Не подумайте, пожалуйста, что знакомство с полупроводниковым диодом — это отклонение от главного пути. Диод — своего рода составная часть транзистора, и транзистор можно рассматривать как два объединенных в одно целое полупроводниковых диода. Вот почему знакомиться с диодом мы будем достаточно подробно, считая, что при этом мы одновременно знакомимся и с транзистором. Кроме того, диод как самостоятельный элемент весьма часто встречается в электронной аппаратуре, в том числе и в схемах, которые будут описаны в этой книге. Познакомившись с принципом работы и устройством диода, мы рассмотрим несколько практических схем с его участием и тем самым положим начало той части нашего путешествия, для которой нужен уже не только карандаш, но и паяльник.

МАНЕВРЫ НА ГРАНИЦЕ

Имеющихся у нас знаний вполне достаточно, чтобы построить некий условный полупроводниковый диод (рис. 14).

Рис. 14. Полупроводниковый диод — это прибор, в котором созданы две зоны с разным типом примесной проводимости: зона р и n .

Возьмем кусок чистого германия (с равным успехом можно взять и кремний, но мы для определенности ограничимся пока одним из этих полупроводников) и с одной стороны введем в него донорную примесь, с другой — акцепторную. Это значит, что в половине кристалла будет преобладать электронная проводимость, в другой — дырочная. По количеству зон с разной проводимостью построенный нами прибор как раз и получил свое название «диод»: приставка «ди» означает «два». Название это появилось намного раньше самого полупроводникового диода и относилось к некоторым другим приборам с двумя электродами и двумя выводами от них.

Влияние примесей на электрические свойства полупроводниковых материалов огромно. Так, например, если в германий добавить по весу лишь одну миллионную часть мышьяка, то число свободных электронов в германии увеличится в тысячи раз! Подобным же образом миллионные весовые доли акцепторной примеси — например, лития — в тысячи раз повышают дырочную проводимость полупроводника.

Объясняется столь сильное влияние примесей довольно просто. Дело в том, что своих собственных электронов и дырок в чистом германии немного. Далеко не каждый его атом выпускает на свободу свой электрон — в противном случае этих электронов было бы очень много и вместо полупроводника мы имели бы обычный проводник. В среднем при комнатной температуре на каждый миллиард атомов германия приходится лишь один свободный электрон.

В то же время каждый атом донорной примеси, занявший место в кристаллической решетке, обязательно один из пяти своих внешних электронов выбрасывает в межатомное пространство. Ведь для связи с соседями нужны лишь четыре электрона: как известно, «структура прежде всего».

Теперь посчитаем. Если вес примеси составляет миллионную часть веса германия (мы считаем вес атомов германия и примеси одинаковым и миримся с ошибкой на несколько процентов), то на каждый миллиард атомов германия приходится тысяча атомов примеси, потому что миллионная часть миллиарда и есть тысяча. А это значит, что на каждый миллиард атомов германия теперь приходится один собственный свободный электрон и тысяча свободных электронов, принесенных примесью.

Отсюда следует очень важный вывод: поскольку число собственных свободных электронов равно числу собственных дырок, то благодаря введению примеси электронная проводимость германия окажется примерно в тысячу раз больше дырочной. В таких случаях говорят, что в полупроводнике имеются основные (это те, которых много) и неосновные (те, которых мало) носители электрического заряда. В нашем примере основные носители заряда — это, конечно, электроны, а неосновные— дырки. Если же ввести в германий акцепторную примесь, то свободных электронов окажется несравненно меньше, чем дырок, и именно дырки будут основными носителями электрического заряда, то есть основными свободными зарядами, способными создавать ток (рис. 15).

Рис. 15. После введения примеси в полупроводнике оказывается два вида зарядов — примесные (основные) и очень небольшое количество собственных (неосновных) зарядов.

С неосновными носителями, неосновными свободными зарядами мы сейчас поступим так же, как в свое время поступили с электронами-перебежчиками. Для упрощения общей картины мы временно вычеркнем их из своего списка.

Теперь наш полупроводниковый диод выглядит так. В одной его половине имеются только свободные электроны. Эта часть диода называется зоной — n, от слова negativus, то есть отрицательный. В другой части диода есть только носители положительного заряда — дырки. Это зона р — ее название происходит от слова positivus, то есть положительный. Довольно часто буквы n и р вводят в характеристику самого полупроводникового материала и говорят: «германий n-типа», «германий p-типа» или «кремний n-типа», «кремний p-типа». Эти названия указывают, какая примесь — донорная или акцепторная — была введена в кристалл и, таким образом, какая проводимость — электронная или дырочная — является основной в данном кристалле.

В любом полупроводниковом приборе, где есть зоны с разным типом проводимости, граница между этими зонами носит название «pn-переход» (по-русски это звучит так: «пэ-эн-переход»). Такое же название, разумеется, носит пограничная область между зоной р и зоной n в нашем полупроводниковом диоде.

Мы с вами построили полупроводниковый диод. Посмотрим теперь, что он умеет делать.

Включим диод в электрическую цепь, для начала в цепь постоянного тока. Обратите внимание, у нас есть две возможности включения: можно подключить диод зоной р к «плюсу» батареи и зоной n — к «минусу»; а можно наоборот: к «плюсу» подключить зону n и к «минусу» — зону р.

Для лампочки карманного фонаря, например, или для электроплитки совершенно безразлично, в какую сторону через них пойдет ток, был бы лишь ток. Эти приборы одинаково хорошо светят и греют при любом направлении тока. А вот поведение полупроводникового диода прежде всего зависит от направления тока, от того, какая зона диода подключена к «плюсу», а какая к «минусу» батареи. Поэтому мы рассмотрим оба варианта включения.

Начнем с первого.

Итак, «плюс» батареи подключен к зоне р нашего диода, а «минус» — к зоне n. Избыточные электроны с «минуса» батареи хлынули в зону n, и ее собственные электроны под этим могучим натиском двинулись к границе между зонами, двинулись к рn-переходу. С другой стороны, к рn-переходу подошли дырки зоны р, испытывающие электрическое давление «плюса» батареи. (Вы не забываете в подобные минуты обращаться к примечанию на стр. 26?)

А что же происходит на самой границе? Встречаясь, электроны и дырки нейтрализуют друг друга — электроны-путешественники зоны n занимают свободные места на внешних орбитах атомов зоны р.

Тот, кто хочет более детально разобраться в происходящих событиях, должен будет вспомнить о вычеркнутом нами в свое время электроне-перебежчике. В результате все дело сведется к перемещению одних только электронов, и это в действительности имеет место: сами атомы в твердом теле не двигаются. Но для простоты нам все же удобнее рассматривать движение положительных зарядов — дырок, что, как мы уже не раз подчеркивали, совершенно не противоречит истине. При желании можно еще раз привлечь на помощь аналогию со зрительным залом, дополнив его запасным выходом, куда убегают из первого ряда разочарованные зрители, фойе, где толпятся ожидающие свободного места безбилетники, и еще загадочной комнатой (в нашей аналогии она отображает батарею), в которой сбежавшим со спектакля зрителям сообщают кое-что такое, что заставляет их вновь устремиться в зал (рис. 16).

Рис. 16. Прямое включение диода; электроны и дырки двигаются к границе рn -перехода, в цепи протекает довольно большой прямой ток — ток основных зарядов.

При выбранном нами первом варианте включения диода в обеих его зонах происходит непрерывное упорядоченное движение зарядов к границе, а значит, во всей цепи идет ток.

Можно сказать об этом и по-другому: при выбранном направлении включения диода он обладает сравнительно небольшим сопротивлением.

А теперь давайте повернем диод (или батарею) на сто восемьдесят градусов и подключим зону р к «минусу» батареи, а зону n — к «плюсу» (рис. 17).

Рис. 17. Обратное включение диода; электроны и дырки оттягиваются от границы pn -перехода, в цепи протекает очень небольшой обратный ток — ток неосновных зарядов.

При таком включении электроны отходят от границы, уходят в глубь зоны n под влиянием «плюса» батареи (ничего не поделаешь — разноименные заряды притягиваются, и «плюс» тянет к себе отрицательно заряженные электроны), и одновременно под влиянием «минуса» от границы отходят дырки в глубь зоны р. В итоге из области pn-перехода почти полностью исчезают свободные заряды, сопротивление этой области резко возрастает, и она практически становится изолятором. А появление изолятора в электрической цепи приводит к прекращению тока. Правда, ток полностью не прекращается (идеальных изоляторов нет!), но он становится очень малым, и мы говорим, что при втором варианте включения полупроводниковый диод тока не проводит.

Теперь нам остается лишь ввести общепринятые наименования— первое направление включения диода назвать прямым, а второе — обратным — и сделать окончательный вывод: полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, он пропускает ток только в одном направлении. Или иначе: сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении мало, в обратном — велико.

За свое главное качество — одностороннюю проводимость — диод получил звание электрического вентиля. По своему поведению в электрической цепи диод действительно похож на вентиль, на устройство, которое пропускает воздух из насоса, например в велосипедную камеру, и не выпускает его обратно.

На этом, пожалуй, можно закончить общее знакомство с полупроводниковым диодом и поговорить конкретно о его устройстве, характеристиках, параметрах и схемах, в которых диод работает.

ВСЕ О ДИОДЕ

По своему устройству полупроводниковые диоды можно разделить на две большие группы — на плоскостные диоды и точечные (рис. 14). Главные особенности этих групп отражены в самих их названиях. В плоскостном диоде граница между зонами р и n представляет собой довольно большую плоскость. Площадь этой пограничной плоскости в зависимости от типа диода может составлять от 0,1 до 100 квадратных миллиметров.

Один из способов изготовления кристалла с pn-переходом для плоскостного диода упрощенно выглядит так. Вытягивая полупроводниковый кристалл, например германий, из расплава, в него периодически добавляют то акцепторную, то донорную примесь (рис. 18).

Рис. 18. Один из способов изготовления pn -перехода основан на введении примесей в кристалл по мере его вытягивания из расплава.

При этом вытянутый кристаллический стержень получается как бы полосатым — в нем равномерно чередуются зоны р и зоны n. В дальнейшем такой кристалл точнейшим образом разрезают алмазными пилами и получают из него огромное количество кристалликов, в каждом из которых имеется лишь один pn-переход. Такой кристаллик как раз и служит основой для изготовления одного полупроводникового диода.

Выводы диода подпаяны непосредственно к кристаллу, а сам этот кристалл помещен в герметический корпус. Корпус диода металлический, и, как правило, он же и является выводом зоны n (рис. 14). Вывод зоны р выходит из металлического корпуса сквозь стеклянный изолятор.

В точечном диоде один из выводов также припаивают непосредственно к кристаллу. Другой вывод представляет собой тончайшую стальную проволочку, которая упирается в кристалл. При изготовлении диода конец проволочки покрывают металлом-донором, или акцептором, например алюминием или индием. В результате в том месте кристалла, куда упирается проволочка, образуется миниатюрный точечный рn-переход.

Плоскостные и точечные диоды — это не просто разные конструкции, возникшие по прихоти двух изобретателей. Это разные приборы с разными характеристиками и параметрами, по-разному ведущие себя во многих электрических цепях.

О поведении диода в электрической цепи многое может рассказать его вольтамперная характеристика (рис. 19).

Рис. 19. Вольтамперная характеристика диода как бы состоит из двух характеристик — для прямого и обратного включения диода, для прямого и обратного тока.

На этом графике видно, как меняется ток I через диод при изменении приложенного к нему напряжения (отсюда и название характеристики, оно как бы говорит: «изменение вольтов приводит к изменению амперов»).

После всего, что было рассказано, вольтамперная характеристика диода, по-видимому, ясна вам с первого взгляда. Прежде всего мы можем разделить всю эту характеристику на две части, на две области — положительных и отрицательных напряжений.

Область положительных напряжений (сперва от нулевого напряжения, то есть от U = 0) соответствует прямому включению диода. Здесь ток — его называют прямым током — сравнительно велик и резко возрастает при увеличении U. Это значит, что само понятие «положительное напряжение» в данном случае нужно понимать только так: диод включен в прямом направлении, «плюс» батареи подключен к зоне р.

Слева от U = 0, то есть в области отрицательных напряжений, диод включен в обратном направлении: к зоне р подключен «минус» батареи. Ток в отрицательной области, конечно, очень мал и при увеличении напряжения (разумеется, отрицательного!) растет незначительно. Вообще же само появление обратного тока и его рост связаны с существованием неосновных носителей, которые умеют двигаться так же, как и основные, но только в противоположную сторону и при обратном напряжении (рис. 16 и 17).

Внимательно присмотревшись к вольтамперной характеристике, можно обнаружить на ней несколько непонятных участков. Почему, например, при очень маленьких положительных напряжениях ток почти не растет и лишь постепенно набирает силу? Почему при малых отрицательных напряжениях ток возрастает довольно быстро и лишь потом рост его прекращается? Почему, наконец, ток бурно возрастает после того, как напряжение превысит величину U обр-доп ?

Резкое увеличение тока при высоких обратных напряжениях объясняется просто: разрушением pn-перехода. Разрушение происходит из-за слишком большой мощности, которая выделяется на pn-переходе и превращается в тепло. Полупроводниковые материалы перегреваются, резко возрастает их собственная проводимость, и pn-переход вообще исчезает. Происходит так называемый тепловой пробой, и диод становится обычным резистором.

При обратном включении диода чрезмерная, разрушающая pn-переход мощность получается при весьма больших напряжениях. И вот почему: обратный ток очень мал, а мощность, если вы не забыли, — это произведение напряжения на ток.

Обратите внимание, что при обратном включении диода тепловой пробой наступает не сразу. Увеличивая напряжение, мы сначала попадаем в область электрического пробоя. В этой области обратный ток резко возрастает, а значит, обратное сопротивление диода падает. Однако, если опять уменьшить напряжение, уменьшится и ток. Иными словами, электрический пробой, возникновение которого связано с тонкими молекулярными механизмами, процесс обратимый. Он резко, лавинообразно увеличивает обратный ток, но стоит уменьшить напряжение, диод возвращается в исходный режим и вновь становится электрическим вентилем.

В то же время тепловой пробой выводит полупроводниковый прибор из строя навсегда. И если когда-нибудь к вам в руки попадет диод, который потерял способность быть вентилем, потому что у него обратное сопротивление такое же, как и прямое, то знайте: диод побывал в области теплового пробоя.

Для того чтобы не погубить полупроводниковый диод (а часто вместе с ним могут погибнуть и другие элементы схемы, например, силовой трансформатор), чтобы не довести диод до теплового пробоя, не нужно превышать некоторую предельно допустимую для данного типа диодов мощность. Об этом как раз и говорят основные параметры диодов, приведенные в таблицах 1–5. Правда, в этих таблицах самой мощности вы не найдете, вместо нее указан средний прямой ток I вып , который можно пропустить через диод (подчеркиваем — это именно средний прямой ток; на короткий срок эту величину иногда можно превысить), и предельное обратное напряжение U обр-доп .

Обратный ток — 300 мка (при Uобр-доп ); прямое напряжение 0,3–0,5 в (при Iвып ).

1 В наших таблицах ток Iпр-ср . обозначен   Iвып , как и в большинстве официальных справочников.

Обратный ток 30–50 мка (при Uобр-доп ), прямое напряжение 0,5–1 в (при Iвып ).

Обратный ток 3 ма (при Uобр-доп ); прямое напряжение (при Iвып ) у германиевых диодов 0,2–0,5 в, у кремниевых диодов 1–1,5 в.

Внимание! Допустимые токи указаны в расчете на применение радиаторов. Если через диод проходит полный прямой ток ( Iвып ), то при использовании алюминиевого радиатора толщиной 3 мм его диаметр должен быть для диодов Д303 не менее 60 мм, для Д304 — 80 мм и для Д305 — 150 мм. Кремниевые диоды рассчитаны на радиаторы площадью 50 см 2 при полном токе и 25 см 2 при половинном токе (если температура окружающей среды 25 °C).

Примечание. Если в обозначении кремниевого диода после цифры стоит буква Б (например, Д242Б), то допустимый ток  Iвып не более 5 а. Буква А в названии (например, Д242А) означает, что диод сохраняет свои параметры до температуры +130 °C; во всех остальных случаях допустимый прямой ток  Iвып при температуре +130 °C вдвое меньше нормального, то есть 5 а (для диодов с обозначением Б ток не более 2 а). Буква П (например, Д242П) в названии диода отмечает лишь некоторые его технологические особенности и при выборе диода на нее можно не обращать внимания.

Обратный ток (при Uобр-доп ) у германиевых диодов 250 мка, у кремниевых — 30 мка; проходная емкость у германиевых диодов 1–2 пф, у кремниевых — 0,5 пф.

То, что вместо максимально допустимой мощности указаны именно эти параметры, объясняется довольно просто.

Мощность, выделяемая на диоде при его прямом включении, равна произведению прямого тока на приложенное к диоду прямое напряжение. Но ведь ток и напряжение взаимно связаны. Например, в диоде Д7Ж прямой ток 0,3 а будет при прямом напряжении 0,5 в, а мощность в этом случае составит 0,15 вт (P = U·I). Именно эта мощность для данного типа диода является предельно допустимой, и превышать ее нельзя. Но вместо того чтобы говорить «не превышайте мощность 0,15 вт», мы можем сказать: «не превышайте ток 0,3 а». Ведь напряжение при этом токе для данного типа диодов почти всегда одинаково, а значит, ограничив ток, мы ограничиваем и мощность. Поскольку при включении диода в прямом направлении особенно важно знать, какой он может пропустить прямой ток, то именно эта величина входит в число основных параметров диода и включена в нашу таблицу рекомендованных режимов.

Рассуждая аналогичным образом, можно доказать, что, вместо того чтобы ограничивать мощность при обратном включении диода, достаточно ограничить его обратный ток или обратное напряжение. А поскольку при включении диода в какую-либо схему нам всегда легче определить, какое к нему будет приложено обратное напряжение, а не какой через него пойдет обратный ток, то именно поэтому допустимое обратное напряжение U обр-доп входит в число основных параметров диода.

Вывод, который нужно сделать в результате всех этих пространных рассуждений, достаточно краток: не допускайте превышения прямого тока I вып и обратного напряжения U обр-доп .

Обогащенные этими новыми знаниями, мы уже можем критически взглянуть на таблицы 1–5. Первое, что бросается в глаза, — это довольно большое количество разных диодов. У некоторых прямой ток побольше, у других поменьше, некоторые диоды терпят обратное напряжение в сотни вольт, для других смертельным является напряжение в два-три десятка вольт. Видно также, что у точечных диодов допустимые токи и напряжения значительно меньше, чем у плоскостных.

Здесь вполне уместно задать вопрос: зачем вообще нужны точечные диоды, если любой из них по предельным параметрам уступает самому слабенькому плоскостному диоду? А дело в том, что плоскостные диоды проигрывают точечным по одному весьма важному параметру, который хотя и не входит в нашу таблицу, но о котором следует помнить. Этот параметр — собственная емкость диода (рис. 20).

Рис. 20. Сравнительно большая емкость плоскостного диода не позволяет использовать его в высокочастотных цепях.

Полупроводниковый диод очень напоминает плоский конденсатор. Его обкладки — зона р и зона n, а диэлектрик — область рn-перехода, лишенная свободных, зарядов. Известно, что емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь его обкладок. Именно на этом, кстати, основано изменение емкости в переменном конденсаторе. Для того чтобы повысить допустимую величину прямого тока у плоскостных диодов, увеличивают площадь соприкосновения зоны р с зоной n, то есть, иными словами, увеличивают площадь рn-перехода.

И, конечно же, при этом возрастает собственная емкость диода. У плоскостных диодов собственная емкость достигает нескольких сот пикофарад (пф). В то же время собственная емкость точечных диодов ввиду очень малой поверхности рn-перехода обычно составляет несколько десятых долей пф. И поэтому точечные диоды могут работать в цепях переменного тока высокой частоты, там, где применение плоскостных диодов невозможно из-за их большой емкости.

Постоянный ток, как известно, не проводит через конденсатор — между его обкладками находится слой изолятора. Но когда конденсатор заряжается и разряжается, в его цепи все-таки возникает кратковременный ток — заряды двигаются на обкладки (зарядный ток) или уходят с них (разрядный ток). Под действием переменного напряжения циклы заряд-разряд происходят непрерывно, и в цепи конденсатора возникает переменный ток. Ток этот возрастает с увеличением частоты: чем выше частота, тем чаще двигаются заряды «туда-обратно», тем большее их количество проходит по цепи каждую секунду.

Есть еще один способ увеличить ток: нужно взять конденсатор большей емкости. Чем больше емкость С конденсатора, тем большее число зарядов накапливается на обкладках, тем интенсивнее их движение во время заряда и разряда. Учитывая все это, конденсатор можно представить в виде некоторого условного резистора, обладающего емкостным сопротивлением x с , от которого зависит величина тока. Само же x с зависит от частоты f и емкости С. (Воспоминание № 13; формулы действительны только для переменного тока синусоидальной формы). Сопротивление x с называют реактивным — оно не потребляет мощности, а лишь влияет на величину тока.

Предположим, что в плоскостном диоде емкость рn-перехода равна 100 пф. На частоте 100 килогерц (кгц) конденсатор такой емкости ведет себя как сопротивление 16 килоом (ком). Это сопротивление намного меньше обратного сопротивления диода и сильно шунтирует его. Образно говоря, собственная емкость диода совершает «предательство» (не забывайте про стр. 26!) — создает обходной путь, который фактически делает диод ненужным, неработающим элементом цепи.

Как видите, большой прямой ток плоскостных диодов покупается довольно дорогой ценой: предельная рабочая частота этих диодов обычно не превышает 10–20 кгц. Точечные диоды хорошо работают на частотах в десятки, сотни и даже тысячи мегагерц (Мгц). На высоких частотах емкостное сопротивление точечного диода оказывается весьма большим благодаря его небольшой собственной емкости (чем меньше емкость, тем больше емкостное сопротивление). И поэтому точечный диод практически не подвергается шунтирующему действию собственного конденсатора-«предателя».

