Светодиод — это устройство, показанное выше. Помимо красного, они также могут быть желтыми, зелеными и синими. Буквы LED означают светоизлучающий диод. Важно помнить о диодах (включая светодиоды) то, что ток может течь только в одном направлении.
Чтобы светодиод работал, вам нужен источник напряжения и резистор. Если вы попытаетесь использовать светодиод без резистора, вы, вероятно, сожжете светодиод. Светодиод имеет очень малое сопротивление, поэтому через него будет проходить большое количество тока, если вы не ограничите ток с помощью резистора. Если вы попытаетесь использовать светодиод без источника питания, вы можете сильно разочароваться.
Итак, прежде всего, мы зажжем наш светодиод, настроив схему ниже.
Шаг 1.) Сначала вам нужно найти положительную ногу светодиода. Самый простой способ сделать это — найти ту ногу, которая длиннее.
Шаг 2.) Как только вы узнаете, какая сторона является положительной, поместите светодиод на макетную плату так, чтобы положительная ножка находилась в одном ряду, а отрицательная ножка — в другом ряду. (На картинке ниже ряды вертикальные.)
Шаг 3.) Поместите одну ножку резистора на 220 Ом (не имеет значения, какая ножка) в том же ряду, что и отрицательная ножка светодиода. Затем поместите другую ногу резистора в пустой ряд.
Шаг 4.) Отключите адаптер питания от источника питания. Затем поместите заземляющий (черный провод) конец адаптера питания в боковой ряд с синей полосой рядом с ним. Затем поместите положительный (красный провод) конец адаптера питания в боковой ряд с красной полосой рядом с ним.
Шаг 5.) Используйте короткую перемычку (используйте красную, так как она будет подключена к положительному напряжению), чтобы перейти от положительного ряда питания (с красной полосой рядом с ним) к положительной ножке светодиода (не в то же отверстие, но в том же ряду). Используйте другую короткую перемычку (используйте черную), чтобы перейти от заземляющего ряда к резистору (ножка, которая не подключена к светодиоду). При необходимости обратитесь к изображению ниже.
Макетная плата должна выглядеть так, как показано на рисунке ниже.
Теперь подключите блок питания к стене, а затем подключите другой конец к адаптеру питания, и светодиод должен загореться. Ток течет от положительной ножки светодиода через светодиод к отрицательной ножке. Попробуйте перевернуть светодиод. Он не должен загораться. Ток не может течь от отрицательной ветви светодиода к положительной.
Люди часто думают, что резистор должен стоять первым на пути от плюса к минусу, чтобы ограничить величину тока, протекающего через светодиод. Но ток ограничивается резистором независимо от того, где находится резистор. Даже при первом включении питания ток будет ограничен определенной величиной, и его можно найти с помощью закона Ома.
Вездесущая полезность закона Ома:
[ Напряжение (вольты) = Ток (ампер) X Сопротивление (Ом) ]
Закон Ома можно использовать с резисторами, чтобы найти ток, протекающий через цепь. Закон таков: I = V/R (где I = ток, V = напряжение на резисторе и R = сопротивление). Для приведенной выше схемы мы можем использовать только закон Ома для резистора, поэтому мы должны использовать тот факт, что когда светодиод горит, на нем падение напряжения 1.9 (Кстати: падение напряжения зависит от типа светодиода). Это означает, что если положительная ветвь подключена к 5 вольтам, отрицательная ветвь будет на 3.1 вольта (т. е. 5.0-1.9 = 3.1). Теперь, когда мы знаем напряжение на обеих сторонах резистора и можем использовать Закон Ома для расчета тока. Ток равен (5.0-1.9)/220=3.6/2000=0.0014 Ампер=14 мА
Это ток, протекающий по пути от 5 В до GND. Это означает, что через светодиод и резистор (поскольку они соединены последовательно) проходит 14 мА. Если мы хотим изменить ток, протекающий через светодиод (таким образом, изменяя яркость), мы можем изменить резистор. Меньший резистор пропустит больший ток, а больший резистор пропустит меньший ток. Будьте осторожны при использовании меньших резисторов, потому что они будут сильно нагреваться. Кроме того, некоторые светодиоды будут разрушены, если вы будете использовать их сверх максимального номинального тока. поэтому не используйте резистор, который настолько мал, что вы будете генерировать чрезвычайно большой ток (примечание: наш светодиод имеет максимальный рабочий ток 20 мА).
