Принцип работы транзистора простым языком: простым языком для чайников, схемы

Легкое описание простым языком для чайников принципа работы полевого транзистора, его видов и применения

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Что это такое

Транзистор — это особый элемент электроцепи полупроводникового типа, который служит для изменения основных электрических параметров электротока и для регулирования этих параметров. В стандартном полупроводниковом триоде есть всего 3 вывода: коллектор, инжектор зарядов и базовый элемент, на который собственно и направляются электроны от управления. Также имеются комбинированные транзисторы с большой мощностью. Если обычные элементы, используемые в интегральных схемах, могут быть размером в несколько нанометров, то производственные транзисторы для промышленных предприятий имеют корпус и составляют до 1 сантиметра в ширину. Напряжение обратного типа производственных управляющих триодов достигает 1 тысячи Вольт.

2SD1710 для импульсных блоков питания

Конструкция триода сделана на основе слоев полупроводника, заключенных в корпусе элемента. В качестве полупроводников выступают материалы, в основу которых входит кремний, германий, галлий и некоторые другие химические элементы. В настоящее время проводится множество исследований, которые предлагают в качестве материалов различные виды полимеров и углеродных нанотрубок.

Важно! Когда-то кристаллы полупроводников располагали в металлических отсеках в виде шляп с тремя выводами. Такое строение было характерно для точечных элементов транзисторного типа.

Различные виды рассматриваемых радиоэлементов

На сегодняшний день строение практически всех плоских и кремниевых транзисторов основано на легированном монокристалле. Они находятся в пластмассовых, металлических или стеклянных корпусах. У многих из них есть выступающие выводы, позволяющие отвести тепло при сильном нагреве от электричества.

Кремниевый биполярный транзистор 2SA1286

Выводы современных транзисторов расположены, как правило, в один ряд. Это удобно, так как плату собирают роботы, и это экономит ресурсы. Выводные контакты также не маркируются на корпусе элемента. Вид вывода определяют по инструкции эксплуатации или после тестовых замеров.

Вам это будет интересно Электрические схемы

Важно! Для транзисторов применяют сплавы полупроводникового типа с разным строением: PNP или NPN. Их различие заключается в разных знаках напряженности на выводах.

Если брать схематически, то описать этот радиоэлемент можно так: два полупроводника, разделенные дополнительным слоем, который управляет проводимостью триода.

Схема устройства полевых радиоэлементов

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

• устройства под управлениями р-n переходов;
• устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Интересное видео о принципе действия транзистора

• < Назад
• Вперёд >

Комментарии

игорь 06.11.2015 17:52 спасибо очень полезное видео и доходчиво.остал ось понять зависимость работы транзистора от напряжения и тока,по каким формулам это можно расщитать.

Цитировать

Дмитрий 11.02.2016 12:45 видео заблокированно

Цитировать

admin 11.02.2016 13:15 Спасибо,подправ им…

Цитировать

Прохожий 04.12.2016 08:57 «В полевых транзисторах носители зарядов движутся к коллектору от эмиттера через базу. » Что за охинея? Только запутываете новичков…

Цитировать

Сержант 13.02.2017 12:56 «Существует канал, в легированном проводнике находясь в промежутке между нелегированной подложкой и затвором. » Серьёзно? Думаете я понимаю что такое легированный/не легированный если читаю о том что такое транзистор?

Цитировать

Серега 25.09.2017 21:02 может на пальцах кто объяснит, хочу вообщем сделать так: при срабатывание вибро на мобильнике чтоб включалось реле на 12в которое замыкает цепь в 220в. так вот, подключил я значит к коллектору +12в к эмиттеру управление реле, общий минус с телефоном и реле, касаюсь базой любого контакта «вибратора»))) и вуаля, транзистор срабатывает, а вибро не работает в этот момент. поскажите пожалуйста как правильно это все собрать, заранее спасибо. P.s.: уже начинаю психовать

Цитировать

тезка 08.12.2017 11:07 Ты на базу ток подай через резистор килоом так на 1 — 2. Еще и диод вставь для развязки. А то транзистор перегружает питание моторчика. Сопротивление надо подбирать методом научного тыка.

