Как видно из рисунка, напряжение на частоте 500 Гц возрастает до 4 В, а это означает, что сопротивление на частоте 500 Гц резко увеличивается. Именно эту особенность – реакцию на определенную частоту – я и хотел отметить. Свойство выделять определенную частоту переменного тока у пары конденсатор-индуктивность называют резонансом. Для каждого значения конденсатора и индуктивности есть своя резонансная частота. Ее значение равно единице, деленной на корень квадратный из произведения этих значений, умноженный на коэффициент 2π. Я не буду приводить расчетную формулу, которую легко получить из исходной предпосылки равенства емкостного и индуктивного сопротивлений, но отмечу, что это свойство достаточно широко применяется для выделения определенной частоты из множества других, особенно в радиотехнических схемах.

Я использовал параллельное включение конденсатора и индуктивности (катушки индуктивности), в этом случае говорят о параллельном резонансе, но можно включить их последовательно, получив последовательный резонанс. Выше я говорил о том, что напряжение на конденсаторе и ток через него не совпадают по фазе. Посмотрите, что происходит с напряжением и током резонансного контура (так называют пару конденсаториндуктивность), используя схему аналогичную той, что я приводил для конденсатора. Очень интересный эксперимент.

Диод и транзистор

Рис. 1.21. Транзисторы

На плате передо мной есть несколько диодов и транзисторов, немного, но они есть. Их, в отличие от резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, относят к активным элементам электрической цепи. Без них не обходятся ни усилители, ни генераторы. Выпрямители, стабилизаторы, индикаторы, фотоприемники – вот неполный перечень применений диодов. А если разобрать любую микросхему, аналоговую или цифровую, то можно убедиться в том, что это царство транзисторов. Диоды и транзисторы изготавливаются особым образом из полупроводниковых материалов. Напомню, что полупроводником называют материал, который по свойству проводить электрический ток, занимает промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Когда-то по этой причине они были мало интересны, провода из них не сделаешь, слишком большое сопротивление, а в качестве изолятора лучше использовать резину или текстолит. Причина плохой проводимости тока у полупроводников в их строении. Количество электронов, способных перемещаться по материалу, много меньше, чем у металлов, но они есть, что мешает использовать материал в качестве изолятора. Мало того, у одних типов полупроводников, как и у металлов, есть электроны-бродяги, а у других типов полупроводников все еще путаней – вместо добропорядочных носителей зарядов есть вакансии для неприкаянных электронов, которые называют «дырками». Интерес к полупроводникам появился тогда, когда из полупроводников двух типов сделали двухслойную конструкцию, у которой обнаружилось прелюбопытное свойство – пропускать постоянный ток в одном направлении, и не

пропускать в другом.

Проведем два эксперимента с полупроводниковым диодом: соединим последовательно диод и резистор (чтобы ограничить ток), добавим амперметр, подключим все это к батарейке. В первом случае включим батарейку в одной полярности, а во втором в противоположной, и посмотрим, что у нас происходит с постоянным током, проходящим по нашей схеме.

Рис. 1.22. Диод (в прямой полярности подключения) в цепи постоянного тока

В этом случае ток в цепи равен 10 мА (тысячным долям ампера), что мы, зная закон Ома, можем получить расчетным путем: ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Разделим напряжение (ЭДС) 10 В на сопротивление (резистора) 1 кОм (тысяча Ом) и получим ток в 10 мА (десять тысячных ампера). Диод ведет себя себя как проводник, то есть, так, как будто его почти совсем нет. Изменим полярность батарейки на противоположную.

Рис. 1.23. Диод (в обратной полярности) в цепи постоянного тока

Ток через амперметр в этом случае равен 1 мкА (одной миллионной доли ампера), а мы можем рассчитать сопротивление цепи, разделив напряжение на ток: 10 В разделим на ток 1 мкА и получим сопротивление 10 МОм (десять миллионов Ом). Этот расчет можно проверить опытным путем – замените диод резистором в 10 МОм и, если получите ток через амперметр I1 равным 1 мкА, то расчет сделан верно.

Что полупроводниковый диод чувствителен к полярности приложенного напряжения можно убедиться с помощью мультиметра. У него есть режим измерения, который помечен значком диода (диод обозначается на схемах в виде треугольника, упирающегося в стенку), подключая диод к мультиметру в этом режиме, можно увидеть, что тот показывает сопротивление порядка нескольких сотен ом при одной полярности включения и показывает

перегрузку (горит только единичка в старшем разряде) при смене полярности. Именно так проверяют работоспособность полупроводникового диода мультиметром.