Далее мы хотим иметь возможность включать и выключать светодиод без изменения схемы. Для этого мы научимся использовать еще один электронный компонент — транзистор.
Транзисторы являются основными компонентами всей современной электроники. Это всего лишь простые переключатели, которые мы можем использовать, чтобы включать и выключать вещи. Несмотря на свою простоту, они являются наиболее важным электрическим компонентом. Например, транзисторы — почти единственные компоненты, используемые для построения процессора Pentium. В одном чипе Pentium 4 около 55 миллионов транзисторов (именно поэтому эти чипы чертовски сильно нагреваются). Те, что в Pentium, меньше, чем те, которые мы будем использовать, но работают они одинаково.
Транзисторы (2N2222), которые мы будем использовать в наших проектах, выглядят так:
Транзистор имеет три ножки: коллектор (C), базу (B) и эмиттер (E). Иногда их маркируют на плоской стороне транзистора. Транзисторы обычно имеют одну круглую сторону и одну плоскую сторону. Если плоская сторона обращена к вам, ножка эмиттера находится слева, ножка базы находится посередине, а ножка коллектора находится справа (примечание: некоторые специальные транзисторы имеют другую конфигурацию контактов, чем в корпусе TO-92, описанном выше). ).
Символ транзистора
Следующий символ используется на чертежах цепей (схемах) для обозначения NPN-транзистора.
Базовая схема
База (B) — это переключатель включения/выключения транзистора. Если ток течет к базе, будет путь от коллектора (C) к эмиттеру (E), по которому может течь ток (переключатель включен). может течь от Коллектора к Излучателю. (Выключатель выключен.)
Ниже приведена базовая схема, которую мы будем использовать для всех наших транзисторов.
Чтобы построить эту схему, нам нужно только добавить транзистор и еще один резистор к схеме, которую мы построили выше для светодиода. Прежде чем вносить какие-либо изменения в макетную плату, отключите блок питания от адаптера питания. Чтобы поместить транзистор в макетную плату, слегка отделите ножки и поместите его на макетную плату так, чтобы каждая ножка находилась в другом ряду. Ножка коллектора должна находиться в том же ряду, что и ножка резистора, соединенного с землей (с черной перемычкой). Затем переместите перемычку, идущую от земли к резистору 220 Ом, к эмиттеру транзистора.
Затем поместите одну ножку резистора на 100 кОм в ряд с базой транзистора, а другую ножку в пустой ряд, и ваша макетная плата должна выглядеть так, как показано на рисунке ниже.
Теперь поместите один конец желтой перемычки в положительный ряд (рядом с красной линией), а другой конец в ряд с ножкой резистора 100 кОм (конец, не подключенный к базе). Снова подключите источник питания, и транзистор включится, а светодиод загорится. Теперь переместите один конец желтой перемычки с положительного ряда на заземляющий ряд (рядом с синей линией). Как только вы удалите желтую перемычку с положительного источника питания, ток к базе перестанет течь. Это заставляет транзистор выключаться, и ток не может течь через светодиод. Как мы увидим позже, через резистор 100 кОм протекает очень небольшой ток. Это очень важно, потому что это означает, что мы можем управлять большим током в одной части цепи (током, протекающим через светодиод) только с небольшим током на входе.
Вернемся к закону Ома.
Мы хотим использовать закон Ома, чтобы найти ток на пути от входа к базе транзистора и ток, протекающий через светодиод. Для этого нам нужно использовать два основных факта о конкретных транзисторах, которые мы используем:
1.) Если транзистор открыт, то напряжение базы на 0.7 вольт выше напряжения эмиттера.
2.) Если транзистор открыт, напряжение коллектора на 1.6 В выше напряжения эмиттера.
Итак, когда резистор 100 кОм подключен к 5 В постоянного тока, схема будет выглядеть так:
Таким образом, ток, протекающий через резистор 100 кОм, равен (5 – 0.7)/100000 = 0.000043 А = 0.043 мА.
Ток, протекающий через резистор 220 Ом, равен (3.1 – 1.6)/220 = 0.0068 А = 6.8 мА.
