁ даже в обратные для этого диода полупериоды не превышает долей вольта. Такая схема защиты выпрямляющего диода применяется в большинстве авометров.

Нам предстоит познакомиться еще с одной профессией диода – с детектированием. Собственно говоря, в детекторе диод работает так же, как выпрямитель. Главная особенность в том, что в подавляющем большинстве случаев – в частности, в приемниках и телевизорах – детектируется высокочастотный сигнал и для этого пригодны лишь точечные диоды (рис. 20).

В типичной схеме детектора (рис. 27–21 ) переменное напряжение U_{вч‑мод} подводится к диоду с колебательного контура L_кC_к который в свою очередь получает сигнал либо непосредственно из антенны, либо от предварительного усилителя высокой частоты (ВЧ). Переменное напряжение U_{вч‑мод} , подводимое к детектору, модулировано по амплитуде (рис. 29).

рис. 27 –21

Рис. 29. Низкочастотная составляющая продетектированного сигнала – это копия низкочастотного сигнала, который на передатчике осуществлял модуляцию.

Именно в изменениях амплитуды сигнала записана та информация– речь, музыка, телеграфные знаки, – которую радиоволны принесли с передающей станции к приемнику. Выделить эту информацию – вот задача детектора.

Сам модулирующий сигнал, который на передатчике оставил свои «отпечатки» на высокочастотном сигнале, – это сигнал низкой частоты. Мы получили бы его график, если бы соединили амплитуды высокочастотного тока пунктирной линией (часто применяют выражение «низкочастотная огибающая»). Но то, что легко сделать карандашом, не так‑то просто может повторить электрическая цепь. И не всякая цепь может «прочесть», что записано в радиосигнале, не всякая цепь может обнаружить, что амплитуда его модулирована.

В спектре модулированного сигнала нет низкочастотной составляющей (рис. 29, листки в, г ). Это может показаться странным, но это факт. Выделив из модулированного тока все его составляющие, вы не обнаружите среди них тока низкой частоты, который отображал бы принесенную информацию. Низкочастотная составляющая появляется лишь после того, как за дело берется диод. Именно он меняет форму модулированного высокочастотного тока таким образом, что в его спектре появляется нужный нам ток низкой частоты.

Происходит это довольно просто: благодаря диоду в цепи детектора появляется уже не переменный, а пульсирующий ток высокой частоты (листок д ), который состоит из трех составляющих – высокочастотной I_д‑вч , точнее, нескольких высокочастотных составляющих (листок е ) у низкочастотной I_д‑нч и постоянной I_д= . Дальше в дело вступают фильтры. Они‑то и выделяют основную продукцию детектора – низкочастотный сигнал.

На всех наших схемах пути составляющих I_д‑вч и I_д‑нч для удобства показаны тонкими стрелками. Но это совсем не значит, что речь идет о постоянных токах – I_д‑вч и I_д‑нч , это самые настоящие переменные токи, которые, лишь сложившись с I_д= , дают в сумме пульсирующий ток одного направления. Стрелки, которые относятся к переменным токам, сделаны «волнистыми», а нужны они лишь для того, чтобы легче проследить путь того или иного тока.

Несколько слов о выборе деталей фильтра. Емкость С_ф‑нч выбрана так, чтобы этот конденсатор легко пропускал низкочастотную составляющую. Высокочастотная составляющая через С_ф‑нч не пойдет, так как ей при этом придется преодолеть довольно большое сопротивление R_н~ . Резистор R_н~ – это низкочастотная нагрузка, на которой получают выходной сигнал: напряжение низкой частоты U_нч . Сопротивление R_н~ во много раз больше, чем емкостное сопротивление конденсатора С_ф‑вч на высокой частоте. В то же время С_ф‑вч не «уведет» от нагрузки R_н~ основную продукцию детектора – низкочастотную составляющую I_д‑нч , так как на низкой частоте емкостное сопротивление этого конденсатора очень велико за счет его небольшой емкости. С конкретными значениями деталей фильтра вы можете познакомиться на рис. 45, а также на других практических схемах ламповых и транзисторных приемников.

Схема рис. 27–21 называется последовательной, так как контур, диод и нагрузка (основной нагрузкой детектора считается R_н , а от нее уже идут ответвления для I_д‑нч и I _д‑вч₎соединены последовательно. Во второй схеме (рис. 27–19 ) эти элементы соединены параллельно, и она так и называется параллельной. В обеих схемах направление включения диода не имеет никакого значения: при любом из двух возможных направлений низкочастотный сигнал будет одинаковым.

рис. 27 –19

Однако в некоторых случаях в детекторе используются и отходы производства – постоянная составляющая I₌ (в выпрямителе она была основной продукцией!). А в этом случае уже нужно думать, как включать диод: при разных включениях направление тока I₌ через нагрузку, а значит, и полярность постоянного напряжения U₌ на нагрузке будет разной (рис. 27–18 ).

рис. 27 –18

Для того чтобы оценить достоинства и недостатки детекторного приемника, а больше для того, чтобы почувствовать, что дадут нам в дальнейшем усилители слабого сигнала, рекомендуется изготовить детекторный приемник по простой (рис. 27–19, 21 ) или по самой простой (рис. 27–20 ) схеме.

рис. 27 –20

Данные его деталей вы найдете на стр. 115. А те, для кого детекторный приемник будет первым шагом в практическую электронику, могут воспользоваться его более подробным описанием (стр. 111) и монтажной схемой, помещенной на цветной вкладке (рис. 43).

Кроме выпрямления переменного тока и детектирования, диод выполняет в электронной аппаратуре еще множество других работ. Вот лишь один из многих примеров – схема, где диод работает в должности автоматического выключателя, в роли «дуракоупорного» прибора, который не позволяет рассеянному или неграмотному работнику довести дело до аварии. В данном случае (рис. 27–12, 13 ) диод следит, чтобы какой‑либо «ответственный» двигатель, например привод насоса, не пошел в обратную сторону из‑за неправильного подключения батареи Б . При таком неправильном включение диод своим большим обратным сопротивлением просто разрывает цепь.

рис. 27 –12, 13

Подобных примеров можно привести немало – полупроводниковые диоды широко применяются в автоматике.

На этом мы, пожалуй, и закончим знакомство с полупроводниковым диодом. Мы увидели, что у диода есть много интересных профессий, что он умеет делать много важных и полезных дел. Но не только поэтому мы уделили ему столько внимания. Сделали мы это еще и потому, что почти все рассказанное о полупроводниковом диоде необходимо знать для знакомства с полупроводниковым триодом: от диода до главной нашей цели, до транзистора, остается буквально один шаг. И сейчас этот шаг будет сделан.

«ЗЕМЛЯ!»

Десять лет вынашивал Христофор Колумб планы дальнего плавания через Атлантический океан. Десять лет великий путешественник агитировал купцов, вельмож, королей, правительственных чиновников, добывал деньги на снаряжение кораблей. Наконец 3 августа 1492 года три небольших, по нашему времени, корабля (два из них, «Пинта» и «Нинья», имели длину около двадцати метров, а самый крупный из парусников, «Санта Мария», имел водоизмещение около ста тонн, чуть побольше, чем у нынешнего речного трамвайчика) вышли из небольшого испанского порта Палис и взяли курс на запад.

Семьдесят дней болтало упрямые парусники по океану. Семьдесят длинных, бесконечно длинных дней. Семьдесят страшных черных ночей. Семьдесят шагов в неизвестность…

Уже бродит среди бывалых матросов безумный огонек бунта: «Куда мы плывем?.. Зачем?.. Надо возвращаться назад, пока не поздно…» Уже сам капитан, хотя внешне, как всегда, спокоен и решителен, все чаще устремляет свой взгляд в бесконечность: «Куда мы плывем? Где же Индия?.. Где же земля?»… Сомнения, сомнения, тревога.