Цитировать

Kirill Zotov 30.05.2018 11:17 А разве так можно? В 2018м живемс…

Цитировать

Обновить список комментариев

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

1. Усиления высокой частоты.
2. Усиления низкой частоты.
3. Модуляции.
4. Усиления постоянного тока.
5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Литература по электронике

Наука, которая изучает транзисторы и другие приборы, называется электроника. Целый ее раздел посвящён полупроводниковым приборам. Если вам интересно получить больше информации о работе транзисторов, можно почитать следующие книги по этой тематике:

1. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера — Дэвид М.
2. Операционные системы. Разработка и реализация — Эндрю Т.
3. Силовая электроника для любителей и профессионалов — Б. Ю. Семенов .

В этих книгах описываются различные средства программируемой электроники. Конечно же, в основе всех программируемых схем, лежат транзисторы. Благодаря этим книгам вы не только получите новые знания о транзисторах, но и навыки, которые, возможно, принесут вам доход.

Теперь вы знаете, как работают транзисторы, и где они применяются в жизни. Если вам интересна эта тема, продолжайте её изучать, ведь прогресс не стоит на месте, и все технические устройства постоянно совершенствуются. В этом деле очень важно идти в ногу со временем. Успехов вам!

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

Достоинства:

• каскады детали расходуют малое количество энергии;
• показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
• обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

Недостатки:

• менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
• на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
• чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Как читать электрические схемы с транзистором

В прошлой статье мы рассматривали схему без биполярного транзистора. Для того, чтобы понять, как работает транзистор, мы с вами соберем простой регулятор мощности свечения лампочки накаливания с помощью двух резисторов и транзистора.

Управление мощностью с помощью транзистора

Итак, я буду делать схему регулятора мощности свечения лампочки накаливания с помощью советского транзистора КТ815Б. Она будет выглядеть следующим образом:

На схеме мы видим лампу накаливания, транзистор и два резистора. Один из них переменный. Итак, главное правило транзистора: меняя силу тока в цепи базы, мы тем самым меняем силу тока в цепи коллектора, а следовательно,  мощность свечения самой лампы.

Транзистор — это сложная штука. Если не знаете что такое, то лучше для начала прочитайте очень объёмную статью с нашего сайта.

Как в нашей схеме будет все это выглядеть? Здесь я показал две ветви. Одну синим цветом, другую красным.

Как вы видите, в синей ветке цепи последовательно друг за другом идут +12В—-R1—-R2—-база—-эмиттер—-минус питания. А как вы помните, если резисторы либо  различные потребители (нагрузки) цепи идут друг за другом последовательно, то через все эти нагрузки, потребители и резисторы протекает одна и та же сила тока. Правило делителя напряжения. То есть в данный момент для удобства объяснения, я назвал эту силу тока, как ток базы I_б . Все то же самое можно сказать и о красной ветви. Ток пойдет по такому пути: +12В—-лампочка—-коллектор—-эмиттер—-минус питания.  В ней будет протекать ток коллектора I_к.

Итак, для чего мы сейчас разобрали эти ветви цепи? Дело в том, что через базу и эмиттер протекает базовый ток I_б , который протекает также и через переменный резистор R1 и резистор R2. Через коллектор-эмиттер протекает ток коллектора Iк , который  также течет и через лампочку накаливания.

Ну и теперь самое интересное: коллекторный ток зависит от того, какая сила тока в данный момент течет через базу-эмиттер. То есть прибавив базовый ток, мы тем самым прибавляем и коллекторный ток. А раз коллекторный ток у нас стал больше, значит и через лампочку сила тока стала больше, и лампочка загорелась еще ярче. Управляя слабым током базы, мы можем управлять большим током коллектора. Это и есть принцип работы биполярного транзистора.

Как нам теперь регулировать силу тока через базу-эмиттер? Вспоминаем закон Ома: I=U/R. Следовательно, прибавляя или убавляя значение сопротивления в цепи базы, мы тем самым можем менять силу тока базы! Ну а она уже будет регулировать силу тока в цепи коллектора. Получается, меняя значение переменного резистора, мы тем самым меняем свечение лампочки 😉

И еще один небольшой нюанс.