Если мы хотим, чтобы через светодиод проходил больший ток, мы можем использовать меньший резистор (вместо 220), и мы получим больший ток через светодиод без изменения величины тока, поступающего из входной линии в базовый резистор 100 кОм. Это означает мы можем управлять вещами, потребляющими много энергии (например, электродвигателями), с помощью дешевых транзисторных схем малой мощности. Вскоре вы научитесь использовать компьютер для управления событиями в реальном мире. Несмотря на то, что выходы стандартного компьютера на базе Windows не могут обеспечить ток, достаточный для включения и выключения света и двигателей, компьютер может включать и выключать транзисторы (поскольку для этого требуется очень небольшой ток), а транзисторы могут управлять большим током для фары и моторы. Это понятие называется усиление и представляет собой фундаментальную концепцию компьютерного взаимодействия для экспериментов в реальном мире.
Транзисторы
Крис Вудфорд. Последнее обновление: 8 декабря 2021 г.
Наш мозг содержит около 100 миллиардов клеток, называемых нейронами, — крошечные переключатели, которые позволяют вам думать и запоминать вещи. Компьютеры также содержат миллиарды миниатюрных «мозговых клеток». Их называют транзисторами, и они сделаны из кремния, химического элемента, обычно встречающегося в песке. Транзисторы произвели революцию в электронике с тех пор, как они были впервые изобретены более полувека назад Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Но что это такое и как они работают?
Фото: Насекомое с тремя ногами? Нет, обычный транзистор на электронной плате. Хотя простые схемы содержат такие отдельные транзисторы, сложные схемы внутри компьютеров также содержат микрочипы, внутри каждого из которых могут быть тысячи, миллионы или сотни миллионов транзисторов. (Технически, если вас интересуют более сложные детали, это кремниевый PNP-транзистор усилителя 5401B. Я объясню, что все это значит, через мгновение.)
Содержание
Что на самом деле делает транзистор?
Фото: более пристальный взгляд на 5401B.
Транзистор очень прост — и очень сложен. Начнем с простой части. Транзистор — это миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две разные функции. Он может работать либо как усилитель, либо как переключатель:
Когда он работает как усилитель, он потребляет крошечный электрический ток на одном конце (входной ток) и производит гораздо больший электрический ток (выходной ток) на другом. Другими словами, это своего рода усилитель тока. Это действительно полезно в таких вещах, как слуховые аппараты, для которых люди впервые использовали транзисторы. В слуховом аппарате есть крошечный микрофон, который улавливает звуки окружающего мира и превращает их в колеблющиеся электрические токи. Они подаются на транзистор, который усиливает их и питает крошечный громкоговоритель, поэтому вы слышите гораздо более громкую версию звуков вокруг вас. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора, однажды объяснил студенту транзисторные усилители в более юмористической форме: «Если вы возьмете тюк сена и привяжете его к хвосту мула, а затем зажжете тюк сена в огне, и если вы затем сравните энергию, затраченную вскоре после этого мулом, с энергией, затраченной вами на зажигание спички, вы поймете концепцию усиления».
Транзисторы также могут работать как переключатели. Крошечный электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может вызвать гораздо больший ток через другую его часть. Другими словами, меньший ток включает больший. По сути, так работают все компьютерные чипы. Например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиарды транзисторов, каждый из которых можно включать и выключать по отдельности. Поскольку каждый транзистор может находиться в двух разных состояниях, он может хранить два разных числа, ноль и единицу. С миллиардами транзисторов чип может хранить миллиарды нулей и единиц и почти столько же обычных цифр и букв (или символов, как мы их называем). Подробнее об этом чуть позже.
Фото: Компактные слуховые аппараты были одним из первых применений транзисторов, и это относится примерно к концу 1950-х или 1960-м годам. Размером с колоду игральных карт, он был предназначен для ношения в кармане пиджака или на нем. На другой стороне корпуса есть микрофон, который улавливает окружающие звуки. Вы можете ясно видеть четыре маленьких черных транзистора внутри, которые усиливают эти звуки, а затем направляют их в маленький громкоговоритель (внизу), который находится в вашем ухе.
