ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ. В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

9- 1. АНОДНО-СЕТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УПРАВЛЯЕМОЙ
ЛАМПЫ

В § 5-20 было описано устройство простейшей управляе­мой электронной лампы. Лампа имеет три электрода: ка­тод, анод и управляющую сетку—и называется триодом.

Схемы C электронными лампами содержат много эле­ментов и часто бывают сложны. Чтобы научиться разби­раться в таких схемах, научиться, как юворят, «читать схе-

Рис. 9-1. Схема включения трехэлектродной лампы.

МЫ», надо знать некоторые условные обозначения На слож­ных схемах часто не показывают вспомогательные элемен­ты. В этом случае заканчивают стрелкой проводник, под­ключаемый к непоказанному устройству. Сравните рис. 9-1 C рис. 5-27. Чтобы не загромождать схему, на рис. 9-1 не показано включение вспомогательной батареи накала и се­точной цепи.

При анализе работы управляемых электронных ламп обычно измеряют напряжение между электродом лампы и ^атодом, и его часто называют электродным напряжением, ‘оапрнмер, говорят: «напряжение на сетке». Надо пони — *’*aτb: напряжение между сеткой и катодом.

иапря>нение на сетке, ьотьты.,рис. 9-2. анодно-сеточная характеристика трехэлектродной ла.мпы.

Управление анодным током осуществляется путем из менения сеточного напряжения. Чем еще определяется ве­личина тока В Анодной цепи? Она зависит от напряжение между катодом и анодом (т. е., как мы условились ro∏o. рить, от анодного напряжения). Она зависит также от кеч. струкции лампы. Если взять две лампы и подать одинако­вые напряжения на сетки и аноды этих ламп, то еще значит, что ток в этих лампах будет одинаковым. Ток будет большим в той лампе, в которой более мощный катод, т. е катод, испускающий большее число электронов (гл. 5).

-3 -г -1 о 1

Пунктиром показаны соответстп\ющие анодно-сеточ
ные характеристики при напряжениях на аноде
лампы соответственно 75, 150, 200 β∙

Чтобы характеризовать работу лампы, часто пользуются анодно-сеточной характеристикой (рис. 9-2), которая по­казывает, как зависит анодный ток от напряжения на сетке лампы. По горизонтальной оси отложено напряжение на сетке, по вертикальной оси — анодный ток.

Для получения сеточной характеристики включают лам­пу в схему (рис. 9-3).

Опишем, как строится сеточная характеристика выбран­ного триода. Пусть напряжение анодной батареи 100 Д а напряжение вспомогательной батареи, включенной в цепь сетки, 3 В. Вспомогательная батарея подключена минусом к сетке. Значит, напряжение на сетке отрицательное. Уста­новим ползунок реостата в верхне, м положении (рис. 9-3,β)∙ При этом к сетке подводится полное напряжение батарей — равное 3 В. Несмотря на наличие анодной батареи, тоК 298

2),рис. 9-3. электрическая схема включения тре.хэлектродно^ лампы при измерении ее анодно-сеточной характеристики.

Аиодиы^ ток измеряется амперметром Л. Анодное напряжение, равное на­пряжению анодной батареи, взбрано равным IOQ в. Для измерения cgtO4∙ ного напряжения служит вольтметр V Сеточное напряжение изт’теняется C помощью ползункового реостата; в положении реостата, соответствующем рис 9-3, а, межлу сеткой и каюлом прикладывается (минусом к сетке) полное напряжение батареи сетки. При этом cλeMa заперта—анодный ток чер’з лампу нс прохотнт. На рис. 9-2 этому режиму лампы соответствует точка а. При переме­щении движка реостата вниз сеточное напряжение уменьшается: между катодом и сеткой включается напряжение, соответствующее лишь определенной части напряжения батареи. Соответствующие положеьитм рис. 9-3, б, г и 0 режимы ламп показаны соответствующими точками на графике рис. 9-2.

В анодной цепи не идет: «лампа заперта сеточным напря­жением», (Точка А на графике рис. 9-2).

Начинаем переводить ползунок реостата вниз (рис. 9-3,6). Теперь к сетке прикладывается меньшее отрица­тельное напряжение.

При напряжении на сетке — 2 В лампа «отпирается» и амперметр показывает ток, проходящий в анодной цепи. Зафиксируем это напряжение и нанесем его на графике рис. 9-2 (точка б). Так же наносим на графике следующие точки. При сеточном напряжении — 1 В ток анодной цепи ‘Нашей лампы составляет 7 Ма (точка В}. При выведенном реостате, как показано на рис, 9-3,a, напряжение на сетке равно нулю и ток 20 Ма (точка Г графика рис. 9-2). Нако­нец, после переключения зажимов вспомогательной бата­реи плюсом к сетке, определяем участок сеточной характе­ристики и при положительных сеточных напряясениях 299

(рис. 9-3,<9). При сеточном напряжении + 1 В ток нашей лампы равен 40 Ма и мы получаем точку Д графика.

Обычная анодно-сеточная характеристика триода пока­зана на рис. 9-2. Анодно-сеточные характеристики опреде­ляются для нескольких анодных напряжений и строятся на одном графике.

9- 2. УСИЛЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Схема для усиления переменного тока почти ничем не отличается от разобранных схем. Усиливаемый ток πpo∣πy — скается через сопротивление, включаемое между сеткой и катодом (рис. 9-4). Эго сопротивление называют сеточ­ным сопротивлением. Проходя по сеточному сопротивле­нию, усиливаемый ток создает на нем синусоидальное на­пряжение, которое и управляет током лампы. C Синусои — дульной формой переменного тока и напряжения мы зна­комились в § 6-5. Точно так же, как мы строили э. д. с. си-

Рис. 9-4. Схе. ча ιιpocτe.ιmero ла. чпового усилителя тока.

Нусоидальной формы, построим синусоидальное сеточное напряжение, создаваемое усиливаемым током. Для удоб­ства буде. м проводить все построения на том же графике, где нанесена сеточная характеристика лампы (рис. 9-5). Величину сеточного напряжения буде. м поэтому отклады­вать вдоль горизонтальной оси, как это сделано для гра­фика сеточной характеристики, а отсчет времени будем производить вдоль вертикальной оси вниз (ср. с рис. 6-4).

Изменение анодного тока будем отмечать на графике, который расположим рядом на одном уровне с сеточной ха­рактеристикой справа от нее. При таком расположении осо­бенно просто определяется величина анодного тока. Напри­мер, для времени, равного одной восьмой доле периода (∏θ вертикальной оси отсчета времени) определяем сеточное напряжение. Оно показано стрелкой. Сносим это напрИ’ 300

анодный
тон
сеточное
напряжение
i

анодный тон (усиленный ток),восьмая доля периода
■ 1 ■■ iii

\ "

Восьмая доля Восьмая доля

Периоде периода

Дано: сеточная характеристика А синусоида сеточного напряжения 3 строим кривую

Рис. 9-5. Построение анодного тока в схеме лампового усилителя
тока C по-мощью анодно-сеточной характеристики (Л). Усиливаемый
переменный сеточный ток задается с помощью графика (rf). График
анодного тока (C) строится по точкам.

Жение на график анодно-сеточной характеристики (тве стрелки). Полученное значение тока сносим (три стрел­ки) на вертикаль, соответствующую одной восьмой пе­риода графика анодного тока. Для уяснения рекомендуем читателю все построения повторно проделать самому.

9-3. РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ

Анодно-сеточная характеристика электронной лампы Нелинейна. Ее крутизна изменяется с ростом сеточного Напряжения. Эта нелинейность характеристики электрон­ной лампы позволяет производить регулировку усилителя. Для того чтобы разобраться в этом, проделаем следующий опыт. В схеме усилителя включим между сеткой и катодом Дополнительную батарею (рис. 9-6). Напряжение допол­нительной батареи называют сеточным смещением. Если 301

Теперь по сеточному сопротивлению пропускать усили­ваемый ток, то выделяемое в сопротивлении напряжение складывается с напряжением сеточного смещения в общее сеточное напряжение. Это суммарное сеточное напряжение, отличается от синусоидального на постоянное слагаемое, равное сеточному смещению. Если бы мы захотели теперь

усили- 4 даемый ’,а)—,' ток +,—ир

а)усиленти
ток
Рис. 9-6. Регулирование
усиления C помощью ба-
тареи сеточного
смещения.

А — схема с батареей сеточ­ного смещения Б(^ , б — гра­фики анодного тока в схеме усилителя тока при включен­ной батарее смещения (1)

И без (2).

Исследовать, как изменяется анодный ток, то мы могли бы воспользоваться разобранным выше на рис. 9-5 построени­ем. Правда, синусоида сеточного напряжения теперь уже будет отличаться постоянным слагаемым, т. е. будет на графике (рис. 9-6,6) смещена на величину этого слагаемо­го. Поэтому-то напряжение батареи, включенной между сеткой и катодом, и называют сеточным смещением. На рис. 9-6,6 проведено построение анодного тока для двух случаев: 1) когда сеточное смещение отсутствует и 2) ког­да сеточное смещение отрицательно. Во втором случае анодный ток гораздо меньше. Изменение усиления прч 302

Введении в схему батареи, создающей отрицательное се­точное смещение, широко используется в технике.

Вращая ручку регулятора громкости радиоприемника или телевизора, мы тем самым перемещаем ползунок реос — тэта, C которого снимается дополнительное сеточное сме­щение для одной из ламп усилителя приемника. Такая схе­ма C плавной регулировкой усиления показана на рис. 9-7.

рис. 9-7. усилитель тока с плавной регулировкой усиления.

рис. 9-3. принципиальная схема уси.пителя напряже-9-4. УСИЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ. УСИЛЕНИЕ МОЩНОСТИ

В электронных приборах обычно используются усили­тели напряжения, в которых в анодной цепи включено вы­сокоомное сопротивление (рис. 9-8). В основных чертах ра­бота таких усилителей мало чем

hnu „ нин.
hum сопротивлении, включенном
п анодной цепи. схема рис. 9-8
позволяет получать усиление не только по напряжению, но п по мощности. в высокоомном сопротивлении нагрузки •протекает сравнительно большой анодный ток и выделяет-

отличается от работы усилите­лей тока. При анализе работы усилителей напряжения надо только обращать внимание на изменение анодного напряжения лампьь. Это напряжение уже нс будет равно напряжению анод­ной батареи, так как при проте­кании анодного тока происходит Падение напряжения в нагрузоч-

Ся гораздо большая мощность, чем та, которая расходует­ся в сеточном сопротивлении при протекании по нему уси­ливаемого тока. Откуда же берется эта мощность?

Схема рис. 9-8, конечно, не «вырабатывает» мощности. Избыточная мощность, выделяемая в сопротивлении на­грузки, поставляется за счет расходования энергии анод­ной батареи. Триод только управляет этим расходованием. И мощность, затрачиваемая в сеточной цепи, позволяет лишь регулировать расходование мощности анодной ба­тареей. Таким образом, в усилителе осуществляется толь­ко превращение электрической энергии, отдаваемой источ­ником постоянного напряжения, в электрическую энергию переменного тока.

9-5. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЕ

Как можно изменить коэффициент усиления усилителя, Не Меняя ни лампы, ни данных его схемы? Представим себе такой случай. На сетку лампы каким-либо образом попада­ет часть или Все Напряжение, которое получается на на­грузке. Не будем сейчас уточнять способ, при помощи ко­торого можно осуществить такой опыт.

Очевидно, что это напряжение может либо складывать­ся C напряжением генератора, подключенного к сетке, либо из него вычитаться. Если это напряжение складывается, то общее напряжение на сетке лампы окажется большим, а следовательно, большим будет и напряжение в нагруз­ке. При этом усиление как бы увеличится.

Если добавочное напряжение вычитается, то, очевидно, сумма напряжений будет меньше напряжения генератора, и усиление будет как бы уменьшаться.

В первом случае такую связь называют положитель­ной, во втором — отрицательной. Поскольку в этой связи осуществляется передача части напряжения с выхо­да обратно на вход усилителя, такая связь получила на­звание обратной связи.

Итак, мы установили, что могут существовать поло­жительная обратная связь и отрица­тельная обратная связь и что

При положительной обратной связи коэффициент усиления увеличивается, при отрицательной-^ уменьшается.

9-6. ЛАМПОВЫЙ ГЕНЕРАТОР

Электронная лампа с сеткой может быть применена для создания ламповых генераторов переменного тока. Лам­повые генераторы позволяют получать напряжения в очень широкой области частот — от долей герца до десятков ты­сяч мегагерц’. Ламповые генераторы работают в передат­чиках радиостанций и радиолокаторов, служат для получе­ния токов высокой частоты, используемых при поверхно­стной закалке металлов, при сушке лакокрасочных покры­тий и т. д.

Конечно, переменные напряжения можно получать и C помощью машинного генератора переменного тока, опи­санного в § 6-4. Однако такой генератор обладает целым рядом недостатков: достаточно сложен, имеет вращающие­ся части, не позволяет получать очень высоких частот.

нагрузка,рис. 9-9. колебания подвешенного на нити тяжелого шарика и колебательный разряд конденсатора в электрической схеме, содержащей индуктивность.

Напряжение нужной частоты можно получить, как мы знаем, при разряде конденсатора в контуре, содержащем индуктивность. При этом энергия, запасенная в начальный момент в электрическом поле конденсатора, периодически преобразуется в энергию магнитного поля индуктивности и затем снова в энергию поля конденсатора. Напряжение На конденсаторе периодически изменяется. Эти изменения удобно сравнивать с механическими колебаниями, напри­мер C качаниями грузика, подвешенного на нити (рис. 9-9),

Если в начальный момент мы сообщим грузику энер­гию, отведя его толчком в сторону, то он начинает коле-

‘ Напоминаем, что I Гц соответствует частоте — одно колебание в секунду. Частота 1 Мгц — миллион колебаний в секунду.

Баться. Высота его подъема при этом изменяется анало­гично изменениям напряжения на конденсаторе. Поэтому — TO Мы и назвали электрический процесс в контуре колеба­ниями.

Однако и механические колебания грузика и электри­ческие колебания в контуре постепенно затухают. Мы зна­ем, что это связано с потерями энергии. В случае грузика— это потери на трение. В случае контура — это потери, воз­никающие при протекании электрических токов в сопро­тивлениях контура, например в сопротивлении нагрузки (рис. 9-9).

рис. 9-10. электрическая схема незатухающих электрических колебаний.
а — принцип работы, б — схема с электронной лампой.
,б)
а;

Чтобы поддерживать колебания на неизменном уровне, необходимо пополнять расходуемую энергию. Например, грузику можно сообщать каждый раз в такт колебаниям дополнительный толчок. Совершенно аналогично можно поддерживать незатухающие колебания и в колебательном контуре. Для этого в такт колебаниям к цепи подключает­ся батарея, как показано на рис. 9-10.

