Электронный компонент:Транзистор
Азы электроники: Как работают транзисторы[1]
Транзисторы – это полупроводниковые устройства с тремя контактами. Транзисторы могут выступать либо в виде усилителей (т.е. устройств, с помощью которых усиливается электроток), либо в виде переключателей (т.е. устройств, позволяющих включать/выключать электроток).
На картинке ниже показаны разные виды транзисторов:
Полупроводники
Транзисторы делаются из кремния, который является полупроводниковым материалом. Полупроводник – это материал, который не является чистым проводником. Его сопротивление выше, чем у проводника, но гораздо ниже, чем у диэлектрика (непроводника).
Полупроводники N-типа
В кремний можно добавить примеси, после чего он начнет работать немного по-другому. Этот процесс называется «допированием».
Если мы допируем кремний химическими элементами вроде фосфора, мышьяка или сурьмы, имеющими 5 валентных электронов, кремний получит дополнительные электроны, позволяющие проводить электрический ток.
Таким образом, добавляя в кремний эти элементы, мы вместе с ними добавляем и электроны. Поскольку электрон является отрицательно заряженной частицей, этот тип полупроводников называется полупроводниками N-типа (здесь «n» от англ. «negative», что значит «отрицательный»).
Полупроводники P-типа
В кремний также можно добавить химические элементы вроде бора или галлия. У них только три валентных электрона, поэтому если смешать их с кремнием, получится вещество, в структуре которого будут «дыры», т.е. места, где электроны отсутствуют.
Следовательно, у кремния с такими примесями будет недостаток валентных электронов, поэтому этот тип полупроводников называется полупроводниками P-типа (здесь «p» от англ. «positive», то значит «положительный»).
Аналогия с водой
Для понимания того, как работает транзистор, хорошо подойдет аналогия с водой.
Представьте водопроводный кран, через который течет вода. Вода приходит из системы водоснабжения (это входящий поток), а затем вытекает из крана (это выходящий поток). Управлять потоком воды можно при помощи вентиля.
То же самое происходит и в транзисторе – электроток переходит из одного контакта в другой. Ток, проходящий из одного контакта в другой, зависит от слабого электрического сигнала, подаваемого на контрольный контакт. Таким образом, контрольный контакт транзистора управляет электротоком, протекающим через два других контакта транзистора.
Два самых главных семейства транзисторов – это биполярные и полевые транзисторы.
- Биполярные транзисторы. Для управления большим током нужен маленький ток (входящий или исходящий).
- Полевые транзисторы. Для управления большим током достаточно напряжения.
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор – это, по сути, 3-слойный «бутерброд», состоящий из допированных (т.е. снабженных примесями) полупроводников. Биполярные транзисторы бывают 2 типов – «N-P-N» (т.е. со слоями, расположенными по принципу «отрицательный-положительный-отрицательный») и «P-N-P» («положительный-отрицательный-положительный»). Кроме того, у биполярных транзисторов есть три контакта, которые обозначаются следующим образом:
- C (коллектор или «collector»)
- B (база или «base»)
- E (эмиттер или «emitter»)
На рисунке ниже показано, как эти контакты расположены у транзисторов N-P-N и P-N-P:
Транзистор типа N-P-N
У транзисторов типа N-P-N электроток течет от коллектора к эмиттеру, а база подключена к положительному напряжению.
Если увеличить ток, идущий к базе, транзистор начнет постепенно включаться, пока ток, идущий от коллектора к эмиттеру, не включится на полную мощность.
Транзистор типа P-N-P
У транзисторов типа P-N-P электроток течет от эмиттера к коллектору, а база подключена к «земле».
Транзистор типа P-N-P считается выключенным, пока база не начнет выдавать маленький ток и отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру. После этого транзистор включится, и от эмиттера к коллектору начинает идти большой ток.
Как правило, транзисторы P-N-P проводят ток от эмиттера к коллектору, если база и коллектор отрицательно заряжены по отношению к эмиттеру.
Мини-проект: Автоматическое включение светодиода
Давайте закрепим эти знания при помощи небольшого проекта. Нам понадобится фоторезистор, с помощью которого мы будем включать транзистор N-P-N, который, в свою очередь, будет питать светодиод.
Таким образом, при наступлении темноты светодиод будет включаться, а при включении света – выключаться.
Необходимые компоненты
- 9-вольтовая батарея
- Вывод для батареи
- Фоторезистор
- Транзистор типа N-P-N (2N 5089)
- Светодиод любого цвета
- Макетная плата
- Резистор на 47 кОм
- Резистор на 470 Ом
Схема
Вот так выглядит схема для этого проекта:
Подключите друг к другу все эти компоненты, как показано на картинке ниже:
Тестирование
Когда свет выключается, фоторезистор активирует транзистор, который постепенно включает светодиод на полную яркость. Вот так выглядит финальный результат:
Чтобы понять, что здесь происходит, попробуйте при помощи мультиметра измерить сопротивление фоторезистора при разном освещении (когда очень темно, чуть светлее, еще чуть светлее и т.д.).
В зависимости от условий освещения вместо 47 Ом может потребоваться другое значение. Поэтому 47-омовый резистор, возможно, будет полезнее заменить на потенциометр.
Если чувствуете смелость, все эти компоненты можно припаять друг к другу, а затем применить в каком-нибудь полезном проекте.