Как объясняется это свойство двухслойной конструкции из полупроводниковых материалов разного типа? Представим, что у нас есть две маленькие тонкие пластинки из полупроводников разного типа. Поверхности пластинок так идеально отшлифованы, что соединив их вместе, мы получим, как бы, единую пластинку. В этом случае электроныбродяги из полупроводника одного типа (его называют полупроводником типа «n») могут перемещаться через границу, попадая в полупроводник другого типа (его называют полупроводником типа «p»), где электроны охотно занимают вакантные места в атомах материала (заполняют «дырки»). Но до этого электрически нейтральные атомы на границе раздела материалов становятся заряженными – те, что потеряли электроны, положительно, присоединившие электроны, отрицательно. Между этими заряженными атомами на границе раздела возникает электрическое поле, которое теперь уже мешает электронам из материала типа «n» попадать в материал типа «p». В целом наша конструкция остается электрически нейтральной, сколько было каких зарядов, столько их и осталось. Но, когда мы подключаем к нашей конструкции внешний источник ЭДС, то создаваемое им поле может ослабить поле на границе раздела при прямой полярности включения, и тогда электроны от одного полюса источника питания могут двигаться по диоду, как по обычному полупроводнику. Полупроводник будет проводить ток хуже проводника, но достаточно хорошо. Если мы изменим полярность источника ЭДС, то внешнее поле усилит поле на границе раздела и электроны от одного полюса к другому почти не смогут перемещаться из-за противодействия результирующего электрического поля. Наша конструкция почти не проводит ток, как изолятор.

Свойство диода столь разно проводить ток разной полярности используется для «выпрямления» переменного тока. Заменим батарейку на схеме источником переменного тока, чтобы понаблюдать за током. Как выглядит переменный ток, будем считать, мы знаем.

Рис. 1.24. Диод в цепи переменного тока

Диод как бы «отрезает» отрицательную полу-волну синусоидального переменного напряжения. Если поменять полярность включения диода, то диод будет отрезать другую полу-волну.

Рис. 1.25. Обратная полярность включения диода

То, что пропускает диод, остается переменным током, но его направление почти не меняется, меняется только величина. И если в цепь добавить конденсатор (для конденсации «результатов»), то мы получим почти постоянный ток из переменного.

Рис. 1.26. Выпрямление переменного тока

Результирующий ток будет тем больше похож на постоянный, чем больше величина конденсатора C1 в нашей схеме выпрямителя. Ведь, в сущности, мы «выпрямили» переменный ток.

Вот каким полезным свойством обладает простейшая конструкция из полупроводников разного типа проводимости. И почти так работаю блоки питания электронных устройств от силовой сети 220 В. Конечно с участием понижающего трансформатора, поскольку напряжение питания многих электронных устройств 5-10 В, а не 220. Как именно устроен простейший блок питания? Добавьте трансформатор к схеме, и все. Правда, схема, показанная выше, осуществляет однополупериодное выпрямление. То есть, выпрямляется только один полу-период переменного напряжения. Но можно увеличить количество диодов, получив двухполупериодное выпрямление, либо с мостовой схемой при четырех диодах, либо с двумя диодами и двумя выходными обмотками трансформатора. Думаю, с этим вы разберетесь без меня, а я хочу только отметить, что конденсатор, добавленный к схеме, заряжается, когда присутствует полу-волна, и разряжается, когда она отсутствует, играя роль источника тока для схемы в это время и «сглаживая» напряжение на выходе блока питания, поэтому конденсатор в схеме выпрямителя часто называют сглаживающим, а напряжение на выходе пульсирующим.

А я хочу продолжить рассказ о конструкциях полупроводников.

Положим, мы возьмем не две пластинки из полупроводниковых материалов разного типа, а три. Соединим эти три кусочка полупроводника, так, чтобы между двумя пластинками одного типа была тоненькая пластинка другого. В итоге мы получим конструкцию, имеющую три вывода, и называющуюся биполярный транзистор. В зависимости от выбора типа полупроводника средней пластинки мы получим транзистор «n-p-n» или «p-n-p» типа.

