Транзистор очень важное устрой­ство, которое является сердцем элект­ронных цепей. Он может быть подсое­динен к цепи отдельно или быть в составе интегральной микросхемы, созданной на полупроводниковом кри­сталле. Транзисторы бывают двух ви­дов: с р—п-переходами (биполярные) и полевые. Здесь будут рассмотрены только транзисторы с р—n-перехо­дами.

Биполярный транзистор состоит из двух р—n-переходов, приложенных друг к другу. Эта конструкция «сэнд­вича» может иметь материал либо р- типа, либо п-типа в качестве «начин­ки» средней части, как показано на рисунке 1.

Такой вид транзистора имеет три вывода, называемые эмит­тером е, базой b и коллектором с; база b является «начинкой» в этом сэндвиче и имеет толщину всего лишь несколько микрометров. Стрелка, обозначенная на вводе эмиттера, по­казывает направление условного тока (т. е. положительных зарядов, или «дырок»); электроны, конечно, дви­жутся в противоположном направле­нии. Таким образом, стрелка всегда направлена в сторону материала n-ти­па. На рисунке 2 показаны услов­ные обозначения выводов транзистора.

Для работы транзистора вывод ба­зы должен быть соединен так, чтобы один из р—n-переходов был прямого смещения, т. е. потенциал к нему под­водился таким образом, чтобы он про­водил. Другой р—n-переход должен иметь обратное смещение, т. е. не про­водить (рис. 3). На соединении эмиттер — база обедненный слой уменьшился, поскольку оно имеет пря­мое смещение, а обедненный слой в соединении коллектор — база увели­чился. Результатом этого является ма­лый ток базы I_b, от базы к эмиттеру и гораздо больший коллекторный ток I_с между коллектором и эмиттером. По первому закону Кирхгофа должно быть ясно, что ток эмиттера I_e = I_b + I_c

Транзистор как усилитель тока

Хотя две отдельные батареи, по­казанные на рисунке 3, создают правильные с’мещения на каждом р— n-переходе, но разделение батарей не­обязательно. На рисунке 4 показан способ включения n—р—n-транзисто­ра по схеме с общим эмиттером с лампочкой L₁ в контуре коллектор — эмиттер и лампочкой L₂ с резистором R (обычно 1 кОм) в контуре база — эмиттер.

Примечание.

Вывод базы у всех транзисторов должен быть соединен с коллектором через токоограничиваю­щий резистор, предохраняющий тран­зистор от повреждения и обеспечи­вающий нужный потенциал на базе. Коллектор n—р—n-транзистора дол­жен быть подсоединен к положитель-- ному выводу батареи, а у р—n—р- транзистора должен соединяться с ее отрицательным выводом.

Когда выключатель S замкнут, то лампочка L₁ загорается, а лампочка L₂ нет. Малый ток проходит через L₂, но он слишком мал, чтобы зажечь эту лампочку. Это может быть продемон­стрировано, если выкрутить лампочку L₂; L₁ немедленно гаснет, поскольку разрывается цепь базы. Возвращение лампочки L₂ на место «включит» ма­лый ток базы I_h (скажем, 0,5 мА). позволяющий большому току коллек­тора I_с (скажем, 50 мА) идти через лампочку L₁, которая ярко загорается. Небольшие изменения в токе базы уп­равляют «большими» изменениями то­ка в контуре коллектора, и поэтому транзистор действует как усилитель тока. Усиление тока h_FE равно отно­шению I_с/I_ь; в вышеприведенном при­мере h_FE составляет 100.

Транзистор как включающее устрой­ство

Транзистор может применяться как включающее приспособление. Любое устройство, которое может «включить» малый ток в контуре базы транзисто­ра, вызовет большой ток в контуре кол­лектора. Этот ток может заставлять работать лампочку, громкоговоритель или реле. Реле может в свою очередь привести в действие звонок или дви­гатель и пр. Преобразователи (при­способления для преобразования энер­гии из одной формы в другую), такие, как фотоэлементы, термисторы и мик­рофоны, могут быть использованы для генерирования малых электрических токов при воздействии света, теплоты и звука соответственно. Два способа включения транзистора: с помощью элемента, как на рисунке 3, или отдельного резистора, как на рисунке 4,— на практике заменяются при­менением делителя напряжения, пока­занного на рисунке 5, а. В этом случае выбираются два резистора та­ким образом, что к базе прилагается соответствующее напряжение смеще­ния. Подбором подходящих значений для R₁ и R₂ может быть подобран и потенциал X для включения транзи­стора. Простой числовой пример, иллюстрирующиГгпринцип работы дели­теля напряжения, показан на рисун­ке 5, б.

На рисунке 6 показаны простые цепи автоматических выключателей, работающих под воздействием света и теплоты. На рисунке 6, а в дели­теле напряжения резистор R₂ заменен фоторезистором, например ORP 12, сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падаю­щего на него света. Его сопротивле­ние меняется от 10 мОм в полной тем­ноте примерно до 150 Ом на ярком свету. Если ORP 12 прикрыт или нахо­дится в темноте, то потенциал на ба­зовом выводе транзистора достаточно велик и обеспечивается его проводи­мость, поэтому лампочка загорается. Когда на ORP 12 падает свет, то на базе транзистора потенциал уменьша­ется и лампочка выключается. Такая цепь может быть использована для автоматического включения парковочных огней на стоянке автомобиля при наступлении сумерек. Если поменять местами R₁ и ORP 12, то эта цепь может работать как система, опове­щающая об ограблении, которая вклю­чается от света фонарика, используе­мого грабителем, или же при включе­нии освещения в комнате. В обоих вариантах этой цепи фиксированный резистор R₁ может быть заменен пе­ременным сопротивлением (10 кОм или более), чтобы чувствительность цепи могла быть регулируемой соот­ветственно изменяющимся условиям.

В цепи с выключателем под воздей­ствием теплоты (рис. 6) R₁ заме­няется термистором и включается пе­ременное сопротивление R₂ - Эта цепь может быть использована как простая противопожарная система. Когда тер­мистор нагревается, его сопротивле­ние падает, включая таким образом транзистор. Это приводит в действие реле, которое замыкает контакты, и звенит звонок.

Примечание.

 К катушке реле дол­жен быть подсоединен диод D, как показано, с тем чтобы уберечь тран­зистор от импульса самоиндукции, когда он выключается. Применяется такой тип термистора, сопротивление которого уменьшается с повышением температуры (см. график на рисунке 6, б). Типичными значениями из­менения сопротивления термисторов при перепаде температур от 25 °С до 125 °С являются переходы от 4 кОм до 200 Ом, от 1 кОм до 36 Ом или даже от 380 Ом до 30 Ом в зависимости от применяемого тина. Нели поменять местами в цепи термистор и изме­няемое сопротивление, то звонок за­звенит, когда температура упадет ни­же заранее заданного значения. Про­тивопожарная система может быть превращена в приспособление, пре­дупреждающее о холоде, который мо­жет наступить в парнике, уведомляя садовника о заморозках.

Датчик, предупреждающий о выпа­дении дождя (или увеличении влаж­ности), может быть изготовлен из двух оголенных медных проводов. Два про­вода (или полоски металла) разде­ляются небольшим промежутком, но если дождь (или влага) перекрывает этот промежуток, то контакт замы­кается и возникает проводимость. При замыкании контактов датчика дождя R₁ (рис. 5), когда выпадает дождь, зажигается лампочка, а когда сухо, она не горит.

Схема временной задержки

Если в схеме, показанной на ри­сунке 5, а, резистор R₂ заменить конденсатором, то получится простей­шая схема временной задержки, т. е. таймер. На рисунке 7 показана простая зависящая от времени схема «ВКЛ—ВЫКЛ». Когда переключа­тель стоит в положении «ВЫКЛ», пол­ностью заряженный конденсатор будет разряжаться с течением времени так, как показано на графике а. Если же переключатель находится в положении «ВКЛ», напряжение (потенциал) на конденсаторе будет возрастать в соот­ветствии с графиком б. Когда потен­циал базы достигнет требуемого уров­ня, транзистор включается и лампа в цепи коллектора загорается.

Практическими применениями по­добных схем являются таймеры для варки яиц и фотовыдержки. Таймер может быть использован для включе­ния света через определенное время после того, как вы покинули комнату. Цепь временной задержки, соединен­ная с реле, может закрыть дверь или выключить лампочку через заранее ус­тановленное время.

Время, за которое напряжение на конденсаторе поднимается до 63% от его максимума, называется постоян­ной времени (см. рис. 7, б). По­стоянная времени t (в секундах) для резистора и конденсатора, соединен­ных последовательно, определяется по формуле t = CR, где С — это емкость, выраженная в фарадах, a R — сопро­тивление в омах.