Есть еще несколько параметров полупроводникового диода, с которыми нам необходимо познакомиться. Это обратный ток и прямое напряжение, а также предельная температура, которую терпит диод. Мы не стали включать эти параметры в таблицы, потому что для многих диодов они одинаковы и таблицы оказались бы заполненными множеством одинаковых цифр.

Так, например, все германиевые диоды работают при температуре не более +60 °C. Для кремниевых диодов верхняя температурная граница значительно выше — до +100 °C (часто указывают иные величины, а именно: +70 °C и + 150 °C).

Причиной гибели диодов при высокой температуре является уже знакомый тепловой пробой. Тепловая энергия увеличивает собственные колебания атомов, как бы расшатывает их, и в результате увеличивается число электронов, покидающих внешние орбиты. Поэтому с увеличением температуры в полупроводниковом диоде растет число неосновных (собственных) зарядов, а значит, уменьшается численное превосходство основных (примесных) зарядов, на котором, собственно говоря, и основана вся деятельность pn-перехода.

Посмотрите на рис. 21. Здесь показано, как меняется характеристика диода при его нагревании. Вы видите, что с ростом температуры резко увеличивается обратный ток — происходит это именно за счет увеличения собственной проводимости полупроводника. Постепенно дело доходит до того, что обратный ток становится равным прямому, рn-переход разрушается, наступает тепловой пробой.

Рис. 21. При нагревании диода увеличивается число собственных (неосновных) зарядов в полупроводнике, увеличивается обратный ток через рn -переход.

То, что у кремниевых диодов это происходит при более высокой температуре, можно объяснить (опять-таки очень упрощенно!) следующим образом. У кремния всего три орбиты, у германия — четыре. Поэтому в атоме кремния внешняя орбита находится ближе к ядру, электроны прочнее привязаны электрическими силами к ядру и нужна более высокая температура, более сильные тепловые колебания атома, чтобы выбросить электрон с его внешней орбиты.

Для того чтобы не перегреть полупроводниковый диод, не довести его до опасной граничной температуры, пользуются охлаждающими радиаторами, например медными, алюминиевыми или стальными пластинами. Роль радиатора может выполнять и металлическое шасси, на котором монтируется схема. Радиатор должен плотно прилегать к корпусу диода: лишь в этом случае диод хорошо передает ему свое тепло. Если же нужно, чтобы корпус диода (к нему подсоединена зона n, см. рис. 14) не имел электрического контакта с металлическим радиатором (чаще всего с шасси), то между диодом и радиатором помещают тонкую слюдяную прокладку.

Диоды большой и даже средней мощности без радиаторов вообще не используют, так как при этом у них очень резко, иногда в два-три раза, уменьшаются допустимый прямой ток I пр-доп и допустимое обратное напряжение U обр-доп . А плоскостные диоды малой мощности, для которых не нужны радиаторы, при монтаже стараются располагать так, чтобы обеспечивалось их хорошее охлаждение. Более того, даже при пайке выводов полупроводникового прибора нужно остерегаться его перегрева. Паять нужно быстро, аккуратно, предварительно зажав вывод пинцетом или плоскогубцами, которые в данном случае играют роль теплоотвода (рис. 22).

Рис. 22. Перегрев при пайке или превышение подводимой мощности может привести к гибели диода.

Влияние температуры на работу полупроводникового диода, а в дальнейшем и триода доставит нам еще немало хлопот, и мы еще не раз будем возвращаться к этой неприятной теме.

Прямое напряжение U пр , при котором через диод проходит допустимый прямой ток I пр-доп , так же как и обратный ток I обр , соответствующий допустимому обратному напряжению U обр-доп , — параметры также довольно близкие для больших групп диодов. Так, для плоскостных диодов прямое напряжение, как правило, составляет 0,3–0,5 в. Как видите, прямое напряжение у плоскостных диодов весьма мало. Несколько больше, но тоже невелико прямое напряжение U пр у точечных диодов.

Обратный ток I обр при напряжении U обр-доп у плоскостных диодов обычно составляет 0,5–1,5 ма (то есть 500—1500 мка), а у точечных диодов 0,01—0,2 ма (10—200 мка). Во всех случаях обратный ток через диод даже при предельно допустимом обратном напряжении весьма мал. Во всяком случае, обратный ток всегда во много раз меньше прямого.

Зная токи и напряжения, легко подсчитать прямое и обратное сопротивление диода (R = U: I). Для плоскостных диодов прямое сопротивление обычно очень мало — оно составляет всего 0,1–3 ом (!), а обратное 50—500 ком или даже несколько Мом. Прямое сопротивление точечных диодов чаще всего лежит в пределах от 10 до 100 ом, обратное — от 1 до 10 Мом. Цифры эти полезно запомнить: в дальнейшем они позволят понять, что именно почувствует та или иная электрическая цепь при включении в нее диода.

У нас остался еще один неоплаченный долг — еще один вопрос, который возник при знакомстве с вольтамперной характеристикой диода (стр. 46): с чем связано появление двух изогнутых участков, двух загибов характеристики в районе нулевого напряжения? В поисках ответа нам придется еще раз внимательно посмотреть, что происходит в рn-переходе, причем не при прямом его включении и не при обратном, а в том случае, когда диод вообще никуда не включен, когда он предоставлен самому себе.

А действительно, как ведет себя рn-переход, когда к нему не приложено никакого напряжения? Начнем с того, что такого случая почти никогда не бывает. Даже если к рn-переходу не подключать батареи, то и в этом случае на нем будет действовать небольшое, если можно так сказать, «самодельное» напряжение. Чтобы пояснить, откуда оно берется, нам придется упомянуть еще об одном физическом явлении — о диффузии. С этим явлением, так же, скажем, как с возникновением примесной проводимости или с влиянием температуры на свойства полупроводника, мы будем довольно часто сталкиваться при знакомстве с полупроводниковыми триодами.

Если в каком-нибудь углу комнаты поставить банку с легко испаряющимся бензином, то его запах через некоторое время заполнит все помещение. Если в стакан чистой воды попадет капля туши, то пройдет несколько минут, и вся вода в стакане почернеет. Если в полупроводниковый кристалл насильно ввести некоторое количество свободных электронов, то вскоре они равномерно распределятся во всем объеме кристалла. Все три примера иллюстрируют хорошо известное физическое явление — диффузию.

Сущность ее состоит в том, что частицы — молекулы, атомы, электроны, — совершая свои обычные хаотические движения, постепенно передвигаются из районов с большой концентрацией в те районы, где этих частиц мало. Диффузия в том и состоит, что вещество старается распределиться равномерно в занимаемом объеме. Можно найти ей немало житейских аналогий, вспомнив, например, как люди равномерно размещаются на огромном пляже.

Диффузия наблюдается и в районе рn-перехода. Свободные электроны, сконцентрированные в зоне n, стремятся перейти в зону р, а дырки, наоборот, из зоны р направляются в зону n. Такое движение, казалось бы, должно продолжаться до тех пор, пока во всем кристалле концентрация дырок и электронов не станет одинаковой, пока не исчезнут зоны р и n. Однако этого не происходит. На борьбу с диффузией, которая хотела бы превратить диод в однородный кристалл, вступают могучие силы. Это электрические силы неподвижных зарядов — ионизированных атомов примеси (рис. 23).

Рис. 23. Силы диффузии стремятся ликвидировать рn -переход, равномерно «перемешать» свободные заряды в кристалле, однако этому препятствуют электрические силы неподвижных ионов.

Вы, конечно, не забыли, что дырки в зоне р, а свободные электроны в зоне n в нужных нам количествах появляются лишь после введения в полупроводник донорных или акцепторных примесей (рис. 14). Но атомы примеси, отдав свой электрон или, наоборот, забрав электрон у соседа, сами превращаются в неподвижные ионы. Атом донора (отдающий электрон) становится положительным ионом, атом акцептора (забирающий электрон) — отрицательным. Неподвижные ионы равномерно распределены по всему полупроводниковому кристаллу: положительные ионы в зоне n, отрицательные — в зоне р (рис. 12, 13).

Если бы каждая из этих зон существовала сама по себе, то неподвижных ионов никто бы и не заметил: их суммарный заряд компенсировался бы суммарным зарядом свободных зарядов, и в целом зона была бы нейтральной. Но в действительности в полупроводниковом диоде зоны с разной проводимостью примыкают друг к другу. И, как мы только что сказали, из пограничных районов происходит диффузия свободных зарядов в соседнюю зону. Это значит, что в пограничной зоне в районах, непосредственно примыкающих к рn-переходу, заряды неподвижных ионов остаются некомпенсированными.

В зоне р остается некомпенсированный неподвижный отрицательный заряд, в зоне n — положительный. Эти неподвижные заряды — заряды ионизированных атомов — как раз и не дают возможность диффузии равномерно разбросать, размазать свободные электроны и дырки по всему кристаллу.

Некоторые свободные электроны еще успевают незамеченными уйти из зоны n. Но чем больше электронов уходит, тем сильнее начинают действовать электрические силы неподвижных положительных ионов, которые удерживают убегающих. Более того, в союзе с положительными ионами зоны n действуют и неподвижные отрицательные ионы зоны р. Они как бы отталкивают прибывающие к ним электроны, возвращают их в зону n. Аналогично действуют неподвижные ионизированные атомы и в отношении убегающих из зоны р дырок. Остающиеся в этой зоне отрицательные ионы тянут эти дырки обратно, а положительные ионы зоны n отталкивают дырки к рn-переходу.

Обо всем этом можно сказать и иначе: оставшиеся нескомпенсированными неподвижные ионы пограничной полосы создают некоторое напряжение, «плюс» и «минус» которого приложены непосредственно к pn-переходу. Это напряжение, появившееся в результате первоначальной небольшой диффузии свободных носителей, направлено так, что не дает диффузия развернуться во всю свою мощь и сохраняет необходимую концентрацию свободных носителей в обеих зонах полупроводникового диода.

Когда к диоду прикладывают внешнее напряжение, вся картина постепенно меняется: меняется количество носителей, переходящих границу в результате диффузии, меняется количество носителей, переходящих границу под действием электрических сил. Да и сами эти электрические силы меняются — ведь теперь они являются результатом совместного действия батареи и собственного «самодельного» напряжения на pn-переходе. Не стремясь разобраться в тонкостях этих событий, мы отметим лишь две их особенности.

Если увеличивать от нуля прямое напряжение, приложенное к диоду, то вначале это напряжение в какой-то степени будет компенсироваться собственным напряжением pn-перехода (эти напряжения действуют друг против друга). В результате ток через диод будет нарастать сравнительно медленно, и в начале правой (положительной) ветви ной характеристики появится небольшой загиб.

При обратном включении диода собственное напряжение pn-перехода содействует, помогает внешнему напряжению (оба напряжения действуют в одну сторону). Пока внешнее напряжение мало, помощь эта весьма ощутима, и ток растет сравнительно быстро. Так появляется загиб в начале левой (отрицательной) ветви вольтамперной характеристики.

Мы рассказали о полупроводниковом диоде все. Разумеется, не все, что можно было, и даже не все, что хотелось. Мы рассказали о проводниковом диоде то, что нужно для облегчения знакомства с транзистором. И хотя путь к транзистору уже открыт, мы еще раз отклонимся от своей главной цели. Нужно до конца выполнить свой долг перед диодом: уделив так много внимания его устройству, характеристикам, параметрам, мы должны хотя бы коротко сказать о профессиях полупроводникового диода, о схемах, в которых он работает.

ПРИБОР СКРОМНЫХ ПРОФЕССИЙ

Мы назвали полупроводниковый диод прибором скромных профессий — именно таким он представляется начинающим и не только начинающим радиолюбителям. Это представление, по-видимому, связано с тем, что чаще всего диод работает в схемах выпрямителей. Благодаря своей односторонней проводимости диод позволяет превратить переменный ток в постоянный, а этот постоянный ток идет на всякие вспомогательные нужды: для питания радиоламп и транзисторов, для зарядки аккумуляторов, для создания постоянных магнитных полей и т. п.

Иногда, правда, диоду доверяют и более тонкую работу — детектирование радиосигналов. Но и здесь диод делает то же, что и в выпрямителе: пропускает ток только в одну сторону. Детектор — это тоже весьма скромная, не требующая особого образования профессия полупроводникового диода.

Однако если взглянуть на дело глубже, окажется, что диод всегда выполняет операцию исключительной важности: он меняет форму электрических сигналов, преобразует их спектр. Окажется, что диод является главным представителем нескольких важнейших для всей радиоэлектроники профессий, представителем огромной самостоятельной области — нелинейной радиоэлектроники.

Научившись описывать сигнал с помощью графика (рис. 3), мы сделали лишь полдела. Важно еще суметь точно (именно точно!) описать, чем один сигнал отличается от другого, в чем похожи, а в чем непохожи их графики. Один из способов такого точного описания был предложен больше ста лет назад, когда никакой радиоэлектроники не было и в помине. Французский математик Жан-Батист-Жозеф Фурье решил задачу в общем, так сказать, в абстрактном виде, и лишь через много лет предложенный им способ нашел применение во многих областях техники. В том числе и в радиоэлектронике.

Представьте себе, что вам нужно с помощью карты измерить площадь какого-либо водоема, например Черного моря. В этом случае можно поступить так: разбить всю поверхность моря на квадраты, подсчитать площадь каждого из них, а затем все полученные результаты сложить. При этом на карте разместятся два-три больших квадрата, несколько квадратов поменьше и, наконец, множество мелких и мельчайших квадратиков, которые точно воспроизведут сложные очертания морских берегов (рис. 24).

Рис. 24. Сигнал сложной формы можно представить как сумму синусоидальных составляющих с разными частотами; набор составляющих, эквивалентный сложному сигналу, называется его спектром.

Подобным же образом для точного описания сложного сигнала можно представить его как сумму стандартных составляющих— сигналов с разными частотами и амплитудами, но обязательно с одинаковыми по форме графиками. Научившись разбивать сложный сигнал на простые стандартные составляющие (подобно тому как на карте мы разбили Черное море на составляющие стандартной формы — квадраты), можно будет довольно просто составить точное описание этого сигнала. Нужно будет лишь назвать набор стандартных составляющих, которые в сумме дадут этот сложный сигнал. В качестве стандартной составляющей для измерения поверхности моря мы выбрали квадрат, хотя могли выбрать прямоугольник, ромб, круг и множество других широко известных и хорошо изученных фигур. Квадрат мы выбрали в основном потому, что измерить его площадь проще, чем площадь других фигур. Что касается стандартных составляющих, из которых лучше всего можно было бы составить сложный электрический сигнал, то выбирать эти составляющие нам не придется. Их уже давно выбрала и узаконила наука. Более того, эти составляющие выбраны самой природой. И эта честь оказана простейшим сигналам с синусоидальной формой графика.

Для того чтобы детально пояснить, почему именно синусоида была выбрана в качестве стандартной составляющей, нужно было бы написать отдельную и притом довольно большую книгу. Мы ограничимся лишь тем, что выскажем по этому поводу несколько «за».

Во-первых, синусоидальные колебания — это одна из простейших и наиболее естественных форм движения, подобно тому как квадрат или круг — простейшая геометрическая фигура. Графики многих природных процессов — световых и звуковых колебаний, колебаний маятника, движения волн и многих других — представляют собой синусоиды. Во-вторых, синусоида — это единственный график, скорость изменения которого представляет собой опять-таки синусоиду. Это значит, что если мы возьмем синусоидальный сигнал и посмотрим, как изменяется скорость его нарастания или убывания, а затем построим график изменения этой скорости, то опять получим синусоиду. Это очень важное качество, так как многие процессы в электрических цепях зависят не от самой величины тока или напряжения, а именно от скорости их изменения.

В качестве примера такой зависимости рассмотрим, разумеется упрощенно, как возникает ток в цепи слюдяного конденсатора под действием переменного напряжения.

Как известно, свободные заряды через диэлектрик, в данном случае через слюду, конденсатора пройти не могут. Но под действием приложенного напряжения несколько сдвигаются, деформируются электронные орбиты атомов слюды. Происходит некоторое небольшое движение электронов (оно называется током смещения), но без их выхода из атомов. В результате деформации орбит с одной стороны диэлектрика (именно с той стороны, куда сместились орбиты) появляется отрицательный заряд, а с другой стороны появляется положительный заряд. Эти заряды притягивают или отталкивают свободные электроны в проводниках, подключенных к конденсатору, и в этих проводниках возникает ток проводимости. Однако все эти события — смещение орбит и движение электронов в проводниках — происходят лишь в тот момент, когда меняется напряжение, подведенное к конденсатору.

Если к конденсатору приложено постоянное напряжение, пусть даже очень большое, то смещенные некогда орбиты находятся в состоянии покоя и никакого движения зарядов, никакого тока в конденсаторе и во внешней цепи нет. Но стоит только напряжению измениться, как заряды совершат некоторый дополнительный сдвиг: при увеличении напряжения — в одну сторону, при уменьшении — в другую. Отсюда вывод: ток в цепи конденсатора протекает только в момент изменения напряжения. И еще один вывод: чем быстрее меняется напряжение, тем быстрее смещаются заряды, тем больше ток в цепи. Вот почему график тока через конденсатор по сути дела представляет собой график скорости изменения напряжения, приложенного к этому конденсатору. Графики эти всегда различны по форме (рис. 25), за исключением только одного случая — синусоидального напряжения. Только синусоидальное напряжение создает в цепи конденсатора ток такой же формы — синусоидальный переменный ток. Это замечательное и уникальное свойство синусоидального сигнала проявляется не только в конденсаторах, но еще и в катушках и трансформаторах, во всех так называемых реактивных элементах электрических цепей.

Рис. 25. Ток в цепи конденсатора протекает только при изменении напряжения на нем, и поэтому графики напряжения и тока (кроме синусоиды) различны.

Наконец, третье «за». Выбрав квадрат в качестве стандартной составляющей при разметке поверхности моря на карте, мы можем довольно просто расчертить эту поверхность, а если нужно, даже разрезать ее на составляющие. Вырезать квадрат из бумаги не составляет никакого труда. Подобно этому любой сложный сигнал можно довольно просто разделить на синусоидальные (именно на синусоидальные!) составляющие. Делается это с помощью резонансных электрических фильтров, в частности с помощью колебательных контуров. Такой контур состоит из соединенных друг с другом конденсатора и катушки (Воспоминания № 18 и № 20).

Если ввести в контур порцию электрической энергии, зарядив конденсатор или создав магнитное поле в катушке, то в контуре начнутся свободные колебания, появится переменный ток. Этот процесс очень напоминает колебания гитарной струны, которой вы также передаете порцию энергии, тронув эту струну пальцами. И, подобно тому как частота колебаний струны зависит от ее массы и силы натяжения (чем тоньше струна и чем сильнее она натянута, тем выше частота колебаний), подобно этому частота электрических колебаний в контуре зависит от емкости С конденсатора и индуктивности L катушки. Чем меньше емкость С и индуктивность L, тем выше частота колебаний.

Переменный ток, который возникает в колебательном контуре, по форме очень близок к синусоиде (в идеальном контуре, без потерь энергии, график тока — это настоящая, идеальная синусоида). Определенным образом включив колебательный контур в цепь со сложным сигналом, мы увидим, что контур выделит из этого сигнала синусоидальную составляющую своей собственной частоты (если, конечно, такая составляющая есть в сигнале). Пропустив сложный сигнал через достаточное количество настроенных контуров, можно выделить из этого сложного сигнала все его синусоидальные составляющие.

Можно не сомневаться, что после трех высказанных «за» простейшие синусоидальные сигналы будут без возражений утверждены в должности стандартных составляющих сложного сигнала. Синусоидальные колебания часто называют гармоническими, а синусоидальные составляющие сложного сигнала — гармониками. Любой сложный сигнал принято официально характеризовать его спектром — набором гармоник с указанием их амплитуды. А результат прохождения сигнала по какой-либо цепи можно оценивать по тому, как изменился его спектр, какие новые гармоники появились в этом сигнале, какие усилились, какие ослабились. Именно с этих позиций мы и рассмотрим сейчас работу полупроводникового диода.

Включим диод в схему простейшего выпрямителя (рис. 26) и подведем к нему синусоидальное переменное напряжение.

Рис. 26. Под действием переменного напряжения в цепи диода протекает пульсирующий ток, который состоит из постоянной и переменной составляющих.

Для простоты будем считать, что диод имеет идеальную характеристику, что его обратный ток равен нулю, то есть обратное сопротивление бесконечно велико. Обычно разница между прямым и обратным током диода настолько велика, что подобное допущение вполне справедливо.

Под действием переменного напряжения в цепи диода пойдет пульсирующий ток — импульсы тока будут появляться только тогда, когда переменное напряжение приложено к диоду в прямом направлении. Иными словами, ток будет протекать лишь в течение одной половины периода переменного напряжения. Отсюда и название схемы — однополупериодный выпрямитель.

Спектр получившегося пульсирующего тока содержит гармоники с частотами, кратными частоте повторения импульсов f 1 . Первая гармоника имеет частоту f 1 , вторая в два раза более высокую частоту f 2 = 2f 1 третья частоту f 3 = 3f 1 и так далее. Амплитуды гармоник постепенно убывают — вторая оказывается слабее первой, третья слабее второй, и т. д. С помощью резонансных фильтров все эти гармоники можно выделить из пульсирующего тока, точно так же, как, пустив весь набор гармоник в общую цепь, в итоге можно получить сигнал сложной формы.

Кроме гармоник, в получившемся пульсирующем токе I вып есть еще одна составляющая — постоянный ток I = . Появление этой постоянной составляющей связано с тем, что, хотя ток в цепи диода все время меняется, заряды толчками, импульсами двигаются всегда в одну сторону. Это постоянное смещение зарядов как раз и отображается постоянной составляющей I = . В то же время изменение тока, его пульсации отображаются всем набором гармоник.