Роль выключателя в схеме может выполнять электрон­ная лампа C сеткой. Ток такой лампы управляется напря­жением на сетке, поэтому сетка лампы подключается к од­ной из пластин конденсатора (рис. 9-10,6). Когда эта пла­стина заряжена положительно, положительное напряжение (по отношению к катоду) поступает и на сетку лампы и лампа хорошо пропускает ток батареи в схему. Это соот­ветствует включенному положению батареи. Когда же кон­денсатор перезарядится, изменит знак и напряжение на сетке. Оно становится отрицательным и может даже запе­реть ток лампы. Это соответствует отключенному положе­нию батареи.

В рассмотренной схеме колебательный контур имеет γpH точки присоединения. При этом управляющее работой лаМ’ПЫ напряжение снимается с части индуктивности кон­тура. Поэтому схема называется индуктивной трехточечной. На рис. 9-1 изображена принципиальная схема другого генератора незатухающих

qj
i
>f
рис. 9-11. ламповый генератор пе-ременного тока регулируемой частоты. увеличивая е.мкость колёбатель- ного контура, уменьшаем тем самым частоту электрических колебаний, и наоборот.Колебаний, которая назы­вается емкостной трехто­чечной. На этот раз управ­ляющее напряжение на сетку лампы уже сни­мается C части емкости контура. Принцип же работы схемы ничем не отличается от предыду­щего.

Во всех ламповых ге­нераторах происходит преобразование энергии батареи в энергию элек­трических колебаний. Никаких других внешних источников напряжений в схеме нет.

Частота лампового генератора равна собственной ча­стоте его колебательного контура. Она зависит, как мы знаем, только от величины индуктивности и емкости в кон­туре. Обычно в колебательных контурах размещают пере­менные индуктивности или емкости. Изменяя их величину, можно производить настройку генератора на нужную ча­стоту.

Особенно широко применяются электронные схемы в технике связи. Благодаря развитию электроники стало возможно создание надежной беспроволочной связи по ра­дио, видение на расстояние — телевидение и радиолокация.

9-7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Каждый наверное наблюдал разбегание волн на глад­кой водной поверхности, бросая в воду камень. Колебание частичек воды, вызванное в месте падения, распростра­няется, разбегаясь в виде волны,, на большие расстояния. Сами частички воды после прохождения волны остаются На месте. Распространяется только колебательное состоя­ние— волна или волновое возмущение. Тем не менее вол­новое возмущение переносит определенную энергию и мо — ⅛eτ тем самым совершать работу. Если на воде плавает 307
щепочка, то проходящая волна может ее раскачать, пере­дать ей часть своей !энергии.

Возмущение, вызванное падением камня В Воду, напо­минает процессы, возникающие при изменении электриче­ского или магнитного полей. Электрическое и магнитное поля создаются заряженными телами и проводниками, по которым текут электрические токи. Эти поля возникают не мгновенно, а за некоторое время. Скорость распростране­ния полей в пустоте равняется очень больщой величине, приблизительно равной 300 тыс. Км в секунду. Всякие из­менения электрического поля или магнитного поля сопро­вождаются возникновением кратковременных, связанных между собой электрического и магнитного полей—электро­магнитного поля. Электромагнитное поле существует в ви­де электромагнитных волн, которые с огромной скоро­стью— 300 000 KM∣сек — разбегаются от места, где были произведены изменения поля путем перемещения зарядов, изменения токов и тому подобное. Если такие изменения производить непрерывно с больщой частотой, то в окру­жающем пространстве установятся непрерывно разбегаю­щиеся электромагнитные волны. Эти волны переносят часть той энергии, которая затрачивается на изменения электри­ческого или магнитного поля в месте его возникновения. Интересно отметить, что существование электромагнитно­го поля — электромагнитных волн — было в начале пред­сказано теоретически. На их существование впервые указал в середине XIX в. английский физик и математик Джемс Клерк Максвелл. Однако потребовалось еще длительное время, прежде чем была выяснена возможность щирокого использования электромагнитных волн в технике.

9-8. РАДИОВОЛНЫ, АНТЕННЫ

В радиотехнике используют электромагнитные волны, получаемые с помощью специальных устройств, называе­мых антеннами. Такие электромагнитные волны называют­ся радиоволнами.

Простейщая антенна представляет собой обыкновенный провод, подвещенный над землей. Генератор высокой ча­стоты передатчика радиостанции присоединяется одним концом к антенне, а другим к земле (рис. 9-12). Между проводом антенны и землей создается электрическое поле (как в емкости). А мы знаем, что если на емкости, вклю­ченной в цепь, изменяется напряжение, то в цепи проходит электрический ток. Этот переменный ток в свою очередь S08
создает переменное магнитное поле вокруг антенны. Изме­няющиеся электрическое и магнитное поля и образуют электромагнитные волны, уходящие в пространство, окру­жающее антенну. Этими радиоволнами излучается и уно­сится прочь некоторая часть энергии, расходуемой высо­кочастотным генератором. Радиоволны распространяются в пространстве, огибая весь земной шар. Поэтому ив Ант­арктиде на Южном полюсе советские поляриики могут слушать у своих радиоприемников голос Москвы — сиг­налы московских радиостанций.

Рис. 9-12. Принципиальная схема установки радиостанции.

