Решил завести интересную рубрику на блоге «Простыми словами» — будем здесь говорить о сложных вещах. Но конечно самое интересное, это комментарии, где вы высказываете свои мысли и дополните эту статью. Иной раз читаешь интересные материалы в сети и больше в них интересного это комментарии. Жду всех к обсуждению, а мы «погнали».
И начнем с фундаментального элемента всей современной электроники — транзистора. Вы узнаете, что это такое, как он работает и почему без него не обходится ни одна схема — от простой мигалки до сложного компьютера.
Что такое транзистор и зачем он нужен
Можно представить себе обычный водопроводный кран. Вы небольшим усилием поворачиваете его ручку, и из трубы начинает течь мощный поток воды. Транзистор — это такой же «кран», но только для электрического тока. Он позволяет с помощью небольшого слабого сигнала управлять гораздо более сильным потоком электронов.
Если говорить более научно, транзистор — это полупроводниковый прибор, который может усиливать электрические сигналы, генерировать их и работать как быстродействующий переключатель, включая и выключая ток в цепи. Именно это свойство управлять большим током с помощью малого сигнала совершило революцию в середине XX века, отправив в прошлое громоздкие и неэффективные электронные лампы. Сегодня транзисторы — это основа всего: от процессоров в вашем смартфоне, где миллиарды микроскопических транзисторов работают вместе, до мощных систем управления электродвигателями.
Устройство и принцип работы биполярного транзистора
Этот тип транзистора называют «биполярным», потому что в его работе участвуют сразу два типа носителей заряда — электроны и «дырки» (условные положительные заряды). Его можно представить как бутерброд из трех кусочков полупроводника с разной проводимостью, которые чередуются. В зависимости от порядка чередования бывают транзисторы n-p-n и p-n-p типа.
Три части этого «бутерброда» называются:
- Эмиттер — «источник» носителей заряда.
- База — очень тонкий средний слой, которым и осуществляется управление.
- Коллектор — «собиратель» носителей заряда.
Принцип работы простыми словами выглядит так. Допустим, у нас транзистор n-p-n типа. Чтобы он открылся и пропустил ток от коллектора к эмиттеру, нам нужно подать на базу небольшое положительное напряжение. Это как чуть-чуть приоткрыть кран. Маленький ток базы позволяет открыть путь для большого тока коллектора. Чем сильнее мы «открываем» базу (подаем больший ток), тем сильнее течет ток через коллектор и эмиттер. Это и есть режим усиления. Если же убрать напряжение с базы, транзистор «закроется», и ток прекратится — вот вам и функция переключателя.
Как работает полевой транзистор
Если биполярный транзистор управляется током, то полевой (его еще называют униполярным) — напряжением. Это ключевое отличие делает его еще более экономичным, так как цепь управления практически не потребляет тока. Его работа основана на воздействии электрического поля, что и дало название этому прибору.
У полевого транзистора тоже три вывода, но называются они иначе:
- Исток — через него носители заряда входят в канал (аналог эмиттера).
- Сток — через него носители заряда выходят из канала (аналог коллектора).
- Затвор — управляющий электрод (аналог базы).
Представьте себе шланг, по которому течет вода. Если наступить на него, поток воды уменьшится или совсем прекратится. Затвор в полевом транзисторе действует похожим образом. На него подается напряжение, которое создает электрическое поле. Это поле сужает или расширяет канал внутри транзистора, по которому течет ток от истока к стоку, тем самым управляя его силой. Чем больше напряжение на затворе, тем шире канал и тем больший ток может пройти. Основное преимущество такой схемы — колоссальное входное сопротивление. Управляющая цепь (затвор) забирает ничтожно мало мощности от источника сигнала, что делает полевые транзисторы идеальными для сложных микросхем и энергоэффективных устройств.
Что такое силовые транзисторы
Когда речь заходит об управлении мощными нагрузками — большими токами и высокими напряжениями — на сцену выходят силовые транзисторы. Это не какой-то отдельный тип, а скорее семейство специально сконструированных приборов, способных выдерживать серьезные нагрузки. Они используются в качестве полностью управляемых ключей в силовой электронике.
Среди них можно выделить несколько основных классов:
- MOSFET — это полевые транзисторы, которые отлично подходят для высокочастотных импульсных источников питания благодаря очень быстрому переключению. Они управляются напряжением и могут коммутировать токи до десятков ампер.
- IGBT — гибридный прибор, который сочетает в себе лучшие черты биполярных и полевых транзисторов. Как и полевой, он имеет высокоомный вход и управляется напряжением, но при этом, как биполярный, способен пропускать очень большие токи (до сотен и тысяч ампер) с малым падением напряжения. Именно IGBT сегодня лидируют в таких областях, как промышленные инверторы, приводы электродвигателей и сварочные аппараты.
- Биполярные силовые транзисторы — классика, которая раньше использовалась повсеместно. Их основной недостаток — необходимость в сравнительно большом токе базы для управления, что приводит к дополнительным потерям и усложнению схемы управления.
Транзистор в деле — мультивибратор
Теперь, когда мы знаем теорию, давайте посмотрим, как транзистор оживает в реальной схеме. Классической «первой серьезной поделкой» для многих радиолюбителей является мультивибратор — простейший генератор импульсов, который можно собрать всего на двух транзисторах. Его классическое применение — схема с двумя мигающими светодиодами.
Принцип работы этой схемы красив и прост. Представьте два транзистора, которые по очереди «открываются» и «закрываются». Когда один открыт — его светодиод горит, а второй в этот момент закрыт и его светодиод не светится. Процесс напоминает качание качелей: конденсаторы в схеме постоянно заряжаются и разряжаются, передавая управляющий «эстафету» от одного транзистора к другому. Скорость этого переключения (частота мигания) зависит от номиналов конденсаторов и резисторов в цепи. Собирая такую схему, вы на практике видите, как транзисторы работают не просто как выключатели, а как активные элементы, способные создавать сложные, циклические процессы.
Что же может делать транзистор
Как вы уже поняли, возможности этого маленького «чуда» полупроводниковой физики поистине безграничны. Подведем краткий итог:
- Усиление. Транзистор может усиливать слабые сигналы. Маленькое изменение напряжения на базе (или затворе) вызывает значительное изменение тока в коллекторной (стоковой) цепи. Это используется в аудиоусилителях, радиоприемниках и измерительных приборах.
- Ключевой режим. Это самый распространенный режим в цифровой технике. Транзистор работает как быстродействующий выключатель: либо полностью открыт (логическая «1»), либо полностью закрыт (логическая «0»). Миллиарды таких ключей в микропроцессорах позволяют компьютерам производить вычисления.
- Генерация. Транзисторы входят в основу схем, которые генерируют электрические колебания самой разной формы и частоты. Наш пример с мультивибратором — лишь один из многих. Генераторы используются в часах, радиопередатчиках, импульсных блоках питания.
Жду в комментарии — они интереснее, чем статья! И что я забыл рассказать? Будет конечно вторая часть.
Читайте также:
