Опыты с транзистором

В этого урока я сказал, что биполярный транзистор можно представить себе как два включенных встречно плоскостных диода, совмещенных в одной пластине полупроводника. В этом нетрудно убедиться на опытах, для которых потребуется любой бывший в употреблении, но не испорченный германиевый низкочастотный транзистор структуры р - n - р, например МП39 или подобные ему транзисторы МП40 - МП42 (коих сейчас великое множество в старых бросовых телевизорах, транзисторных радиоприемниках и т.д., т.е. покупать как правило ничего не нужно, а если и прийдется, то за копейки). Между коллектором и базой транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л или другой источник питания на 4,5 В и лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 2,5 В и ток 0,075 или 0,15 А (рис. 1). Если положительный полюс батареи (GB окажется соединенным (через лампочку) с коллектором, а отрицательный - с базой (рис. 1, а), то лампочка должна гореть. При другой полярности включения батареи (рис. 1, б) лампочка гореть не будет. Как объяснить эти явления?

Сначала на коллекторный р - n переход вы подавали прямое, т. е. пропускное напряжение. В этом случае коллекторный р - n переход открыт, его сопротивление мало и через него течет прямой ток коллектора Iк. Значение этого тока в данном случае определяется в основном сопротивлением нити накала лампочки и внутренним сопротивлением батареи. При другом включении батареи ее напряжение подавалось на коллекторный переход в обратном, непропускном направлении. В этом случае переход закрыт, его сопротивление велико и через него течет лишь небольшой обратный ток коллектора Iкбо У исправных маломощных низкочастотных транзисторов обратный ток коллектора не превышает 30 мкА. Такой ток, естественно, не мог накалить нить лампочки, поэтому она и не горела. Проведите аналогичный опыт с эмиттерным р - n переходом. Результат будет таким же: при обратном напряжении переход будет закрыт - лампочка не горит, а при прямом напряжении он будет открыт - лампочка горит.

Следующий опыт, иллюстрирующий один из режимов работы транзистора, проводите по схеме, показанной на (рис. 2). Между эмиттером и коллектором транзистора включите последовательно соединенные батарею 3336Л и ту же лампочку накаливания. Положительный полюс батареи должен соединяться с эмиттером, а отрицательный - с коллектором (через нить накала). Горит лампочка? Нет, не горит. Соедините про - волочной перемычкой базу с эмиттером, как показано на схеме штриховой линией. Лампочка, включенная в коллекторную цепь транзистора, тоже не будет гореть. Удалите перемычку, а вместо нее подключите к этим электродам последовательно соединенные резистор Rб сопротивлением 200-300 Ом и один гальванический элемент Gб, например, типа миниатюрной пальчиковой батарейки от китайского карманного приемника, но так, чтобы минус элемента был на базе, а плюс - на эмиттере. Теперь лампочка должна гореть. Поменяйте местами полярность подключения элемента к этим электродам транзистора. В этом случае лампочка гореть не должна. Повторите несколько раз этот опыт и вы убедитесь в том, что лампочка в коллекторной цепи будет гореть только тогда, когда на базе транзистора относительно эмиттера действует отрицательное напряжение. Разберемся в этих опытах. В первом из них, когда вы, соединив перемычкой базу с эмиттером, замкнули накоротко эмиттерный переход, коллекторный переход стал просто диодом, на который подавалось обратное напряжение. Через транзистор шел лишь незначительный обратный ток коллекторного перехода, который не мог накалить нить лампочки. В это время транзистор находился в закрытом состоянии. Затем, удалив перемычку, вы восстановили эмиттерный переход. Первым включением элемента между базой и эмиттером вы подали на эмиттерный переход прямое напряжение. Эмиттерный переход открылся, и через него пошел прямой ток, который открыл второй переход транзистора - коллекторный. Транзистор оказался открытым и по цепи эмиттер - база - коллектор пошел коллекторный ток транзистора Iк, который во много раз больше тока цепи эмиттер - база. Он - то и накалил нить лампочки. Когда же вы изменили полярность включения элемента на обратную, то его напряжение закрыло эмиттерный переход, а вместе с тем закрылся и коллекторный переход. При этом ток транзистора почти прекратился (присутствовал только обратный ток коллектора) и лампочка не горела.