Радиоволны не только излучаются с помощью антенн, но и принимаются с помощью радиоприемных антенн, ра­диоприемников и телевизоров. Радиоприемная антенна ни­чем принципиально не отличается от передающей антен­ны. В Простейшем случае это снова отрезок провода, под­вешенный над землей. Этот провод одним концом подклю­чается к приемнику и через входное сопротивление прием­ника к земле. Сам провод антенны и земля образуют ем­кость, которая и замыкает цепь антенны (рис. 9-13).

Каким образом происходит прием радиоволн? Мы зна­ем, что радиоволна представляет собой распространяю­щееся в пространстве переменное электрическое И Магнит­ное поля. Переменные поля индуцируют токи в контуре антенны, как это было описано в § 3-9. Конечно, эти токи очень слабы. Поэтому в радиоприемнике токи антенны усиливаются.

Радиоприемники. В Ламповых радиоприемниках работа­ют электронные лампы. Обычно в приемнике несколько 309

Ламп. Если приемник предназначен для включения в сеть переменного тока, то одна из ламп работает в качестве вы­прямителя (гл. 5), Который заменяет анодную батарею 3 так называемых батарейных приемниках. Одна или не­сколько ламп работают в усилителях. В последнем случае несколько усилителей соединяются один за другим, усилен­ный сигнал C выхода первого усилителя поступает на вход второго и т. д. В этом случае говорят, что усилитель состо­ит из нескольких каскадов.

^4 ejmkwittb антеяна-,paduoepusmhuk,-земля,")^777777777777^77777777∕7777777777777∕777

Рис. 9-13. Приемная антенна подклю-
чена к зажиму „антенна" приемника.
Условно показана емкость между
антенной и землей.

Г—входное сопротивление при-^мника. Виден
первый каскад усилителя приемника.

Каскад — это одна ступень усиления. Очевидно, что не­сколько каскадов дают большее усиление. В приемниках C несколькими каскадами усиления слышны сигналы более удаленных радиостанций.

Радиолокация. Еще А. С. Попов, применяя впервые со­зданные им радиоустановки, обнаружил, что когда между передатчиком и приемником появлялось какое-либо пре­пятствие (корабль, например), громкость приема резко падала.

Этот факт и лег в основу радиолокационной техники.

Сигнал от генератора на радиолокационной станции посылается в антенну. Электромагнитная волна бежит от 310

александр степанович попов (1859— 1906 гг.).Антенны и, встречая пре­пятствия на своем пути (самолет, например), от­ражается обратно.

Радиолокационная стан­ция имеет не только ге­нератор, но и приемник.

Приемник принимает от­раженный сигнал. Стан­ция имеет устройство, по­зволяющее точно опре­делить время, за которое радиоволны проходят от станции до препятствия и обратно. Обычно это устройство напоминает электронный осциллограф (гл 5).

Если известна ско­рость распространения радиоволн, то нетрудно определить и расстояние от места отражения. Очевидно, что волна проходит путь до объекта дважды: один раз от станции до объекта и один — обратно. Следовательно, за время T волна пройдет путь

2/ VT,

Где I—Расстояние до объекта;

V скорость волны.

Отсюда уже нетрудно определить это расстояние:

Скорость волны в воздухе 300 000 KMCeκ. C такой гро­мадной скоростью волна пробегает расстояние до объекта и обратно за очень малые доли секунды. И опять электрон­ные схемы позволяют точно измерить эти доли.

Радиолокационные станции могут не только обнаружить объект и измерить до него расстояние, но и могут опреде­лить, в каком направлении находится объект.

Определение мест повреждения в линии электропередачи. Советские ученые выяснили, что волны могут распростра­няться и по проводам линии передачи. Возбуждая в линии 311

Передачи электромагнитные волны, можно определить ме­сто повреждения в линии.

При наличии в линии обрыва или короткого замыкания электромагнитные волны отражаются от места поврежде­ния и возвращаются обратно. C помощью соответствующих электронных приборов можно определить и время движе­ния волн и, следовательно, как и в радиолокации, расстоя­ние до места повреждения.

Особенную ценность представляет этот метод для об­наружения места повреждения в кабеле. Кабель обычно прокладывается под землей или под водой. Отыскать место повреждения трудно—нужно отрывать кабель из-под земли или вынимать из воды. Да и то при этом оболочка кабеля может быть целой, повреждена только внутренняя изоляция между жилами. Установить место повреждения трудно.

C помощью прибора повреждение обнаруживается мгно­венно. Современные приборы позволяют при этом устано­вить также и характер повреждения.

Трудно даже перечислить все те достижения, которые обязаны созданию электронных приборов. Современная электротехника без них немыслима. Однако, как читатель заметил, электронные приборы только преобразуют элек­трическую энергию, полученную от каких-либо других ис­точников энергии, которыми в большинстве случаев явля­ются электрические машины. Поэтому в главах 10 и 12 бу­дет рассмотрено их устройство и принцип действия.