Самое замечательное в машинах старого образца было то, что их можно было разобрать, чтобы понять, как они работают. Никогда не было слишком сложно, немного подтолкнув и потыкав, обнаружить, какой бит делает что и как одно ведет к другому. Но электроника совсем другая. Все дело в использовании электронов для управления электричеством. Электрон — это мельчайшая частица внутри атома. Он такой маленький, что весит чуть менее 0.000000000000000000000000000001 кг! Самые совершенные транзисторы работают, управляя движением отдельных электронов, так что вы можете себе представить, насколько они малы. В современном компьютерном чипе размером с ноготь вы, вероятно, найдете от 500 миллионов до двух миллиардов отдельных транзисторов. Нет никакой возможности разобрать транзистор, чтобы узнать, как он работает, поэтому вместо этого мы должны понять его с помощью теории и воображения. Во-первых, полезно знать, из чего сделан транзистор.
Как делают транзистор?
Фото: Пластина кремния. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).
Транзисторы сделаны из кремния, химического элемента, содержащегося в песке, который обычно не проводит электричество (он не позволяет электронам легко проходить через него). Кремний — это полупроводник, а это означает, что он не является ни проводником (что-то вроде металла, пропускающего электричество), ни изолятором (что-то вроде пластика, который останавливает ток). Если мы обработаем кремний примесями (процесс, известный как легирование), мы можем заставить его вести себя по-другому. Если мы добавим в кремний химические элементы мышьяк, фосфор или сурьму, кремний получит дополнительные «свободные» электроны — те, которые могут проводить электрический ток, — поэтому электроны будут вытекать из него более естественным образом. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, обработанный таким образом кремний называется n-типом (отрицательным типом). Мы также можем легировать кремний другими примесями, такими как бор, галлий и алюминий. Кремний, обработанный таким образом, имеет меньше этих «свободных» электронов, поэтому электроны из близлежащих материалов будут иметь тенденцию течь в него. Мы называем этот вид кремния p-типа (положительный тип).
Вкратце, мимоходом, важно отметить, что ни кремний n-типа, ни кремний p-типа на самом деле не имеют заряда сами по себе: оба они электрически нейтральны. Это правда, что у кремния n-типа есть дополнительные «свободные» электроны, которые увеличивают его проводимость, в то время как у кремния p-типа этих свободных электронов меньше, что помогает увеличить его проводимость противоположным образом. В каждом случае дополнительная проводимость возникает из-за добавления нейтральных (незаряженных) атомов примесей к кремнию, который изначально был нейтральным, а мы не можем создавать электрические заряды из воздуха! Для более подробного объяснения мне потребуется представить идею, называемую ленточной теорией, которая немного выходит за рамки этой статьи. Все, что нам нужно помнить, это то, что «лишние электроны» означают дополнительные свободные электроны — те, которые могут свободно перемещаться и помогают проводить электрический ток.
Силиконовые бутерброды
Теперь у нас есть два разных типа кремния. Если мы сложим их слоями, сделав сэндвичи из материалов р-типа и n-типа, мы сможем создавать различные виды электронных компонентов, которые работают по-разному.
Работа: соедините кремний n-типа с кремнием p-типа, и вы получите np-переход, который является основой диодов и транзисторов.
Предположим, мы присоединили кусок кремния n-типа к кусочку кремния p-типа и установили электрические контакты с обеих сторон. На стыке двух материалов начинают происходить интересные и полезные вещи. Если мы включим ток, мы сможем заставить электроны течь через переход со стороны n-типа на сторону p-типа и выходить из цепи. Это происходит потому, что отсутствие электронов на стороне p-типа перехода притягивает электроны со стороны n-типа и наоборот. Но если мы реверсируем ток, электроны вообще не будут течь. То, что мы здесь сделали, называется диодом (или выпрямителем). Это электронный компонент, пропускающий через себя ток только в одном направлении. Это полезно, если вы хотите превратить переменный (двусторонний) электрический ток в постоянный (односторонний). Диоды также могут излучать свет, когда через них проходит электричество. Вы могли видеть эти светоизлучающие диоды (LED) на карманных калькуляторах и электронных дисплеях на стереоаппаратуре Hi-Fi.
Как работает переходной транзистор
Фото: типичный кремниевый PNP-транзистор (A1048, разработанный как усилитель звуковой частоты).
Теперь предположим, что мы используем три слоя кремния в нашем бутерброде вместо двух. Мы можем сделать либо pnp-сэндвич (с кусочком кремния n-типа в качестве заполнения между двумя кусочками p-типа), либо npn-сэндвич (с p-типом между двумя пластинами n-типа). Если мы соединим электрические контакты со всеми тремя слоями сэндвича, мы сможем сделать компонент, который будет либо усиливать ток, либо включать или выключать его, — другими словами, транзистор. Посмотрим, как это работает в случае npn-транзистора.