Как вы заметили в схеме есть резистор R2. Для чего он нужен? Дело все в том, что может случится пробой перехода база-эмиттер. Или, простым языком, он выгорит. Если бы его не было, то при изменении сопротивления на переменном резисторе R1 до нуля Ом, мы бы махом выжгли P-N переход базы-эмиттера. Поэтому, чтобы такого не было, мы должны  подобрать резистор, который бы при сопротивлении на R1 в ноль Ом, ограничивал бы силу тока на базу, чтобы ее не выжечь.

Получается, мы должны подобрать такую силу тока на базу, чтобы лампочка светилась на полную яркость, но при этом переход база-эмиттер был бы целым. Если сказать языком электроники —  мы должны подобрать такой резистор, который бы вогнал  транзистор в границу насыщения, но не более того.

Такой резистор я подбирал с помощью магазина сопротивления. Его также можно подобрать с помощью переменного резистора. Резистор в базе часто называют токоограничительным.

Регулятор свечения лампочки на транзисторе

Ну а теперь дело за практикой. Собираем схему в реале:

Кручу переменный резистор и добиваюсь того, чтобы лампочка горела на весь накал:

Кручу еще чуток и лампочка светит в пол накала:

Выкручиваю переменный резистор до упора и лампочка тухнет:

Вместо лампочки можно взять любую другую нагрузку, например, вентилятор от компьютера. В этом случае, меняя значение переменного резистора, я могу управлять частотой вращения вентилятора, тем самым убавляя или прибавляя силу потока воздуха.

Здесь вентилятор не крутится, так как я на переменном резисторе выставил большое сопротивление:

Ну а здесь, покрутив переменный резистор, я уже могу регулировать обороты вентилятора:

Можно сказать, что получилась готовая схема, чтобы обдувать себя жарким летним деньком ;-). Стало холодно — убавил обороты, стало слишком жарко — прибавил 😉

Прошаренные чайники-электронщики могут сказать: «А зачем так сильно все было усложнять? Не проще ли было просто взять переменный резистор и соединить последовательно с нагрузкой?

Да, можно.

Но должны соблюдаться некоторые условия. Предположим у нас лампа накаливания большой мощности, а значит и сила тока в цепи тоже будет приличная. В этом случае переменный резистор должен быть большой мощности, так как при выкручивании до упора в сторону маленького сопротивления через него побежит большой ток. Вспоминаем формулу выделяемой мощности на нагрузке: P=I²R. Переменный резистор сгорит (проверено не раз на собственном опыте).

В схеме с транзистором весь груз ответственности, то бишь всю мощность рассеивания, транзистор берет на себя. В схеме с транзистором переменный резистор спалить уже будет невозможно, так как сила тока в цепи базы в десятки, а  то и в сотни раз меньше (в зависимости от беты транзистора), чем сила тока через нагрузку, в нашем случае через лампочку.

Греться по-максимуму транзистор будет только тогда, когда мы регулируем мощность нагрузки наполовину. В этом случае половина отсекаемой мощности в нагрузке будет рассеиваться на транзисторе. Поэтому, если вы регулируете мощную нагрузку, то для начала поинтересуйтесь таким параметром, как мощность рассеивания транзистора и при необходимости не забывайте ставить транзисторы на радиаторы.

Резюме

Главное предназначение транзистора — управление большой силой тока с помощью малой силы тока, то есть с помощью маленького базового тока мы можем регулировать приличный коллекторный ток.

Есть критического значение базового тока, которые нельзя превышать, иначе сгорит переход база-эмиттер. Такая сила тока через базу возникает, если потенциал на базе будет более 5 Вольт в прямом смещении. Но лучше даже близко не приближаться к такому значению. Также не забывайте, чтобы открыть транзистор, на базе должен быть потенциал больше, чем 0,6-0,7 Вольт для кремниевого транзистора.