9-9. ПОЛУПРОВОДНИКИ

В Последние годы начинают широко применять полу­проводниковые приборы. Ими все чаще заменяют и элек­тронные лампы. Полупроводниковые приборы экономичнее ламп. Их применение позволяет в несколько раз умень­шить расход электрической энергии. Кроме того, полупро­водниковые приборы гораздо долговечнее и имеют очень малые размеры. Электрические аппараты на полупровод­никах; радиостанции, телевизоры, выпрямители и др. — значительно меньше по размерам и легче по весу.

Строение твердых полупроводников. Температурное дви­жение. Атомы твердого полупроводника расположены на определенных расстояниях друг от друга. Они образуют, как и В Металлах, кристаллическую решетку. В Этих поло — 312 жениях атомы удерживаются силами вэаимного притяже­ния и отталкивания. Силы взаимодействия атомов опреде­ляют прочность и упругость твердых тел. Эти силы преодо­левает, например, резец при o∙6pa6oτκe детали на токар­ном станке. Благодаря этим невидимым силам могут проти­востоять натиску воды гигантские плотины современных электростанций.

Это не значит, что силами взаимодействия атомы удер­живаются неподвижно. Они непрерывно беспорядочно ко­леблются. Это хаотическое колебательное движение усили­вается C нагреванием тела и ослабляется при уменьшении температуры. Поэтому такое движение атомов называют температурным движением.

При температурном движении различные атомы дви­жутся по-разному. То одни из них, то другие колеблются C большей или меньшей интенсивностью. При колебаниях отдельные атомы сталкиваются. Колебания одного атома передаются другому. Приблизительно так же передают при соударении свое движение упругие биллиардные шары. Средняя энергия таких колебаний атомов зависит только от температуры тела. В большинстве веществ она просто приближенно равна температуре. Правда, температуру при этом надо измерять не в градусах, как мы привыкли, а в джоулях или в килограммометрах (кГ-м).

Температура тела характеризует среднюю энергию бес­порядочного (хаотического) движения его атомов. При температуре —273° C Эта энергия равна нулю. Атомы не­подвижны. Поэтому температура —273° C Называется тем­пературой абсолютного нуля. Это самая низкая темпера­тура, которая никогда и нигде не была и не может быть получена. При комнатных температурах энергия колеба­ний атомов еще очень мала. Однако она вполне ощутима. Прикоснитесь к стакану с горячим чаем. Вы чувствуете тепло. Что же происходит? При касании колеблющиеся ато­мы нагретого стекла ударяют по атомам вашего тела, рас­качивают их. Так происходит передача тепла от более на­гретых тел. Так же создаются условия ощущения тепла или холода.

Подвижные заряды. Дырки и электроны. Электроны по­лупроводника удерживаются ядрами своих атомов сильнее, чем электроны металлов (§ 5-2). Они не могут, как элек­троны металлического проводника, ускоряться внешним электрическим полем. Не могут поддерживать электриче­ский ток.

313

Подвижные заряды В Полупроводнике образуются при ионизации. Под действием тепла, света, космических лучей и других возбудителей электроны вырываются из отдель­ных атомов и переносятся на другие. Получаются положи­тельные и отрицательные ионы. Движение образовавших­ся при ионизации зарядов в электронных полупроводниках следует отличать ог сквозного движения ионов в веществе Сквозному движению ионов в электронном полупроводни­ке препятствуют окружающие его нейтральные атомы. Пе­ремещение зарядов происходит путем их передачи от од­ного атома к другому. Например, отрицательно зарядив­шийся ион при соударении с нейтральным атомом переда­ет ему свой избыточный электрон. Избыточный электрон тем самым, как эстафетная палочка, передается от атома к атому. Так продвигается свободный отрицательный за­ряд— электрон. Точно так же движется положительный заряд. Положительный ион отбирает при столкновении не­достающий электрон у соседнего нейтрального атома. Этот атом в свою очередь становится положительным ионом. Такой ион как бы переносит пустое место, на которое мо­жет быть захвачен электрон. Поэтому подвижные положи­тельные заряды в полупроводнике называют дырками В конечном счете и движение электрона и движение дыр­ки обусловливаются взаимным переходом электронов меж­ду соударяющимися атомами. Отличие заключается лишь в том, что в промежутках между электронными перехода­ми движется либо отрицательный заряд, либо положитель­ная дырка.

Рекомбинация. Дырки и свободные электроны блуждают внутри полупроводника. При столкновении их между со­бой положительно заряженная дырка легко захватывает электрон у отрицательно заряженного иона. Образуются два нейтральных атома, а подвижные заряды: дырка и электрон — пропадают. Такое столкновение, приводящее к исчезновению подвижных зарядов, называют рекомби­нацией. Чем больше подвижных зарядов в полупроводни­ке, тем чаще происходят рекомбинации. Особенно часто происходят рекомбинации у поверхности полупроводника. Под действием ионизации и рекомбинаций устанавливает­ся определенная концентрация подвижных зарядов.