Итак, биполярный транзистор типа «n-p-n». Он имеет две области с электронным типом проводимости, между которыми заключена область полупроводника с «дырочным» типом проводимости. Как и у диода на границах областей образуются пограничные слои, но теперь их два. Как и у диода, в зависимости от полярности приложенной ЭДС эти пограничные слои будут влиять на пропускную способность, оказывая сопротивление постоянному току, зависящее от приложенного напряжения. Такую конструкцию можно было бы представить в виде двух диодов, включенных встречно, если бы ни одно «но!». Область, заключенная между двумя материалами с одним типом проводимости, конструктивно очень тонкая. Вывод, подключенный к ней, называется у транзистора базой. Конструкция транзистора такова, что области одинаковой проводимости не равнозначны, одна из них играет роль поставщика носителей тока и называется эмиттер, другая роль сборщика носителей и называется коллектор. Возникающие в отсутствии источников ЭДС два пограничных слоя, чем-то похожие на заряженные конденсаторы, препятствуют перемещению носителей тока из эмиттера в базу и из коллектора в базу, но для носителей, прошедших из эмиттера в базу поле перехода база-коллектор (пограничный слой называют переходом) становится «попутным», помогающим им перейти в область коллектора. Два источника питания транзистора включают так, что переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, то есть, поле пограничного слоя компенсируется, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении, его поле усиливается внешним. Ток двух источников питания будет частично протекать по базовому выводу, но основная масса носителей от их поставщика, эмиттера (изза того, что область базы очень тонкая), будет попадать в «попутное» поле перехода коллектора-база. Вот неполная картина происходящего в транзисторе. В дальнейшем я, надеюсь, не буду обращаться к ней, но какую-то картинку происходящего полезно иметь перед глазами.

Мне кажется, что для работы с транзистором удобнее рассматривать его, как распределитель токов: ток эмиттера разветвляется в базу и коллектор (для p-n-p транзистора), а между токами базы и коллектора существует строгая взаимосвязь – ток коллектора почти всегда равен произведению тока базы на постоянную, которую называют (статическим) коэффициентом усиления транзистора по току. Этот коэффициент у разных транзисторов меняется от нескольких десятков до сотен единиц. Именно благодаря этому свойству транзистор имеет то широкое применение, которое он имеет.

На практике редко применяют включение двух источников постоянного напряжения для питания базовой и коллекторной цепей, но лучше все-таки это нарисовать, чтобы легче было понимать, как на практике включают транзистор, чтобы использовать его «активное» свойство усиливать ток, втекающий в базу транзистора (или из нее вытекающий у транзистора другого типа).

Рис. 1.27. Схема включения транзистора

Хочу сразу заметить, что не следует пытаться проводить подобный эксперимент, впаяв транзистор на макетную плату. Дело в том, что переход транзистора база-эмиттер (эмиттер обозначен стрелкой) ведет себя подобно диоду, то есть при том включении (и напряжении источника VDC1), которое изображено выше, ток через переход будет весьма большим, вызывая разогрев перехода, который попытается «засветиться» подобно лампочке при нагреве, но сгорит быстрее, чем вы успеете заметить это свечение. Я даже не стал рисовать землю, чтобы показать, что не запускал симуляцию схемы. Впрочем, на компьютере вы можете провести любые эксперименты без опасений за целостность ваших компонентов, чем компьютер и полезен.

Итак, источник тока VDC1 создает на переходе база-эмиттер электрическое поле, ослабляющее поле пограничного слоя. Носители, выходя из области эмиттера попадают под действие разгоняющего их поля источника VDC2, и почти все «улетают» в область коллектора. Влияние поля, создаваемого источником VDC1 на ток коллектора очень велико, а роль источника VDC2 можно назвать «направляющей», направляющей ток к коллектору, чтобы он весь не уходил в базу. Если убрать этот источник тока, то весь ток, выходящий из эмиттера, пройдет в базовую цепь транзистора.

Если для транзистора типа n-p-n удобно говорить о токе, образованном электронами, рассуждения о токе эмиттера, разветвляющегося на ток базы и ток коллектора, то для транзисторов типа p-n-p вполне уместно повторить те же рассуждения, считая, что носителями тока в этом случае выступают «дырки». Ход рассуждений получается одинаков.

Для экспериментов, на макетной плате или за компьютером, удобнее следующая схема:

Рис. 1.28. Наблюдение токов базы и коллектора транзистора

Такая схема включения транзистора гораздо чаще встречается на практике. Программа, как вы заметили, которую я использовал – это другая программа, и она называется Qucs. Есть несколько причин, по которым я сменил программу.

Первая причина банальна, о ней не стоило бы говорить, но она есть. Я не смог найти транзистор в программе PSIM, который позволил бы мне легко проиллюстрировать несколько опытов с транзистором. Выбор оставался небольшой, либо потратить некоторое время на чтение документации, либо сменить программу. Я выбрал второе. И для этого была еще одна причина.

Вторая причина смены программы – если первая предназначена для работы в Windows, то вторая для работы в Linux. Хотя первая работает у меня в Linux, а вторая может работать в Windows, я хочу уделить одинаковое внимание программам для обеих операционных систем, переходя к той, что в данный момент удобнее.

В справочной литературе приводится множество параметров для каждого транзистора. Впервые сталкиваясь с этим, испытываешь затруднение – какой из параметров транзистора самый важный? Как выбрать транзистор? Мое мнение – начинающему радиолюбителю не следует «зацикливаться» на этом. Если вы собираете схему, которая вам приглянулась, постарайтесь использовать те транзисторы, которые указаны в схеме, а если их нет, посмотрите, в описании часто указывают возможную замену. Со временем вы разберетесь в основных параметрах или во всех параметрах, но для этого нужно время. В большинстве случаев предельно допустимые напряжение, ток и мощность, и верхняя граничная частота транзистора будут иметь решающее значение, но иногда, хотя и редко, можно применить

только транзистор, указанный в схеме. На протяжении этой книги вы много раз встретитесь с транзисторами и, надеюсь, у вас появится некоторый опыт, который поможет вам в общении со справочником.

Возвращаясь к свойствам транзистора, отметим, что ток базы, измеряемый прибором Pr1, равен 91.7 мкА, а ток коллектора (Pr2) 9.17 мА. Результаты измерений в программе Qucs можно выводить в табличном виде, и приведенные данные я взял из таблицы. Отношение тока коллектора к току базы равно 100. Это и есть статический коэффициент усиления, который на схеме (рядом с транзистором) обозначен как Bf. Если изменить величину резистора R1, то ток базы изменится, а это приведет к изменению тока коллектора. Попробуйте изменить значение резистора R1 так, чтобы ток базы изменился незначительно, скажем, стал равен 90 мкА. Новое значение тока коллектора можно использовать для получения еще одного коэффициента – отношение разностей токов коллектора к разности токов базы называют динамическим коэффициентом усиления транзистора по току, если приращения токов небольшие.

Что мне в данный момент кажется самым важным? Что изменения тока базы вызывают пропорциональное изменение тока коллектора. При этом ток базы много меньше тока коллектора. То есть, транзистор усиливает изменения тока базы, но сохраняет закон, по которому ток базы меняется. Именно, благодаря этим свойствам, транзистор находит широкое применение в электронике в качестве основы разного рода усилителей, преобразователей и генераторов.

Вы можете убедиться, что те три закона электротехники, о которых мы говорили раньше, так же справедливы и сейчас. Ток от плюса источника питания разветвляется на коллекторный и базовый. Ток, подходящий к узлу ветвления, будет равен сумме токов в ветвях схемы, базовой и коллекторной. Падение напряжения на резисторе R2, складываясь с падением напряжения на транзисторе (между эмиттером и коллектором), даст величину, равную напряжению источника питания. Зная ток базы транзистора, проходящий через резистор R1, мы можем вычислить падение напряжения на этом резисторе и проверить прямым измерением напряжения, что оно почти равно напряжению питания. Если измерить падение напряжения между базой и эмиттером и прибавить его к падению напряжения на R1, то равенство будет точным, хотя это напряжение не очень велико, для кремниевого транзистора оно составит 0.5-0.7 вольт. Мало того, даже небольшие изменения этого напряжения будут вызывать значительное изменение тока базы, а, соответственно, пропорциональные ему изменения тока коллектора. Последнее, в свою очередь, приведет к существенным изменениям напряжения эмиттер-коллектор транзистора. То есть, можно говорить не только об усилении транзистором тока, но, в этой схеме, об усилении транзистором напряжения.

Биполярный транзистор имеет три вывода: базу, коллектор, эмиттер. В зависимости от того, какой из выводов используется в качестве общего, различают схемы включения транзистора с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Все три схемы включения обеспечивают усиление, но при одних способах включения осуществляется усиление по току, тогда как усиления по напряжению нет, в других случаях есть усиление и по напряжению, и по току. Чаще всего применяется включение транзистора с общим эмиттером, как это изображено на рисунке 1.28. Сигнал при таком включении подается на базу-эмиттер, а снимается с выводов эмиттер-коллектор. Общий вывод у входного и выходного сигнала – эмиттер, поэтому и схему включения называют схемой с общим эмиттером.

С помощью резистора R1 (рисунок 1.28) устанавливается рабочая точка транзистора на постоянном токе. Чаще всего этот резистор выбирают таким, чтобы напряжение эмиттер-

коллектор было равно половине напряжения питания. Зачем это делается? Многие полезные сигналы, о которых мы поговорим позже, симметричны относительно горизонтальной оси, как синусоидальный сигнал. Если, усиливая сигнал, мы нарушим эту симметрию, то получим другой сигнал, а это уже не усиление, и чаще всего нам этого не надо, но для получения максимального симметричного сигнала на выходе, начальное состояние выхода (на постоянном токе) тоже желательно иметь симметричным, то есть, напряжение должно быть равно половине напряжения питания.

Я уже говорил, что величина сопротивления зависит от температуры. Включив сопротивление в цепь постоянного тока и измеряя ток, проходящий через сопротивление, мы можем судить о температуре вокруг сопротивления. Изменения тока дадут нам информацию об изменении температуры. Разные материалы имеют разную чувствительность к температуре. Особенно сильно реагируют на температуру полупроводниковые материалы. Это их и полезное в одних случаях, и вредное при других обстоятельствах свойство. Резисторы, которые изготавливают для получения информации о температуре, так и называю терморезисторами.

Какое же вредное влияние оказывает температура на полупроводники?

Если в схеме на рисунке 1.28, которую мы тщательно наладили, получив напряжение эмиттер-коллектор точнехонько равным половине напряжения питания, подвергнуть транзистор воздействию температуры, на макетной плате его можно обдувать феном, то начальная рабочая точка (напряжение на выходе) сместится. Теперь напряжение эмиттерколлектор, сколько мы потратили труда!, уже не равно половине питающего напряжения. Фен, которым мы разогревали транзистор, дает представление о влиянии внешней температуры на рабочую точку транзистора. Но не надо забывать, что на любом сопротивлении, через которое протекает ток, мы говорили об этом, появляется падение напряжения и рассеивается мощность. Транзистор ведет себя также. На нем тоже рассеивается мощность, и для него тоже существует такой параметр, как допустимая мощность рассеивания. А образующаяся в процессе работы мощность, выделяемая в виде тепла, разогревает транзистор, смещая его рабочую точку. Для стабилизации рабочей точки транзистора применяют специальные схемные решения, о которых мы поговорим, когда будем говорить об усилителях. Эксперименты, например, по измерению влияния температуры можно проводить в программе Qucs. Если заглянуть в свойства транзистора, то можно обнаружить такой параметр, как температура. Изменяя этот параметр, добавив в схему на рисунке 1.28 вольтметр параллельно транзистору, можно увидеть изменение напряжения при изменении температуры.

Вообще, для любителей очень важно делать только то, что интересно. Не нравится вам разрабатывать собственные схемы, нравится повторять готовые, занимайтесь ими, но не забывайте, что далеко не всегда повторение готовой схемы сразу приводит к ожидаемым результатам. Важно хорошо понимать назначение и работу всех элементов схемы, а нет лучшего средства для этого, чем эксперименты с этими элементами. Часть из них лучше провести с паяльником в руках. Без этого не обойтись. Но подобные эксперименты, порой, требуют хорошего оснащения любительской лаборатории. Далеко не все могут позволить себе покупку всех необходимых приборов. Часть можно изготовить самостоятельно, но их настройка тоже требует наличия приборов, и образуется замкнутый круг, из которого трудно выбраться. В этом смысле компьютерные программы, подобные PSIM и Qucs оказываются очень полезны. Проводя ряд экспериментов за компьютером, можно найти то место, где опыты можно перенести на макетную плату, а работа будет обеспечена теми приборами, что есть в распоряжении любителя. Со временем парк приборов пополнится, а круг интересов и возможностей значительно расширится. Но и в этом случае не стоит пренебрегать теми возможностями и теми удобствами, что дают компьютер и программы.