Резистор в базе служит для ограничения протекающего  тока через базу-эмиттер. Его значение выбирают в зависимости от режима работы схемы. В основном это граница насыщения транзистора, при котором коллекторный ток начинает принимать свои максимальные значения.

При проектировании схемы не забываем, что лишняя мощность рассеивается на транзисторе. Самый щадящий режим — это режим отсечки и насыщения, то есть лампа либо вообще не горит, либо горит на всю мощность. Самая большая мощность будет выделяться на транзисторе в том случае, если лампа горит в пол накала.

Что такое транзистор и для чего он используется?

Автор Джон Ава-абуон

Опубликовано 5 июля 2022 г.

Эти крошечные электронные компоненты жизненно важны для устройств, которые мы знаем и любим сегодня.

Транзисторы — одно из самых важных изобретений 20-го века. Вы можете найти их почти в каждом электронном устройстве, от радиоприемников до телевизоров и компьютеров. Но что такое транзистор и как он работает?

Что такое транзистор?

Транзистор представляет собой электронное устройство с тремя выводами, которое усиливает или переключает электронные сигналы. Его основными компонентами являются два полупроводниковых материала, обычно кремний, с противоположными свойствами, известные как p-тип и n-тип.

Когда два материала соединяются вместе, они образуют барьер истощенного слоя. Этот слой действует как переключатель, позволяя электрическому току протекать или не протекать, в зависимости от напряжения, подаваемого на третий вывод, известный как затвор.

Транзисторы присутствуют почти во всех электронных устройствах и являются важными компонентами интегральных схем или микросхем. Изобретенные в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли из Bell Laboratories, транзисторы произвели революцию в электронике, сделав возможными более компактные, дешевые и более надежные устройства.

Транзисторы состоят из трех основных частей:

• База
• Коллектор
• Эмиттер

Базовая клемма управляет потоком тока между двумя другими клеммами. Коллектор собирает ток, идущий от базы, а эмиттер излучает ток от коллектора.

Транзисторы

могут работать как усилители или переключатели. Транзистор увеличивает ток, протекающий через него, когда используется в качестве усилителя. Транзисторы могут включать или выключать ток при использовании в качестве переключателя.

Как работает транзистор?

Работа транзистора очень проста. Когда ток не протекает через базу, транзистор находится в выключенном состоянии. Это означает, что через клеммы коллектора и эмиттера не может протекать ток.

При подаче тока на клемму базы транзистор переходит во включенное состояние. Это позволяет току течь через клеммы коллектора и эмиттера. Величина тока, который может протекать через транзистор, зависит от величины, подаваемой на базовую клемму.

Что делают транзисторы? Применение транзисторов

Транзисторы

используются в различных электронных устройствах и имеют широкий спектр применения.

Микросхемы компьютерной памяти

Одним из наиболее распространенных применений транзисторов являются чипы компьютерной памяти. Эти чипы хранят информацию в виде электрических зарядов, а транзисторы действуют как крошечные переключатели, которые могут включать и выключать заряды. Это делает их идеальными для хранения данных, поскольку они могут хранить множество информации в компактном пространстве. Кроме того, они быстрые, что важно для компьютеров, которым необходимо быстро получать доступ к большим объемам данных.

Переключатели

Транзисторы

часто используются в качестве переключателей, поскольку они быстро включаются и выключаются. Это делает их идеальными для цифровых цепей, где они могут с большой точностью управлять потоком электричества.

Усилители

Еще одно применение транзисторов — усилители. Усилители берут слабый электрический сигнал и усиливают его, делая его сильнее. Первое коммерческое применение транзисторов было в слуховых аппаратах и ​​карманных радиоприемниках. Сегодня транзисторы используются во множестве приложений для усиления звука, например, в стереосистемах и усилителях музыкальных инструментов.

Цифровые логические схемы

Транзисторы

также используются в цифровых логических схемах. Цифровые логические схемы являются строительными блоками цифровой электроники, такой как компьютеры и сотовые телефоны. Эти схемы используют транзисторы для выполнения булевых логических операций, которые являются основой для всех цифровых вычислений.