Электрический ток в полупроводниках. Прямоугольный брусок полупроводника зажмем между двумя металличе­скими пластинками — электродами. Если к электродам подключить батарею, то на них возникнут электрические 314
заряды, создающие электрическое поле между пластинам,, Под действием этого поля отрицательные ионы, несущие из­быточные электроны, сместятся к положительно заряжен­ной пластине. Положительные дырки сдвинутся к отрица­тельной пластине. Поэтому передача подвижного электро­на будет происходить главным образом по направлению К положительному электроду, а дырки — в обратном на­правлении, к отрицательному электроду. Подвижные заря­ды: свободные электроны и дырки — образуют соответ­ственно электронный и дырочный электрические токи. Ве­личина этих токов прямо пропорциональна концентрациям подвижных зарядов. Суммарный ток полупроводника скла­дывается из электронного и дырочного. Напомним еще раз, что направление движения свободных электронов прямо противоположно направлению создаваемого ими электри­ческого тока. За направление тока принимается направле­ние движения положительного заряда. Поэтому направле­ния дырочного и электронного токов совпадают.

Термическая ионизация. Термистор. Тепловое движение атомов полупроводника создает термическую ионизацию. При тепловых колебаниях часть атомов получает энергию, значительно большую того среднего значения, которое из­меряется температурой. Соударения таких атомов приво­дят к выбиванию электрона одного из них и захватыванию выбитого электрона другим атомом. Увеличение темпера­туры приводит к возрастанию доли атомов, энергия коле­баний которых достаточна для выбивания электронов. Чи­сло ионизаций возрастает. Возрастает тем самым и кон­центрация подвижных зарядов.

Поместим снова наш полупроводник между плоскими пластинками и подключим к ним батарею. Чем больше Концентрация подвижных зарядов, тем больший ток будет проходить через полупроводник при одинаковом напряже­нии батареи. Как изменяется сопротивление полупровод­ника? Сопротивление полупроводника уменьшается при увеличении температуры, так как при этом возрастают кон­центрация подвижных зарядов и переносимый ими ток. Изменение сопротивления полупроводника при изменении температуры позволило сконструировать полупроводнико­вый термометр — термосопротивление или термистор.

Простейшая схема измерения температуры показана на рис. 9-14. Изменение температуры приводит к изменению TOKa в электрической цепи. Ток измеряется миллиампер­метром. Схема снабжается градуировочным графиком или 315

Таблицей, в которой значениям тока сопоставлены соот­ветствующие значения температуры.

Так же работают полупроводниковые приборы, служа­щие для измерения интенсивности других источников иони­зации. Полупроводниковые приборы, сопротивление кото-

рис. 9-14. применение термосопротивления для измерения температуры.
о —схема, 1 — термосопротивленне марки mmt-i (в натуральную величину); 2— батарея: s — миллиамперметр; б — кривая зависимости изменения сопротивлення термистора от температуры.

Рых заметно уменьшается под действием света, могут слу — жить для измерения освещенности (рис. 9-15). Такие при­боры называют фотосопротивлениями. Фотосопротивлення отличаются малыми размерами и высокой чувствитель­ностью.

при

Рис 9-15. Измерение освещенности помощи фотосопротивления ФС-А1,

Примесные полупроводники. Полупроводники Р- и «-ти­пов ’• В Нормальных условиях концентрация подвижных зарядов, образуемых в результате ионизаций основных атомов полупроводника, крайне мала. Поэтому широко ис­пользуются так называемые примесные полупроводники, образование подвижных зарядов в которых облегчено. Та­кие полупроводники получают путем специальной техноло­гической обработки. В простейших примесных полупровод­никах между обыкновенными атомами полупроводника имеются атомы некоторых химических элементов. Примеси других атомо’В сильно изменяют электрические свойства полупроводника.

Если примесные атомы сильнее удерживают электроны, чем основные атомы полупроводника, то такой примесный полупроводник называется дырочным или полупроводни­ком /7-типа. Атомы примеси при столкновениях легко захва­тывают электроны у основных атомов полупроводника и длительно удерживают их. Электроны оказываются связан­ными на примесях и не могут участвовать в проводимости. Подвижными зарядами в р-проводниках являются дырки; основные атомы обычным образом обмениваются избыточ­ным положительным зарядом, образовавшимся с помошью примеси.

Примесный полупроводник называется электронным или полупроводником «-типа, если атомы примесей слабее удерживают свои электроны. Таковы, например, атомы фосфора. Ясно, что в таком полупроводнике обычно наблю­дается электронная проводимость. Подвижные дырки в нем почти не образуются. Положительно заряжаются примеси, которые длительно остаются ионизированными, будучи не в силах отобрать недостающие электроны у основных ато­мов. Дырочная проводимость в полупроводниках «-типа или электронная проводимость в полупроводниках р-типа заметны обычно лишь в тех случаях, когда в полупровод­ники соответствующие подвижные заряды вносятся каки­ми-либо посторонними источниками.

Кристаллические диоды. Так называются полупроводни­ковые приборы, обладающие свойством пропускать ток толь­ко в одном направлении. Кристаллические диоды (рис. 9-16) Широко применяются взамен электронных ламп. Важным

Названия общеприняты. Читайте полупроводники пэ и эн ти — (р — пэ и П — эн).

Преимуществом полупроводников перед электронными лам. пами является их высокая экономичность. На подогрев катода электронных ламп затрачивается значительная электрическая мощность. В полупроводниковых диодах не­обходимость в нити накала отпадает. Подвижные заряды эмиттируются внутри полупроводника без специального подогрева.