Но вот ночью 12 октября матрос Педро Триана с верхушки мачты увидел в свете луны полоску берега. «Земля! – закричал матрос хриплым от нервного напряжения голосом. – Земля!!!» Парусники капитана Христофора Колумба, оставив позади пять тысяч долгих километров Атлантики, достигли Багамских островов, достигли восточного побережья будущей Америки.

Сейчас настала и наша с вами очередь радостно крикнуть: «Земля!» После долгого и трудного путешествия, после того, как перед нашим взором прошли фантастические проекты создания мощной копии слабого сигнала и загадочные «черные ящики», в которых неведомый скульптор должен делать свое непонятное дело, после того, как мы прошли сквозь изумительные архитектурные шедевры – алмазоподобные кристаллические решетки германия и кремния и сумели увидеть, как дефекты этих решеток – свободные электроны и дырки создают проводимость полупроводникового кристалла, после того, наконец, как с помощью примесей мы научились резко увеличивать проводимость полупроводников, создавать из них рn ‑переходы, научились строить и понимать характеристики полупроводниковых диодов, – после всего этого мы все же достигли своей цели. Мы наконец приплыли к транзистору, и перед нами открылась огромная, неведомая пока страна. Настал момент причалить и высадиться на берег. И сейчас мы это сделаем.

Для того чтобы получить полупроводниковый триод – транзистор, – нужно объединить два плоскостных полупроводниковых диода, одну из зон сделать у них общей. Нужно, пример, взять за основу полупроводник n ‑типа и с двух противоположных сторон с помощью акцепторных примесей создать в нем проводимость р ‑типа. В этом случае мы и получим два диода, а точнее, один сдвоенный диод – в центре останется зона n , а слева и справа от нее появятся зоны р . Таким образом в одном кристалле будет создано два самостоятельных pn ‑перехода (рис. 30).

Рис. 30. Полупроводниковый триод, по сути дела, представляет собой два полупроводниковых диода с одной общей зоной.

Полученный нами прибор – не что иное, как транзистор. По типу имеющихся в нем зон – это транзистор со структурой р‑n‑р , или, короче, транзистор р‑n‑р . Точно так же, создав в центре кристалла зону р , общую для обоих диодов, а по краям две зоны n , мы получим транзистор n‑р‑n . Принципиальной разницы между этими транзисторами нет, работают они одинаково хорошо, однако в силу некоторых технологических соображений наиболее широко выпускаются транзисторы со структурой р‑n‑р .

Транзистор, который мы сделали из двух плоскостных диодов, тоже называется плоскостным. Первые образцы транзисторов были точечными – их получали, «приткнув» к проводниковому кристаллу две тонкие проволочки. Но вот уже много лет точечные транзисторы не выпускаются, так как они оказались хуже плоскостных. Существуют разные способы производства плоскостных транзисторов (стр. 247), и все они в той или иной степени похожи на наш учебный способ производства – объединение двух полупроводниковых диодов в одном приборе.

Для того чтобы облегчить дальнейший рассказ, давайте сразу же введем названия получившихся у нас трех зон транзистора. Средняя зона получит название «база», одна крайняя зона – «эмиттер», вторая – «коллектор». В дальнейшем станет ясно, почему «детали» транзистора называются именно так, а не иначе. А пока ограничимся лишь переводом этих слов на русский язык.

Слово «эмиттер» означает «выбрасывающий, испускающий». Все эти определения в данном случае относятся к электрическим зарядам. Эмиттер как бы выбрасывает, впрыскивает заряды в остальные слои транзистора, выпускает эти заряды в путешествие по электрическим цепям усилителя.

Коллектор – наоборот – собирает заряды на выходе из транзистора, и именно этим объясняется само его название. Слово «коллектор» означает «собирающий» и происходит от того же корня, что и «коллекционер» – «собиратель».

Название «база» – «основа» – имеет историческое происхождение, но применительно к нашей упрощенной модели транзистора оно вполне оправдано. Ведь, сооружая свой условный транзистор, мы взяли за основу именно базу – средний полупроводниковый кристалл, а затем уже создали рn ‑переходы, введя с двух сторон в кристалл необходимые примеси.