Какова роль резистора Rб? В принципе этого резистора может и не быть. Я же рекомендовал включить его исключительно для того, чтобы ограничить ток в базовой цепи. Иначе через эмиттерный переход пойдет слишком большой прямой ток, в результате чего может произойти тепловой пробой перехода и транзистор выйдет из строя (по аналогии со стабилитроном, этим резистором можно задавать режимы работы транзистора, выводя его на линейный участок ВАХ, но об этом позже). Если бы при проведении этих опытов в базовую и коллекторную цепи были включены измерительные приборы, то при закрытом транзисторе токов в его цепях почти не было бы, При открытом же транзисторе ток базы Iб был бы не более 2 - 3 мА, а ток коллектора Iк составлял 60 - 75 мА. Это означает, что транзистор может быть усилителем тока. В этих опытах транзистор был в одном из двух состояний: открытом или закрытом. Переключение транзистора из одного состояния в другое происходило под действием напряжения на базе Uб. Такой режим работы транзистора, проиллюстрированный графиками на (рис. 2), называют режимом переключения или, что то же самое, ключевым. Такой режим работы транзисторов используют в основном в приборах и устройствах электронной автоматики. В радиовещательных приемниках и усилителях транзисторы работают в режиме усиления. Отличается он от режима переключения тем, что, используя малые токи в базовой цепи, мы можем управлять значительно большими токами в коллекторной цепи транзистора.

Иллюстрировать работу транзистора в режиме усиления можно следующим опытом (рис.3). В коллекторную цепь транзистора V включим электромагнитный телефон В1, а между базой и минусом источника питания GB (батарея 3336Л) - резистор Rб сопротивлением 200 - 250 кОм. Второй телефон В2 подключим к участку база - эмиттер транзистора, но через конденсатор Ссв. емкостью 0,1 - 0,5 мкФ. У вас получится простейший усилитель, который может выполнять, например, роль одностороннего телефонного аппарата. Если ваш приятель будет негромко говорить перед телефоном В2, включенным на входе усилителя, его разговор вы будете слышать в телефоне В1, включенном на выходе усилителя. На вход усилителя вместо телефона В2 можно подать любой другой слабый электрический сигнал. Тогда в телефоне В1 он будет хорошо и достаточно громко прослушиваться. В качестве В1, В2, можно использовать телефоны от старых телефонных аппаратов, с маркировкой (ТОН-1, ТОН-2 и др.). Для наших опытов желательно парочку разыскать, чтобы они были в вашем арсенале. Каковы здесь функции резистора Rб и конденсатора Ссв.? Через резистор Rб на базу транзистора от батареи питания GB подается небольшое отрицательное напряжение, называемое напряжением смещения, которое открывает транзистор и тем самым обеспечивает ему работу в режиме усиления. Без начального напряжения смещения эмиттерный р - n переход транзистора будет закрыт и, подобно диоду, будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиление будет сопровождаться искажениями. А конденсатор Ссв. выполняет функцию связующего элемента между телефоном В2 и базой транзистора. Он беспрепятственно пропускает колебания звуковой частоты и преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону. Без такого разделительного конденсатора база транзистора по постоянному току оказалась бы соединенной с эмиттером и режим усиления был бы нарушен (этот конденсатор так и называют конденсатором связи, среди радиолюбителей можно еще услышать такое понятие как проходной).

В этом опыте на вход усилителя подавалось переменное напряжение звуковой частоты, источником которого был телефон, преобразующий, как микрофон, звуковые колебания в электрические (на рис. 3 - график а). Это напряжение создавало в цепи эмиттер - база колебания постоянного тока (график б), которые управляли значительно большим током в коллекторной цепи (график в). Происходило усиление входного сигнала. Усиленный же транзистором сигнал преобразовывался телефонами В1, включенными в цепь коллектора, в звуковые колебания с помощью мембраны. Транзистор работал в режиме усиления. Процесс усиления в общих чертах происходит следующим образом. При отсутствии напряжения входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (на рис. 3 - левые участки графиков б и в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора. Как только в цепи базы появляется сигнал, соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора: во время отрицательных полупериодов, когда суммарное отрицательное напряжение на базе возрастает, токи цепей увеличиваются, а во время положительных полупериодов, когда напряжения сигнала и смешения противоположны и, следовательно, отрицательное напряжение на базе уменьшается, токи в обеих цепях тоже уменьшаются. Происходит усиление по напряжению и току. Если нагрузкой транзистора будут не телефоны, а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления. Один транзистор может усилить сигнал в 30 - 50 раз. Точно так работают и транзисторы структуры n - p - n. Но для них полярность включения батареи, питающей цепи базы и коллектора, должна быть не такой, как у p - n - р транзиторов, а обратной поэтому n - p - n транзисторы еще называют обратными. Нужно запомнить: для работы транзистора в режиме усиления на его базу (относительно эмиттера) вместе с напряжением усиливаемого сигнала обязательно должно подаваться постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор и устраняющее искажение типа ступенька, к этому типу искажений сигнала мы еще вернемся. Для германиевых транзисторов оно должно составлять 0,1-0,2 В, а для кремниевых транзисторов 0,5-0,7 В. Напряжение смещения на базу не подают лишь в тех случаях, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

В дополнение к практической работе, было бы неплохо разобраться с методикой первичной проверки транзистора на работоспособность!!!