Разберем работу плоскостного диода. Так называют диоды, состоящие из полупроводников двух типов P и п,

б),рис. 9-16 германиевый диод.

А — ннеятггий вид; (7 ~ схематическое изобр жжение: В — вольт-ампер-
ная характеристика Масштабы напряжени! и токов в разных на-
правлениях выбраны разтиччымн, поэюму характеристика в начале
координат имеет излом.

Разделенных плоской границей. Граница раздела рил полупроводников называется р-л-переходом. Этот переход в таких диодах играет роль катода, эмиттирующего дырки и электроны. Для уяснения механизма эмиссии рассмот­рим простой случай, когда полупроводник р-типа имеет слищком мало примесей. При этом количество дырок, обра­зуемых в полупроводнике, недостаточно для поддержания заметного тока. Высокая проводимость может быть обус­ловлена только подвижными электронами, образующими­ся в «-полупроводнике.

Все это очень напоминает работу вакуумной двухэлек­тродной лампы (рис. 9-17). При нагревании катода лампы около него образуется о-блачко отрицательных зарядов — Такое же облачко отрицательных зарядов создается в о-полупроводнике вблизи р-л-перехода. Это облачко 318

Образуется подвижными электронами «-полупроводника, JjpOHIIKarouiHMH в р-область через границу раздела.

Отрицательное облачко электронов удерживается дблизи границы нескомпенсированным положительным за­рядом примесных атомов «-слоя, который образуется при уходе электронов в р-слой (положительные и отрицатель­ные заряды притягиваются).

Анодом полупроводника с р-«-переходом служит элек­трод, нанесенный на полупроводник р-типа, катодом — на

рис. 9-17. распределение зарядов.
g—двухэлектродная лачпа, б—кристаллический диод.
,б)

«-полупроводник. Направления, в которых кристаллический диод и двухэлектродная лампа хорошо и плохо проводят электрический ток, совпадают. Замкнем цепь, присоеди­нив к катоду и аноду диода батарею. Если к аноду подклю­чен плюс батареи, то подвижные электроны переходят в р-полупроводник H поддерживают протекание электриче­ского тока. При подключении плюса батареи к катоду по­движные электроны отсасываются от р-полупроводника, и он испытывает недостаток в подвижных зарядах. Прово­димость падает. На рис. 9-16 показана вольт-амперная ха­рактеристика диода из германиевого полупроводника. Сле­дует отметить, что р-«-переход имеет большую емкость. Это обусловлено большой поверхностью р-«-границы. "Через ⅛κocτb р-«-перехода замыкаются токи высокой частоты. Поэтому в высокочастотных устройствах плоскостные кри — ‘^таллические диоды с ^-«-переходом заменяют точечными ^^одами. Источником подвижных зарядов (эмиттером)
в точечных кристаллических диодах служит точечный кон — такт, осуществляемый заостренным металлическим прово­дом. В зависимости от типа полупроводника диода точеч­ный электрод является или катодом, эмиттирующим электроны (в случае р-полупроводника), или анодом, эмиттирующим дырки (в случае полупроводника м-типа). Современные точечные диоды используются в широкой области частот, достигающих миллионов мегагерц.

Транзистор. Наибольшим успехом полупроводниковой электроники явилось изобретение в 1949 г. кристалличе­ского триода — транзистора. Транзистор с успехом заме­няет управляемую трехэлектродную лампу. В нем нет це­пи накала, он значительно долговечнее и надежнее в ра­боте. От электронных ламп кристаллический триод выгодно

Рис. 9-18. Схемы транзисторов.

О —точечный транзистор, Б—Транзистор с PNP переходами’ В — схематическое изображение транзистора.

Отличается также размерами и весом. Наибольшее распро­странение получили транзисторы с П-р-п и р-п-/?-перехода — ми и точечные транзисторы.

Роль катода электронной лампы в транзисторе играет в зависимости от типа /7-п-переход или точечный контакт Соответствующий электрод называют эмиттером. Второй р-п-переход или точечный контакт играет роль анода и нЗ’ зывается коллектором. Роль управляющего электрода» сетки играет плоский металлополупроводниковый контакт, называемый базой (рис. 9-18).

Рассмотрим работу П-р-п транзистора. Между базой Л Коллектором включается батарея. Плюс батареи присое­диняется к такому электроду, чтобы коллекторный переход был заперт. В разбираемом случае плюс батареи подклю­чается к коллектору. При этом подвижные заряды: дырки, создаваемые в р-слое, и электроны, возникающие в п-слое, отсасываются от коллекторного перехода, что уменьшает электрический ток. Между базой и эмиттером включается небольшое управляющее напряжение в таком направле­нии, чтобы эмитти’руемые электроны переходили в р-слой полупроводника. Однако большая часть этих электронов не достигает базы, а вытягивается электрическим полем к коллектору через коллекторный р-«-переход. Так же, ми­нуя сетку, попадают на анод электронной лампы электро­ны, ускоряемые сеточным напряжением (рис. 9-19).

а;,рис. 9-19. работа лампового и кристаллического триодов. стрелками показано движение электронов.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *