Чарльз Платт – Электроника для начинающих (2-е издание) (страница 26)

Рис. 2.89. Компоновка макетной платы для первого эксперимента с транзистором

Вставьте транзистор в макетную плату со светодиодом и резистором на 470 Ом, как показано на рис. 2.89. Убедитесь в том, что длинный вывод светодиода обращен влево, как отмечено символом «:+». Также проверьте, что пластмассовый корпус транзистора обращен плоской стороной вправо. Если у вас транзистор в металлическом корпусе, то лепесток, выступающий из корпуса, должен быть направлен вниз и влево.

Заметьте, что у двух проводов, расположенных в нижнем левом углу на плате, удалено чуть больше изоляции. Если у вас готовые перемычки, то нужно согнуть у каждой один из выводов так, чтобы на поверхности макетной платы оказался участок оголенного проводника перемычки.

Теперь самое интересное. Коснитесь пальцем оголенных участков двух перемычек, как показано на рис. 2.90, и наблюдайте за светодиодом. Если ничего не произошло, немного увлажните палец и попробуйте снова. Чем сильнее вы будете нажимать, тем ярче будет светить светодиод. Транзистор усиливает слабый ток, который протекает через ваш палец. Данный принцип положен в основу сенсорных кнопок.

Рис. 2.90. Прикоснитесь пальцем к оголенным участкам проводов и светодиод загорится

Никогда не касайтесь контактов двумя руками сразу

Демонстрация переключения кончиком пальца безопасна, если электрический ток проходит только через ваш палец. Вы даже не ощутите его, потому что напряжение батареи всего 9 В. Но гораздо опаснее, если вы коснетесь одного провода пальцем одной руки, а второго – пальцем другой руки. В результате электрический ток потечет через ваше тело. И хотя в этой схеме ток очень слабый и не представляет для вас реальной угрозы, никогда не следует дотрагиваться до электрических цепей одновременно двумя руками. Кроме того, если вы касаетесь проводов, не допускайте, чтобы они пронзали вашу кожу. Это также означает, что вы не должны прикладывать напряжение к любым металлическим украшениям, закрепленным в вашем теле.

Принцип действия сенсорного выключателя

Взгляните на рис. 2.91, где показаны только активные соединения внутри макетной платы и скрыты незадействованные в этом эксперименте. Обратите внимание на то, что нижний вывод транзистора соединен через макетную плату со светодиодом, а затем через резистор номиналом 470 Ом с отрицательной шиной. Таким образом, через транзистор к светодиоду может течь достаточный ток.

Рис. 2.91. Макетная плата сенсорного выключателя (показаны внутренние проводники)

Откуда же взялся этот ток? Небольшой ток прошел через кожу вашего пальца к центральному выводу транзистора. Но его явно недостаточно, чтобы зажечь светодиод.

Существует только одно подходящее объяснение. У транзистора есть еще третий вывод, изображенный сверху, который подключен к положительной шине питания. Электрический ток поступает в транзистор через этот вывод. А затем каким-то образом этот поток электричества управляется небольшим током, который поступает через ваш палец в центральный вывод транзистора. Сказанное иллюстрирует рис. 2.92.

Рис. 2.92. Принцип действия n-p-n-транзистора

Кстати, этот эффект сильно отличается от поведения конденсатора, которое вы наблюдали в предыдущем эксперименте. Конденсатор пропускал только короткий импульс электрического тока. Транзистор управляет непрерывно протекающим током.

Разновидности транзисторов

Компонент, который вы использовали в рассмотренном эксперименте – это биполярный транзистор. Он существует в двух вариантах: n-p-n и p-n-p. Транзистор n-p-n-структуры, с которым вы только что экспериментировали, образован тремя слоями кремния, из которых два n-слоя имеют избыток носителей отрицательного заряда. Третий слой, расположенный между первыми двумя, является p-слоем с избытком носителей положительного заряда. Я не буду вдаваться в подробности и рассказывать о физических процессах, происходящих в транзисторе. В этой книге гораздо важнее выяснить, что именно делает транзистор, а не привести теорию, которая объясняет его функционирование. Интересующие вас теоретические сведения можно самостоятельно отыскать в любой технической книге или в онлайн-источниках.

Три вывода биполярного n-p-n-транзистора называются «коллектором», «базой» и «эмиттером» (рис. 2.93).

Когда база n-p-n-транзистора оказывается немного более положительной, чем эмиттер, ток от положительного полюса источника питания поступает через коллектор и выходит через эмиттер. В этом случае очень слабый ток, поступающий в базу транзистора, может управлять более сильным током, проходящим через коллектор.