Полупроводниковый диод в нашей схеме проводит огромную работу — он из простейшего синусоидального сигнала создает очень сложный сигнал с богатым спектром, с большим числом гармоник. В некоторых схемах такое преобразование спектра сигнала используется довольно широко. Однако в выпрямителях все получившиеся гармоники — это отходы. Здесь из всей продукции полупроводникового диода нужна только постоянная составляющая I = .

В однополупериодной схеме постоянная составляющая I = сравнительно невелика — не более 35 % амплитуды импульса тока I макс (рис. 27—1).

рис. 27—1

В то же время есть схемы, в которых I =  оказывается вдвое больше — почти 70 % амплитуды импульса. В этих схемах для получения выпрямленного тока используются оба полупериода переменного напряжения, и называются такие схемы двухполупериодными. Никаких принципиальных отличий между одно- и двухполупериодными схемами нет. Можно сказать, что двухполупериодная схема — это своего рода остроумный фокус, гениальная шутка давно забытого конструктора.

Одна из двухполупериодных схем — она так и называется двухполупериодной — фактически представляет собой два однополупериодных выпрямителя, включенных так, что они работают поочередно и пропускают свои выпрямленные токи через общую нагрузку в одном и том же направлении (рис. 27—2). У каждого выпрямителя, у каждой половинки такой схемы свой собственный источник переменного напряжения, своя вторичная обмотка трансформатора — II' и II". Практически для удобства намотки это одна вторичная обмотка, дающая удвоенное напряжение, от середины которой сделан отвод.

рис. 27—2

В другом двухполупериодном выпрямителе — его схема (рис. 27—3) называется мостовой или мостиковой — только один источник переменного напряжения, но благодаря двум дополнительным диодам и здесь удается использовать оба полупериода для создания тока I = . В обеих этих двухполупериодных схемах постоянная составляющая выпрямленного тока достигает почти 70 % от I макс .

рис. 27—3

Нагрузкой всех наших выпрямителей, как видно из схем, является некое условное сопротивление R н . Практически же нагрузкой могут быть анодные или накальные цепи радиоламп, электродвигатель, транзисторный усилитель, обмотка электромагнита, заряжаемый аккумулятор, измерительный прибор и другие потребители.

До сих пор вместе с постоянной составляющей, которая нужна нагрузке, мы пропускали через нее и все переменные составляющие импульсного тока, все его гармоники. В некоторых случаях гармоники не вредят делу, но чаще их нельзя пускать в нагрузку — от выпрямителя, как правило, требуется «чистый» постоянный ток. Отделение переменных составляющих от постоянной осуществляется с помощью электрических фильтров.

Полностью избавиться от переменных составляющих выпрямленного тока практически нельзя, да это и не нужно. Нужно лишь ослабить их в определенное число раз, с тем чтобы эти переменные составляющие стали значительно слабее постоянной. А чтобы ослабить переменный ток, идущий в нагрузку, нужно создать для него более легкий обходный путь. Причем этот обходный путь должен быть легким только для переменных составляющих, иначе вместе с ними мы ослабим и постоянную составляющую I = .

Простейшим фильтром выпрямителя может служить конденсатор С ф , подключенный параллельно нагрузке R н (рис. 27—4). Постоянную составляющую этот конденсатор (как и всякий другой!) не пропускает, а для переменной он ведет себя как резистор, сопротивление которого х с зависит от частоты f и емкости С ф (Воспоминание № 13).

рис. 27—4

Емкость конденсатора С ф выбирают с таким расчетом, чтобы его сопротивление х с было значительно меньше, чем R н  для первой гармоники выпрямленного тока, то есть для его самой низкочастотной синусоидальной составляющей. При этом исходят из того, что если конденсатор достаточно хорошо отводит от нагрузки, достаточно легко пропускает через себя первую гармонику, то он еще легче пропустит высшие гармоники, имеющие более высокие частоты, потому что емкостное сопротивление конденсатора уменьшается с частотой.

В тех случаях, когда нужна более тщательная фильтрация, более тонкая очистка выпрямленного тока от переменных составляющих, можно применить более сложные фильтры.

В П-образном фильтре с резистором (рис. 27—5) уже знакомый нам конденсатор (здесь он называется С ф2 ) выполняет свои обычные обязанности — накоротко замыкает переменные составляющие, отводит их от нагрузки. Но в этой схеме задача нашего конденсатора облегчается, так как еще до него фильтрацию осуществляет звено С ф1 R ф . Емкостное сопротивление конденсатора С ф1 значительно меньше, чем R ф , и переменные составляющие в значительной степени замыкаются уже через этот конденсатор.

рис. 27—5

Недостаток фильтра в том, что и постоянная составляющая, прежде чем она доберется до нагрузки, должна преодолеть сопротивление R ф . На сопротивлении R ф теряется часть энергии постоянного тока, и из-за этого, как мы сейчас увидим; несколько снижается постоянное напряжение на нагрузке.

От такого недостатка свободен другой П-образный фильтр (рис. 27—7), в котором вместо R ф включен дроссель Др.

рис. 27—7

Индуктивное сопротивление x L , в отличие от емкостного x с , уменьшается не с ростом, а с уменьшением частоты (Воспоминание № 15), а для постоянного тока индуктивное сопротивление вообще равно нулю. Поэтому постоянная составляющая I = встречает лишь активное сопротивление проводов дросселя, а оно невелико. В то же время переменным составляющим дроссель оказывает большое сопротивление. Такой фильтр хотя и стоит сравнительно дорого (во всяком случае, дроссель Др более сложная и дорогая деталь, чем резистор R ф ), зато почти не снижает выпрямленного напряжения.

И, наконец, еще одна схема фильтра, применяемая сравнительно часто (рис. 27—6).

рис. 27—6

На выходе этого фильтра мы получаем два постоянных напряжения — U вып-1 и U вып-2 . Первое из них отфильтровано хуже, второе — лучше. Но зато ток I вып-1 не проходит через R ф , не теряет на нем энергии, и напряжение U вып-1 оказывается больше, чем U вып-2 . Полезность такой схемы связана с тем, что в реальной аппаратуре не все узлы требуют выпрямленного напряжения, одинаково хорошо очищенного от гармоник. Так, например, при питании некоторых мощных усилителей можно допустить, чтобы мощность гармоник составляла 1–2 % общей мощности питающего тока. В то же время для микрофонных усилителей мощность гармоник в питающем напряжении не должна превышать нескольких тысячных долей процента.

Как видите, электрические фильтры вместе с диодом участвуют в преобразовании формы сигнала, в нашем случае — в преобразовании переменного тока в постоянный. Диод усложняет спектр сигнала, создает в нем новые составляющие. Фильтры, наоборот, упрощают спектр, подавляя некоторые его составляющие. Электрические фильтры — это важнейшие и, пожалуй, самые распространенные элементы радиоэлектронных устройств. Мы будем с ними встречаться на протяжении всей книги и постепенно увидим, из каких соображений в тех или иных случаях выбираются элементы фильтра.

Так, например, уже сейчас нетрудно сообразить, что необходимая емкость конденсаторов фильтра выпрямителя зависит от того, насколько нужно очистить выпрямленный ток от гармоник, а также от величины сопротивления нагрузки R н . Чем меньше R н , тем меньшим должно быть и шунтирующее нагрузку емкостное сопротивление конденсаторов, тем, следовательно, большей должна быть их емкость.

Емкость этих конденсаторов зависит также и от выбранной схемы — в двухполупериодных схемах частота самой опасной (самой низкочастотной) первой гармоники в два раза выше, чем в однополупериодной схеме, так как импульсы тока следуют в два раза чаще. А это значит, что емкость фильтра конденсаторов в двухполупериодном выпрямителе может быть в два раза меньше, чем в однополупериодном.

(Проще всего, конечно, при выборе С ф1 и С ф2 исходить из правила «чем больше емкость фильтра, тем лучше», но такой подход может привести вас к серьезным затруднениям, причем не только схемным, но и финансовым.)

Емкость первого конденсатора фильтра С ф1 (С ф ) (в схеме рис. 27 — 4, 5, 6, 7) влияет не только на фильтрацию, но и на величину выпрямленного напряжения. Можно считать, что это напряжение создается на нагрузке постоянной составляющей тока I = и, согласно закону Ома, численно равно U = = I = ·R н . Прежде чем говорить о влиянии С ф1 (С ф ) на напряжение U = , несколько слов еще об одной скромной профессии диода — о его работе в качестве ограничителя.

Давайте вместе с переменным напряжением подведем к диоду постоянное, причем так, чтобы это постоянное напряжение запирало диод, действовало на него не в прямом, а в обратном направлении (рис. 27—8).

рис. 27—8

В этом случае диод не будет пропускать ток не только во время отрицательного полупериода переменного напряжения U ~ , но в течение некоторой части положительного полупериода. Только после того, как переменное напряжение, действующее во время положительного полупериода против постоянного U огр , полностью скомпенсирует его, только после этого диод откроется — начнет пропускать ток.

Время существования тока зависит от соотношения постоянного и переменного напряжений. Чем больше U огр тем дольше диод остается закрытым, тем меньше времени существуют импульсы тока, или, как говорят иначе, тем сильнее они подрезаны снизу. Такое ограничение тока «снизу» обычно называют его отсечкой. Плавно изменяя U огр , можно регулировать степень отсечки (рис. 27–10). Если U огр будет больше, чем амплитуда переменного напряжения U ~макс , то диод не откроется никогда и тока в его цепи вообще не будет.

рис. 27–10

В другой схеме диод работает ограничителем по максимуму, срезает верхушку импульса тока (рис. 27—9). Здесь диод Д 2 заперт, причем заперт лишь в некоторой части положительного полупериода, а в начале и в конце этого полупериода он оказывается открытым. Когда диод Д 2 открывается, то сильно шунтирует своим небольшим прямым сопротивлением нагрузку R н2 . При этом весь ток идет через Д 2 , и импульс тока I н2 оказывается ограниченным сверху.

рис. 27—9

Теперь вернемся к выпрямителям.

Для того чтобы легче было понять, что происходит в схеме, когда в ней действует переменное напряжение, можно «остановить мгновенье» и рассматривать это напряжение как постоянное, действующее то в одну, то в другую сторону. Часто можно видеть, как радиолюбители пользуются таким упрощенным методом, и рассуждения их при этом выглядят примерно так: «…Если здесь «плюс», то здесь «минус»… Если этот «минус» меньше этого «плюса», то в итоге будет «плюс»… Этот «плюс» соединен с этим «минусом», значит, оба источника действуют в одну сторону…» и т. д. Причем обозначения «плюс» и «минус» относят и к переменным напряжениям, но при этом, естественно, учитывается, что «плюс» и «минус» у них непрерывно меняются местами. Подобное отношение к переменному напряжению является, конечно, упрощением, но нам такое упрощение и нужно.

На некоторых схемах возле генератора, где действует переменное напряжение U ~ вы увидите пары «плюсов» и «минусов», а над каждой такой парой на черной точке стоит штрих или два штриха. Они-то и показывают, какому полупериоду соответствует та или иная пара «плюс»-«минус», та или иная полярность (временная!) переменного напряжения.

В схеме рис. 27–11, так же как и в ограничителях (рис. 27—8, 10), на диод всегда действуют два напряжения — переменное с амплитудой U ~макс и постоянная составляющая выпрямленного напряжения. Причем постоянное напряжение, как и в ограничителе, действует в обратном направлении, действует против переменного, когда оно отпирает диод. И поэтому диод в выпрямителе всегда работает с отсечкой тока.

рис. 27–11

От чего же зависит величина напряжения U = , которое вполне можно назвать ограничивающим напряжением? Мы уже говорили (стр. 71), что U = прежде всего зависит от потребляемого выпрямленного тока, а значит, от сопротивления нагрузки R н . Но кроме того, величина U зависит еще и от емкости конденсатора С ф1 (С ф на схеме рис. 27—4).

Дело в том, что во время положительных полупериодов, то есть когда диод пропускает ток, этот конденсатор заряжается до амплитудного напряжения U ~макс , а во время отрицательных полупериодов он разряжается через нагрузку R н (С ф1 не может разрядиться через генератор — диод этого не допустит). Чем больше емкость конденсатора С ф1 и чем меньше потребляемый от него ток (то есть чем больше сопротивление R н ), тем медленнее разряжается этот конденсатор, тем меньше пульсации выпрямленного напряжения и больше его постоянная составляющая U = (рис. 28). Отсюда можно сделать сразу два вывода — один приятный и один неприятный.

Приятный вывод такой. Увеличивая С ф1 можно поднять постоянное напряжение U = вплоть до амплитуды переменного напряжения U ~макс . Это значит, например, что если подвести к выпрямителю напряжение 6,3 в с обмотки накала ламп силового трансформатора, то можно получить U = около 9 в (при эффективном напряжении 6,3 в амплитуда достигает 6,3·1,4 = 8,8 в; см. стр. 148). Аналогично прямо от сети с напряжением 127 в можно получить постоянное напряжение до 180 в, а от сети 220 в — до 310 в. Не забудьте, что это максимально возможные величины. В действительности постоянное напряжение меньше, причем тем меньше, чем больше потребляемый от выпрямителя ток.

Теперь второй вывод — диод должен иметь трехкратный запас по обратному напряжению. При достаточно большой емкости С ф1 и небольшом токе I = , а кроме того, во всех случаях жизни при обрыве цепи R н напряжение U = примерно равно амплитуде переменного U ~макс . А это значит, что во время отрицательного (обратного) полупериода, когда диод не пропускает тока, к нему приложено два согласованно действующих и равных напряжения U = и U ~макс . А поскольку U ~макс ~= 1,4U ~ , то общее обратное напряжение на диоде достигает 2,8U ~ (для круглого счета примем 3U ~ ). Отсюда и сам вывод — подбирать диод для выпрямителя нужно с таким расчетом, чтобы допустимое обратное напряжение диода U обр-доп было в три раза больше, чем эффективное переменное напряжение U ~ подводимое к выпрямителю.

Для мостовых схем, где в каждое плечо последовательно включено два диода, запас напряжения для каждого из них нужен лишь полуторный. Попутно заметим, что если запаса электрической прочности у диода не хватает, если допустимое обратное напряжение у него слишком мало, то во всех схемах можно включать несколько одинаковых диодов последовательно вместо одного. При этом диоды нужно зашунтировать одинаковыми сопротивлениями по 30—100 ком (рис. 27–14), чтобы уравнять обратные сопротивления диодов и чтобы обратное напряжение распределялось между ними поровну. При последовательном соединении U обр-доп всех диодов суммируется.

рис. 27–14

При выборе диода по величине наибольшего прямого тока I пр-макс расчетов делать не нужно. В таблицах 1–5 указан допустимый средний выпрямленный ток I вып и уже учтено, что импульс тока может быть в два-три раза больше. Если нужно увеличить допустимую величину прямого тока, включают параллельно несколько одинаковых диодов. Так, например, при параллельном включении трех диодов общая величина I вып будет в три раза больше, чем для одного. Чтобы всем диодам досталась равная доля общего тока, включают выравнивающие резисторы с небольшим (1–5 ом) и обязательно одинаковым сопротивлением (рис. 27–15). (В некоторых выпрямителях ток в момент включения может в десять — двадцать раз превышать средний выпрямленный ток. Чтобы диод в этот трудный момент не вышел из строя, последовательно с ним включают резистор с небольшим сопротивлением 5—10 ом.)

рис. 27–15

В качестве «бесплатного приложения» познакомимся с одной остроумной схемой спасения диода от опасного обратного напряжения (рис. 27–16). Эта схема применяется почти во всех вольтметрах, где большое переменное напряжение нужно измерить с помощью стрелочного прибора постоянного тока. Для этого прежде всего используют простейший выпрямитель — диод Д 1 который под действием измеряемых напряжений создает в цепи прибора постоянный ток. При этом, естественно, по отклонению стрелки можно определять величину подводимого напряжения U ~ .

рис. 27–16

Но обратное сопротивление может оказаться больше добавочных сопротивлений вольтметра, и тогда при измерении достаточно высокого U ~ диод может выйти из строя. И именно в тот момент, когда на него действует обратное напряжение. Эту возможность как раз и исключает диод Д 2 . Во время обратных для Д 1 полупериодов диод Д 2 пропускает ток и шунтирует участок аб. Поэтому сопротивление участка аб никогда не бывает большим и напряжение на Д 1 даже в обратные для этого диода полупериоды не превышает долей вольта. Такая схема защиты выпрямляющего диода применяется в большинстве авометров.

Нам предстоит познакомиться еще с одной профессией диода — с детектированием. Собственно говоря, в детекторе диод работает так же, как выпрямитель. Главная особенность в том, что в подавляющем большинстве случаев — в частности, в приемниках и телевизорах — детектируется высокочастотный сигнал и для этого пригодны лишь точечные диоды (рис. 20).

В типичной схеме детектора (рис. 27–21) переменное напряжение U вч-мод подводится к диоду с колебательного контура L к C к который в свою очередь получает сигнал либо непосредственно из антенны, либо от предварительного усилителя высокой частоты (ВЧ). Переменное напряжение U вч-мод , подводимое к детектору, модулировано по амплитуде (рис. 29).

рис. 27–21

Рис. 29. Низкочастотная составляющая продетектированного сигнала — это копия низкочастотного сигнала, который на передатчике осуществлял модуляцию.

Именно в изменениях амплитуды сигнала записана та информация— речь, музыка, телеграфные знаки, — которую радиоволны принесли с передающей станции к приемнику. Выделить эту информацию — вот задача детектора.

Сам модулирующий сигнал, который на передатчике оставил свои «отпечатки» на высокочастотном сигнале, — это сигнал низкой частоты. Мы получили бы его график, если бы соединили амплитуды высокочастотного тока пунктирной линией (часто применяют выражение «низкочастотная огибающая»). Но то, что легко сделать карандашом, не так-то просто может повторить электрическая цепь. И не всякая цепь может «прочесть», что записано в радиосигнале, не всякая цепь может обнаружить, что амплитуда его модулирована.

В спектре модулированного сигнала нет низкочастотной составляющей (рис. 29, листки в, г). Это может показаться странным, но это факт. Выделив из модулированного тока все его составляющие, вы не обнаружите среди них тока низкой частоты, который отображал бы принесенную информацию. Низкочастотная составляющая появляется лишь после того, как за дело берется диод. Именно он меняет форму модулированного высокочастотного тока таким образом, что в его спектре появляется нужный нам ток низкой частоты.

Происходит это довольно просто: благодаря диоду в цепи детектора появляется уже не переменный, а пульсирующий ток высокой частоты (листок д), который состоит из трех составляющих — высокочастотной I д-вч , точнее, нескольких высокочастотных составляющих (листок е) у низкочастотной I д-нч и постоянной I д= . Дальше в дело вступают фильтры. Они-то и выделяют основную продукцию детектора — низкочастотный сигнал.

На всех наших схемах пути составляющих I д-вч и I д-нч для удобства показаны тонкими стрелками. Но это совсем не значит, что речь идет о постоянных токах — I д-вч и I д-нч , это самые настоящие переменные токи, которые, лишь сложившись с I д= , дают в сумме пульсирующий ток одного направления. Стрелки, которые относятся к переменным токам, сделаны «волнистыми», а нужны они лишь для того, чтобы легче проследить путь того или иного тока.

Несколько слов о выборе деталей фильтра. Емкость С ф-нч выбрана так, чтобы этот конденсатор легко пропускал низкочастотную составляющую. Высокочастотная составляющая через С ф-нч   не пойдет, так как ей при этом придется преодолеть довольно большое сопротивление R н~ . Резистор R н~ — это низкочастотная нагрузка, на которой получают выходной сигнал: напряжение низкой частоты U нч . Сопротивление R н~ во много раз больше, чем емкостное сопротивление конденсатора С ф-вч   на высокой частоте. В то же время С ф-вч   не «уведет» от нагрузки R н~ основную продукцию детектора — низкочастотную составляющую I д-нч , так как на низкой частоте емкостное сопротивление этого конденсатора очень велико за счет его небольшой емкости. С конкретными значениями деталей фильтра вы можете познакомиться на рис. 45, а также на других практических схемах ламповых и транзисторных приемников.

Схема рис. 27–21 называется последовательной, так как контур, диод и нагрузка (основной нагрузкой детектора считается R н , а от нее уже идут ответвления для I д-нч и Iд-вч ) соединены последовательно. Во второй схеме (рис. 27–19) эти элементы соединены параллельно, и она так и называется параллельной. В обеих схемах направление включения диода не имеет никакого значения: при любом из двух возможных направлений низкочастотный сигнал будет одинаковым.

рис. 27–19

Однако в некоторых случаях в детекторе используются и отходы производства — постоянная составляющая I = (в выпрямителе она была основной продукцией!). А в этом случае уже нужно думать, как включать диод: при разных включениях направление тока I = через нагрузку, а значит, и полярность постоянного напряжения U = на нагрузке будет разной (рис. 27–18).

рис. 27—18

Для того чтобы оценить достоинства и недостатки детекторного приемника, а больше для того, чтобы почувствовать, что дадут нам в дальнейшем усилители слабого сигнала, рекомендуется изготовить детекторный приемник по простой (рис. 27–19, 21) или по самой простой (рис. 27–20) схеме.

рис. 27—20

Данные его деталей вы найдете на стр. 115. А те, для кого детекторный приемник будет первым шагом в практическую электронику, могут воспользоваться его более подробным описанием (стр. 111) и монтажной схемой, помещенной на цветной вкладке (рис. 43).

Кроме выпрямления переменного тока и детектирования, диод выполняет в электронной аппаратуре еще множество других работ. Вот лишь один из многих примеров — схема, где диод работает в должности автоматического выключателя, в роли «дуракоупорного» прибора, который не позволяет рассеянному или неграмотному работнику довести дело до аварии. В данном случае (рис. 27–12, 13) диод следит, чтобы какой-либо «ответственный» двигатель, например привод насоса, не пошел в обратную сторону из-за неправильного подключения батареи Б. При таком неправильном включение диод своим большим обратным сопротивлением просто разрывает цепь.