Транзисторы — строительные блоки современной электроники

Мы прошли долгий путь с тех пор, как в 1947 году был изобретен первый транзистор. Сегодня транзисторы можно найти во всем, от сотовых телефонов до автомобилей, и они играют важную роль в нашей жизни.

Хотя вы, возможно, не задумываетесь о них, транзисторы за кулисами гарантируют, что ваш телефон звонит, ваша машина заводится, а ваше любимое шоу идет по телевизору. Надеюсь, это помогло вам лучше понять один из самых фундаментальных компонентов всей электроники.

Центр творческой науки — доктор Джонатан П. Хэйр

Центр творческой науки — доктор Джонатан П. Хэйр Примечание: для получения подробной информации о беседах и семинарах по этой теме нажмите здесь:
бесед и семинаров

Резюме
Описана простая демонстрация, показывающая, как работает транзистор. Включая аудиторию в реальную схему и зажигая светодиоды, мы показываем потенциал простого транзисторного усилителя. Также описано расширение до двух транзисторов — пара Дарлингтона.

Примечание: опубликована эта статья: Демонстрация чудесного усиливающего действия транзистора
JP Hare, IOP Press, Journal of Physics Education, март 2004 г., стр. 128-131 (воспроизведено здесь с разрешения IOP)

Введение
В 1956 году Нобелевская премия по физике была присуждена Шокли, Бардину и Браттейну за изобретение транзистора. В 2000 году Алферов, Кремер и Килби были удостоены Нобелевской премии за «основные работы в области информационных и коммуникационных технологий» и разработку интегральной схемы — все работы, которые были бы невозможны без скромного транзистора.

Транзистор сделал возможным современную революцию в телекоммуникациях. Однако с течением времени сам транзистор стал почти невидимым в нашем высокотехнологичном обществе, и это вездесущее изобретение становится недооцененным и даже неправильно понятым. Я считаю важным, чтобы люди имели представление о том, что такое транзистор, как он работает и на что он способен, и показать, что это замечательное устройство можно понять с точки зрения относительно простой физики.

Транзистор
Транзистор — это электронное устройство, которое преобразует небольшие электрические токи (и напряжения) в более крупные копии оригинала — это то, что называется усилителем и, как говорят, имеет «усиление» (усиление). Транзистор имеет три проводных соединения, называемых; эмиттер (E), база (B) и коллектор (C), см. рис. 1. Соединив устройство с другими простыми компонентами, можно легко построить усилитель. Типичный транзистор имеет коэффициент усиления ок.

100 раз.

Физическая теория, описывающая транзистор, сложна и предполагает понимание движения электронов (и отсутствия электронов — дырок) в полупроводниковых материалах, легированных P и/или N. Читаемые отчеты о теории можно найти в различных источниках (см. Справочный раздел ниже). Далее следует не подробное изложение теории, а простой набор экспериментов, демонстрирующих работу транзистора.

Как это работает
Диод представляет собой двухпроводной электронный компонент, который проводит электричество только при правильном подключении, то есть при правильном приложении потенциалов. Он состоит из полупроводникового перехода P и N. Транзистор представляет собой трехпроводной компонент, состоящий из сэндвича из переходов PNP или NPN. Электрически это выглядит так, как если бы транзистор состоял из двух диодов, соединенных встречно-параллельно, см. рис. 1. Общая средняя область (база – B) транзистора намного тоньше, чем две другие области.

Поскольку диоды расположены напротив друг друга, ток обычно не протекает, когда между эмиттером и коллектором подается напряжение (хотя может быть небольшой ток утечки). Если к BE (B положительный и E отрицательный для транзистора NPN) приложено напряжение, этот переход будет смещен в прямом направлении, поэтому в этой цепи будет протекать ток. Однако из-за того, что базовая область очень тонкая (а также потому, что при правильном подключении коллектор находится под высоким потенциалом и, таким образом, притягивает электроны), целых 99% этого тока на самом деле будет течь прямо через область базы, чтобы достичь коллектора (C). Таким образом, мы фактически сделали цепь EC транзистора проводящей, подав ток на B (установленный небольшим напряжением на BC).

