Полупроводники. Диоды и транзисторы

 

Есть вещества, которые пропускают электрический ток – проводники и вещества, не пропускающий электрический ток – диэлектрики.

 

У проводников молекулы и атомы устроены таким образом, что электроны находятся в «свободном» состоянии, т.е., не «привязаны» к одному и тому же месту.

Когда же мы прикладываем электрическое поле, электроны начинают движение – начинает течь электрический ток.

У диэлектриков картина иная – электроны жестко привязаны к своим «хозяевам», поэтому «сдвинуть» их с места тяжело.

Полупроводики - это вещества и материалы, которые вроде проводят электрический ток, а вроде и не проводят.

Ядро атома, и электроны, вращающиеся вокруг ядра, являются заряженными частицами. Причем, ядро заряжено положительно, а электроны несут отрицательные заряды. Количества положительных и отрицательных зарядов равны.

Полупроводники устроены таким образом, что если до этого полного комплекта атому недостает одного-двух электронов, он их охотно «присвоит».

А если на наружной орбите электронов «мало», то атом «предпочтет отпустить их на свободу», превратившись в так называемый положительный ион.

 

В зависимости от того, «отпускает» ли атом электрон или, напротив, забирает его себе, полупроводники делятся на 2 типа: n-полупроводники и p-полупроводники.

Когда атомы полупроводника «отпускают» электроны, то именно эти электроны при своем движении образуют ток.

Это – n -полупроводники (от negative – отрицательный, т.к. заряд электрона отрицателен).

«Забрав» электрон, атом становится нейтральным, количество положительных и отрицательных зарядов уравновешивается.

Но ведь откуда-то этот электрон был забран, значит в том месте, где был этот забранный электрон, заряда стало не хватать, баланс нарушен, и атом с «похищенным» электроном будет уже не нейтральным, а положительно заряженным.

Образовалась так называемая «дырка», причем положительно заряженная. Эти «дырки» и становятся носителем тока.

Такие «дырочные» полупроводники называются p-полупроводниками (от positive – положительный).

Диод

 

Когда мы берем два разных полупроводника (p- и –n) и соединяем их вместе, то получаем устройство, называемое диодом.

 

Диод интересен тем, что пропускает ток только в одном направлении.

Это можно объяснить так: когда мы прикладываем плюс к p -полупроводнику, а минус – к n -полупроводнику, то свободные положительные заряды (дырки) устремляются к минусу, а отрицательные (электроны из n -части) – к плюсу. Т.е. все заряды устремляются в нужную им сторону, что проявляется образованием электрического тока (рис. 121а).

а) б)

Рис.121. Схема устройства диода

 

Если же изменить полярность, тогда немногочисленные «дырки» (p) оттянутся к минусу, а свободные электроны (n) – к плюсу. При этом на границе p-n -перехода возникнет потенциальный барьер, который не даст возможности зарядам зарядам «течь» (рис.121б).

Рис. 122. Прямое и обратное включение диода

 

Изображение диода на схеме похоже на стрелку, указывающую, куда должен течь электрический ток.

Транзистор

 

Когда мы соединяем («спаиваем») 3 полупроводника так, как показано на рис. 123, то получаем транзистор.

Рис. 123. Схема транзистора и его условное обозначение

У транзистора три вывода, которые называются эмиттер, база и коллектор.

Это уникальное по своим возможностям устройство, т.к., транзисторумеет усиливать электрические сигналы.

Если подключить аккумулятор так, как показано на рис. 124, то лампа не загорится, т.к. мы включили транзистор «не в том направлении». Это, действительно, похоже на включенный в обратном направлении диод. На рисунке изображен образовавшийся потенциальный барьер, мешающий прохождению электрического тока.

Рис. 124. Подключение транзистора

Но ситуация поменяется, когда мы подключим между эмиттером и базой маломощный источник. Причем подключим его в прямом направлении. Через транзистор потечет электрический ток и лампа зажжется (рис.125).

Рис. 125. Подключение транзистора

 

Произошло следующее: малого тока, текущего через базу и эмиттер, хватило для того, чтобы устранить потенциальный барьер между базой и коллектором, и транзистор открылся.

В этом заключается усилительный эффект транзистора: малого электрического тока достаточно для того, чтоб транзистор стал пропускать большой электрический ток.

Транзисторы бывают разными. В одних соединяются полупроводники n-p-n, как было показано выше, у других – наоборот – p-n-p. Бывают транзисторы, предназначенные для работы с большими токами – до нескольких ампер, бывают маленькие, рассчитанные на слабые токи (зато они имеют большой коэффициент усиления). Но все они имеют по три вывода – базу, коллектор и эмиттер.

Рис. 126. Различные виды транзисторов

Первый усилительный полупроводниковый прибор был создан еще в 1924 г. Лосевым О.В., сотрудником Нижегородской лаборатории Бонч-Бруевича. К сожалению, в те времена ламповые приборы гораздо лучше справлялись со своими задачами и открытие было забыто на многие годы. Лишь в 1948 г. произошло его «переоткрытие».

Маркировка транзисторов (цоколевка). Транзисторов существует великое множество, да еще у каждого есть база, коллектор и эмиттер, которые могут располагаться совершенно по-разному. Для того чтобы не перепутать выводы, существуют справочники, в которых и описывается их расположение. Это описание называется цоколевкой транзистора.