Итак, мы знаем, о чем говорим, давайте дадим имена трем электрическим контактам. Мы назовем два контакта, соединенных с двумя частями кремния n-типа, эмиттером и коллектором, а контакт, соединенный с кремнием p-типа, назовем базой. Когда ток в транзисторе не течет, мы знаем, что в кремнии p-типа не хватает электронов (показанных здесь маленькими знаками плюс, представляющими положительные заряды), а две части кремния n-типа имеют дополнительные электроны (показаны маленькими значками). знак минус, обозначающий отрицательный заряд).
Другой способ взглянуть на это — сказать, что в то время как n-тип имеет избыток электронов, p-тип имеет дырки там, где электроны должны быть. Обычно отверстия в базе действуют как барьер, предотвращая протекание значительного тока от эмиттера к коллектору, пока транзистор находится в выключенном состоянии.
Транзистор работает, когда электроны и дырки начинают двигаться через два перехода между кремнием n-типа и p-типа.
Подключим транзистор к некоторому питанию. Предположим, мы прикладываем небольшое положительное напряжение к базе, делаем эмиттер заряженным отрицательно, а коллектор заряженным положительно. Электроны втягиваются из эмиттера в базу, а затем из базы в коллектор. И транзистор переходит в состояние «включено»:
Небольшой ток, который мы включаем на базе, создает большой ток между эмиттером и коллектором. Превращая небольшой входной ток в большой выходной ток, транзистор действует как усилитель. Но в то же время он действует как переключатель. Когда ток к базе отсутствует, между коллектором и эмиттером протекает небольшой ток или он вообще отсутствует. Включите базовый ток и течет большой ток. Таким образом, ток базы включает и выключает весь транзистор. Технически этот тип транзистора называется биполярным, потому что в протекании тока участвуют два разных вида (или «полярности») электрического заряда (отрицательные электроны и положительные дырки).
Мы также можем понять транзистор, представив его как пару диодов. С положительной базой и отрицательным эмиттером переход база-эмиттер похож на диод с прямым смещением, с электронами, движущимися в одном направлении поперек перехода (слева направо на диаграмме), а дырками — в противоположном (справа на право). оставил). Переход база-коллектор похож на диод с обратным смещением. Положительное напряжение коллектора вытягивает большую часть электронов через внешнюю цепь и во внешнюю цепь (хотя некоторые электроны действительно рекомбинируют с дырками в базе).
Как работает полевой транзистор (FET)
Все транзисторы работают, контролируя движение электронов, но не все они делают это одинаково. Подобно переходному транзистору, полевой транзистор (FET) имеет три разных вывода, но они имеют названия исток (аналогично эмиттеру), сток (аналог коллектора) и затвор (аналог базы). В полевом транзисторе слои кремния n-типа и p-типа расположены несколько иначе и покрыты слоями металла и оксида. Это дает нам устройство под названием MOSFET (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника).
Хотя в истоке и стоке n-типа есть дополнительные электроны, они не могут течь от одного к другому из-за отверстий в затворе p-типа между ними. Однако если к затвору приложить положительное напряжение, то там создается электрическое поле, позволяющее электронам течь по тонкому каналу от истока к стоку. Этот «эффект поля» позволяет протекать току и включает транзистор:
Для полноты картины мы могли бы отметить, что МОП-транзистор — это униполярный транзистор, потому что в его работу вовлечен только один вид («полярность») электрического заряда.
Как работают транзисторы в калькуляторах и компьютерах?
На практике вам не нужно ничего знать об электронах и дырках, если только вы не собираетесь зарабатывать на жизнь проектированием компьютерных микросхем! Все, что вам нужно знать, это то, что транзистор работает как усилитель или переключатель, используя небольшой ток для включения большего тока. Но есть еще одна вещь, которую стоит знать: как все это помогает компьютерам хранить информацию и принимать решения?