Теперь ток, протекающий от эмиттера, должен быть равен сумме i) 99%, поступающих на коллектор, и ii) 1%, протекающего через базу. Таким образом, базовый ток невелик, всего 1% или около того. Но, как мы видели, ток коллектора не может существовать без небольшого тока базы, и поэтому он эффективно контролирует ток коллектора. Этот ток коллектора является увеличенной копией сигнала базы, поэтому мы видим, что транзистор дает усиление по току! Прирост тока 100-200 типичен для транзистора.

Обычно EC-часть схемы используется как выход, а база — как вход усилителя.

Цепь EB имеет низкое напряжение и малый ток, в то время как EC имеет гораздо более высокий потенциал и более высокий ток. Поскольку мощность = напряжение x ток, мы должны иметь более высокую мощность в EC, и поэтому с такой простой схемой возможен прирост мощности. Конечно, транзистор не усиливает этот небольшой базовый сигнал «волшебным образом», дополнительная мощность получается от источника питания, управляющего схемой транзистора. Транзистор нуждается в батарее или другом источнике питания, чтобы творить «волшебство».

Эксперимент 1 — простая последовательная схема
Соедините последовательно батарею 9 В, светодиод и резистор 560 Ом, как показано на рис. 2. Светодиод должен загореться при правильном подключении (поменяйте местами светодиоды, если ничего не происходит). Для освещения светодиоду требуется около 3 В при 10 мА, и этого можно добиться, вставив в цепь резистор соответствующего размера:

R = В / I = (9 – 3) В/0,01 А = 600 Ом
( Примечание: на самом деле мы используем резистор 560 Ом в этих экспериментах, так как это легко получить «предпочтительное значение», которое достаточно близко к работе)

Эксперимент 2 – простая последовательная схема, которая не работает!
Пожалуйста, прочитайте примечание (1), прежде чем продолжить этот эксперимент.
Теперь отсоедините провод от положительной клеммы аккумулятора. Поместите палец одной руки на положительную клемму батареи 9 В, а палец другой руки соедините со свободным проводом. Теперь у нас есть последовательная цепь, как и раньше, но с включенным добавочным сопротивлением корпуса. Сопротивление тела является сложным и будет зависеть от приложенного напряжения и, что наиболее важно, от контактного сопротивления между кожей и проводными соединениями (см. примечание (2) ниже). Тело может иметь широкий диапазон сопротивления от 10 000 до 1 000 000 Ом. Ради аргумента скажем, что 50 000 Ом = 50 кОм.

Теперь мы получаем:

I = V / R = (9 – 3) / 50 000 = 0,0001 А = около 0,1 мА

который мы видим, составляет около 1/100 тока, необходимого для зажигания светодиода (около 10 мА), и поэтому неудивительно, что ничего не происходит!

Эксперимент 3 — Транзисторный усилитель
Мы слышали, что транзистор может усиливать примерно в 100 раз, поэтому мы можем использовать это свойство для усиления сигнала от небольшого тока, протекающего через тело, чтобы он мог зажечь светодиод.

Аккуратно подключите простую транзисторную схему, показанную на рис. 3. Когда один палец одной руки помещается на положительную клемму батареи, а другой палец другой руки соединяется с базой транзистора, возникает небольшой ток (величиной, мы только что подсчитали – около 0,1 мА) поступает в цепь ВЕ транзистора. Из-за коэффициента усиления транзистора это создает ток CE (где подключен светодиод) примерно в 100 раз больше:

0,0001 х 100 = 0,01А = 10мА и так горит светодиод!!

Эксперимент 4 — Пара Дарлингтона
Итак, что произойдет, если у нас есть два транзистора в каскаде (один питает другой)? Это действительно возможно и называется парой Дарлингтона, см. рис. 4. Опросите студентов/учеников, какой, по их мнению, будет общий выигрыш от такой системы. Например, будет ли это 2 х 100 = 200 или 100 х 100 = 10 000 раз (см. примечание 4). Попробуйте заставить весь класс сформировать человеческую цепочку, взявшись за руки, с одной рукой от первого и одной рукой от последнего человека, чтобы установить связь между положительными 9Соединение батареи V и основание пары Дарлингтона (см. примечание 4 ниже).