Тот рn ‑переход, который возник между базой и эмиттером, мы для краткости будем называть эмиттерным переходом, а рn ‑переход между базой и коллектором будем называть коллекторным переходом.

Кстати, о конструкции транзистора. Пока будем считать, что все три его составные части – эмиттер, база и коллектор – устроены одинаково и чем‑то напоминают три склеенные спичечные коробки.

Итак, мы построили транзистор. Что дальше? А дальше нужно заставить его усиливать слабые электрические сигналы. Нужно заставить транзистор выполнять роль скульптора – «лепить» из постоянного тока мощную копию слабого сигнала.

Для начала подведем к транзистору необходимые питающие напряжения и посмотрим, что в нем при этом будет происходить. Все свои опыты мы будем проводить с транзистором р‑n‑р , так как именно эти транзисторы в дальнейшем будут нам встречаться чаще всего. К нашему подопытному транзистору, как и к любому другому, необходимо подвести два питающих постоянных напряжения, и мы пока используем для этой цели две отдельные батареи (рис. 31).

Рис. 31. Эмиттерный pn ‑переход транзистора всегда включен в прямом направлении, а коллекторный pn ‑переход – в обратном направлении.

Эмиттерная батарея Б _э подключена к эмиттерному переходу «плюсом» к эмиттеру и «минусом» к базе. Это значит, что напряжение Е_эб действует на эмиттерный переход в прямом направлении. Само обозначение Е_эб в данном случае говорит о том, что речь идет о напряжении («плюс») на эмиттере относительно базы. Или, что то же самое, о напряжении («минус») на базе относительно эмиттера. Под действием «минуса» на базе туда начнут двигаться дырки из эмиттера (поскольку у нас диод р‑n‑р , то в эмиттере основные носители – это дырки), то есть через диод эмиттер – база пойдет прямой ток (рис. 32).

Рис. 32. В транзисторе р‑n‑р на базе действует «минус» относительно эмиттера, и в базу из эмиттера устремляются дырки.

В коллекторном переходе все наоборот. Чтобы транзистор работал, постоянное коллекторное напряжение Е_к должно действовать на свой переход в обратном направлении, и поэтому батарею Б_к мы подключим «плюсом» к базе и «минусом» – к самому коллектору, а для чистоты опыта на некоторое время отключим батарею Б_э . «Минус» коллектора, естественно, не будет притягивать электроны из базы (не забудьте, что в базе создана n ‑проводимость и основные носители там – электроны), и через диод база – коллектор, то есть через коллекторный переход, ток не пойдет.

У нас есть два независимых полупроводниковых диода – эмиттерный и коллекторный переходы, и каждый из них включен в цепь своей собственной батареи. Один диод включен в прямом направлении (эмиттерный переход), и через него идет достаточно большой прямой ток. Другой диод включен в обратном направлении (коллекторный переход), и в его цепи тока нет. Что делать дальше? А дальше нам прежде всего нужно проверить, насколько уместно по отношению к этим диодам мы применили слово «независимые».

Действительно, оба диода, образующие транзистор, имеют одну общую зону n . Не окажется ли, что через эту зону один из диодов, один из pn ‑переходов транзистора, влияет на другой pn ‑переход? Не окажется ли, что эмиттер каким‑то образом влияет на коллектор через базу? Ответ на эти вопросы может подсказать уже знакомое нам слово «диффузия». И в данном случае речь пойдет о диффузии электрических зарядов (в нашем конкретном случае – дырок) в самой базе.

Дырки, попадающие в базу из эмиттера, казалось бы, должны немедленно без каких‑либо отклонений уйти к «минусу» батареи Б_э и через нее вернуться в эмиттер (рис. 32, 33, листок А ). Ведь именно «минус» на базе привел в нее из эмиттера эти дырки, и именно к «минусу» дырки должны стремиться в первую очередь.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 129; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!