Мы можем собрать вместе несколько транзисторных переключателей, чтобы создать что-то, называемое логическим вентилем, который сравнивает несколько входных токов и в результате дает другой выход. Логические вентили позволяют компьютерам принимать очень простые решения, используя математический метод, называемый булевой алгеброй. Ваш мозг принимает решения точно так же. Например, используя «входы» (вещи, которые вы знаете) о погоде и о том, что у вас есть в коридоре, вы можете принять такое решение: «Если идет дождь И у меня есть зонт, я пойду в магазины». Это пример булевой алгебры с использованием так называемого «оператора И» (слово «оператор» — это всего лишь немного математического жаргона, чтобы вещи казались более сложными, чем они есть на самом деле). Вы можете принять аналогичные решения с другими операторами. «Если ветрено ИЛИ идет снег, я надену пальто» — пример использования оператора ИЛИ. Или как насчет «Если идет дождь И у меня есть зонт ИЛИ пальто, тогда можно выйти на улицу». Используя И, ИЛИ и другие операторы, называемые ИЛИ, исключающее ИЛИ, НЕ и И-НЕ, компьютеры могут складывать или сравнивать двоичные числа. Эта идея является краеугольным камнем компьютерных программ: логической последовательностью инструкций, которые заставляют компьютеры что-то делать.
Обычно переходной транзистор «выключен», когда ток базы отсутствует, и включается, когда ток базы течет. Это означает, что для включения или выключения транзистора требуется электрический ток. Но такие транзисторы можно соединить с логическими вентилями, чтобы их выходные соединения возвращались на их входы. Затем транзистор остается открытым, даже когда ток базы удаляется. Каждый раз, когда протекает новый базовый ток, транзистор «переворачивается» или выключается. Он остается в одном из этих стабильных состояний (включен или выключен) до тех пор, пока не появится другой ток и не перевернет его в другую сторону. Такое устройство известно как триггер и превращает транзистор в простое запоминающее устройство, которое хранит ноль (когда он выключен) или единицу (когда он включен). Триггеры — это основная технология, используемая в микросхемах компьютерной памяти.
Кто изобрел транзистор?
Произведение: оригинальная конструкция точечного транзистора, изложенная в патенте США Джона Бардина и Уолтера Браттейна (2,524,035 1948 3), поданном в июне 1950 г. (примерно через шесть месяцев после первоначального открытия) и выданном XNUMX октября XNUMX г. простой PN-транзистор с тонким верхним слоем германия P-типа (желтый) на нижнем слое германия N-типа (оранжевый). Три контакта: эмиттер (E, красный), коллектор (C, синий) и база (G, зеленый). Вы можете прочитать больше в оригинальном патентном документе, который указан в ссылках ниже. Работа предоставлена Управлением по патентам и товарным знакам США.
Транзисторы были изобретены в Bell Laboratories в Нью-Джерси в 1947 году тремя блестящими американскими физиками: Джоном Бардином (1908–1991), Уолтером Браттейном (1902–1987) и Уильямом Шокли (1910–1989).
Команда под руководством Шокли пыталась разработать новый тип усилителя для телефонной системы США, но то, что они на самом деле изобрели, оказалось гораздо более распространенным. Бардин и Браттейн изготовили первый практический транзистор (известный как транзистор с точечным контактом) во вторник, 16 декабря 1947 года. Хотя Шокли сыграл большую роль в этом проекте, он был в ярости и взволнован тем, что его оставили в стороне. Вскоре после этого, во время пребывания в отеле на конференции по физике, он в одиночку разработал теорию переходного транзистора — гораздо лучшего устройства, чем транзистор с точечным контактом.
В то время как Бардин ушел из Bell Labs, чтобы стать академиком (он добился еще большего успеха, изучая сверхпроводники в Университете Иллинойса), Браттейн остался на некоторое время, прежде чем уйти на пенсию, чтобы стать учителем. Шокли основал свою собственную компанию по производству транзисторов и помог вдохновить современный феномен, который называется «Силиконовая долина» (процветающий район вокруг Пало-Альто, Калифорния, где сосредоточены корпорации по производству электроники). Двое его сотрудников, Роберт Нойс и Гордон Мур, впоследствии основали Intel, крупнейшего в мире производителя микрочипов.
Бардин, Браттейн и Шокли ненадолго воссоединились несколько лет спустя, когда они разделили высшую научную награду мира, Нобелевскую премию по физике 1956 года, за свое открытие. Их история — захватывающая история об интеллектуальном блеске, сражающемся с мелкой завистью, и о ней стоит прочитать больше. Вы можете найти отличные отчеты об этом среди книг и веб-сайтов, перечисленных ниже.
