Книга написана простым языком и ориентирована на средний и старший школьный возраст. В ней автор доступным языком излагает основы работы полупроводниковых приборов. Книга сопровождается множеством иллюстраций, благодаря чему шаг за шагом постигается сложный мир внутри транзисторов.
Поскольку книга больше ориентирована на детей, то повествование идет буквально "на пальцах", не используется никаких сложных формул или вычислений - только как полупроводниковые приборы работают и как их использовать.
Содержание:
Глава I - ТРЕБУЮТСЯ СКУЛЬПТОРЫ 1
Глава II - ОТ ДИОДА ДО ТРИОДА 9
Глава III - АБСТРАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 33
Глава IV - ТЫСЯЧА И ОДНА СХЕМА 60
Рисунки - [27, 42-45, 97, 104, 110-113, 118, табл.10] 82
Примечания 82
Сворень Рудольф Анатольевич
"Шаг за шагом.
Транзисторы"
Глава I
ТРЕБУЮТСЯ СКУЛЬПТОРЫ
Есть два способа научить человека управлять автомобилем. Первый способ такой. Нужно посадить будущего водителя за руль и дать ему конкретную инструкцию: "Хочешь ехать вперед - опусти эту ручку вниз, хочешь ехать назад - подними ее вверх, прежде чем переставлять ручку - нажми на эту педаль, а когда переставишь - отпусти педаль, хочешь ехать быстрее - нажимай на ту длинную педаль, хочешь остановиться - нажми на эту квадратную педаль. Вот и все. Поехали…"
А вот другой способ. Человеку, который хочет водить автомобиль, сначала нужно рассказать, хотя бы коротко, хотя бы в самых общих чертах, о том, как этот автомобиль устроен. Рассказать, как работает двигатель, что значит "включить зажигание", как мы изменяем количество рабочей смеси, поступающей в цилиндры, а значит, и число оборотов двигателя.
Нужно рассказать, каким образом, через какие промежуточные механизмы двигатель вращает колеса автомобиля, что происходит при переключении скоростей, для чего нужно сцепление, и так далее. И уже только после такого рассказа можно показать, какие ручки и педали управляют теми или иными агрегатами, и пояснить, в каких случаях какую педаль нужно нажимать.
Вряд ли стоит тратить время на анализ и сравнение этих двух способов обучения. Совершенно ясно, что первый из них не покажется разумным ни учителям, ни ученикам. И все же есть такая область техники, которую часто начинают изучать не головой, а руками. О чем идет речь? Представьте себе, что о радиоэлектронике.
Разве мало людей, не зная основ электроники, пытаются построить какой-нибудь сложный электронный прибор - радиоуправляемую модель или телевизор? А сколько карманных приемников было построено любителями, не имеющими представления о принципах радиоприема, не знающими, зачем нужен тот или иной элемент в собранной ими схеме! И нужно сказать, что большинство этих приемников работало, а некоторые работали просто хорошо. (А вы думаете, водитель, которого учили лишь ручки переставлять да педали нажимать, не будет ездить на машине? Будет. Да еще как!)
Так, может быть, отправляясь на завоевание страны Электронии, в самом деле нужно прежде всего вооружиться паяльником? Может быть, в этой загадочной стране все двери открывает пароль "делай сам"?
На оба эти вопроса нужно ответить утвердительно. Но с оговоркой. Если вы не хотите понапрасну терять время на разгадывание известного или бросать работу, отчаявшись найти неисправность в схеме, когда обнаружить ее дело одной минуты, если вы не хотите повторять чужие ошибки и слепо копировать плохонькую схему, в то время как есть тысяча простых способов улучшить ее, одним словом, если вы не хотите блуждать впотьмах по путаным дорогам Электронии, запомните: пароль "делай сам" обязательно нужно дополнить словами "знай" и "думай".
Эта книжка по возможности построена так, что описания конкретных электронных приборов, которые можно построить своими силами, переплетаются с рассказом об "архитектуре" и налаживании схем, об электрических цепях, их отдельных элементах. Однако все, что хотелось рассказать об основах радиоэлектроники, не удалось равномерно "перемешать" с описаниями приборов-самоделок. Потому что о некоторых вещах нужно знать еще до того, как вы возьмете в руки паяльник. Так появились в этой книге большие "блоки" основ электротехники и радиоэлектроники, в том числе и эта первая глава. А если кому-нибудь особенно не терпится "сесть за руль", если кто захочет сразу же пустить в ход паяльник, то пусть он, этот нетерпеливый человек, сразу берется за описания конкретных схем - а их в книге немало - и пропускает те разделы, которые покажутся слишком общими. Только заранее предупреждаем: выиграть на этом ничего не удастся!
Прежде чем начинать рассказ о транзисторных усилителях, приемниках и генераторах, прежде чем чертить планы монтажа простых и сложных транзисторных аппаратов и писать формулы для расчета их узлов, одним словом, прежде чем знакомиться, как это обещано, со схемами на транзисторах, мы несколько отклонимся от своей цели. Мы совершим короткую, буквально на пять - десять минут, экскурсию совсем в другое государство - в языкознание. Цель этой экскурсии - познакомиться с несколькими необычными применениями нескольких обычных слов.