рис. 27—12, 13

Подобных примеров можно привести немало — полупроводниковые диоды широко применяются в автоматике.

На этом мы, пожалуй, и закончим знакомство с полупроводниковым диодом. Мы увидели, что у диода есть много интересных профессий, что он умеет делать много важных и полезных дел. Но не только поэтому мы уделили ему столько внимания. Сделали мы это еще и потому, что почти все рассказанное о полупроводниковом диоде необходимо знать для знакомства с полупроводниковым триодом: от диода до главной нашей цели, до транзистора, остается буквально один шаг. И сейчас этот шаг будет сделан.

«ЗЕМЛЯ!»

Десять лет вынашивал Христофор Колумб планы дальнего плавания через Атлантический океан. Десять лет великий путешественник агитировал купцов, вельмож, королей, правительственных чиновников, добывал деньги на снаряжение кораблей. Наконец 3 августа 1492 года три небольших, по нашему времени, корабля (два из них, «Пинта» и «Нинья», имели длину около двадцати метров, а самый крупный из парусников, «Санта Мария», имел водоизмещение около ста тонн, чуть побольше, чем у нынешнего речного трамвайчика) вышли из небольшого испанского порта Палис и взяли курс на запад.

Семьдесят дней болтало упрямые парусники по океану. Семьдесят длинных, бесконечно длинных дней. Семьдесят страшных черных ночей. Семьдесят шагов в неизвестность…

Уже бродит среди бывалых матросов безумный огонек бунта: «Куда мы плывем?.. Зачем?.. Надо возвращаться назад, пока не поздно…» Уже сам капитан, хотя внешне, как всегда, спокоен и решителен, все чаще устремляет свой взгляд в бесконечность: «Куда мы плывем? Где же Индия?.. Где же земля?»… Сомнения, сомнения, тревога.

Но вот ночью 12 октября матрос Педро Триана с верхушки мачты увидел в свете луны полоску берега. «Земля! — закричал матрос хриплым от нервного напряжения голосом. — Земля!!!» Парусники капитана Христофора Колумба, оставив позади пять тысяч долгих километров Атлантики, достигли Багамских островов, достигли восточного побережья будущей Америки.

Сейчас настала и наша с вами очередь радостно крикнуть: «Земля!» После долгого и трудного путешествия, после того, как перед нашим взором прошли фантастические проекты создания мощной копии слабого сигнала и загадочные «черные ящики», в которых неведомый скульптор должен делать свое непонятное дело, после того, как мы прошли сквозь изумительные архитектурные шедевры — алмазоподобные кристаллические решетки германия и кремния и сумели увидеть, как дефекты этих решеток — свободные электроны и дырки создают проводимость полупроводникового кристалла, после того, наконец, как с помощью примесей мы научились резко увеличивать проводимость полупроводников, создавать из них рn-переходы, научились строить и понимать характеристики полупроводниковых диодов, — после всего этого мы все же достигли своей цели. Мы наконец приплыли к транзистору, и перед нами открылась огромная, неведомая пока страна. Настал момент причалить и высадиться на берег. И сейчас мы это сделаем.

Для того чтобы получить полупроводниковый триод — транзистор, — нужно объединить два плоскостных полупроводниковых диода, одну из зон сделать у них общей. Нужно, пример, взять за основу полупроводник n-типа и с двух противоположных сторон с помощью акцепторных примесей создать в нем проводимость р-типа. В этом случае мы и получим два диода, а точнее, один сдвоенный диод — в центре останется зона n, а слева и справа от нее появятся зоны р. Таким образом в одном кристалле будет создано два самостоятельных pn-перехода (рис. 30).

Рис. 30. Полупроводниковый триод, по сути дела, представляет собой два полупроводниковых диода с одной общей зоной.

Полученный нами прибор — не что иное, как транзистор. По типу имеющихся в нем зон — это транзистор со структурой р-n-р, или, короче, транзистор р-n-р. Точно так же, создав в центре кристалла зону р, общую для обоих диодов, а по краям две зоны n, мы получим транзистор n-р-n. Принципиальной разницы между этими транзисторами нет, работают они одинаково хорошо, однако в силу некоторых технологических соображений наиболее широко выпускаются транзисторы со структурой р-n-р.

Транзистор, который мы сделали из двух плоскостных диодов, тоже называется плоскостным. Первые образцы транзисторов были точечными — их получали, «приткнув» к проводниковому кристаллу две тонкие проволочки. Но вот уже много лет точечные транзисторы не выпускаются, так как они оказались хуже плоскостных. Существуют разные способы производства плоскостных транзисторов (стр. 247), и все они в той или иной степени похожи на наш учебный способ производства — объединение двух полупроводниковых диодов в одном приборе.

Для того чтобы облегчить дальнейший рассказ, давайте сразу же введем названия получившихся у нас трех зон транзистора. Средняя зона получит название «база», одна крайняя зона — «эмиттер», вторая — «коллектор». В дальнейшем станет ясно, почему «детали» транзистора называются именно так, а не иначе. А пока ограничимся лишь переводом этих слов на русский язык.

Слово «эмиттер» означает «выбрасывающий, испускающий». Все эти определения в данном случае относятся к электрическим зарядам. Эмиттер как бы выбрасывает, впрыскивает заряды в остальные слои транзистора, выпускает эти заряды в путешествие по электрическим цепям усилителя.

Коллектор — наоборот — собирает заряды на выходе из транзистора, и именно этим объясняется само его название. Слово «коллектор» означает «собирающий» и происходит от того же корня, что и «коллекционер» — «собиратель».

Название «база» — «основа» — имеет историческое происхождение, но применительно к нашей упрощенной модели транзистора оно вполне оправдано. Ведь, сооружая свой условный транзистор, мы взяли за основу именно базу — средний полупроводниковый кристалл, а затем уже создали рn-переходы, введя с двух сторон в кристалл необходимые примеси.

Тот рn-переход, который возник между базой и эмиттером, мы для краткости будем называть эмиттерным переходом, а рn-переход между базой и коллектором будем называть коллекторным переходом.

Кстати, о конструкции транзистора. Пока будем считать, что все три его составные части — эмиттер, база и коллектор — устроены одинаково и чем-то напоминают три склеенные спичечные коробки.

Итак, мы построили транзистор. Что дальше? А дальше нужно заставить его усиливать слабые электрические сигналы. Нужно заставить транзистор выполнять роль скульптора — «лепить» из постоянного тока мощную копию слабого сигнала.

Для начала подведем к транзистору необходимые питающие напряжения и посмотрим, что в нем при этом будет происходить. Все свои опыты мы будем проводить с транзистором р-n-р, так как именно эти транзисторы в дальнейшем будут нам встречаться чаще всего. К нашему подопытному транзистору, как и к любому другому, необходимо подвести два питающих постоянных напряжения, и мы пока используем для этой цели две отдельные батареи (рис. 31).

Рис. 31. Эмиттерный pn -переход транзистора всегда включен в прямом направлении, а коллекторный pn -переход — в обратном направлении.

Эмиттерная батарея Бэ подключена к эмиттерному переходу «плюсом» к эмиттеру и «минусом» к базе. Это значит, что напряжение Е эб действует на эмиттерный переход в прямом направлении. Само обозначение Е эб   в данном случае говорит о том, что речь идет о напряжении («плюс») на эмиттере относительно базы. Или, что то же самое, о напряжении («минус») на базе относительно эмиттера. Под действием «минуса» на базе туда начнут двигаться дырки из эмиттера (поскольку у нас диод р-n-р, то в эмиттере основные носители — это дырки), то есть через диод эмиттер — база пойдет прямой ток (рис. 32).

Рис. 32. В транзисторе р-n-р на базе действует «минус» относительно эмиттера, и в базу из эмиттера устремляются дырки.

В коллекторном переходе все наоборот. Чтобы транзистор работал, постоянное коллекторное напряжение Е к должно действовать на свой переход в обратном направлении, и поэтому батарею Б к мы подключим «плюсом» к базе и «минусом» — к самому коллектору, а для чистоты опыта на некоторое время отключим батарею Б э . «Минус» коллектора, естественно, не будет притягивать электроны из базы (не забудьте, что в базе создана n-проводимость и основные носители там — электроны), и через диод база — коллектор, то есть через коллекторный переход, ток не пойдет.

У нас есть два независимых полупроводниковых диода — эмиттерный и коллекторный переходы, и каждый из них включен в цепь своей собственной батареи. Один диод включен в прямом направлении (эмиттерный переход), и через него идет достаточно большой прямой ток. Другой диод включен в обратном направлении (коллекторный переход), и в его цепи тока нет. Что делать дальше? А дальше нам прежде всего нужно проверить, насколько уместно по отношению к этим диодам мы применили слово «независимые».

Действительно, оба диода, образующие транзистор, имеют одну общую зону n. Не окажется ли, что через эту зону один из диодов, один из pn-переходов транзистора, влияет на другой pn-переход? Не окажется ли, что эмиттер каким-то образом влияет на коллектор через базу? Ответ на эти вопросы может подсказать уже знакомое нам слово «диффузия». И в данном случае речь пойдет о диффузии электрических зарядов (в нашем конкретном случае — дырок) в самой базе.

Дырки, попадающие в базу из эмиттера, казалось бы, должны немедленно без каких-либо отклонений уйти к «минусу» батареи Б э и через нее вернуться в эмиттер (рис. 32, 33, листок А). Ведь именно «минус» на базе привел в нее из эмиттера эти дырки, и именно к «минусу» дырки должны стремиться в первую очередь.

Рис. 33. В результате диффузии дырки проходят через базу в область коллекторного рn -перехода.

В самом упрощенном виде вся эта сцена могла бы выглядеть так: к базе в огромных количествах подходят свободные электроны с «минуса» батареи Б э (на то он и «минус»!), а с другой стороны — от эмиттера (на то он и зона р!) к базе подходят дырки. Дырки движутся сквозь базу, устремляются к ее выводу, который соединен с «минусом» батареи — поставщиком свободных электронов.

Здесь, в районе металлического вывода, и происходит нейтрализация дырок, превращение их в нейтральные атомы. При этом освобождается место и для новых, идущих со стороны эмиттера дырок, и для новых, идущих со стороны «минуса» батареи свободных электронов. Движение дырок, то есть прямой ток через эмиттерный рn-переход, идет непрерывно.

У нас получилась хотя и очень упрощенная, но весьма правдоподобная картина. И именно так все происходило бы, если бы не диффузия дырок в базе.

Дырки движутся по базе не только под действием электрических сил, не только под действием «минуса», зовущего их в цепь эмиттерной батареи Б э . Наряду с таким упорядоченным движением дырки еще и расталкивают друг друга (напоминаем о примечании на стр. 26). Дырки стремятся разойтись из районов своего наибольшего скопления в те районы базы, где этих дырок сравнительно мало. В этом и состоит диффузия (стр. 56). Именно она приводит к тому, что некоторая часть дырок, пропутешествовав через всю базу, подходит к пограничным районам коллекторного pn-перехода (рис. 33, листок Б). И вот здесь-то все и начинается…

Коллекторный переход включен в цепь своей коллекторной батареи Бк в обратном направлении и поэтому ведет себя как большое сопротивление. Но что значит «большое сопротивление»? Это ведь совсем не означает, что между базой и коллектором стоят какие-то невидимые заборы, препятствующие движению зарядов. «Большое сопротивление» просто означает, что нет самих свободных зарядов, которые могли бы двигаться и создавать ток. В области коллекторного pn-перехода зарядов нет, потому что они ушли оттуда. Этот переход включен именно так, что напряжение Е к оттягивает основные заряды от пограничной полосы, — дырки уходят из прилегающих к границе районов базы (рис. 17).

И вот теперь представьте себе, что в этот самый пограничный район базы диффузия загоняет пришедшую из эмиттера дырку. Разумеется, «минус» коллекторной батареи сейчас же потянет эту дырку к себе, и она немедленно перескочит в коллектор. Мы не будем пока говорить обо всех последствиях этого «прыжка», скажем лишь об одном. Появившись в пустом коллекторном переходе, дырка уменьшит его сопротивление. И чем больше дырок проникнет в коллекторный переход, тем меньше будет его сопротивление.

Давайте еще раз проследим всю цепочку событий.

Первое: прямой ток через эмиттерный переход поставляет в базу дырки (рис. 32). Второе: в результате диффузии дырки проходят через всю базу и попадают в район коллекторного перехода (рис. 33). Третье: попавшие в коллекторный переход дырки уменьшают его сопротивление, создают коллекторный ток (рис. 34). И отсюда делаем самый главный вывод: изменяя ток в цепи эмиттер — база, мы изменяем сопротивление цепи коллектор — база, изменяем коллекторный ток.

Рис. 34. Для коллекторного рn -перехода, включенного в обратном направлении, пришедшие из базы дырки — это, по сути дела, неосновные заряды, и поэтому они ускоряются коллекторным напряжением, создают коллекторный ток.

Не об этом ли мы мечтали? Не к этому ли стремились все время? Наконец-то мы нашли нужного нам скульптора. Действительно, если в эмиттерную цепь включить источник слабого сигнала, то он заставит изменяться ток в этой цепи. И, значит, вслед за слабым сигналом, повторяя все его «взлеты» и «падения», будет меняться сопротивление коллекторного pn-перехода. А поскольку коллекторный переход включен в цепь мощного источника постоянного тока — батареи Б к , то в итоге под действием входного сигнала будет изменяться выходной ток, произойдет усиление сигнала.

В этом описании, правда, остается еще одна маленькая неясность. Еще нужно доказать, что сигнал на выходе транзистора будет не просто копией входного сигнала, а его мощной копией. Нужно доказать, что произойдет не простое копирование сигнала, а именно его усиление.

Нас, конечно, не устроит доказательство от противного: если бы транзисторы не усиливали, то кто бы стал их делать! Мы попробуем проверить усилительные способности транзистора путем рассуждений и расчетов, а также с помощью простейших экспериментов.

Прежде всего внесем поправку в простейшую модель транзистора, где три зоны полупроводникового триода отображались тремя сложенными вместе спичечными коробками (рис. 30). Выбросим среднюю коробку и вместо нее вставим пластинку тонкого картона. Теперь наша модель больше похожа на настоящий транзистор, так как базу действительно делают очень тонкой — ее толщина составляет несколько микрон или в крайнем случае несколько десятков микрон. База должна быть тонкой для того, чтобы попавшие в нее из эмиттера заряды (в нашем примере дырки), не обращая внимания на призвавший их сюда «минус» батареи Б э , могли легко добраться к коллекторному переходу под действием сил диффузии.

И действительно, если база будет тонкой, то силам диффузии не составит никакого труда протолкнуть заряды сквозь нее в область коллекторного pn-перехода. А это, собственно говоря, нам только и нужно, потому что всякий заряд, достигший коллекторного перехода, в итоге будет участвовать в создании мощной копии сигнала, а заряды, которые пойдут по своему законному пути, из базы уйдут на «минус» эмиттерной батареи. Эти заряды, по сути дела, для нас потеряны.

Если вести строгий учет всем зарядам, то эмиттерный ток I э , после того как он войдет в базу, нужно будет разделить на две слагающие. Одну из них назовем коллекторным током I к — его образуют заряды, которые за счет диффузии доберутся до коллекторного перехода и в дальнейшем пойдут по коллекторной цепи. Другую составляющую — базовый ток I б — создают заряды, сумевшие протиснуться по тонкой базе и пойти своим законным путем к «минусу» батареи. Теперь события, происходящие в нашем транзисторе, можно описать так:

I э = I к + I б

Точно так же связаны между собой и изменения всех трех токов. Если, например, подняв напряжение E эб , увеличить в два раза эмиттерный ток I э , то одновременно в два раза возрастут и оба порождаемые им тока I к и I б . При этом сумма I к + I б опять-таки останется равной I э . Да иначе и быть не может: ведь эмиттерный ток распределяется только между этими двумя слагающими.

В дальнейшем нас будут интересовать не только токи, напряжения и сопротивления, но и изменения этих величин. Поэтому давайте сразу же договоримся о том, как сокращенно записывать само слово «изменение». Очень малые изменения той или иной величины принято обозначать греческой буквой Δ («дельта»), и, пользуясь этим, все, что мы только что сказали о взаимной связи между изменениями токов в транзисторе, можно записать так:

Δ I э = ΔI к + ΔI б

В переводе на русский наша запись может звучать так: «Изменение эмиттерного тока равно сумме соответствующих изменений коллекторного тока и тока базы».

Для подопытной схемы, которую мы сейчас разбираем (рис. 35), введен особый показатель использования поступивших из эмиттера зарядов. Он называется коэффициентом усиления по току, обозначается греческой буквой α и численно равен:

α = ΔI к :ΔI э

Коэффициент α показывает, какая часть эмиттерного тока достается коллекторному току. Смысл этого коэффициента проще всего уяснить на числовом примере: если при изменении тока эмиттера на 10 миллиампер, ток коллектора увеличится на 8 миллиампер, то α = 8:10 = 0,8. А это значит, что заряды, поставляемые эмиттером в базу, на 80 % используются для создания нужного нам коллекторного тока. Насколько же реальна такая цифра?

Рис. 35. Коэффициент усиления по току  α показывает, какая часть вышедших из эмиттера зарядов участвует в создании коллекторного тока.

Уменьшая толщину базы и принимая ряд других мер в современных транзисторах, удается довести коэффициент α в среднем до 0,95—0,99. Это значит, что коллекторный ток (строго говоря, речь идет об изменениях тока, то есть ΔI э , ΔI к , ΔI б ) составляет 95–99 % эмиттерного тока I э и лишь 1–5 % приходится на базовый ток. Иными словами, из каждой сотни зарядов, попавших в базу из эмиттера, лишь 1–5 уходят на «минус» батареи Б э и через нее возвращаются в эмиттер, так ничего полезного и не сделав. Зато остальные 95–99 зарядов из ста добираются до коллекторного перехода, меняют его сопротивление, создают в коллекторной цепи постоянный ток, из которого в итоге и образуется мощная копия усиленного сигнала.

Выяснив все это, подключим к нашему транзистору, кроме источников питания, еще два элемента: источник усиливаемого сигнала и резистор R н — нагрузку, на которой должен выделяться усиленный сигнал. Естественно, что усиливаемый сигнал вводится в эмиттерную цепь, а усиленный извлекается из коллекторной (рис. 36).

Рис. 36. Вместе с усиливаемым сигналом к транзистору подводится постоянное напряжение (смещение), и благодаря этому эмиттерный рn -переход всегда включен в прямом направлении.

После того как в цепи эмиттер — база появился входной сигнал U сиг , так и хочется задать вопрос: а для чего же здесь теперь нужна батарея Б см (она заменила батарею Б э )? И чем постоянное напряжение U см (оно действует так же, как и E эб ) может помочь напряжению сигнала U сиг ?

Когда мы мысленно экспериментировали с транзистором, смотрели, куда в нем движутся заряды, то постоянное напряжение выполняло, если можно так сказать, учебные функции. Теперь же во входной цепи транзистора появился ее настоящий хозяин — усиливаемый сигнал. Нужно ли и после этого сохранять батарею Б э (Б см )? Оказывается, нужно.

Постоянное напряжение U см  называется напряжением смещения, а созданный этим напряжением постоянный ток I см — током смещения. Мы договорились, что эмиттерный переход обязательно должен быть включен в прямом направлении (на этом, собственно говоря, и основан сам принцип работы транзистора), а значит, на базе всегда должен быть «минус» относительно эмиттера. (Не забудьте: «минус» на базе должен быть только в транзисторах р-n-р, где от эмиттера к базе движутся положительные заряды — дырки. В транзисторах n-р-n, где основные носители заряда в эмиттере — электроны, на базе всегда должен быть «плюс» относительно эмиттера.) Если бы во входную цепь транзистора мы ввели усиливаемый сигнал без смещения, то на базе появлялся бы то «плюс», то «минус»: ведь U сиг — это как-никак переменное напряжение.

То, что напряжение на базе меняется, — это хорошо. В этих изменениях как раз и записано все, что принес сигнал. Плохо лишь то, что, изменяясь, напряжение на базе временами залезает в запретную зону. Плохо и то, что моментами на базе появляется «плюс» и эмиттерный рn-переход запирается. Переход в этом случае просто работает как диод в выпрямителе, в его цепи появляется импульсный ток, и спектр этого тока, форма его графика (а значит, спектр и форма графика коллекторного тока, который является копией эмиттерного) уже не похожи на усиливаемый сигнал U сиг . Проще говоря, если входное напряжение принесло с собой приятный голос диктора, то входной, а вместе с ним и выходной ток могут превратиться в рычание тигра.

Можно ли избежать этого? Можно ли, не трогая самого входного напряжения, сделать так, чтобы на базе никогда не появлялся «плюс» и чтобы график входного тока был таким же, как и график входного напряжения? Можно. И очень просто. Нужно вместе с переменным напряжением подать на базу еще и постоянный «минус». Постоянное напряжение не изменит самой формы сигнала, а лишь сместит его; отсюда и само слово «смещение» — в сторону «минуса» (рис. 36).

Все это можно проиллюстрировать простой аналогией. Во время вечера аттракционов в школе вам предложили с завязанными глазами нарисовать на листе бумаги простенькую фигуру. Вы сразу же начали рисовать неправильно — неточно нашли середину листа бумаги, съехали в сторону. Рисунок получается хороший, но только половина его попадает не на бумагу, а на стол. Что же нужно сделать, чтобы помочь вам?

Нужно лишь сдвинуть, сместить руку на некоторое постоянное расстояние, подвести к ней «постоянное смещение». При этом карандаш будет делать все то, что он и делал, но уже не попадет на территорию стола.