Резюме
Я нашел эту небольшую демонстрацию наиболее эффективным способом демонстрации работы транзистора. Пожалуйста, убедитесь, что студенты/ученики понимают, что из соображений безопасности эксперименты должны проводиться только с использованием батареек (см. примечание (1) ниже). В этих очень простых экспериментах мы использовали транзистор в качестве усилителя. Чтобы усилить более тонко меняющиеся сигналы (а не те, которые просто включаются или выключаются), такие как аудио или радио, нам нужно «сместить» транзистор, чтобы могло иметь место линейное усиление (с меньшими искажениями). Эти следующие важные шаги здесь не рассматриваются, но подробности можно найти в рекомендуемых материалах для чтения в справочном разделе в конце этой статьи.

Компоненты и детали
1) 2 транзистора NPN: большинство транзисторов NPN будут работать, например. BC109C
2) 1 светодиод; подойдет любой светоизлучающий диод LED
3) Аккумулятор PP3 9V
4) Резистор 560 Ом (любая мощность)
5) 100 кОм (см. примечание (4))
6) провод для соединений (пригодятся крокодилы)

Благодарности
Я хотел бы поблагодарить многих студентов и учеников, которые помогли в этих демонстрациях, и, в частности, я хотел бы посвятить эту статью памяти Яна Миринга, который работал в школе Ангмеринг (Западный Суссекс). Я также хотел бы поблагодарить NESTA (Национальный фонд науки, технологий и искусства) за поддержку.

Ссылки и веб-сайты:
1) По физике транзистора см. следующие хорошие книги:

Essential Theory for the Electronics Hobbyist , GT Rubaroe, 1988. ISBN 0

2 69 4
From Atoms to Amperes , F. A. Wilson, ISBN 0 1959934 2
Квантовая физика , Р. Эйсберг и Р. Резник, 1985. ISBN 0 471 87373 X

2) информацию о Нобелевской премии по физике 1956 года: «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта» см. на веб-сайте:
Нобелевская премия 1956 г.

информацию о Нобелевской премии по физике 2000 г. : «за фундаментальную работу в области информационных и коммуникационных технологий» см. на веб-сайте:
Нобелевская премия 2000 г.

3) подробнее о CSC Xmas LED W/S см.: Рождественский светодиод W/S

Примечания
1) Поскольку в этих экспериментах используется человеческое тело, необходимо учитывать опасность поражения электрическим током. С батареей 9V PP3 эти эксперименты полностью безопасны. Эти эксперименты должны проводиться только с батареями. Ни в коем случае не следует использовать источник питания от сети или «выпрямитель батареи».

2) Тело человека не похоже на стандартный резистор. Наиболее важным является сопротивление контакта с кожей, и это будет зависеть от присутствующей влаги (например, сладкого и т. д.). Если ваша аудитория особенно «прохладна» (или, возможно, это не очень влажный день), то контактное сопротивление можно уменьшить (и улучшить этот эксперимент), слегка смочив пальцы (водопроводной водой или слюной).

3) Уже несколько лет я провожу мастер-классы по рождественским светодиодам для маленьких детей. Идея состоит в том, чтобы научить их компонентам, последовательным и параллельным цепям, подключению светодиодов и т. д. Мы подключаем от 4 до 6 светодиодов, а дети украшают самодельные открытки и новогодние елки! Демонстрация транзистора началась как часть этого семинара.

4) Демонстратор должен знать, что если положительный источник питания напрямую касается базы и происходит короткое замыкание на положительный источник питания, проходящий ток повредит транзистор(ы). В парной схеме Дарлингтона, например, резистор на 100 кОм должен быть включен последовательно с базовой цепью для ограничения тока (резистор вряд ли повлияет на работу схемы, потому что усиление очень велико, около 100 x 100 = 10 000!).

5) Практическое использование такой схемы может включать: i) в качестве простого тестера транзисторов ii) в качестве детектора влажности при проверке стен в старых домах или iii) в качестве выключателя света для светодиодного фонарика (который загорается только тогда, когда фонарик проводится) и др.