По-видимому, в каждом языке существуют одинаково звучащие, но имеющие разное значение слова. Официальное название таких слов - омонимы. За примерами русских омонимов не нужно далеко ходить: это ключ- родник, ключ от замка, телеграфный ключ, гаечный ключ и ключ для чтения шифрованного письма. А вот еще примеры: три - число и три - глагол; нос на лице и нос корабля; совет - рекомендация, указание, как поступать, и Совет - орган власти (например, городской Совет).
Омонимы, может быть, и полезны в каких-то случаях, например при сочинении шуточных стихов, но, в общем-то, конечно, существование одного общего слова для двух совершенно разных понятий очень неудобно. И, к сожалению, такие неудобства мы часто создаем сами. Причем не то чтобы по ошибке, не то чтобы случайно, а в силу какой-то небрежности, какого-то неуважения к чистоте и четкости родного языка.
Примером такой небрежности может служить и слово "транзистор", которое с чьей-то легкой руки, к сожалению, стало омонимом.
Слово "транзистор" родилось около двадцати лет назад. Именно так был назван новый усилительный прибор - полупроводниковый, или, как его еще тогда называли, кристаллический, триод. Само слово транзистор является своеобразным гибридом двух радиотехнических терминов - трансфер и резистор . Первое из этих слов (оно очень похоже на трансформатор) означает "преобразователь", "переносчик", "передатчик". Второе слово относится к электрическому сопротивлению, тому самому, на котором электрический ток выделяет мощность и которое входит в закон Ома, определяет ток в цепи и т. д. В общем же, слово "транзистор" можно расшифровать как "преобразователь сопротивлений", прибор, который передает, переносит сопротивление из одной цепи в другую.
С чем связано такое название, мы увидим несколько позже, а пока лишь заметим, что оно, это название, характеризует главную "профессию" транзистора - его умение усиливать слабый электрический сигнал. Со способностью транзистора проделывать ряд "фокусов" и как бы изменять сопротивление цепи, по которой проходит электрический ток, как раз и связано то, что транзистор увеличивает мощность слабого сигнала, то есть усиливает его. По своему устройству транзистор- это миниатюрный полупроводниковый кристаллик (помещенный в пластмассовый или металлический корпус) с подпаянными или приваренными к нему тремя тонкими проволочками. Именно с их помощью транзистор включается в ту или иную электрическую цепь.
Существует множество людей, которые возмутятся, познакомившись с нашим описанием транзистора. И совсем не за краткости или поверхностности этого описания. Существует множество людей, которые уверенно скажут, что наше описание в принципе неверно, что транзистор - просто маленький, переносный приемник, который можно слушать на пляже, на прогулке, в лесу, на рыбалке.
Откуда взялось это второе значение слова "транзистор"?
Скорее всего его автором был небрежный, малограмотный и, конечно уж, нелюбознательный человек. Увидел он впервые маленький приемник, услышал, краем уха, что в нем есть какие-то транзисторы, и, даже не узнав, что это такое, почему приемник так мал, чем он отличается от всех других, дал этому приемнику название "транзистор". И пошло оно гулять по свету. Невежество было закреплено печатным словом: транзистор-приемник появился в газетных и журнальных статьях.
Конечно, спору нет - для маленьких приемников удобно иметь какое-нибудь специальное название, удобно пользоваться одним коротким словом вместо длинных и скучных "приемник на транзисторах" или "миниатюрный переносный приемник". Но вряд ли стоит создавать это удобство за счет введения словесной путаницы. Пользуясь тем, что второе значение слова "транзистор" пока не встречается в словарях и не признано ни радистами, ни языковедами, мы будем считать это значение незаконным. И в дальнейшем, говоря о транзисторах, будем иметь в виду только полупроводниковый усилительный прибор, только полупроводниковый триод.
Несколько сложней обстоит дело с другим словом - схема.
Строго говоря, схема - это рисунок, чертеж. На схеме (точнее, на принципиальной схеме) электронной установки условными обозначениями показано, из каких элементов состоит эта установка, как эти элементы соединены, а часто и в каком режиме они работают. И в то же время схемой радисты называют и сам прибор, его электрические цепи. Так и говорят: "Схема работает неустойчиво…" или: "Попробую наладить схему…"
Эта книга посвящена схемам, в которых работают полупроводниковые триоды. Но здесь будет рассказано не только о схемах-чертежах, а о том, как их составлять, как читать, как по схемам оценивать возможности, достоинства и недостатки того или иного электронного прибора. Речь пойдет о транзисторных схемах в широком смысле слова, и о самих схемах, начерченных на бумаге, и о схемах, собранных, налаженных и работающих. Об этом как раз и хотелось предупредить, "придравшись" к двойственному значению самого слова "схема".
И, наконец, еще об одном слове - о слове "барьер".