Итак, напряжение U сиг усиливаемого сигнала суммируется с постоянным напряжением U см . В некоторые моменты общее напряжение между эмиттером и базой U эб растет, в некоторые моменты — уменьшается, но оно всегда остается прямым напряжением. И, следуя за всеми изменениями, меняется и прямой ток I э во входной цепи транзистора. Точно так же меняется и коллекторный ток I к , который теперь уже проходит по резистору нагрузки R н (рис. 37).

Рис. 37. В коллекторную цепь можно включить большое сопротивление нагрузки и получить на нем большое выходное напряжение.

Давайте пока не обращать внимания на сравнительно небольшой ток базы I б . Будем считать, что в нашей схеме коэффициент α = 1, то есть эмиттерный ток I э на все сто процентов используется для создания коллекторного тока I к . Иными словами, любое изменение тока в цепи эмиттер — база (входная цепь) вызывает точно такое же изменение тока в цепи база — коллектор (выходная цепь). Это значит, что если, например, эмиттерный ток уменьшится на 5 ма, то на 5 ма уменьшится и коллекторный ток; увеличится I э на 20 ма, и на те же 20 ма возрастет и I к . Одним словом, в эмиттерной и коллекторной цепи будут согласованно меняющиеся, всегда одинаковые по величине токи.

Эта радостная весть может вызвать весьма грустные мысли. Действительно, после долгих поисков, после странствий по океанам многих наук мы наконец построили прибор, который из слабого переменного тока делает… точно такой же слабый переменный ток! А где же усиленный сигнал? Где обещанная мощная копия?

Для беспокойства пока нет никаких оснований. То, что на выходе транзистора ток такой же, как и на его входе, еще ни о чем плохом не говорит: чтобы судить об усилении, нужно сравнивать мощности входного и выходного сигналов. А мощность — это не только ток, это еще и напряжение: P = U·I.

Потребителем усиленного сигнала является резистор R п и именно на нем выделяется мощность усиленного сигнала или иначе выходная мощность транзисторного усилителя P вых . Выходная мощность может использоваться по-разному, да и сама нагрузка усилительного каскада может быть различной (вместо R н , например, может быть включен громкоговоритель, и тогда P вых расходуется на создание звука). Однако какой бы ни была реальная нагрузка и на что бы ни расходовалась выходная мощность, нагрузку эту почти всегда можно представить в виде резистора R н , а выходную мощность — как произведение переменной составляющей коллекторного тока I к~ на переменную составляющую U н~ напряжения, действующего на сопротивление нагрузки:

P вых = U н~ ·I к~

Обратите внимание на то, что выходная мощность определяется не током и напряжением «вообще», а именно переменными составляющими тока и напряжения. Дело в том, что в коллекторной цепи так же, как и в эмиттерной, протекает пульсирующий ток. Конечно, батареи Б cм и Б к создают только постоянные токи I э и I к , но с появлением сигнала токи начинают изменяться по величине, становятся пульсирующими.

Пульсирующий коллекторный ток можно довольно просто разделить на постоянную и переменную составляющие. Например, с помощью фильтров, которые применялись нами в выпрямителе и детекторе для разделения постоянных и переменных составляющих (рис. 27—6, 19). Совершенно ясно, что постоянные составляющие коллекторного тока Iк = и напряжения на нагрузке U н= нам совсем не нужны: выходной сигнал — это переменный ток и переменное напряжение, в нашем примере I к~ и U н~ . И, не задумываясь пока о конкретных способах выделения этих переменных составляющих, мы только их и учитываем при подсчете выходной мощности, делая вид, что постоянных составляющих Iк = и U н= просто не существует.

Поскольку мы договорились, что коллекторный ток равен эмиттерному, то, значит, равны и их переменные составляющие. Одна из них I э~ определяет мощность входного сигнала, другая I к~ — мощность выходного сигнала. Теперь вопрос об усилительных способностях транзистора можно решить только одним способом: сравнить переменное напряжение U сиг входного сигнала и выходное переменное напряжение U вых (так мы будем в дальнейшем называть переменную составляющую U н~ ). Если окажется, что U вых  больше, чем U сиг , то, значит, выходная мощность больше входной и, следовательно, транзистор усиливает. Чем большее значение U вых нам удастся получить, тем большим будет и усиление сигнала.

К эмиттерному переходу приложено напряжение усиливаемого сигнала. Если мы захотим подсчитать это напряжение, то нужно будет воспользоваться уже знакомой формулой закона Ома — Uсиг = I э~ ·R вх . Здесь Rвх — это так называемое входное сопротивление транзистора, сопротивление, которое входной сигнал встречает со стороны эмиттерного перехода.

Вскоре мы подробно выясним, от чего зависит и чему равно входное сопротивление. А пока ограничимся лишь общим выводом: входное сопротивление Rвх очень мало. В общих чертах, по-видимому, ясно, что это должно быть именно так потому, что входное сопротивление — это, по сути дела, сопротивление эмиттерного рn-перехода, а этот переход благодаря смещению всегда включен в прямом, проводящем направлении. И, как всякий диод, он обладает небольшим прямым сопротивлением.

То, что для подсчета входного напряжения U сиг мы пользуемся входным сопротивлением транзистора R вх , по-видимому, требует некоторых пояснений.

Разумеется, мы не можем менять сопротивление R вх так, как меняем по своему вкусу сопротивление нагрузки, да и напряжение U сиг получаем уже в готовом виде. Но ведь мы и не говорим: «напряжение U сиг зависит от сопротивления R вх . Мы просто отмечаем, что напряжение на каком-либо участке цепи (в данном случае это относится к напряжению U сиг  во всех случаях равно произведению тока на сопротивление.

Умножив ток на сопротивление, можно подсчитать и выходное напряжение транзисторного усилителя, то есть переменное напряжение на нагрузке: Uн~ = Uвых = I к~ ·R н . Отсюда следует: чтобы увеличить переменное напряжение на нагрузке, есть два пути — увеличение I к~ и увеличение R н . На величину коллекторного тока мы как будто повлиять не можем: к коллектору не может двигаться больше зарядов, чем их приходит в базу из эмиттера. Значит, для увеличения U вых   остается одно: нужно увеличить сопротивление нагрузки. Чем больше будет R н , тем больше будет и действующее на нем напряжение. А именно оно в данном случае и определяет возможности всего нашего усилительного каскада (каскадом называют блок электронной аппаратуры, способный решать какую-либо самостоятельную задачу, в частности — усиливать сигнал).

До каких же пор можно увеличивать сопротивление нагрузки R н в погоне за большим выходным напряжением? Здесь есть два ограничения, но нам пока достаточно познакомиться хотя бы с одним.

Вся коллекторная цепь нашего транзисторного усилителя, по сути дела, представляет собой делитель напряжения. Делитель этот состоит из двух основных участков — нагрузки и коллекторного перехода, и напряжение коллекторной батареи Б к делится между этими двумя участками. Поэтому, увеличивая R н можно дойти до того, что все напряжение достанется именно этому сопротивлению, а на коллекторе (точнее, на коллекторном переходе) вообще не останется никакого напряжения (рис. 38).

Рис. 38. При слишком большом сопротивлении нагрузки постоянное напряжение на коллекторе может упасть до нуля.

А это в свою очередь означает, что, увеличивая R н , нужно всегда учитывать и величину сопротивления коллекторного перехода. Если, например, окажется, что сопротивление коллекторного перехода имеет ту же величину, что и R н  — его можно назвать выходным сопротивлением транзистора R вых ,— то каждому из этих участков достанется половина напряжения, а с этим еще вполне можно мириться.

Чуть позже мы подробно остановимся на том, что представляет собой выходное сопротивление транзистора. Мы узнаем, что оно может быть различным для постоянного и переменного тока, что величина его зависит и от режима входной цепи (это, собственно говоря, нам уже известно — входная цепь в основном тем и занимается, что меняет сопротивление коллекторного pn-перехода, — впрыскивая в него, разумеется через базу, свободные заряды). Пока же мы ограничимся некоторым общим высказыванием: выходное сопротивление транзистора весьма велико, коллекторный переход, по сути дела, представляет собой диод, включенный в обратном направлении. Во всяком случае, в коллекторную цепь транзистора малой мощности можно смело включить нагрузку с сопротивлением в несколько килоом, не опасаясь серьезных неприятностей, в том числе слишком сильного уменьшения напряжения на самом коллекторе. Для определенности примем, что в коллекторную цепь нашего транзистора включена нагрузка R н  = 10 ком. Это вполне реальная цифра.

Мы ограничили сопротивление резистора R н из боязни потерять на нем слишком большую часть постоянного коллекторного напряжения и оставить слишком малое постоянное напряжение на самом коллекторе. Но можно ведь вместо резистора R н  включить в коллекторную цепь такой элемент, который будет представлять очень большое сопротивление для переменного тока и очень малое — для постоянного. Примером такого элемента может служить уже знакомый нам дроссель или трансформатор. Из-за разного сопротивления для переменной и постоянной составляющих коллекторного тока (возможные величины этих сопротивлений 50 ком и 5 ом) на этом элементе будет создаваться большое переменное напряжение и почти не будет теряться постоянное (рис. 38).

Это, конечно, позволит безболезненно увеличить сопротивление нагрузки, но опять-таки не до бесконечности. Избавившись от опасности слишком уменьшить постоянное напряжение на коллекторе, мы столкнемся с другими ограничениями (о них будет рассказано на стр. 179) и все равно не сможем увеличить сопротивление нагрузки больше чем до нескольких десятков килоом.

Итак, в коллекторную цепь включена нагрузка с сопротивлением 10 ком. Теперь еще одна цифра: сопротивление эмиттерного pn-перехода R вх примем равным 10 ом. Это тоже вполне реальная величина: эмиттерный переход транзистора представляет собой диод, включенный в прямом направлении, а сопротивление такого диода как раз и составляет единицы или десятки ом.

Теперь мы наконец можем сравнить мощность входного и выходного сигналов и вынести окончательный приговор транзистору, можем определить, «усиливает» или «не усиливает».

Мощность входного сигнала выделяется на сопротивлении R вх , мощность выходного сигнала — на сопротивлении R н . На этих же сопротивлениях действуют соответственно входное и выходное напряжение U сиг и U вых . Токи I э~ и I к~ , протекающие по сопротивлениям R вх и R н , примерно равны, а значит, соотношение между напряжениями U сиг и U вых определяется только соотношением сопротивлений R вх и R н . В нашем примере сопротивление нагрузки R н в тысячу раз больше, чем сопротивление R вх , и поэтому напряжение U вых также в тысячу раз больше, чем U сиг . Иными словами, наш каскад дает усиление по напряжению в тысячу раз. А поскольку мощность сигнала — это произведение напряжения на ток (P = U·I) и поскольку токи I э~ и I к~ , как мы уже говорили, равны, то усиление по мощности также равно тысяче. Это реальные цифры: примерно такое усиление можно получить в нашей схеме от среднего по своим параметрам транзистора.

Вот и конец долгого путешествия. Мы не ошиблись, воскликнув в свое время: «Земля!» Построенный нами из двух диодов трехслойный полупроводниковый прибор — транзистор — действительно может создавать мощную копию слабого электрического сигнала, используя для этой цели энергию источника постоянного тока.

Достигнув заветной цели, ни один путешественник не откажет себе в удовольствии вспомнить самые интересные, самые важные этапы пройденного пути. Давайте же и мы подведем итог своего трудного и долгого путешествия от диода до ода. А заодно уже коротко, буквально в двух словах, подытожим все, что успели узнать о транзисторе.

Слабый электрический сигнал, который нужно усилить, мы вводим в эмиттерную цепь транзистора. Она представляет собой pn-переход, который с помощью вспомогательного постоянного напряжения (смещения) всегда включен в прямом направлении. Сопротивление такого перехода невелико, и поэтому входной сигнал довольно легко изменяет эмиттерный ток. Заряды, образующие этот ток, в результате диффузии просачиваются сквозь базу и попадают во второй, в коллекторный pn-переход. Этот переход включен в обратном направлении, и сопротивление его очень велико. Попав из базы в коллекторный переход, свободные заряды уменьшают его сопротивление. Под действием усиливаемого сигнала число этих зарядов меняется, а значит, сопротивление коллекторного перехода тоже меняется, следуя по пятам за всеми изменениями сигнала.

Теперь батарея, в цепь которой включен коллекторный переход, уже отдает энергию не в виде постоянного, а в виде меняющегося тока — копии слабого сигнала. Если на пути этого меняющегося тока (то есть в коллекторную цепь транзистора) включить нагрузку R н и если сделать ее сопротивление достаточно большим, то на этой нагрузке можно получить большое по величине меняющееся напряжение. Во всяком случае, во много раз большее, чем напряжение сигнала, подведенного к эмиттеру. Так создается усиление по напряжению, а значит, и усиление по мощности. Эффект усиления получается за счет того, что входной ток, действующий в цепи с малым сопротивлением, создает такой же по величине изменяющийся ток в цепи с большим сопротивлением. Именно исходя из этого и назвали транзистор преобразователем (переносчиком) сопротивлений.

Глубокий смысл этого названия станет особенно хорошо понятным, если попытаться включить нагрузку не в коллекторную, а в эмиттерную цепь, а коллектор вместе с батареей для упрощения просто выбросить из схемы. В таком поступке есть даже какая-то логика: если коллекторный ток, проходя по сопротивлению нагрузки, создает на нем большое выходное напряжение, то, очевидно, и эмиттерный ток, который, как мы уже много раз подчеркивали, по величине равен коллекторному, создаст на нагрузке такое же большое напряжение, и мы извлечем необходимую мощность прямо из источника слабого сигнала, без всякого транзистора.

Но, конечно же, эти рассуждения ошибочны. Прежде всего они не учитывают неумолимый закон Ома. Включив в эмиттерную цепь свою нагрузку R н = 10 ком, мы примерно в тысячу раз уменьшим ток в этой цепи, так как сопротивление нагрузки в тысячу раз больше прямого сопротивления эмиттерного pn-перехода. Безболезненно (или почти безболезненно) большое сопротивление нагрузки можно включать лишь в коллекторную цепь: ее собственное сопротивление достаточно велико и на этом фоне включение нагрузки не очень-то заметно.

Как видите, наша попытка усилить сигнал без управляющего прибора, в данном случае без транзистора, кончилась крахом. Да иначе и быть не могло. Никакой сигнал не может отдать больше мощности, чем у него есть, и единственная возможность усилить слабый сигнал — это слепить его мощную копию из энергии, которую дает другой источник.

На рис. 39 коллекторный pn-переход показан в виде переменного сопротивления R вых . При этом, конечно, не отражены все теперь уже хорошо известные нам процессы — впрыскивание зарядов из эмиттера в базу, диффузия, ускорение зарядов в коллекторном переходе, — в результате которых слабый сигнал управляет мощным потоком энергии. Забыв обо всех подробностях, можно представить себе, как этот слабый сигнал, действующий в цепи входного сопротивления R вх , каким-то образом двигает ручку переменного сопротивления R вых , меняет ток коллекторной цепи, а вместе с ним и напряжение на нагрузке.

Рис. 39. Транзистор, по сути дела, представляет собой реостат, сопротивление которого (сопротивление коллекторной цепи) меняется под действием усиливаемого сигнала.

Можно найти немало аналогий, помогающих понять, как работает транзистор. Можно, например, представить себе, как охотник-индеец стреляет из лука, а товарищ помогает ему, подает стрелы. Этот помощник делает примерно то же, что источник сигнала, подключенный к эмиттерному переходу: он подает заряды-стрелы для стрельбы в цель-нагрузку. Как бы ни старался помощник, он не сможет запустить стрелу с такой силой, как это делает сильно натянутая тетива лука. Лук здесь играет примерно ту же роль, что и коллекторная батарея в усилителе.

А вот еще одна, уже знакомая нам аналогия (стр. 22): затрачивая сравнительно небольшие усилия, вы подталкиваете к краю высокой горы каменные глыбы, а затем сталкиваете их вниз. Разогнавшись при падении с большой высоты, камни совершают значительную механическую работу, подобно тому как заряды, ускоренные коллекторной батареей, работают на сопротивлении нагрузки.

Для того чтобы эта аналогия была больше похожа на усилительный каскад с транзистором, нужно добавить подъемник, который бы возвращал сброшенные камни на вершину горы: ведь коллекторная батарея возвращает поработавшие на нагрузке заряды обратно в эмиттерную цепь усилителя, точнее — к «плюсу» батареи смещения. Кроме того, камни нужно подталкивать к обрыву в соответствии с каким-либо условным кодом. Например, в соответствии с азбукой Морзе (три камня, сброшенных подряд, — «тире», одиночный камень — «точка»). При этом поток камней, летящих с вершины вниз, как и полагается мощной копии, будет повторять все наши условные сигналы. Подумав, вы наверняка найдете немало других подобных аналогий.

Работу усилительного каскада может иллюстрировать система резервуаров, насосов и соединительных труб (рис. 40).

Рис. 40. Транзисторный усилитель напоминает гидравлическую систему, где, легко перемещая заслонку, можно управлять мощным потоком воды.

Возле каждого элемента этого гидравлического усилителя написано, чью роль он исполняет, какому элементу транзисторного усилителя соответствует. Наибольшую работу в этой стеме выполняет насос, исполняющий роль коллекторной батареи Б к . Он-то и создает большой перепад уровней между резервуарами «база» и «коллектор», и вода, падая с большой высоты, вращает мощную турбину-«нагрузку». Во входной цепи гидравлической системы имеется еще два насоса — «смещение» и «сигнал». Главная задача этих насосов — регулировать поток жидкости из «эмиттера» в «базу». Для регулирования используется поршень с заслонкой, которая делает примерно то же самое, что и напряжение, приложенное к эмиттерному pn-переходу. Насос «смещение» создает постоянное давление, а насос «сигнал» — переменное. Поэтому в гидравлической системе интенсивность потока воды меняется так же, как под действием усиливаемого электрического сигнала меняется ток во всех цепях транзистора. Изменение интенсивности потока воды приводит к тому, что меняется и скорость вращения мощной турбины-нагрузки. Турбина при этом работает неравномерно, мощность ее меняется, и таким образом создается своеобразный механический сигнал, некоторое подобие выходного сигнала в транзисторном усилителе. Механический сигнал, созданный турбиной, намного мощнее механического сигнала, полученного от насоса «сигнал». И именно в этом заключается эффект усиления.

Мы с вами затратили немало времени на то, чтобы выяснить, как устроены и как работают полупроводниковые приборы. Сейчас, пожалуй, уже можно считать, что цель достигнута, что суть дела более или менее ясна. Однако, несмотря на это, мы по собственной инициативе пойдем на еще одну трудную операцию. После нее эта самая «суть дела» наверняка станет для вас не просто более или менее ясной, а такой же бесспорной, такой же привычной, как, скажем, восход солнца или падение камня. Нашей новой операции можно смело присвоить шифр «Видел сам».

Человек так устроен, что он всегда немножко не верит даже самым убедительным словам, самым логичным рассуждениям. (Может быть, это защитная реакция, связанная с тем, что мы нередко ошибаемся, принимая безошибочные, казалось бы, решения, делая бесспорные на первый взгляд выводы?) Лучший способ борьбы с этим своим внутренним неверием, лучший способ определения истинной ценности слов, идей, рассуждений — это эксперимент, испытание на опыте, проверка делом. Вот почему следующие два раздела книги полностью посвящены делам: это своего рода руководство к практическим занятиям. Мы проделаем несколько простейших опытов и попытаемся практически доказать, что диод действительно выпрямляет, а транзистор усиливает.

Начнем с диода.

ОТ СЛОВ К ДЕЛУ

Есть несколько простейших опытов, доказывающих, что полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью и что все наши рассказы о «великолепных четверках» германия и кремния, об электронах и дырках, донорах и акцепторах, основных и неосновных носителях, о «маневрах» электрических зарядов на границе между пир зонами диода и о многих других чудесах, — что все это истинная правда.

Вот один из таких простейших опытов. Возьмите обычный абонентский громкоговоритель (громкоговоритель радиоточки) и, подключив его к батарейке карманного фонаря, попробуйте периодически разрывать цепь, проще говоря — попробуйте подергать один из соединительных проводов (рис. 41). Вы услышите в громкоговорителе щелчки. Батарейка дает постоянный ток, под действием которого громкоговоритель не создает звука, но в момент подключения батарейки к громкоговорителю или ее отключения ток в цепи меняется (от нуля или до нуля). Толчки тока заставляют диффузор колебаться и создавать звук.

Рис. 41. Используя в качестве индикатора громкоговоритель или лампочку, можно на опыте убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода.

Введем в нашу цепь любой полупроводниковый диод. Будут ли теперь слышны щелчки при размыкании и замыкании цепи? Это зависит от того, как включен диод. Если он включен в прямом направлении и пропускает ток, то пощелкивание будет продолжаться. А если диод включен в обратном направлении, то никаких щелчков вы не услышите: диод легко пропускает ток только в одну сторону. При обратном включении диода в цепи появляются очень слабые толчки обратного тока, которые не могут с достаточной силой двинуть диффузор.

Кстати, вместо того чтобы переключать диод, можно изменить полярность батареи.

Еще один опыт — включение диода в цепь лампочки карманного фонаря (рис. 41). Для этого опыта лучше взять плоскостной диод. Во-первых, не всякий точечный диод может выдержать ток, который нужно пропустить через лампочку (50—150 ма). Во-вторых, прямое сопротивление у плоскостного диода меньше, чем у точечного, ток в цепи оказывается несколько больше, и лампочка горит ярче. А вот обратное сопротивление диода во всех случаях настолько велико, что ток в цепи становится очень малым, и лампочка не горит.

Хотя этих двух опытов вполне достаточно для того, чтобы навсегда запомнить, что диод хорошо пропускает ток только в одну сторону, мы все же проделаем еще один эксперимент. Его, правда, лучше бы назвать фокусом: наш следующий опыт настолько интересен, настолько занимателен, что его можно показывать публике, например, на каком-нибудь школьном вечере самодеятельности.

Соберите схему, приведенную на листке А (рис. 41). Здесь Л 1 и Л 2 обыкновенные электрические лампочки небольшой мощности, лучше всего по 25 вт или в крайнем случае по 40 вт. Лампочки рассчитаны на то напряжение, которое действует у вас в сети, — на 127 или на 220 в. Выключатели Вк 1 и Вк 2 — любого типа. В качестве диодов Д л1 , Д л2 , Д 1 и Д 2 можно использовать все типы плоскостных диодов, у которых I пр больше 150 ма, а U обр=доп больше 200 в, если напряжение сети 127 в, и больше 300 в, если напряжение сети 220 в (диоды приходится рассчитывать на амплитуду напряжения сети, см. стр: 73). Пользуясь таблицами 1 и 3, находим, что для любого напряжения сети подходят диоды Д7Д, Д7Е, Д7Ж, Д226 и др.

Внимательно проверив правильность соединения диодов (ошибаться здесь нельзя: некоторые ошибки могут привести к одновременной гибели всех четырех диодов!), включите собранную схему в сеть. Теперь можете поочередно замыкать и размыкать выключатели и удивляться. Если замкнут Вк 1 , то горит только лампочка Л 2 , если замкнут Вк 2 — только лампочка Л 1 . Когда замкнуты оба выключателя, то одновременно горят обе лампочки, а если оба выключателя разомкнуты, лампочки не горят. Попробуйте «перевернуть» диоды Д1 и Д 2 , то есть включить их в обратную сторону, и выключатели поменяются ролями: Вк 2 , будет управлять лампочкой Л 2 , а Вк 1 — лампочкой Л 1 .

Как же объяснить столь странное поведение нашей подопытной цепи? Прежде всего нужно вспомнить, что прямое сопротивление диода очень мало, а обратное — очень велико.

Мы подводим к цепи переменное напряжение, и в некоторые моменты параллельно выключателям и лампочкам диоды включены в прямом направлении, а в другие моменты — в обратном. Иными словами, в некоторые моменты параллельно выключателям и лампочкам включены очень небольшие (прямые) сопротивления, а в другие моменты — очень большие (обратные) сопротивления.

Нарисуем график подводимого напряжения и четные полупериоды условно назовем положительными, а нечетные — отрицательными. Будем считать, что положительные полупериоды — это те, во время которых пропускают ток диоды Д л1 и Д 2 , а отрицательные полупериоды — это те, во время которых пропускают ток диоды Д л2 и Д1. На рисунке положительное направление тока (ток во время положительных полупериодов) показано пунктиром, а отрицательное направление тока — точками.

Предположим, что замкнуты оба выключателя и все напряжение сети подводится только к лампочкам. Во время положительного полупериода диод Д л1 своим малым прямым сопротивлением сильно шунтирует (см. Воспоминание № 8, стр. 145), проще говоря, замыкает накоротко лампочку Л 1 , весь ток идет через этот диод (по пути наименьшего сопротивления), и лампочка Л 1 , естественно, не горит. Зато во время отрицательного полупериода, когда диод Д л1  оказывается включенным в обратном направлении и поэтому обладает очень большим сопротивлением, весь ток идет через лампочку Л 1 и она светится.

С лампочкой Л 2 все происходит наоборот. Шунтирующий ее диод Д л2 включен в противоположную сторону (если сравнивать с диодом Д л1 , и поэтому лампочка Л 2 горит только во время положительных полупериодов.

Когда замкнуты оба выключателя, горят обе лампочки поочередно, если можно так сказать — через такт. Мы, конечно, этой очередности не замечаем: лампочки слишком быстро сменяют друг друга, одна зажигается позже другой всего лишь на сотую долю секунды.

Правда, присмотревшись, можно отметить некоторое мигание лампочек, которого не бывает при включении их в сеть переменного тока без диодов. Мигание появляется потому, что через лампочку, параллельно которой подключен диод, проходит ток только одного направления (используется лишь один полупериод). Через лампочку проходит 50 толчков (импульсов) тока в секунду. Если же лампочка включена в сеть без диода, то ток через нее идет и «туда», и «обратно» (используются оба полупериода), то есть толчки тока следуют в два раза чаще и притом без перерывов. Нить не успевает остывать, и никакого мелькания практически нет.

Итак, при замкнутых выключателях горят обе лампочки: одна — во время положительных полупериодов, другая — во время отрицательных. Как только вы разомкнете один из выключателей, одна из лампочек потухнет. Так, в частности, если разомкнуть Вк 2 , то потухнет Л 1 , а если разомкнуть Вк 1 , то потухнет Л 2 . И, наконец, если разомкнуть оба выключателя, то потухнут обе лампочки. Это очень эффектное зрелище, когда, манипулируя последовательно соединенными и, казалось бы, совершенно одинаковыми выключателями, вы поочередно зажигаете так же последовательно соединенные и уж наверняка одинаковые лампочки.

Механизм «чуда» довольно прост. Размыкая выключатель, вы вводите в цепь полупроводниковый диод, который преграждает путь току во время одного из полупериодов. Так, например, диод Д 1 преграждает путь положительному току (ток положительного полупериода), который заставлял светиться лампочку Л 2 , и она гаснет. Точно так же диод Д 2 преграждает путь отрицательному току (ток отрицательного полупериода), который зажигал лампочку Л 1 . Когда включены в цепь оба диода, то закрыт путь току и положительного, и отрицательного направления, поэтому ни одна из лампочек не горит.

Можно проделать много очень интересных опытов, показывающих, как диод изменяет форму сигнала, преобразует его спектр. Но мы пока ограничимся одним опытом, простейшим среди простых. Включите громкоговоритель в трансляционную сеть через диод (рис. 41, листок Б), и вы сразу услышите сильнейшее искажение звука. Это как раз и есть результат появления в спектре новых составляющих, результат изменений формы сигнала из-за односторонней проводимости диода.

Все, что мы до сих пор делали, это, если можно так сказать, учебные опыты. А сейчас попробуем собрать несколько схем, которые могут найти практическое применение. Это три схемы выпрямителей для питания транзисторной аппаратуры небольшой мощности, выпрямитель для зарядки автомобильных аккумуляторов и двухдиапазонный детекторный приемник. Принципиальные и монтажные схемы всех этих простейших устройств приведены на цветной вклейке (рис. 42, 43).

Никаких пояснений схемы эти, по-видимому, не требуют: в общем виде, без конкретного указания деталей, мы с ними встречались и раньше (рис. 27).

В выпрямителях для питания маломощной транзисторной аппаратуры (рис. 42—1, 2, 3) проще всего применить небольшой силовой трансформатор, который понижает напряжение сети до 6—12 в.

рис. 42—1, 2, 3

Выпрямив это пониженное напряжение и погасив часть его, если в этом будет необходимость, на сопротивлении фильтра R 1 (R 2 ), мы как раз и получим нужное постоянное напряжение 8—10 в. Во всех наших выпрямителях в качестве понижающего используется накальный трансформатор телевизора «Рекорд», который дает необходимое переменное напряжение 6,3 в.

Можно использовать и любой другой накальный трансформатор от телевизора, да и вообще любой трансформатор, имеющий шестивольтовую обмотку. Желательно лишь, чтобы этот трансформатор был поменьше размером, так как транзисторные приемники, которые будет питать наш выпрямитель, потребляют очень небольшую мощность — всего каких-нибудь 0,5–1 вт. Даже сравнительно мощные потребители, такие, например, как переносная радиола «Отдых», и то берут от выпрямителя не больше чем 3–5 вт. А сетевые трансформаторы, как правило, рассчитаны на мощность 30–60 вт и более. Поэтому, выбрав готовый трансформатор, мы неизбежно создаем огромный запас по допустимой для трансформатора мощности и платим за этот запас весом, габаритами трансформатора и, конечно, рублями. Страшного в этом, конечно, ничего нет. Жаль только, что трансформатор оказывается значительно б'ольше и тяжелее, чем он мог бы быть, если бы был рассчитан специально на наш выпрямитель.

Сердечник выбранного трансформатора собран из пластин УШ-19, толщина набора 28 мм. Первичная обмотка содержит 820 витков провода ПЭЛ 0,23 (секция для сети с напряжением 127 в) и 640 витков провода ПЭЛ 0,2 (секция, которая добавляется к первой секции при включении трансформатора в сеть 220 в). Вторичная обмотка содержит 49 витков провода ПЭЛ 1,2 и дает напряжение, необходимое для питания сетевых ламп, то есть 6,3 в. Не забудьте, что это эффективное значение напряжения, а амплитуда его в 1,4 раза больше.

Иными словами, амплитуда переменного напряжения достигает 8,8 в, и именно таким будет выпрямленное напряжение при достаточно большой емкости конденсатора С 1 и сравнительно небольшом потребляемом токе (рис. 28, стр. 74). Практически даже в однополупериодном выпрямителе (рис. 42—1) на выходе получается 7–8 в выпрямленного напряжения, а этого, как показал опыт, достаточно для питания таких приемников, как «Альпинист», «Атмосфера», «Нейва», «Спорт-2» и многие другие.

Можно несколько повысить выпрямленное напряжение и, конечно, уменьшить пульсации, если собрать выпрямитель по мостовой схеме, используя тот же трансформатор (рис. 42—2), или по двуполупериодной схеме на трансформаторе, где имеется еще одна накальная обмотка (как, например, в другом накальном трансформаторе того же телевизора «Рекорд»).

Наконец, если нужно получить более высокое напряжение, то можно, используя тот же трансформатор с одной шестивольтовой обмоткой, собрать выпрямитель по схеме с удвоением напряжения (рис. 42—3).

Собранные нами выпрямители можно использовать для питания микроэлектродвигателей, в частности, для питания электрифицированных игрушек. К наиболее распространенному двигателю (официальное его название ДП-10) нужно подвести напряжение 3–5 в. Потребляемый двигателем ток может составлять 200–500 ма, в зависимости от нагрузки, то есть от той работы, которую этот двигатель выполняет. Чтобы погасить излишек напряжения, резистор R 1 (рис. 42—1, 2) должен иметь сопротивление 10–20 ом, рассчитанное на мощность 1–2 вт. Вместо этого резистора можно включить лампочку на 3,5 или на 6,3 в. Если сопротивление одной лампочки мало, можно включить две лампочки последовательно, а если велико — параллельно. Поскольку двигателю не страшны пульсации напряжения, то питание его осуществляется прямо с первого конденсатора фильтра С 1 . Можно обойтись вообще без конденсатора С 1 , но при этом выпрямленное напряжение несколько уменьшится (рис. 28). Кстати, воспользовавшись этой неприятностью, можно создать предельно простой выпрямитель питания для микроэлектродвигателя. В таком выпрямителе есть только один диод, через который с шестивольтовой обмотки напряжение подается прямо на двигатель без всякого фильтра и гасящего резистора. Постоянная составляющая напряжения при этом получается около 5 в, что вполне терпимо.

Выпрямитель, схема которого показана на рис. 42—4, предназначен для зарядки автомобильных и мотоциклетных аккумуляторов. Согласно существующим правилам, зарядка кислотных аккумуляторов (а именно такие аккумуляторы установлены на автомобилях и на большинстве мотоциклов) производится током, составляющим 10 % емкости аккумулятора.

Так, например, аккумулятор 6-СТ-54 (автомобиль «Волга», «Победа»; последняя цифра указывает емкость в ампер-часах) и аккумулятор 6-СТ-42 (автомобиль «Москвич-408») нужно заряжать током около 5 а при напряжении около 12,6 в, а аккумулятор 3-МТ-6 (мотоцикл «ИЖ-50», мотороллер «Вятка» и др.) заряжают током до 1 а при напряжении около 6,3 в.

Собственное внутреннее сопротивление аккумулятора, а значит, и ток в его цепи зависит от многих факторов: от емкости, степени заряда, плотности электролита, температуры и др. Это внутреннее сопротивление может изменяться в довольно широких пределах, и, чтобы устранить его влияние на величину зарядного тока, в схему вводят резистор R 1 с сопротивлением 0,5–2 ом при допустимой мощности 5—10 вт. Его можно изготовить самому из небольшого кусочка спирали от плитки или намотав на жаропрочный каркас 2–3 метра провода ПЭ 0,3 (намотка однослойная). Такой самодельный резистор будет сильно нагреваться, но на это можно не обращать внимания. Подробней об этом резисторе сказано на стр. 347.

Для того чтобы можно было установить нужный зарядный ток при любом состоянии аккумулятора и при изменении напряжения сети, во всех зарядных устройствах предусматривают регулировку напряжения, подводимого к аккумулятору. Часто для этой цели пользуются реостатом, который включается последовательно с выпрямителем (то есть вместо R 1 ) и гасит ту или иную часть напряжения.

В нашем выпрямителе применен другой распространенный способ регулировки: меняется переменное напряжение, подводимое к выпрямителю, а значит, и выпрямленное напряжение, поступающее на аккумулятор. Амплитуда подводимого напряжения всегда должна быть несколько больше, чем э. д. с. аккумулятора, — выпрямитель, подключенный к аккумулятору, всегда работает с отсечкой, и, чем больше амплитуда переменного напряжения, тем больше импульсы выпрямленного тока, тем больше и средний (зарядный) ток. У вторичной обмотки нашего понижающего трансформатора сделано несколько отводов, и, подключая выпрямитель к тому или иному отводу, мы, по сути дела, меняем переменное напряжение, которое на этот выпрямитель подается. Учтите, что в цепи выпрямителя идет довольно большой ток, и при переключении отводов нужно обеспечить надежный контакт. Проще всего это сделать так: каждый отвод соединяется со своим зажимом, а уже под него зажимается провод, идущий к диодам. Переключение отводов производится с таким расчетом, чтобы установить в цепи аккумулятора необходимый зарядный ток. При этом проще всего ориентироваться на показания амперметра, если, конечно, есть амперметр. Если же амперметра нет, то его место занимает обычный проводник.

Можно приближенно оценить зарядный ток и без амперметра— по свечению лампочки, включенной в первичную цепь трансформатора. Чем больше ток в цепи аккумулятора, тем больший ток потребляется и из сети, тем ярче горит лампочка. Нетрудно подсчитать, что при зарядном токе 6 а и напряжении 12 в трансформатор будет потреблять от сети около 60 вт, а значит, в первичной обмотке пойдет ток около 0,5 а при напряжении сети 127 в и около 0,25 а при напряжении сети 220 в. Это значит, что индикатором тока зарядки может быть стандартная лампочка на 6,3 в и 0,28 а (для сети 220 в) или две такие лампочки, соединенные параллельно (для сети 127 в).

На рис. 42 приводятся два варианта выпрямителя для зарядки аккумуляторов. Один из них собран по мостовой схеме (рис. 42—5), другой — по простейшей однополупериодной (рис. 42—4). Когда идет речь о зарядке аккумуляторов, то мостовая схема сама по себе не имеет особых преимуществ по сравнению с более простой однополупериодной схемой.

рис. 42—4, 5

Мостовую схему иногда применяют в тех случаях, когда допустимый выпрямленный ток I вып для одного диода слишком мал. Так, например, в нашей мостовой схеме используются диоды Д304, каждый из которых может выпрямить ток не более 5 а. А в мостовой схеме, где каждый полупериод (половина общего тока) дает одна пара диодов (Д 1 и Д 2 или Д 3 и Д 4 ), можно допустить общий выпрямленный ток до 10 а, И хотя выпрямитель рассчитан на зарядный ток 5 а, иметь запас по допустимой величине тока необходимо. В полупериодном выпрямителе работает один диод Д305, для которого I вып = 10 а. Собрав на таких диодах мостовую схему, мы могли бы получить выпрямленный ток до 20 а.

Несколько слов о трансформаторе. Его можно изготовить, взяв за основу от какого-нибудь лампового приемника силовой трансформатор, рассчитанный на мощность 50–60 вт. У такого трансформатора удаляются все обмотки, кроме сетевых, и на месте удаленных обмоток легко размещается новая понижающая обмотка с отводами. Число витков этой понижающей обмотки довольно просто рассчитать следующим образом. Прежде всего нужно посчитать (или узнать по справочнику) число витков удаленной накальной обмотки и разделить его на 6,3 (на напряжение, которое дает обмотка). В результате вы получите одну из основных характеристик трансформатора — число витков на вольт. Затем определяется необходимое число витков новой вторичной обмотки с таким расчетом, чтобы секция 1–2 давала напряжение 10 в, а секции 2–3, 3–4, 4–5 и 5–6 по 1–1,5 в.

Для примера рассмотрим, как рассчитывается вторичная обмотка, если за основу взят силовой трансформатор от радиолы «Рекорд-61». Накальная обмотка в этом трансформаторе содержит 40 витков, то есть на каждый вольт приходится примерно 6,4 витка (40:6,3 ~= 6,4). Отсюда следует, что секция 1–2 новой обмотки, рассчитанная на 10 в, должна содержать 64 витка (10·6,4 = 64), а все остальные секции, каждая из которых должна давать напряжение примерно 1–1,5 в, могут содержать по 7—10 витков.

При выборе диаметра провода для новой обмотки исходят из того, что на каждый квадратный миллиметр провода можно допустить ток 3 а. (Можно допустить и 5 а на квадратный миллиметр, но при этом трансформатор будет перегреваться.)

Таким образом, если мы хотим, чтобы провод легко, то есть не слишком сильно нагреваясь, пропускал ток 5–6 а, то нужно, чтобы сечение провода было не меньше чем 2 мм2. Такое сечение имеет провод диаметром 1,6 мм, и, значит, именно из этого провода (а хотите — более толстого) нужно сделать новую обмотку. Если под руками нет такого толстого провода, то можно взять провод диаметром 1,1 мм и намотку вести вдвое, то. есть одновременно двумя проводами, — общее сечение опять-таки будет около 2 мм2. От каждого из этих двух проводов нужно сделать выводы и соединить их между собой.

Новая обмотка должна быть сделана очень аккуратно. Ее нужно тщательно изолировать от остающейся на трансформаторе сетевой обмотки. Для этого лучше всего проложить несколько слоев плотной бумаги или лакоткани. Провод новой вторичной обмотки нужно укладывать туго, делая прокладки из плотной бумаги или даже из изоляционной ленты, хорошо закреплять сами выводы в боковых щечках каркаса. Не стоит особенно гоняться за местом, так как после удаления повышающей и накальной обмоток трансформатора для новой обмотки места хватит с избытком.

И, наконец, для тех, кто будет выполнять подобную работу впервые, сообщаем: не вздумайте мучиться и производить переделку трансформатора, не разбирая его. Нужно разобрать сердечник, снять каркас с обмотками, произвести необходимую переделку и затем вновь собрать сердечник. Дело это не очень сложное, и, если не торопиться, оно много времени не займет.

Все приведенные выше данные относятся к выпрямителю для зарядки автомобильных двенадцативольтовых аккумуляторов. Для зарядки мотоциклетных аккумуляторов нужно лишь перебросить провод, идущий к диодам, с отвода 1 на отвод 2. При этом со вторичной обмотки будет сниматься напряжение от 1 в до 4–6 в и в цепи аккумулятора можно будет установить необходимый ток зарядки — около 1 а. К сожалению, в этом случае лампочки в цепи первичной обмотки уже не будут индикаторами нормального тока зарядки — они вообще не будут светиться из-за того, что потребляемый от сети ток слишком мал.

Не думайте, что, изготовив выпрямитель, вы уже сделали все необходимое для того, чтобы самостоятельно заряжать аккумуляторы. Нужно еще иметь представление, как именно, в каком режиме и в течение какого времени следует производить зарядку. Проще говоря, нужно не только иметь чем заряжать аккумулятор, но еще и уметь это делать.

Здесь, пожалуй, неуместно рассказывать о том, как это делается. Существует очень много пособий и инструкций по зарядке и эксплуатации аккумуляторов. Но одну рекомендацию мы все же дадим: будьте осторожны.

Будьте осторожны, так как в аккумуляторе имеется кислота, а она может испортить (проще говоря, сжечь) одежду, а попав на кожу, вызывает ожоги.

Будьте осторожны, так как при зарядке аккумулятора выделяется кислород и водород, а вместе они образуют гремучий газ, который, если поднести огонь, взрывается.

Будьте осторожны (трижды осторожны!), работая с выпрямителем, так как к нему подводится сетевое напряжение, попав под которое, особенно если у вас влажные руки или если вы стоите на сыром полу, можно стать участником (и жертвой!) весьма трагичных событий. Настолько трагичных, что в этих событиях лучше не участвовать. Даже если вам очень нужно зарядить аккумулятор.

Следующая практическая схема с участием полупроводникового диода — это двухдиапазонный детекторный приемник (рис. 43—1).

рис. 43—1

Нужно прямо сказать, что детекторный приемник, если не считать разного рода помех, например грозовых разрядов, удовлетворительно принимает только местные мощные станции. И вполне вероятно, что на обоих диапазонах вы больше одной-двух станций и не услышите. Разумеется, для приема двух станций можно было и не строить приемник с плавной настройкой да еще двухдиапазонный. Однако для нас постройка такого приемника имеет определенный смысл. И не только учебный. В дальнейшем к детекторному приемнику будут добавлены усилительные каскады, и постепенно, шаг за шагом, мы превратим его в более или менее чувствительный аппарат, принимающий довольно много станций.

Прежде всего несколько слов о приведенных на рис. 43 трех схемах детекторных приемников.

Первая из них (рис. 43—1) уже встречалась нам в общем виде (рис. 27–21; вместо головных телефонов в качестве нагрузки включен резистор). Колебательный контур образуется конденсатором переменной емкости С 2 и одной из катушек — L 1 или L 2 . При приеме на длинных волнах переключатель П 1 подключает к контурному конденсатору С 2 катушку L 1 , а при приеме на средних волнах — катушку L 2 . Индуктивность L 2 в несколько раз меньше, чем L 1 , а значит, при включении L 2 вместо L 1 резонансная частота контура резко повышается, что и требуется при переходе на средние волны.