Рис. 2.93. Расположение трех выводов биполярного n-p-n транзистора в пластиковом (слева) и в металлическом (справа) корпусе

Транзистор p-n-p-типа работает противоположным способом. Ток поступает через эмиттер и выходит через коллектор к отрицательному полюсу источника, когда база немного отрицательнее, чем эмиттер. Транзисторы p-n-p-типа иногда оказываются более удобными, но они встречаются реже. Я не буду использовать их в книге.

Четыре варианта условного обозначения n-p-n-транзистора показаны на рис. 2.94. Все они функционально идентичны. Буквы С, В и Е соответствуют выводам коллектора, базы и эмиттера.

Четыре варианта условного обозначения p-n-p-транзистора приведены на рис. 2.95. Они тоже взаимозаменяемы.

Рис. 2.94. Варианты обозначений n-p-n-транзистора

Рис. 2.95. Варианты обозначений p-n-p-транзистора

Символы транзисторов p-n-p- и n-p-n-типа легко перепутать, но есть простой способ запомнить правильный вариант. Стрелка в символе n-p-n-транзистора указывает наружу и никогда внутрь[8]. Поэтому можно считать, что обозначение n-p-n является сокращением фразы never pointing in («никогда не указывает внутрь»).

Добавляем потенциометр

Чтобы узнать больше о том, как работает транзистор, нам понадобится более стабильный компонент, чем кончик вашего пальца. С этой работой справится потенциометр, но не такой большой, с каким вы встречались ранее (см. рис. 1.11), а подстроечный потенциометр, изображенный на рис. 2.22.

Несмотря на то, что потенциометры различаются по форме и размеру, все они имеют три контакта. Функции выводов любого потенциометра одинаковы. Средний вывод всегда соединяется с движком внутри потенциометра, а два других вывода соединяются с каждым из концов внутренней резистивной дорожки.

Когда вы вставляете подстроечный потенциометр в макетную плату, каждый вывод должен подключаться к отдельному ряду отверстий платы. Это правило иллюстрирует рис. 2.96. В верхней части рисунка я нарисовал вид сверху для трех типов подстроечного потенциометра, включая многовитковый; и хотя я его не рекомендую, возможно, однажды вы с ним столкнетесь. Контакты не видны сверху, но я показал их расположение так, как если бы вы видели их сквозь компонент. Расположение контактов может быть разным, но их всегда три и они должны отстоять друг от друга на 2,5 мм по вертикали.

Изображенные в нижней части рисунка два примера «Да» будут работать, потому что каждый вывод соединен с отдельным рядом отверстий в макетной плате. Два примера «Нет» неприемлемы, потому что пара контактов окажется замкнутой друг с другом из-за наличия внутренних проводников макетной платы.

Рис. 2.96. Подстроечные потенциометры трех типов и примеры их установки на макетной плате

Рис. 2.97. Макет установки для исследования транзистора с помощью потенциометра

Разобравшись с устройством подстроечного потенциометра, мне хотелось бы, чтобы вы добавили потенциометр номиналом 500 кОм к вашей схеме с транзистором так, как показано на рис. 2.97. Подключите питание и с помощью небольшой отвертки поверните движок потенциометра до упора по часовой стрелке, а затем таким же образом против часовой стрелки. Заметьте, что если в начале эксперимента светодиод погашен, то при небольшом повороте винта потенциометра светодиод начинает светиться.

Рис. 2.98. Электрическая схема установки для исследования транзистора с помощью потенциометра

Рис. 2.99. Номиналы компонентов, установленных на макетной плате

Взглянем на схему, изображенную на рис. 2.98, где показаны те же соединения, что и на макетной плате, но в более понятном виде. Номиналы компонентов указаны на рис. 2.99.

Потенциометр подключен между положительной и отрицательной шинами питания. При таком подключении он работает в качестве делителя напряжения. Когда движок находится на одном конце дорожки, он подключается непосредственно к положительному полюсу источника питания. На другом конце дорожки он подключен напрямую к отрицательному заземлению. В промежуточных положениях он делит напряжение источника питания в некоторой пропорции. Потенциометры часто включают таким способом.

Я уже упоминал, что светодиод не зажигается, когда вы только начинаете перемещать движок потенциометра от минуса к плюсу. Наверное, вы считаете, что он не получает достаточно энергии? Не совсем так. Биполярный транзистор «удерживает» часть энергии в качестве «платы» за свои услуги. Он не будет реагировать, если напряжение на базе не станет выше, чем напряжение на эмиттере примерно на 0,7 В. Говорят, что в таком режиме транзистор обладает положительным смещением. Сказанное иллюстрирует рис. 2.100.