Транзисторы
Одним из наиболее фундаментальных применений транзистора является его использование для управления потоком энергии в другую часть схемы — использование его в качестве электрического переключателя. Управляя им либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения, транзистор может создавать двоичный эффект включения/выключения переключателя.
Транзисторные переключатели являются важными элементами схемы; они используются для изготовления логических вентилей, которые затем используются для создания микроконтроллеров, микропроцессоров и других интегральных схем. Ниже приведены несколько примеров схем.
Транзисторный переключатель
Давайте посмотрим на самую фундаментальную схему транзисторного переключателя: переключатель NPN. Здесь мы используем NPN для управления мощным светодиодом:
Наш управляющий вход течет в базу, выход привязан к коллектору, а эмиттер держится на фиксированном напряжении.
В то время как обычный переключатель требует физического переключения привода, этот переключатель управляется напряжением на базовом контакте. Вывод ввода-вывода микроконтроллера, такой как в Arduino, можно запрограммировать на переход в высокий или низкий уровень для включения или выключения светодиода.
Когда напряжение на базе больше 0.6 В (или любое другое значение V вашего транзистораth может быть), транзистор начинает насыщаться и выглядит как короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение на базе меньше 0.6 В, транзистор находится в режиме отсечки — ток не течет, потому что это выглядит как разомкнутая цепь между C и E.
Схема выше называется переключатель низкой стороны, потому что переключатель — наш транзистор — находится на низкой (земляной) стороне цепи. В качестве альтернативы мы можем использовать транзистор PNP для создания переключателя верхнего плеча:
Как и в схеме NPN, база является нашим входом, а эмиттер привязан к постоянному напряжению. Однако на этот раз эмиттер подключен к высокому уровню, а нагрузка подключена к транзистору на стороне земли.
Эта схема работает так же хорошо, как переключатель на основе NPN, но есть одно огромное отличие: чтобы «включить» нагрузку, база должна быть низкой. Это может вызвать осложнения, особенно если высокое напряжение нагрузки (VCC будучи 12V подключение к эмиттеру VE на этом рисунке) выше, чем высокое напряжение нашего управляющего входа. Например, эта схема не будет работать, если вы попытаетесь использовать Arduino с питанием 5 В для выключения двигателя с напряжением 12 В. В таком случае было бы невозможно выключить выключатель потому что ВB (подключение к управляющему выводу) всегда будет меньше, чем VE .
Базовые резисторы!
Вы заметите, что в каждой из этих схем используется последовательный резистор между управляющим входом и базой транзистора. Не забудьте добавить этот резистор! Транзистор без резистора на базе подобен светодиоду без токоограничивающего резистора.
Вспомним, что в каком-то смысле транзистор — это просто пара соединенных между собой диодов. Мы смещаем диод база-эмиттер в прямом направлении, чтобы включить нагрузку. Для включения диода требуется всего 0.6 В, большее напряжение означает больший ток. Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на максимальный ток 10-100 мА, протекающий через них. Если вы подаете ток выше максимального номинала, транзистор может взорваться.
Последовательный резистор между нашим источником управления и базой ограничивает ток в базе. Узел база-эмиттер может получить счастливое падение напряжения 0.6 В, а резистор может снизить оставшееся напряжение. Значение резистора и напряжение на нем определяют ток.
Резистор должен быть достаточно большим, чтобы эффективно предел ток, но достаточно мал, чтобы прокормить базу достаточно Текущий. Обычно бывает достаточно от 1 мА до 10 мА, но проверьте техническое описание вашего транзистора, чтобы убедиться в этом.
Цифровая логика
Транзисторы можно комбинировать для создания всех наших основных логических элементов: И, ИЛИ и НЕ.
(Примечание: в настоящее время МОП-транзисторы чаще используются для создания логических элементов, чем биполярные транзисторы. МОП-транзисторы более энергоэффективны, что делает их лучшим выбором.)
инвертор
Вот транзисторная схема, реализующая инвертор, или НЕ ворота:
Здесь высокое напряжение на базе включит транзистор, который эффективно соединит коллектор с эмиттером. Так как эмиттер соединен с землей напрямую, коллектор тоже будет (правда, чуть выше, где-то около VCE (сел) ~0.05-0.2В). С другой стороны, если вход низкий, транзистор выглядит как разомкнутая цепь, а выход подтянут к VCC.
(На самом деле это фундаментальная конфигурация транзистора, называемая общий эмиттер. Об этом позже.)
И Ворота
Вот пара транзисторов, используемых для создания 2-входные вентили И:
Если какой-либо транзистор выключен, то на выходе коллектора второго транзистора будет низкий уровень. Если оба транзистора включены (на обоих базах высокий уровень), то на выходе схемы также высокий уровень.
ИЛИ Ворота
И, наконец, вот 2-входной вентиль ИЛИ:
В этой схеме, если один (или оба) A или B имеют высокий уровень, соответствующий транзистор включится и поднимет выход на высокий уровень. Если оба транзистора закрыты, то через резистор на выходе подается низкий уровень.
H-мост
H-мост представляет собой схему на основе транзисторов, способную приводные двигатели как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Это невероятно популярная трасса — движущая сила бесчисленных роботов, которые должны быть в состоянии двигаться как вперед, так и вперед. и в обратном направлении.
По сути, H-мост представляет собой комбинацию четырех транзисторов с двумя входными линиями и двумя выходами:
(Примечание: обычно хорошо спроектированный H-мост включает в себя обратные диоды, базовые резисторы и триггеры Шмидта.)
Если на оба входа подается одинаковое напряжение, на выходе двигателя будет одинаковое напряжение, и двигатель не сможет вращаться. Но если два входа противоположны, двигатель будет вращаться в одном или другом направлении.
H-мост имеет таблицу истинности, которая выглядит примерно так:
| Вход А | Вход B | Выход А | Выход B | Направление двигателя |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | Остановился (торможение) | ||
| 1 | 1 | По часовой стрелке | ||
| 1 | 1 | Против часовой стрелки | ||
| 1 | 1 | Остановился (торможение) |
Осцилляторы
Генератор представляет собой схему, которая производит периодический сигнал, который колеблется между высоким и низким напряжением. Генераторы используются во всех видах схем: от простого мигания светодиода до создания тактового сигнала для управления микроконтроллером. Существует множество способов создания схемы генератора, включая кварцевые кристаллы, операционные усилители и, конечно же, транзисторы.
Вот пример колебательного контура, который мы называем нестабильный мультивибратор, Используя Обратная связь мы можем использовать пару транзисторов для создания двух взаимодополняющих колебательных сигналов.
Помимо двух транзисторов, ключом к этой схеме являются конденсаторы. Крышки попеременно заряжаются и разряжаются, в результате чего два транзистора попеременно включаются и выключаются.
Анализ работы этой схемы — отличное исследование работы как конденсаторов, так и транзисторов. Для начала предположим, что C1 полностью заряжен (сохраняет напряжение около VCC), C2 разряжен, Q1 включен, а Q2 выключен. Вот что происходит после этого:
- Если Q1 включен, то левая пластина C1 (на схеме) подключена примерно к 0 В. Это позволит C1 разрядиться через коллектор Q1.
- Пока С1 разряжается, С2 быстро заряжается через резистор меньшего номинала — R4.
- Как только C1 полностью разрядится, его правая пластина подтянется примерно до 0.6 В, что включит Q2.
- На данный момент мы поменяли местами состояния: C1 разряжен, C2 заряжен, Q1 выключен, а Q2 включен. Теперь мы делаем тот же танец в другую сторону.
- Включение Q2 позволяет C2 разряжаться через коллектор Q2.
- Пока Q1 выключен, C1 может относительно быстро заряжаться через R1.
- Как только C2 полностью разрядится, Q1 снова включится, и мы вернемся в исходное состояние.
Может быть трудно обернуть голову. Вы можете найти другую отличную демонстрацию этой схемы здесь.
Выбрав определенные значения для C1, C2, R2 и R3 (и оставив R1 и R4 относительно низкими), мы можем установить скорость нашей схемы мультивибратора:
Таким образом, при значениях конденсаторов и резисторов, установленных на 10 мкФ и 47 кОм соответственно, частота нашего генератора составляет около 1.5 Гц. Это означает, что каждый светодиод будет мигать примерно 1.5 раза в секунду.
Как вы, наверное, уже заметили, есть Тон схем там, которые используют транзисторы. Но мы едва поцарапали поверхность. Эти примеры в основном показывают, как транзистор можно использовать в режимах насыщения и отсечки в качестве переключателя, но как насчет усиления? Время для большего количества примеров!