Через конденсатор С 1 небольшой емкости (его называют конденсатором связи) к контуру подключена антенна. Можно было бы присоединить антенну непосредственно к контуру и без конденсатора С 1 — в этом случае из антенны в контур попадало бы несколько больше энергии и прием был бы громче. Однако при непосредственном подключении антенны вся ее собственная емкость (антенна и Земля образуют своего рода конденсатор, емкость которого С А обычно составляет 100–500 пф и называется собственной емкостью антенны) вошла бы в контур, суммируясь с С 2 . При этом на настройке контура в меньшей степени сказывалось бы изменение емкости конденсатора С 2 и с его помощью удалось бы перекрыть лишь небольшую часть диапазона. Кроме того, при смене антенны менялась бы настройка контура — ведь у разных антенн разная собственная емкость.

Благодаря введению в схему конденсатора связи собственная емкость антенны уже входит в контур не сама, а соединенная последовательно с этим конденсатором. А поскольку при последовательном соединении конденсаторов их общая емкость меньше наименьшей (см. стр. 150, Воспоминание № 14), то и емкость, вносимая антенной в контур, всегда меньше чем 30 пф. После того как вы поймаете какую-нибудь станцию, попробуйте соединить антенну непосредственно с контуром и еще раз подстроиться конденсатором С 2 . Может быть, при этом станция будет слышна немного громче.

В нашей схеме выбран наиболее простой способ переключения (коммутации) катушек — на каждом диапазоне используется отдельная катушка, которая либо включается в контур переключателем П 1 , либо «висит в воздухе» (рис. 46—А'). Иногда применяются и другие схемы коммутации. Вместо длинноволновой катушки, например, используется лишь своего рода «добавка» (рис. 46—А"), катушка L 1 , которая на длинных волнах соединяется последовательно с нормальной средневолновой катушкой L 2 , и общая индуктивность оказывается больше суммы L 1 + L 2 (за счет взаимоиндукции). Подобная схема, в частности, применяется в приемнике «Селга».

Рис. 46. Существуют различные схемы переключения (коммутации) контурных катушек.

(Рис. 42–45 см. на цветной вклейке между стр. 128–129.)

В принципе возможна еще и такая схема коммутации: на средних волнах параллельно длинноволновой катушке подключается «добавка» L 2 (рис. 46—А"), и общая индуктивность уменьшается до нужной на СВ диапазоне величины.

Много остроумных схем коммутации можно встретить в супергетеродинных приемниках с большим числом растянутых коротковолновых диапазонов. Интересные схемы коммутации применяются в универсальных измерительных приборах для переключения предела измерений или рода работы. Нужно сказать, что составление экономных, разумных схем коммутации — занятие хотя и не простое, но довольно интересное.

Теперь о деталях детекторного приемника. В качестве самого детектора Д 1 можно применить любой точечный диод. Выключатель Вк 1 также может быть любого типа, лишь бы он осуществлял нужное переключение.

В нашем первом детекторном приемнике используется перекидной выключатель ТП-1 (рис. 43—4; переключатели такой конструкции обычно называют тумблерами). Этот выключатель поочередно замыкает две пары неподвижных контактов (1 с 2 или 3 с 4), а сам подвижной контакт вывода не имеет.

рис. 43—4

Соединив два неподвижных контакта, например, 2 и 4, можно превратить ТП-1 в однополюсный переключатель. Роль подвижного контакта в нем будут играть соединенные вместе контакты 2 и 4, которые могут подключаться либо к контакту 1, либо к контакту 3.

В расчете на будущие более сложные схемы удобней было бы применить двухполюсный перекидной переключатель ТВГ, в котором есть два подвижных контакта (поэтому-то он и называется двухполюсным) с самостоятельными выводами и четыре неподвижных контакта. Каждый подвижной контакт «обслуживает» свою пару неподвижных контактов (рис. 43—5). Для того чтобы заменить ТВГ, нужно иметь два выключателя ТП-1.

рис. 43—5

Для плавной настройки контура используется малогабаритный конденсатор переменной емкости, специально выпускаемый для радиолюбителей. Можно применить и керамический подстроечный конденсатор типа КПК, например КПК-5 25—175. Последние две цифры указывают соответственно минимальную и максимальную емкость конденсатора. Из-за сравнительно небольшого изменения емкости в таком керамическом конденсаторе перекрываемый диапазон несколько уменьшится. Если вы не стеснили себя габаритами приемника (а на первых порах совсем не стоит гоняться за тем, чтобы подковать блоху), то лучше всего осуществить настройку одной секцией стандартного блока воздушных конденсаторов переменной емкости от любого старого лампового приемника.

Головные телефоны должны быть высокоомные, например ТОН-2, сопротивление каждого наушника которых 1600 ом. Сам приемник монтируется на небольшой фанерной панельке, в которую вставлены жестяные лепестки и такие же жестяные гнезда (рис. 47).

Рис. 47. Монтаж транзисторных схем можно производить на фанерных панелях, в которые вставлены монтажные лепестки из жести.

Более подробно нужно остановиться на изготовлении контурных катушек (рис. 48).

Рис. 48. Контурные катушки могут быть намотаны на ферритовых стержнях (магнитные антенны), в горшкообразных сердечниках, на ферритовых кольцах и на пластмассовых каркасах с подстроенными сердечниками.

Прежде всего одно важное общее замечание. Радиолюбители обычно очень старательно выполняют все указания по изготовлению контурных катушек. И это неплохо: катушка, изготовленная точно по описанию, как правило, получается именно такой, какой она и должна быть. А это упрощает налаживание приемника.

Но обратите внимание, что точное копирование катушки только облегчает налаживание, а не избавляет от него. Много разных, казалось бы, второстепенных факторов, таких, например, как емкость монтажа, собственная индуктивность соединительных проводов или, наконец, емкость полупроводниковых приборов, могут свести на нет все труды по точному копированию катушки.

Даже в заводских условиях, когда технология массового производства позволяет делать все приемники абсолютно одинаковыми, эти приемники одинаковыми все же не получаются. Именно поэтому в контурные катушки почти всегда вводят элементы подстройки, чаще всего подстроечные сердечники из магнитного материала. По той же причине при самостоятельном изготовлении катушек нужно спокойней относиться к некоторым небольшим отклонениям от описания и помнить, что индуктивность катушки можно тем или иным способом подогнать при налаживании приемника.

Главное, что характеризует катушку индуктивности, — это ее индуктивность L. А она, в свою очередь, зависит от числа витков, диаметра и длины намотки, размеров, конфигурации и материала сердечника. Очень часто, сохраняя заданную индуктивность L, можно заменять один тип катушек другим.

Например, вместо катушек в горшкообразном сердечнике (рис. 48—В) применять катушки, намотанные на ферритовых кольцах (рис. 48—Д). Если нет возможности точно воспроизвести какую-либо контурную катушку — нет нужного провода, нужного каркаса или нужного сердечника, — то вовсе не следует отчаиваться. Всегда можно сделать несколько иную катушку, на ином каркасе, намотанную иным проводом, и, подобрав число витков катушки (для этого, конечно, придется повозиться), получить нужную индуктивность.

Никто не говорит о том, что к контурной катушке можно относиться неуважительно. За небрежность и ошибки при изготовлении катушек приходится дорого платить, и прежде всего временем. Но не кидайтесь и в другую крайность: не бойтесь катушки. Помните, что главная характеристика контурной катушки — ее индуктивность L — всегда в ваших руках.

После этого общего замечания — несколько конкретных. Основные типы катушек, применяемых в любительских и промышленных приемниках, показаны на рис. 48. Контурные катушки, намотанные на длинном круглом (рис. 48, листок А) или прямоугольном (листок Б) ферритовом стержне, называются магнитной антенной. Это название связано с тем, что такая катушка хорошо отбирает энергию у приходящих к ней радиоволн, используя эту энергию на создание переменного тока в своей цепи. В этом отношении магнитная антенна делает, по сути дела, то же самое, что и обычная антенна. Только обычная антенна для создания электрического сигнала вылавливает (см. примечание на стр. 26) электрическую составляющую электромагнитных волн (радиоволн), а магнитная антенна вылавливает их магнитную составляющую.

По своей эффективности магнитная антенна эквивалентна обычной проволочной антенне высотой 2–3 метра. Отличительная особенность магнитной антенны — направленный прием. Она лучше всего ловит энергию радиоволн, которые приходят с направлений, перпендикулярных стержню. Именно поэтому приемник, снабженный магнитной антенной, вращают, направляя эту антенну на принимаемую станцию (рис. 48).

Очень часто применяются катушки, намотанные на так называемых броневых (горшкообразных) сердечниках. Такой сердечник представляет собой собранную из двух половинок закрытую чашу, внутрь которой вставлен небольшой пластмассовый каркасик с самой катушкой. Броневые сердечники делают из прессованных магнитных порошков, чаще всего карбонильного железа или феррита. Карбонильный сердечник обозначается буквами СБ, ферритовый — Б. Цифра в названии сердечника указывает его внешний диаметр. Так, например, СБ-12 означает: «сердечник броневой, карбонильный диаметром 12 мм»; название «Б6» означает: «сердечник броневой ферритовый диаметром 6 мм».

В конце названия любого сердечника, в том числе и броневого, может стоять еще одна цифра. Она характеризует свойство магнитного материала, из которого сделан сердечник. Чем больше эта цифра, тем выше магнитная проницаемость сердечника, тем больше будет индуктивность намотанной на нем катушки. Однако, как правило, с повышением магнитной проницаемости сердечника уменьшается предельная частота, на которой его можно применять.

Так, например, из таблицы 6 видно, что сердечники с проницаемостью 4000 пригодны для частот не более 150 кгц, а сердечники с проницаемостью 1000 — до 750 кгц. В длинноволновых катушках обычно используют ферритовые сердечники с проницаемостью не более 1000, а в средневолновых катушках— сердечники с проницаемостью не более 600. Для коротковолновых катушек пригодны сердечники, проницаемость которых обычно не превышает нескольких десятков. Эти ограничения относятся к стержням магнитной антенны, к броневым сердечникам и к любым другим.

Радиолюбители для намотки катушек используют ферритовые кольца (рис. 48—Г) разных размеров. Размеры кольца отражены в самом его названии: первая цифра названия указывает внешний диаметр кольца D, вторая — его внутренний диаметр d, третья цифра — высоту кольца h. В название кольца входит также и марка феррита. Так, например, название кольца К6 х 2,5 х 2,8 — 600НН означает: «кольцо с внешним диаметром D = 6 мм, внутренним диаметром d = 2,5 мм, высотой h = 2,8 мм; сделано из феррита с проницаемостью 600».

Существует два основных способа изготовления сердечников на ферритовых кольцах: можно использовать своего рода челнок, на который предварительно наматывают небольшой кусок провода (рис. 48—Д), а можно намотать провод, предварительно расколов кольцо, а затем склеив его, например, клеем БФ-2 (рис. 48—Е). При склейке нужно хорошо совместить и крепко сжать половинки кольца, так как зазор между ними резко уменьшает индуктивность катушки.

Для намотки катушек часто используют также стандартные каркасы из различных видов пластмассы с небольшими стержневыми ферритовыми сердечниками (рис. 48—Ж).

Примерные данные контурных катушек L1 и L 2 при использовании разных типов сердечников приведены в таблице 7.

1. Магнитная антенна на круглом стержне из феррита 600 НН (Ф—600); диаметр — 8 мм, длина 140 мм.

2. То же, длина стержня 160 мм.

3. Магнитная антенна на плоском стержне из феррита 600 НН (Ф—6 °C) размеры стержня 2,8 х 11 x 85 мм.

4. То же, размеры стержня З х 20 х 100 мм.

5. То же, размеры стержня 4 х 16 х 125 мм.

6. Горшкообразный сердечник СБ—12а (см. рис. 48 — В ). Размеры D = 12,3 мм, d = 9 мм и l = 8 мм.

7. Катушка на ферритовом кольце (см. рис. 48 — Г ). Размеры кольца D = 10 мм, d = 6 мм, h = 2 мм. Феррит 600 НН (Ф—600).

8. То же, феррит 2000НМ (Ф—2000).

9. Катушка на секционированном пластмассовом каркасе с ферритовым сердечником. Размеры каркаса D = 6 мм, l = 4 x 3 мм.

В нашем приемнике можно применить любой тип катушек, указанный в таблице (так же, впрочем, как и другие типы катушек, не попавшие в нее), но лучше всего, пожалуй, сделать магнитную антенну. И лишь только потому, что она в дальнейшем будет использована в других приемниках.

Для детекторного приемника магнитная антенна не имеет никакого смысла — она не в состоянии отнять у радиоволн энергию, достаточную для того, чтобы прокормить (см. примечание на стр. 26) головные телефоны. Для детекторного приемника нужна очень хорошая, очень большая антенна из медной проволоки и обязательно нужно заземление. Комнатная антенна длиной в 5—10 м годится лишь при приеме мощных местных станций.

Данные катушек можно взять из таблицы 7, а также из описаний любительских или заводских приемников. Провод ПЭ — это обычный провод в эмалевой изоляции, провод ПЭЛШО — такой же провод, как и ПЭ, но покрытый снаружи еще и шелковой изоляцией, а провод марки ЛЭШО — это так называемый литцендрат. Он состоит из большого числа очень тоненьких жилок — в название литцендрата входит число жилок и диаметр каждой из них. Так, например, провод ЛЭШО 21х0,07 содержит 21 жилку, диаметром 0,07 мм каждая. Применение литцендрата всегда желательно, так как он обладает очень малыми потерями на высоких частотах, и катушки, намотанные таким проводом, отличаются высокой добротностью (Воспоминание № 20).

При изготовлении катушек из литцендрата нужно проявлять сверхаккуратность: если хотя бы одна из жилок окажется обломанной или непропаянной, то контур, по сути дела, будет погублен. Вот почему у литцендрата очень важно аккуратно зачистить тончайшей шкуркой и залудить все жилки, убедиться в том, что ни одна жилка не обломалась, и уже после этого, объединив все эти жилки, подпаять их к нужному монтажному лепестку.

Таблица 7 требует некоторых пояснений.

В средней колонке этой таблицы число витков указано в расчете на применение конденсатора с минимальной емкостью С мин = 10 пф и максимальной около С макс = 250 пф. Минимальная емкость контура С к-мин всегда больше, чем С мин конденсатора, за счет емкости монтажа, собственной емкости катушки и других «паразитных» емкостей. Все эти емкости как бы подключаются параллельно конденсатору настройки, суммируясь с его емкостью. Предполагается, что паразитная емкость равна 20 пф, и поэтому общая минимальная емкость контура С к-мин составит 30 пф, а максимальная С к-макс — 270 пф. Иными словами, при полном повороте ротора конденсатора настройки емкость контура изменяется примерно в девять раз (270:30 = 9). Запомните эту цифру, пожалуйста: девять раз.

Стандартный длинноволновый диапазон имеет граничные частоты от 150 кгц до 408 кгц, или, что то же самое (рис. 49), граничные длины волн от 2000 м до 735,3 м.

Рис. 49. Чем меньше начальная емкость контура, тем больший диапазон можно перекрыть одним и тем же конденсатором настройки.

Границы средневолнового диапазона такие: по частоте от 525 кгц до 1605 кгц и соответственно по длине волны от 571,4 м до 186,9 м. Легко подсчитать, что для полного перекрытия диапазона ДВ нужно, чтобы резонансная частота контура (или, что то же самое, резонансная длина волны) изменялась примерно в 2,7 раза (408:150 ~= 2,7). Аналогично для полного перекрытия с диапазона СВ нужно, чтобы резонансная частота контура (резонансная длина волны) изменялась бы примерно в три раза (1605:525 ~= 3). Запомните и эти цифры: 2,7 и три раза.

Теперь поясним, почему понадобилось запоминать цифры, характеризующие перекрытие по емкости и по частоте. Дело в том, что оба эти показателя самым непосредственным образом связаны между собой. Ведь резонансная частота зависит от емкости контура (Воспоминания № 19 и № 20), а значит, изменение резонансной частоты, то есть частоты настройки, зависит от изменения емкости контура. Зависимость здесь квадратичная.

Для того чтобы изменить частоту в два раза, нужно изменить емкость в четыре раза; для изменения частоты в три раза необходимо изменение емкости в девять раз и т. д. Одним словом, если вы хотите, чтобы частота настройки контура изменялась в K f раз, то нужно, чтобы емкость настроечного конденсатора изменялась в К с = K 2 f раз. Это и есть квадратичная зависимость.

У нас как будто все получается прекрасно: емкость контура уже с учетом паразитных емкостей меняется в девять раз. Поэтому поворотом ротора конденсатора настройки мы полностью перекрываем средневолновый диапазон и даже с некоторым избытком длинноволновый (для точного перекрытия диапазона ДВ достаточно, чтобы емкость изменялась в 2,72~= 7,3 раза).

Нарисованная нами благополучная картина, к сожалению, не всегда соответствует действительности. И прежде всего потому, что паразитная емкость может оказаться значительно больше 20 пф, особенно при длинных монтажных проводах. К чему же приводит увеличение паразитной емкости? Об этом лучше всего расскажет числовой пример.

Представьте себе, что паразитная емкость равна не 20 пф, а 50 пф, а значит, минимальная и максимальная емкости контура соответственно равны С к-мин = 10 + 50 = 60 пф и С к-макс = 250 + 50 = 300 пф. В этом случае при полном повороте ротора конденсатора настройки емкость контура меняется в пять раз (300:60 = 5), а частота настройки соответственно в 2,3 раза (2,32 ~= 5). Естественно, что при таком изменении частоты настройки можно будет перекрыть лишь часть диапазона СВ или ДВ: например, от 525 до 1200 кгц (СВ) и от 150 до 250 кгц (ДВ).

Но и для такого частичного перекрытия диапазонов еще необходимо будет несколько уменьшить число витков контурной катушки. Ведь катушка рассчитана на максимальную емкость 250–270 пф, и при большей емкости (а у нас она теперь достигает 300 пф!) контур выйдет за границу диапазона и окажется настроенным на слишком длинные волны, где вещательные станции вообще не работают.

Такой избыток в низкочастотной (длинноволновой) части диапазона не был бы сам по себе неприятен, если бы у нас не оказался «отрезанным» большой участок в высокочастотной его части, то есть в области самых коротких волн диапазона. (Вряд ли стоит шить пиджак с большими накладными карманами, если не хватает материала на рукава.) Поэтому-то и возникает необходимость уменьшить число витков катушки, сдвинуть весь диапазон в сторону более коротких волн и таким образом хоть в какой-то степени скомпенсировать недостаточное перекрытие диапазона конденсатором переменной емкости.

Подобные же трудности возникают, если во входном контуре использовать конденсатор с иными значениями максимальной и минимальной емкости по сравнению с конденсатором, на который рассчитана контурная катушка. Так, например, применяя в качестве С 2 керамический конденсатор настройки типа КПК-3, имеющий максимальную емкость 150 пф и минимальную 25 пф, мы фактически сможем перекрыть лишь половину каждого диапазона. Если оставить данные катушек без изменения, то контур не будет настраиваться на длинноволновую часть диапазона (не хватит емкости), а если примерно в полтора раза увеличить число витков катушек, то мы скомпенсируем уменьшение максимальной емкости настроечного конденсатора, попадем в длинноволновые участки диапазонов, но, естественно, при этом выйдем из коротковолновых участков.

В сильной степени влияет на настройку контура и собственная емкость антенны. Причем влияние это всегда неприятное — чем больше емкость антенны, тем меньше перекрытие диапазона. Когда, добавив к детекторному приемнику несколько усилительных каскадов, вы сможете наконец вести прием только на магнитную антенну, а внешнюю антенну отключить, то диапазон, перекрываемый конденсатором С 2 , заметно увеличится.

Приведенные грустные примеры, конечно, не исчерпали осложнений, которые могут возникнуть при подгонке индуктивности и емкости колебательных контуров. Но эти примеры, по-видимому, достаточно ясно показали, что при изготовлении колебательных контуров может понадобиться в значительной степени отклониться от тех данных контурных катушек, которые с большой точностью приводятся в описаниях самодельных приемников.

Кроме этого общего примечания, таблица 7 нуждается еще и в нескольких конкретных примечаниях.

При изготовлении магнитных антенн средневолновая катушка наматывается в один слой, а длинноволновая — «внавал», то есть без определенного порядка. При намотке длинноволновой катушки желательно все же разбить ее на четыре секции, каждая из которых может иметь ширину 5–7 мм при расстоянии между секциями 3–5 мм. Во всех случаях обмотку укладывают на два-три слоя плотной бумаги или хлорвиниловой пленки, предварительно намотанной на ферритовый сердечник. Для того чтобы закрепить выводы катушек, проще всего надеть на стержень четыре (по числу выводов) тугие резинки.

Подгонка индуктивности катушек L 1 и L 2 осуществляется самым примитивным образом: отматыванием или добавлением витков. Это не слишком приятная операция, особенно если имеешь дело с литцендратом. Во всех других катушках, где есть подвижный сердечник, точная подгонка индуктивности производится с его помощью: чем глубже вдвинут сердечник в катушку, тем больше ее индуктивность. В магнитной антенне подвижного сердечника нет, и, если нужно осуществить точную подгонку индуктивности, пользуются иным способом.

Всю катушку разделяют на две половинки и одну из них делают подвижной — наматывают на бумажной гильзе, которая легко перемещается по ферритовому стержню. Если сближать половинки катушки, то ее общая индуктивность увеличивается, если раздвигать — уменьшается. Увеличение индуктивности происходит за счет так называемой взаимоиндукции, то есть за счет того, что каждая половинка усиливает магнитное поле другой половинки.

Для детекторного и даже для простого транзисторного приемника нет смысла усложнять конструкцию магнитной антенны и вводить точную подгонку индуктивности катушки L 1 и L 2 . Но если вы все же попробуете это сделать, то не делите всю обмотку на две равные части, а оставьте в подвижной секции примерно 10–20 % общего числа витков. Даже такая небольшая подвижная секция позволит в некоторой степени менять индуктивность катушки. И в то же время отвод от небольшого числа витков пригодится нам для некоторых схем транзисторных приемников.