Рис. 127. Примеры цоколевки транзисторов

Б – база, К – коллектор, Э – эмиттер

 

Рис. 128. Схема системы управления

Теперь, зная, как работают диоды и транзисторы, перейдем к рассмотрению работы системы управления. Схема состоит из двух одинаковых частей – для левого и правого двигателей, поэтому ограничимся рассмотрением лишь одной из них. На нашей схеме элемент Rф обозначает

либо фототранзистор,либо фотодиод, либо фоторезистор – некий элемент, у которого при попадании света уменьшается сопротивление.

Схема состоит из двух частей – усилителя на транзисторе КТ3102 и ключа – транзистора КТ829.

Работает она так: когда фотоэлемент R_ф не освещен, сопротивление его велико, ток через него не течет. Когда же на него попадает свет, то сопротивление уменьшается и через него начинает течь ток.

Через подстроечный резистор R2 ток течет на базу транзистора Т1. Транзистор Т1 (КТ3102) имеет большой коэффициент усиления. Этого слабого тока достаточно для того, чтобы транзистор открылся и стал пропускать через себя уже более серьезный ток.

У этого транзистора большой коэффициент усиления – от 100 до 500, т.е. через его коллектор может пройти ток, который в 100 или 500 раз больше, чем ток, поступающий от фотодатчика на базу. Так работает усилительный каскад.

К сожалению, пропускаемого через Т1 тока не хватит для того, чтобы завести электродвигатель (максимум, что можно получить из этого транзистора – 100 мА (0.1 Ампера), тогда как двигателю нужно около 500 мА.

Для этого и делается вторая часть – ключ.

Тока усилителя хватает для того, чтобы открыть ключевой транзистор – Т2. Транзистор Т2 (КТ829) – это уже «серьезное» устройство, которое может пропускать ток уже в несколько ампер, чего с лихвой хватает для нашего двигателя. Когда транзистор Т2 открывается, через него и двигатель начинает течь электрический ток, т.е. двигатель запускается.

Когда же количество света, попадающего на R_ф уменьшается, то его сопротивление начинает возрастать, ток через R_ф уменьшается, уменьшается ток через Т1 и, соответственно, уменьшается ток, пропускаемый транзистором Т2. Двигатель начинает вращаться медленнее.

Таким образом, эта схема заставляет двигатель вращаться со скоростью, определяемой освещенностью фотоэлемента.

Рис. 129. Схема включения ограничивающих резисторов

Рис. 130. Условные обозначения резисторов

 

 

Емкостные датчики

Рис.131. Конденсатор и его условное обозначение

Конденсатор (собиратель) – это две металлические пластины, между которыми находится изолятор. Если пластины достаточно велики и расположены друг напротив друга на небольшом расстоянии, то такое устройство будет способно накапливать и хранить электрический заряд.

 

Конденсаторы (ёмкости) не делают из плоских пластин. Чаще всего берут две тонкие полосы металлической фольги, между ними кладут изолирующий материал, а затем скручивают в трубочку.

Рис.132. Конденсаторы

 

Емкость конденсатора, т.е. способность накапливать электрический заряд, зависит от очень многих факторов. Основными из них является расстояние между пластинами, то, насколько они перекрывают друг друга, а так же то, что находится между ними.

Рис. 133. Схема-рисунок конденсатора

Изменяя эти величины, т.е. меняя расстояние между пластинами или их взаимное расположение, или помещая между ними какие-либо предметы, мы сможем замерить количество накопленного на пластинах конденсатора заряда, т.е. измерить его – конденсатора – емкость. А коли мы можем измерить эту величину, то мы получаем не что иное, как датчик.

Фотодатчики

 

Фотодатчик состоит из двух элементов – светодиода для подсветки (вместо светодиода можно использовать и лампу накаливания) и фотоэлемента – фотодиода, фототранзистора или фоторезистора.

Со светодиодом для подсветки все просто - его задача заключается в свечении. Фотодиод должен ловить отраженный свет. В зависимости от освещенности, фотодиод меняет свое сопротивление.

В отличие от фоторезистора фотодиод пропускает ток лишь в одном направлении (если его осветить). Поэтому следует соблюдать порядок включения фотодиода. Излучающий светодиод также должен быть включен в нужном направлении (рис.134).

Рис.134. Фотодиод (фототранзистор) и светодиод

 

При конструировании датчика полосы берутся излучатель (светодиод) и приемник (фотодиод). Они располагаются так, чтобы свет излучателя, отразившись от поверхности, попадал на приемник (рис. 135). Если поверхность светлая, то лучи отразятся от нее и попадут на фотодатчик, сопротивление его

Рис.135. Расположение излучателя и приемника

уменьшится, откроется транзистор и т.д. Если датчик находится над черной полосой, то от темной поверхности отражение будет слабым и фотодатчик ничего «не увидит».

Подключение датчиков

 

Существуют датчики температуры, датчики ускорения, веса, направления.

Если вместо фотодиода включить термодатчик, то скорость вращения двигателя будет зависеть от температуры. Подключив контактный датчик, получим систему, реагирующую на прикосновение.

 

Рис.136. Схема подключения различных датчиков

Основное требование к подключаемым датчикам заключается в том, чтобы они, в зависимости от своего назначения, изменяли свое сопротивление.