Прямое его значение, конечно, ни у кого не вызывает сомнений. Но очень часто мы говорим о барьере в переносном смысле. Например, говорим, что только реактивная авиация сумела преодолеть звуковой барьер, сумела превысить скорость звука. Или говорим, что при операциях по пересадке органов самое сложное - преодолеть барьер несовместимости: преодолеть сопротивление, которое организм оказывает всякой чужой ткани. Подобных примеров много. Вы наверняка слышали о барьерах тепловом, экономическом, технологическом и других.
С преодолением многих препятствий, многих барьеров связана судьба транзисторов. И об одном из них - о психологическом барьере - хочется сказать несколько слов.
Первые сообщения об изобретении транзистора появились летом 1948 года. Уже через два-три года стало ясно, что полупроводниковый триод - это не уникальный лабораторный прибор, что его можно выпускать в промышленных масштабах, и что транзистор наверняка заменит электронную лампу во многих областях электроники.
А нужно сказать, что электронная лампа в те времена находилась в зените своей славы. Мировая электронная промышленность ежегодно выпускала много миллионов самых различных ламп, от миниатюрных "пальчиков" до сверхмощных генераторных гигантов. Ламповые схемы были той основой, на которой строились автоматика, телевидение, локации - словом, вся радиоэлектроника, Радисты обучили лампу десяткам разнообразных профессий, создали для нее тысячи схем, разработали методы их расчета и налаживания. И все это создавалось десятилетиями, создавалось упорным трудом ученых и инженеров.
Но что поделаешь, преимущества транзистора перед лампой были бесспорны, по крайней мере в некоторых областях. В частности, в конструировании экономичной переносной аппаратуры за транзисторной электроникой было будущее. А значит, надо было создавать эту новую электронику, надо было привыкать к ней. Вот здесь-то и встал на пути радиоспециалистов трудный психологический барьер. Отказаться от привычного не так-то просто. Многим специалистам понадобились годы, чтобы убедиться в окончании ламповой монополии и выбраться на транзисторный путь.
Психологический барьер на пути транзисторов сказывался еще и в том, что молодое поколение радистов свое знакомство с транзисторами по инерции начинало с лампы. "Лампа работает так… а теперь посмотрим, чем похож на нее транзистор…"- такой была типичная последовательность при знакомстве с электронными схемами. В наши дни это знакомство сплошь и рядом выглядит совсем по-другому: "Транзистор работает так… А теперь посмотрим, чем на него похожа лампа…"
Наш рассказ - о транзисторах, и мы не будем поэтому вспоминать о лампах. Даже этого слова вы почти не встретите дальше. И совсем не потому, что во многих областях радиоэлектроники транзистор стал главным действующим лицом. (У лампы еще остается и, по-видимому, навсегда останется немало своих областей, куда транзисторам "вход воспрещен").
Мы начнем этот рассказ о транзисторах с самих транзисторов только потому, что к ним уже все привыкли и на пути транзисторной электроники давно нет никакого психологического барьера.
Вот и закончилось наше короткое лингвистическое путешествие. Начав с разговора о словах "транзистор", "схема", "барьер", мы поговорили и о своих будущих делах. А начав деловой разговор, не будем от него отклоняться. Сейчас нам предстоит выяснить, для чего вообще нужен транзистор, какая роль ему отводится в электронной аппаратуре.
Рис. 1. Тому, кто привык к ламповой электронике, переход к транзисторным схемам зачастую казался трудным делом.
ГЛАВНАЯ РОЛЬ
Всякое электронное устройство - это своеобразный мир электрических сигналов. Здесь они зарождаются и умирают, сюда сигналы приходят, чтобы, пробежав по многочисленным электрическим цепям, претерпев множество самых удивительных превращений, обернуться прекрасной мелодией, картинкой на телевизионном экране или включением тормозного двигателя на космическом корабле.
Среди многих интересных преобразований электрического сигнала - с ними нам так или иначе предстоит познакомиться - одним из наиболее важных является усиление. Вот лишь один пример, один случай, когда без усиления обойтись просто невозможно.
Мощность радиосигнала, который, проделав долгий путь, попадает наконец в антенну приемника, довольно редко достигает нескольких миллиардных долей ватта. Обычно же эта мощность еще в миллионы раз меньше. В то же время мощность, которую нужно подвести к динамику (так сокращенно называют динамические громкоговорители), чтобы он создавал достаточно громкий звук, должна составлять несколько ватт или по крайней мере несколько десятых долей ватта.
Отсюда и следует, что во время путешествия с входа радиоприемника к его выходу, электрический сигнал должен увеличить свою мощность в миллиарды раз. А увеличение мощности как раз и называется усилением сигнала.
Похожие результаты мы получим, если сравним мощность, которую дает фотоэлемент, с мощностью, которая нужна, чтобы двинуть стальную руку контролера-автомата в метро. Или если сравним входную и выходную мощность электронного регулятора температуры, прибора для записи биотоков мозга, установки для регистрации землетрясений, электронных блоков радиоуправляемой модели или, наконец, обычного магнитофона.