Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику

Электромеханическое и транзисторное реле.

Если электромеханическое реле может выдержать несколько тысяч или десятков тысяч включений, то срок службы транзисторного реле практически ничем не ограничен. Теперь подобные транзисторные реле используют в автомобилях. Для подобных же целей разработаны и еще более совершенные полупроводниковые выключатели — тиристоры. Тиристор может находиться только в одном из двух состояний; либо «включено», либо «выключено». В первом случае он оказывает минимальное сопротивление проходящему через него току, а во втором — практически полностью размыкает цепь. Для переключения тиристора во включенное состояние достаточно небольшого и весьма маломощного импульса напряжения, подаваемого на управляющий электрод.

Специалисты долгое время относились с недоверием к полупроводниковым силовым устройствам, опасаясь их малой надежности. Сейчас эти опасения остались в прошлом. Не зря одна из фирм США в рекламном проспекте изображала полупроводниковый блок питания с лежащим поверх него ломиком-гвоздодером! По надежности, мощности и долговечности эти два «устройства» вполне сопоставимы.

После более чем десятилетнего безраздельного господства в электронике только что описанных транзисторов (названных биполярными) у них появился конкурент. Он, собственно, и дал обыкновенному транзистору новое название — «биполярный транзистор», которое подчеркивает этим наличие у обычного транзистора «двух полюсов»-контактов с различными типами проводимости.

Новый транзистор, изобретенный У. Шокли, назван униполярным или полевым. «Полевым?» спросит читатель. Бывают полевые цветы, полевые работы, палевая артиллерия, наконец! А что такое полевой транзистор? Свое название полевой транзистор получил от электрического поля, принимающего самое непосредственное участие в его работе.

Устройство полевого транзистора несложно. На поверхности чистого полупроводника с помощью примеси формируют токопроводящий канал р- или n-типа. От концов канала сделаны выводы, называемые истоком (аналог эмиттера) и стоком (аналог коллектора). В середине сечение канала сужается, и в этом месте сделан еще один вывод — затвор. Проводимость затвора противоположна проводимости канала. Более того, на затвор подают запирающее напряжение смещения, и ток через затвор отсутствует. Получился полевой транзистор с р-n переходом. В других конструкциях затвор вообще изолирован от канала тонким (доли микрометра) слоем диэлектрика. Это полевой транзистор с изолированным затвором.

Как же работает полевой транзистор? Когда на сток подано напряжение питания, через канал проходит некоторый ток iс, обусловленный движением носителей — электронов (в канале n-типа) или дырок (в канале р-типа). Запирающее поле затвора сужает канал, увеличивая его сопротивление. Чем больше запирающее напряжение на затворе, тем меньше становится эффективное сечение канала, сквозь которое движутся носители тока. Общий ток стока при этом, естественно, уменьшается. При напряжении на затворе, равном напряжению отсечки Uотс, ток стока прекращается совсем. Описанные процессы очень похожи на явления, происходящие в электровакуумной лампе — триоде, с той лишь разницей, что происходят они не в вакууме, а в толще полупроводника.

На рисунке показана схема включения полевого транзистора. Рядом приведена характеристика зависимости тока стока от напряжения на затворе. Если напряжение на затворе изменяется в соответствии с усиливаемым сигналом, то по такому же закону изменяется и ток стока. На резисторе нагрузки Rн выделяется усиленное напряжение сигнала.

Полевой транзистор.

Поле затвора сужает канал и запирает транзистор.

Важным достоинством полевого транзистора является его исключительно высокое входное сопротивление — ведь цепь затвора никакого тока практически не потребляет (еще одно сходство его с электронной лампой). Правда, коэффициент усиления но напряжению полевого транзистора, как правило, несколько меньше, чем у биполярного.

В последние годы разработаны полевые транзисторы для самых различных устройств — и для сверхчувствительных ультракоротковолновых приемников, и для мощных усилителей звуковой частоты. Используют полевые транзисторы и в цифровых интегральных микросхемах, отличающихся особой экономичностью.

Схема включения и стоко-затворная характеристика полевого транзистора.

Что же можно сделать с аналоговым сигналом с помощью радиоэлектронных «кирпичиков» и зачем? Возьмем два простых примера. Перед микрофоном мышонок, он еле пищит, а требуется громко воспроизвести звук его «голоса». Значит, аналоговый сигнал после микрофона надо усилить. Другой пример: у мышонка надо измерить температуру. Обычный градусник не подходит — он больше самого мышонка, да и держать его мышонок не будет. Значит, надо воспользоваться электронным термометром. Что он собой представляет? Крохотную бусинку — термопару, укрепленную на конце термозонда. Достаточно таким термодатчиком прикоснуться к нагретому телу, как в термопаре, представляющей собой контакт двух проволочек, изготовленных из разных металлов, возникает термоЭДС. Она очень мала-часто не более долей милливольта. А для нормальной работы стрелочного или цифрового индикатора нужно напряжение примерно несколько вольт. Значит, выходной сигнал термопары надо усилить, по крайней мере, в 1000 раз. Тогда-то мы и получим возможность, на мгновение прикоснувшись термозондом к телу мышонка, отсчитать значение термоЭДС, пропорциональное температуре.

Усиление звуковых колебаний.

Как измерить температуру мышонка?

В описанных случаях нужны два принципиально разных усилителя. Звуковой сигнал — быстро изменяющийся процесс, состоящий только из колебаний. Ведь не требуется передавать значение атмосферного давления — надо преобразовать в электрическую форму и усилить лишь изменения давления. Соответственно и усилитель должен быть усилителем переменного тока. Диапазон усиливаемых им частот соответствует звуковому диапазону, и у хороших моделей он составляет 20 Гц… 20 кГц. Иная ситуация возникает при усилении сигнала термодатчика. Если мышонка не дразнить и не пугать, его температура останется неизменной. Постоянной будет и термоЭДС датчика. Следовательно, здесь нужен усилитель постоянного тока, усиливающий не только изменения, но и так называемую постоянную составляющую подводимого к его входу сигнала.

Усилители переменного тока, как правило, проще, надежнее и стабильнее усилителей постоянного тока. Как включить транзистор, чтобы он работал как усилитель, мы уже знаем. Для увеличения коэффициента усиления соединяют последовательно несколько каскадов, как показано на рисунке.

Двухкаскадный усилитель переменного тока.

Каждый каскад такого усилителя содержит транзистор, два резистора и разделительный конденсатор. Первый резистор Rб1, создает некоторый начальный ток базы, который называют током смещения. Транзистор этим током «выводится» на линейный участок характеристики и становится способным усиливать как положительные, так и отрицательные полуволны входного сигнала. Слова «линейный участок характеристики» имеют следующий смысл: выходной сигнал усилительного каскада пропорционален входному, что и требуется для усиления без искажений.

Ток коллектора, проходя через резистор нагрузки Rн1, создает на нем некоторое падение напряжения, которое изменяется в такт с изменениями входного сигнала. Обычно режим работы транзистора (т. е. токи электродов) подбирают таким, чтобы на резисторе нагрузки выделялось постоянное напряжение, равное половине напряжения питания. Тогда ток через транзистор может изменяться (при изменениях входного сигнала) от нуля до удвоенного значения при отсутствии тока сигнала. При этом амплитуда снимаемого с нагрузки сигнала может достигать половины напряжения питания.

Существует много разновидностей усилителей переменного тока. Для увеличения размаха и мощности выходного сигнала резистор нагрузки усилительного каскада иногда заменяют трансформатором. Сопротивление его обмотки для постоянного тока мало, и на коллектор транзистора поступает практически полное напряжение источника питания. А для переменного тока индуктивное сопротивление трансформатора велико, в результате и усиление получается значительным. Часто используют двухтактные усилители мощности. В них положительная полуволна входного сигнала усиливается одним транзистором, а отрицательная — другим. В результате возрастают КПД и выходная мощность усилителя.