Эксперимент 10. Создаем транзисторное переключение

Важные сведения

Транзистор это полупроводник, что значит нечто, что иногда проводит электрических ток, а иногда нет. Его внутреннее со­противление меняется в зависимости от напряжения, которое приложено к его базе.

Транзисторы n-p-n и p-n-p являются биполярными полупро­водниками. Они содержат два слегка различных варианта крем­ния и проводят ток, используя носители обеих полярностей — дырки и электроны.

Транзистор n—p—n-типа представляет собой некоторый сэнд­вич с кремнием p-типа в середине, а транзистор p-n-p-типа — кремнием n-типа. Если вы хотите в большей степени овладеть терминологией и узнать о поведении электронов, когда они пытаются пересечь n—p-переход или p—n-переход, вы должны обратиться к другим источникам технической информации, по­священным этому предмету. Это слишком сложная техническая тема, выходящая за рамки этого эксперимента. Все, что необходимо за­помнить вам, это:

• все биполярные транзисторы имеют три вывода: коллектор, базу и эмиттер, которые обозначаются соответствующими буквами «К» (C), «Б» (B) и «Э» (E) в листах технических данных, где описано, как определить назначение выводов;
• транзисторы n—p—n-типа управляются (активируются) поло­жительным напряжением, которое прикладывается к базе транзистора относительно эмиттера;
• транзисторы p—n—p-типа управляются отрицательным напря­жением, которое создается на базе относительно эмиттера. В пассивном состоянии оба типа транзисторов препятствуют

прохождению тока от коллектора к эмиттеру точно также, как и однополюсное однопозиционное реле (SPST), у которого в обычном состоянии контакты нормально разомкнуты. (Факти­чески транзисторы пропускают очень небольшой ток, который известен, как «ток утечки».)

Вы для простоты понимания можете представить, что бипо­лярный транзистор внутри имеет очень маленький кнопочный переключатель, как это показано на рис. 6 и 7. Когда кноп­ка нажата, это дает возможность проходить большому току. Что­бы нажать эту кнопку, вы должны дать возможность пройти че­рез базу очень небольшому по величине току путем подачи на базу небольшого напряжения. В n—p—n-транзисторе управляю­щее напряжение является положительным. В p-n-p-транзисторе управляющее напряжение является отрицательным.

Рис. 6. Вы можете представить себе биполярный транзистор устройством, внутри которого находится кнопочный переключатель, позволяющий соединять коллектор и эмиттер. В n-p-n-транзисторах кнопку нажимает небольшой положительный потенциал

Рис. 7. В p-n-p-транзисторах небольшой отрицательный потенциал создает такой же эффект. Стрелки показывают направление «потока положительных зарядов».

Основные сведения о n-p-n-транзисторах

• Чтобы пропустить электрический ток от коллектора к эмит­теру транзистора, надо относительно эмиттера приложить к базе более положительное напряжение.
• На условном графическом обозначении транзистора стрел­ка указывает направление тока от базы к эмиттеру и пока­зывает направление перемещения потока положительных зарядов.
• Чтобы через транзистор начал проходить ток, потенциал его базы должен быть, по меньшей мере, на 0,6 В «более положи­тельным», чем потенциал эмиттера.
• Коллектор должен быть «более положительным», чем эмиттер.

Основные сведения о p-n-p-транзисторах

• Чтобы пропустить электрический ток от эмиттера к коллек­тору транзистора, надо приложить к базе относительное от­рицательное напряжение.
• На условном графическом обозначении транзистора стрелка указывает направление тока от эмиттера к базе и показывает направление перемещения потока положительных зарядов.
• Чтобы через транзистор начал проходить ток, потенциал его базы должен быть, по меньшей мере, на 0,6 В «более отрица­тельным», чем потенциал эмиттера.
• Эмиттер должен быть «более положительным», чем коллектор.

Основные сведения о всех транзисторах

• Никогда не следует прикладывать питающее напряжение напрямую к транзистору. Вы можете сжечь его током слиш­ком большой величины.
• Транзистор следует защищать резистором точно так же, как вы защищали светодиод.
• Следует избегать подключения транзистора в обратной по­лярности.
• Бывает, что в некоторых схемах использование n-p-n-тран-зисторов более удобно; в других случаях проще установить p—n—p-транзистор. Оба они работают, как переключатели и усилители; единственное различие между ними состоит в том, что к базе n—p—n-транзистора прикладывается более положительное напряжение, а к базе p-n-p-транзисторов — более отрицательное.
• Транзисторы p—n—p—типа применяются относительно редко; в основном это связано с тем, что их производство требу­ет использования более сложной современной технологии производства полупроводников. Люди привыкли проекти­ровать схемы на основе n-p-n-транзисторов.
• Следует помнить, что биполярные транзисторы это усилите­ли тока, а не напряжения. Небольшое изменение тока через базу дает возможность проходить большому току от эмитте­ра к коллектору.
• На схемах транзисторы иногда изображаются с кружком, а иногда без него (рис. 8-9).

Рис. 8. На этом условном графическом обозначении биполярного n-p-n-транзистора стрелка всегда направлена от базы к эмиттеру. Иногда символ транзистора заключают в кружок, а иногда нет. Стиль изображения стрелки может варьироваться. Но направление для данного типа должно быть всегда одно и то же.

Рис. 9. На этом условном графическом обозначении биполярного р-п-р-транзистора стрелка всегда направлена от эмиттера к базе. Иногда символ транзистора помещают в кружок, а иногда нет. Стиль изображения стрелки может варьироваться. Но значение всегда одно и то же.

• На схемах допускается указывать эмиттер вверху и коллек­тор внизу, возможен также и обратный вариант. База может находиться слева или справа в зависимости от того, каким образом удобнее рисовать схему. Будьте внимательны, рас­сматривая стрелки в транзисторах, чтобы увидеть каким образом идет ток, а также транзистор какого типа имеется в виду: п—р—п или р—п—р. Вы можете вывести из строя транзи­стор, если подключите его неправильно.
• Транзисторы могут иметь различные размеры и конфигура­ции. Во многих из них нет способа определить, какие про­вода подключены к эмиттеру, коллектору или базе, а неко­торые транзисторы даже не имеют обозначений на корпусе. Перед тем, как выбросить упаковку, в которой были приоб­ретены транзисторы, следует проверить не указано ли на ней обозначение контактов (ножек).
• Если вы забыли, какой провод к чему подключен, то неко­торые мультиметры имеют функцию, которая дает возмож­ность определить эмиттер, коллектор и базу. Более подроб­но эта функция изложена в руководстве пользователя муль-тиметра.

Базовые сведения

Хотя некоторые историки проводят линию происхождения транзистора к изобретению диодов (устройств, которые дают возможность проходить току только в одном направлении и не дают в обратном), не существует расхождений в том, что первый работающий транзистор был разработан в компании Bell Laboratories в 1948 году Джоном Бардиным (John Bardeen), Уильямом Шокли (William Shockley) и Уолтером Браттейном (Walter Brattain) (рис. 10).

Рис. 10. На фотографии, представленной Нобелевским фондом, слева направо Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн. За их сотрудничество в разработке первого в мире действующего транзистора в 1948 году они разделили Нобелевскую премию 1956 года.

Уильям Шокли был лидером этой группы, который пред­видел насколько важным потенциалом могут обладать «твер­дотельные переключатели». Джон Бардин был теоретиком, а Уолтер Браттейн практически выполнил эту работу. Это было исключительно продуктивное сотрудничество до тех пор, пока они не добились успеха. После этого Уильям Шокли пытался за­патентовать транзистор только под своим именем. Когда же он уведомил об этом своих соавторов, то они, естественно, не об­радовались этой идее.

Широко распространенная публичная фотография не могла помочь Шокли, на ней он сидел в центре перед микроскопом, что выглядело так, как будто он сделал всю черновую работу, в то время как остальные стоят позади него, показывая, что они играют меньшую роль. На самом деле фактически Уильям Шок-ли был куратором, который редко присутствовал в лаборато­рии, когда выполнялась основная работа.

Продуктивное сотрудничество быстро распалось. Уолтер Браттейн попросил о переводе в другую лабораторию в компа­нию AT&T, а Бардин перешел на работу в Университет Иллинойса, чтобы заняться теоретической физикой. Шокли вскоре покинул Bell Labs и основал компанию Shockley Semiconductor в том ме­сте, которое впоследствии стало называться Силиконовой доли­ной (Silicon Valley), но его амбиции превосходили возможности технологии, существовавшей на тот момент времени. Компания Уильяма Шокли так и не произвела ничего такого, что могло бы приносить прибыль.

Восемь сотрудников компании Уильяма Шокли вскоре пре­дали его, уволившись и основав свой собственный бизнес, т. е. компанию Fairchild Semiconductor, которая впоследствии ста­ла необычайно успешной, как производитель транзисторов, а позднее и интегральных схем.

Важные сведения

Транзисторы и реле

Одно из ограничений, которое накладывается на биполяр­ные транзисторы n—p—n— и p—n—p-типа, заключается в том, что они естественным образом находятся в состоянии «выключено» до тех пор, пока вы не переведете их в положение «включено». Они ведут себя как нормально разомкнутые кнопки, которые прово­дят электрический ток только тогда, когда находятся в нажатом состоянии. Они не похожи на обычные переключатели, которые находятся во включенном состоянии до тех пор, пока сигнал их не переведет в состояние выключено.

Реле обладает большими возможностями переключения. Оно может быть нормально разомкнутым, нормально замкну­тым или может быть двухпозиционным переключателем, кото­рый предоставляет вам возможность выбора из двух позиций «включено». Оно также может быть двухполюсным, что делает возможным соединять (или разрывать) два полностью раздель­ных контакта, когда вы подаете на реле напряжение. Устройства, состоящие из одного транзистора, не могут обеспечить двухпозиционные и двухполюсные функции, хотя вы можете сделать более сложную схему на основе транзисторов, которая будет выполнять и эти функции.

Далее в табл. 1 приведен обобщенный список некоторых сравнительных характеристик транзистора и реле.
Таблица 1.

Выбор между реле или транзистором будет зависеть от каж­дого конкретного случая использования.

Теория

Если вы хотите получить более точное представление о том, как работает транзистор, то вам нужно попытаться выполнить приведенный далее опыт. Он показывает точное поведение и ограничения транзистора 2N2222, который вы использовали в эксперименте 10.

Я уже говорил, что в n—p—n-транзисторах коллектор должен быть всегда более положительным, чем эмиттер, а база долж­на иметь потенциал где-то между этими двумя значениями на­пряжения. На рис. 11 показано это приблизительное соотно­шение. Теперь я хочу добавить некоторые цифры в эти общие заявления.

Рис.11. Для правильного функционирования n-p-n-транзисторов требуется поддерживать это соотношение между потенциалами точек.

Посмотрите на схему на рис. 12 и проверьте значения ком­понентов. Следует заметить, что общее сопротивление резисто­ров R1 + R2, расположенных выше транзистора, является таким же, что и суммарное сопротивление резисторов R3 + R4. Поэто­му потенциал базы транзистора должен быть где-то посереди­не между двумя максимумами, до тех пор, пока вы не будете с помощью потенциометра P1 регулировать напряжение на базе транзистора.

Рис. 12. Это практически та же самая схема только с добавленным потенциометром и удаленным светодиодом. Значения компонентов: R1 — резистор с сопротивлением 180 Ом; R2 — резистор с сопротивлением 10 кОм; R3 — резистор с сопротивлением 180 Ом; R4 — резистор с сопротивлением 10 кОм; P1 — потенциометр с линейной характеристикой и сопротивлением 1 МОм; Q1 — транзистор типа 2N2222.

Два резистора R1 и R3 сопротивлением 180 Ом защищают транзистор от избыточного тока. Два резистора R2 и R4 сопро­тивлением 10 кОм защищают базу транзистора, когда движок потенциометра перемещен в крайнее верхнее или в крайнее нижнее положение.

Я хотел бы посмотреть, что делает транзистор. Сделать это можно путем измерения тока, протекающего через базу в месте, помеченном, как A1 (см. рис. 12), а также измерить суммарный ток, который протекает через эмиттер в месте, обозначенном, как A2. Для этого было бы очень хорошо иметь два прибора, но поскольку это не совсем практично, то на рис. 13 и 14 пока­зано, как вы можете, переключая один мультиметр на макетной плате, выполнить измерения в двух этих местах.

Рис. 13. Мультиметр, измеряющий ток через базу транзистора в точке А1 (см. рис. 12).

Рис. 14. Один конец резистора R3 был отсоединен от макетной платы, поэтому мультиметр в настоящий момент измеряет ток, который проходит через эмиттер транзистора, и сопротивление R3, т. е. в точке А2 (см. рис. 12).

Помните, что при измерении тока вы должны сделать так, чтобы ток проходил через мультиметр. Это означает, что при­бор должен быть включен в разрыв цепи, а как только вы отклю­чите его, вы должны восстановить соединение между точками, к которым был подключен мультиметр. Из приведенных рисун­ков легко понять, как это можно было бы сделать на макетной плате. К счастью, на макетной плате очень легко и просто от­ключать и снова подключать провода и комноненты. Там, где измерительные провода подключаются к потенциометру и во втором случае к резистору R3, вам могут потребоваться зажи­мы типа «крокодил».

Начинайте вращать потенциометр, повернув его примерно до половины. Измерьте ток в точках A1 и A2. Переместите дви­жок немного вверх и измерьте ток в этих же точках снова. Далее приведена табл. 2, в которой показаны реальные результаты измерений, которые я получил, одновременно используя два цифровых мультиметра.

Таблица 2.

Получается довольно очевидное соотношение. Ток, прохо­дящий через эмиттер, измеренный в точке А2, в 24 раза боль­ше тока, проходящего через базу, и измеренного в точке А1. Соотношение между током, проходящим через эмиттер n—p—n-транзистора, к току, проходящему через базу этого же тран­зистора, называется бета—параметром для транзистора. Вели­чина этого параметра выражает величину усиления транзистора.

Это достаточно постоянная величина до тех пор, пока базо­вый ток не становится более 0,12 мА, когда транзистор перехо­дит в состояние насыщения, что означает, что его внутреннее сопротивление не может более уменьшаться.

В моем маленьком эксперименте я обнаружил, что макси­мальный ток, который может быть достигнут при измерении в точке А2, равен 33 мА.

Простое вычисление с помощью закона Ома показало, что при этом значении тока внутреннее сопротивление транзисто­ра стало практически равно нулю. Именно поэтому-то вы долж­ны защищать транзистор каким-либо дополнительным резисто­ром, установленным в цепь. Если вы этого не сделаете, то малое значение внутреннего сопротивления транзистора приведет к такому большому значению эмиттерного тока, что это станет причиной сгорания транзистора.

А что можно сказать про другой конец диапазона? В этом случае, когда через эмиттер проходит ток, равный 1,9 мА, тран­зистор имеет внутреннее сопротивление, равное примерно 6000 Ом. Из этого можно сделать следующий вывод: в зависи­мости от того, какой ток вы прикладываете к данному тран­зистору, его внутреннее сопротивление меняется от нуля до приблизительно 6000 Ом.

Вот и вся теория. Что бы теперь мы могли сделать такое с транзистором, что нас бы развеселило, или было бы полезно, или бы сделало и то и другое? Итак, мы можем приступить к вы­полнению эксперимента 11.