Кстати, попробуйте подключить к отводу цепь детектора. При таком автотрансформаторном включении явно улучшится избирательность, а может быть, даже возрастет громкость приема.

Уменьшая число витков, к которым подключен детектор (раньше он подключался ко всей катушке, а теперь к ее части), мы уменьшаем ту часть напряжения, которое поступает на детектор с колебательного контура. Это, конечно, проигрыш. Но в то же время мы уменьшаем и потери, которые детектор вносит в контур, и, значит, повышаем добротность контура, общее напряжение на нем. А это, конечно, выигрыш.

Существует такая точка отвода от катушки, при которой выигрыш оказывается больше, чем проигрыш, и при подключении детектора к этой точке громкость возрастает. Это очень интересное решение — проигрыш, дающий выигрыш, — и вы наверняка еще будете вспоминать о нем, анализируя различные электронные схемы.

На этом, пожалуй, мы закончим наши практические работы с диодами и перейдем к транзисторам. И, так же как мы это делали при знакомстве с диодами, начнем с нескольких простых опытов.

ЗДРАВСТВУЙ, ТРАНЗИСТОР!

Прежде чем производить с транзистором опыты, нужно узнать его название, определить, какой из выводов-проволочек относится к базе, какой — к эмиттеру, а какой — к коллектору, и, наконец, проверить исправность прибора.

Название транзистора написано на нем самом — иногда сбоку, а иногда на плоской «макушке». Там же указана дата изготовления (обозначение «XII 67», например, означает, что прибор сделан в декабре 1967 года), а также марка изготовителя.

В дальнейшем будет подробно рассказано о том, из каких элементов складывается название транзистора и что означают отдельные буквы и цифры в этом названии. А пока лишь отметим, что система названий транзисторов несколько раз менялась и что названия старых и новых приборов часто расшифровываются по-разному. Однако при этом буквы всегда дают общую характеристику прибора, а цифры указывают его конкретный тип.

Так, например, буква «П» означает «плоскостной», а в новых названиях буквы «ГТ» означают «германиевый транзистор». В то же время транзисторы П4, П8, П13, П201 — это все совершенно разные приборы, с разными назначениями, параметрами, характеристиками, и именно в цифрах отражены все эти различия.

Итак, если вы хотите научиться по названиям различать транзисторы, то должны помнить, какая цифра к какому конкретному типу прибора относится. Задача эта не простая, она требует большого внимания и хорошей памяти. Однако решение задачи облегчается следующими тремя обстоятельствами.

Во-первых, существуют своего рода семейства транзисторов со многими схожими чертами и близкими номерами. Так, например, транзисторы П8, П9, П10 и П11 (обратите внимание — цифры идут подряд) — это все приборы типа n-р-n, изготовленные по одной и той же технологии и различающиеся лишь некоторыми (правда, очень важными!) параметрами. Точно так же к одному семейству относятся р-n-р транзисторы П13, П14, ПГ5 и П16 (опять цифры подряд), хотя и они различаются по некоторым очень важным параметрам. Зато очень резко отличаются от этой группы — и по технологии и по такому важному параметру, как предельная частота усиления, — транзисторы другого семейства: П401, П402 и П403 (цифры подряд). Это высокочастотные транзисторы, и самый низкочастотный из них (П401) работает на частоте 60 Мгц. В то же время для самого высокочастотного транзистора предыдущей группы (П15) частотный предел — 2 Мгц.

Совсем другая отличительная черта у транзисторов семейства П201, П202 и П203 (цифры подряд). Это мощные транзисторы, с помощью которых можно усилить сигнал до 10 вт. А у всех семейств, о которых шла речь до этого, предельная выходная мощность —50—150 мвт, то есть в десятки раз меньше.

Второе обстоятельство, облегчающее запоминание конкретных типов транзисторов, связано с тем, что, начиная с некоторого времени, их группировали в сотни. Так, в первую сотню входят только сплавные р-n-р транзисторы малой мощности, работающие на сравнительно невысоких частотах (исключение составляют старые названия, например: П4 — очень мощный триод, ПЗ — мощный триод, П8 — П11 —триоды n-р-n); во вторую сотню входят сравнительно мощные р-n-р-транзисторы, в четвертую — высокочастотные транзисторы, и т. д.

И, наконец, третье обстоятельство, помогающее ориентироваться в океане параметров и названий, — большое число справочников по транзисторам. Кроме того, данные наиболее распространенных приборов имеются в большинстве книг, где приводятся транзисторные схемы. Сведения о некоторых отечественных популярных транзисторах вы найдете и в этой книге на стр. 259–262.

Для опытов, которые мы сейчас проведем, так же как и для наших первых транзисторных схем (рис. 44), можно взять любой транзистор семейства П13—П16 (МП13—МП16), или, что почти то же самое, любой транзистор семейства П39—П42 (МП39—МП42). Определить выводы у этих транзисторов довольно просто. Все выводы расположены в один ряд, и средний из них (он, кстати, соединен с металлическим корпусом) — это база. А вот как находят другие выводы у П13— П16.

Совершенно ясно, что по одну сторону от базы (средний вывод) находится вывод коллектора, по другую — вывод эмиттера. Отличить их тоже несложно. Во-первых, загнутый и прикрепленный к корпусу кусочек среднего вывода (вывода базы) направлен в сторону коллектора. Во-вторых, сам вывод эмиттера расположен чуть ближе к выводу базы, чем вывод коллектора. У других транзисторов выводы расположены совсем по-иному, и их можно определить по справочному рисунку на стр. 268–269.

Итак, мы определили выводы выбранного транзистора: средний вывод — это база, ближний к нему — эмиттер, дальний— коллектор. (Еще раз напоминаем: это справедливо лишь для нескольких транзисторов!) Теперь попробуем проверить исправность транзистора. Проще всего это сделать с помощью омметра: нужно измерить прямое и обратное сопротивление эмиттерного и коллекторного переходов. Прямое сопротивление R пр каждого из этих переходов должно быть очень небольшим, обратное R обр — очень большим (рис. 50).

Рис. 50. Сопротивление pn -перехода различно при разной полярности батареи, и это позволяет проверять исправность диодов и транзисторов с помощью омметра.

При измерении сопротивлений pn-перехода вам даже не нужно задумываться над тем, когда вы измеряете R пр , а когда R обр . Вы можете поступить так: подключите омметр к эмиттеру и базе, заметьте сопротивление, затем поменяйте местами концы омметра и еще раз заметьте сопротивление. В одном случае сопротивление должно быть большим, в другом — малым, потому что в одном случае внутренняя батарейка омметра подключена к базе «плюсом» (измеряется R обр ), в другом — к базе «минусом» (измеряется R пр ). И не стоит задумываться, в каком случае к базе подключен «минус» внутренней батарейки омметра, а в каком «плюс». Если при смене концов омметра вы обнаружите два разных, резко отличающихся сопротивления, то можете считать, что эмиттерный pn-переход исправен.

Точно так же, меняя концы омметра и замечая, как при этом меняется сопротивление, можно проверить исправность коллекторного pn-перехода. И так же, кстати, можно проверить исправность любого полупроводникового диода.

Если при проверке pn-перехода окажется, что в обоих направлениях он обладает очень большим сопротивлением, то можно предположить, что один из выводов просто отпаялся, «отгорел» от своей зоны. Если же окажется, что в обоих направлениях сопротивление pn-перехода очень мало, то вероятнее всего, что произошел пробой и обе зоны, образующие pn-переход, соединились накоротко.

При проверке транзистора легко допустить ошибку, перепутав вывод базы с каким-нибудь другим выводом. В этом случае может оказаться, что вы измеряете сопротивление между эмиттером и коллектором, а это сопротивление у исправного транзистора всегда будет очень большим, как бы вы ни меняли местами выводы омметра.

Узнав тип транзистора, определив его выводы и убедившись в исправности прибора, можно приступить к опытам. Нужно сказать, что сами эти опыты могут быть использованы для проверки транзисторов. Точно так же и опыты с диодом можно использовать для его проверки. Проделайте с диодом любой из двух показанных на рис. 41 опытов, и если он удастся, значит, диод исправен.

Перед началом опытов с транзисторами полезно повторить первые два опыта с диодами. Только на этот раз в них будут участвовать не настоящие диоды, а pn-переходы транзисторов. Батарейка и громкоговоритель или батарейка и лампочка позволяют легко убедиться, что полупроводниковый триод действительно можно рассматривать как два полупроводниковых диода, имеющих одну общую зону — базу (рис. 51).

Рис. 51. Батарейка и лампочка карманного фонаря позволяют на опыте убедиться в том, что транзистор, по сути дела, представляет собой два полупроводниковых диода.

Цель следующего опыта — доказать, что транзистор усиливает.

Включим абонентский громкоговоритель в коллекторную цепь транзистора в качестве нагрузки и подадим на коллектор напряжение — 9 в. (рис. 52). Можно подвести к транзистору и меньшее коллекторное напряжение, например 4,5 в, но при этом эффект усиления будет заметен меньше.

Рис. 52. Простейшие опыты позволяют убедиться в том, что с помощью транзистора можно усиливать слабый сигнал.

Для опыта нужен еще один источник тока — элемент Б э на 1,5 в, с помощью которого мы будем имитировать слабый усиливаемый сигнал. Если присоединить «минус» элемента Б э  к базе и периодически прикасаться выводом эмиттера к «плюсу» этого элемента (то есть непрерывно замыкать и размыкать цепь, как мы это делали в опытах с диодами), то в громкоговорителе будут слышны щелчки. Появятся они потому, что элемент Б э  будет периодически отпирать транзистор (впрыскивать заряды из эмиттера в базу) и в коллекторной цепи будут появляться импульсы коллекторного тока. Эти импульсы и заставят в итоге колебаться диффузор громкоговорителя.

Если вы хотите убедиться в том, что щелчки в громкоговорителе появляются именно из-за отпирания транзистора, то попробуйте поменять полярность включения Б э : «плюс» этого элемента соедините с базой, а «минус» — с эмиттером. При такой полярности элемент Б э  будет еще сильнее запирать транзистор: «плюс» на базе не только не притягивает дырки из эмиттера, но наоборот — отталкивает их. Поэтому при обратной полярности элемента Б э  импульсов коллекторного тока не будет и щелчков в громкоговорителе вы не услышите.

То, что при первоначальной полярности элемента Б э   (на базе — «минус») и при прерывистом замыкании входной цепи появились импульсы коллекторного тока, говорит о том, что этим коллекторным током действительно можно управлять из входной цепи транзистора. Но как доказать, что при таком управлении может наблюдаться эффект усиления, что импульсы тока в выходной цепи транзистора могут оказаться мощней, чем импульсы тока в его входной цепи?

Для этого достаточно сравнить громкость щелчков, которые возникают в нашей усилительной схеме, и громкость щелчков, которые появляются, если периодически подключать к громкоговорителю один только элемент Б э . Действительно, если отключить громкоговоритель от транзистора и периодически прикасаться к его выводам одним только элементом Б э , то щелчки тоже будут слышны. Но они окажутся значительно тише тех щелчков, которые возникали при включении громкоговорителя в коллекторную цепь усилительного каскада.

А вот еще один опыт, позволяющий убедиться в том, что транзистор усиливает. Включите в его коллекторную цепь лампочку на 3,5 в и подайте напряжение на коллектор, но уже не 9 в, а 4,5 в. Теперь так же, как и в предыдущем опыте, подключите ко входу транзистора, то есть между базой и эмиттером, источник отпирающего напряжения — элемент Б э на 1,5 в. Вы увидите, что даже под действием этого небольшого напряжения ярко загорится лампочка на 3,5 в. Разумеется, лампочка горит за счет другого источника энергии, за счет коллекторной батареи Б к , которая дает 4,5 в. Но управляет энергией коллекторной батареи слабенький элемент Б э , который сам, конечно, не в состоянии зажечь лампочку Л 1 . В этом легко убедиться, подключив лампочку Л 1 непосредственно к элементу Б э .

Следуя по пути, который был выбран нами при практическом знакомстве с полупроводниковыми диодами, сейчас следовало бы перейти от учебных опытов к практическим транзисторным схемам. Однако на этом участке пути, к сожалению, появляются серьезные препятствия. Мы пока еще слишком поверхностно знакомы с транзистором, слишком мало о нем знаем. Мы, по сути дела, знаем лишь одну транзисторную схему, которая в общем, упрощенном виде фигурирует на многих наших рисунках (рис. 36, 37, 40, 52 и др.). А эта схема далеко не исчерпывает всех возможностей включения транзистора. Более того, схема, с которой мы познакомились, применяется сравнительно редко, и она была выбрана для первого знакомства только потому, что позволяет легче всего пояснить принцип действия транзистора. На практике чаще всего применяется совсем иная схема, знакомство с которой у нас еще впереди.

И все же мы разберем несколько практических схем, не дожидаясь более детального знакомства с транзистором.

Начнем с уже имеющегося у нас детекторного приемника, включив в него вместо диода эмиттерный переход транзистора. Эмиттерный переход — это тот же полупроводниковый диод, и поэтому он прекрасно справится с детектированием сигнала. В этом легко убедиться, заменив в схеме рис. 43—1 диод Д 1 эмиттерным переходом любого транзистора. Коллектор при этом никуда не подключается, «висит в воздухе».

Однако мы заменили диод транзистором совсем не для того, чтобы доказать, что эмиттерный переход может быть детектором. Это было ясно и без экспериментальных доказательств. Мы включили вместо диода транзистор для того, чтобы хоть в какой-то степени использовать его усилительные способности.

Давайте переведем головные телефоны в коллекторную цепь и подадим на коллектор питание от батареи Б к (рис. 43—2).

рис. 43—2

Низкочастотная составляющая продетектированного сигнала, проходя по входной цепи, будет, как и всякий входной сигнал, управлять коллекторным током, и в итоге в коллекторной цепи появится мощная копия входного низкочастотного сигнала. Во всяком случае, на нагрузке — головных телефонах— будет выделяться большая мощность, чем это было в детекторном приемнике с диодом (рис. 43—1).

Обратите внимание на две особенности схемы. Прежде всего на то, что в этой схеме нет смещения. Вы удивлены?

Напрасно. Здесь смещение не нужно, потому что не нужно избавляться от искажений. Более того, искажения в этой схеме совершенно необходимы: сущность детектирования в том и состоит, чтобы отсечь половину высокочастотного сигнала, создать в цепи пульсирующий ток.

Вторая особенность схемы сама бросается в глаза: рядом с контурными катушками появились еще какие-то две катушки L 3 и L 4 . О них, пожалуй, придется сказать несколько подробнее. Катушки L 3 и L 4 — это так называемые катушки связи. Каждая из них (это хорошо видно на монтажной схеме) располагается рядом со своей контурной катушкой (L 1 или L 2 ) и отбирает от нее некоторую часть энергии. Эту энергию катушка связи передает в ту цепь, куда она включена; в нашей схеме — в цепь детектора.

Здесь может возникнуть законный вопрос: зачем нужен посредник — катушка связи? Ведь и раньше энергия, которая циркулировала в контуре, передавалась в цепь детектора. Ответ на этот вопрос мы, собственно говоря, уже дали, когда рассматривали так называемое автотрансформаторное включение детектора — подключение детектора к части колебательного контура (стр. 143).

Было отмечено, что, подключая детектор к части контура, мы и проигрываем, и выигрываем. Проигрываем потому, что снимаем с контура меньшую часть напряжения, чем снимали бы при подключении детектора ко всей контурной катушке, а не к части ее витков. Выигрываем потому, что уменьшаем потери, которые сам детектор создает в контуре, отбирая у него энергию. И, подбирая точку подключения к контуру, можно добиться так называемого оптимального согласования (ему будет посвящен целый раздел — см. стр. 220), когда выигрыш оказывается максимальным, даже с учетом проигрыша.

С той же целью — для получения наибольшего выигрыша, для подбора наивыгоднейшей, оптимальной связи — в схему вводится и катушка связи. Уменьшение числа витков этой катушки равносильно уменьшению числа витков, к которым подключается детектор при автотрансформаторной схеме. Но если, сделав отвод от катушки, вы раз и навсегда определили ту часть энергии, которая попадет в детектор из контура, то, применив дополнительную катушку связи, вы получаете возможность плавно подобрать связь, добиваясь наибольшего выигрыша. Для этого достаточно несколько переместить катушку связи относительно контурной катушки.

В приемнике, где детектором служит точечный диод, ослабление связи между детектором и контуром весьма желательно. В приемнике с транзисторным детектором такое ослабление просто необходимо, потому что входное сопротивление плоскостного транзистора очень мало и если подключить его прямо к контуру, то контур, по сути дела, исчезнет. Малое входное сопротивление транзистора, подключенное параллельно контуру, настолько сильно шунтирует его (Воспоминания № 8 и № 20), настолько ухудшает добротность этого контура, что резонансные явления в нем почти не ощущаются.

В заключение приводим самые главные данные — данные катушек L 3 и L 4 . Для магнитной антенны первая из них содержит 15 витков (длинноволновая катушка связи L 3 ), вторая — 8 витков (средневолновая катушка связи L 4 ). Катушки могут быть намотаны тем же проводом, что и контурные. Если во входном контуре используется катушка в броневом сердечнике, то катушку связи проще всего намотать на бумажном каркасе, надетом поверх этого сердечника. Если контурная катушка намотана на кольце, то на нем же следует намотать и катушку связи. Во всех случаях катушка связи может содержать в 10–20 раз меньше витков, чем соответствующая контурная катушка.

Вместо отдельной катушки связи можно сделать отвод от самой контурной катушки, примерно от одной десятой части ее витков (рис. 43—3).

рис. 43—3

Такой отвод удобен лишь в магнитной антенне, так как отдельную секцию контурной катушки можно использовать для подгонки ее индуктивности. В большинстве промышленных и любительских приемников применяют отдельные катушки связи.

Схему рис. 43—2, хотя в ней и используется транзистор, не стоит называть усилителем. Это триодный детектор, в котором усиление осуществляется «по совместительству».

А сейчас мы рассмотрим две практические схемы, где транзистор занят своим основным делом — усиливает слабый сигнал. Первая из этих схем — усилитель низкой частоты, вторая — усилитель высокой частоты.

Если понадобится быстро сделать простейшее переговорное устройство, то включите обычный абонентский громкоговоритель в гнезда «Звукосниматель» любого приемника. Громкоговоритель будет играть роль микрофона, а сам приемник достаточно громко воспроизведет все то, что вы будете перед этим микрофоном говорить.

Микрофон-громкоговоритель можно отнести на 20–30 метров от самого приемника, если они соединены экранированным проводом, и на 5–7 метров, если для соединения используется обычный двухжильный провод. Это последнее ограничение связано с тем, что в открытый соединительный провод попадают сильные «наводки» от проводов сети. По мере удлинения провода они становятся все сильнее, все заметнее рядом со сравнительно слабым сигналом микрофона.

Микрофон-громкоговоритель обязательно должен быть с трансформатором, потому что сам громкоговоритель, когда он работает микрофоном, даже при сравнительно громкой речи развивает напряжение 1–5 мв. А для того чтобы приемник развивал нормальную выходную мощность, проще говоря — чтобы он воспроизводил вашу речь достаточно громко, нужно подвести к гнездам «Звукосниматель» напряжение 100–200 мв. Почти до такого уровня напряжение повышает собственный трансформатор абонентского громкоговорителя. Когда сигнал идет в обратную сторону, не к громкоговорителю, а от него, трансформатор оказывается повышающим.

Если у вас нет под руками абонентского громкоговорителя с трансформатором, то вы можете использовать в качестве микрофона любой динамик, добавив к нему простенький усилитель на одном транзисторе (рис. 44—1). Правда, в данном случае основное достоинство усилителя не будет использовано.

рис. 44—1

Дело в том, что к гнездам «Звукосниматель» (они соединены прямо со входом усилителя низкой частоты приемника) можно подвести сигнал очень малой мощности, и с этой точки зрения вполне можно было бы обойтись и без усилителя. Усилитель нужен нам лишь для того, чтобы повысить напряжение, которое дает громкоговоритель-микрофон. А поскольку в известной нам схеме (рис. 37) эффект усиления получается за счет того, что напряжение на выходе усилителя больше, чем на входе, то именно поэтому однокаскадный транзисторный усилитель прекрасно заменяет повышающий трансформатор.

Конечно, заменять трансформатор усилителем, использовать только усиление по напряжению там, где можно было бы использовать усиление по мощности, — это непростительное расточительство. Но мы идем на него сознательно. Во-первых, предлагаемая схема нам доступна (имеющихся у нас знаний пока недостаточно, чтобы строить другие, более сложные, совершенные и более полезные схемы). Во-вторых, не исключено, что вам эта схема пригодится: иногда труднее бывает достать трансформатор, чем транзистор.

Вторая практическая схема — трехкаскадный усилитель высокой частоты (рис. 44—2).

рис. 44—2

Как всегда, он включается между антенной и детектором и усиливает сигнал, поступающий на детектор. Усилитель повышает напряжение примерно в пятьсот— тысячу раз, а это позволяет принимать уже довольно большое число станций, которые без усилителя вообще не слышны. Сигналы некоторых станций усиливаются настолько, что их можно слушать уже не на головные телефоны, а на громкоговоритель. Например, на простейший громкоговорящий капсуль ДЭМ—4М. Главное достоинство усилителя в том, что для него пригодны транзисторы с самыми скверными параметрами. В частности, в этом усилителе работают триоды с таким низким коэффициентом усиления, что в других схемах они не дали бы приемлемых результатов. Другое достоинство усилителя в том, что он почти не требует налаживания.

Есть у этого усилителя и недостатки: он рассчитан только на один диапазон — на длинные волны. Хотя на схеме показан усилитель, включенный в двухдиапазонный детекторный приемник, однако надо прямо сказать, что на средних волнах такой усилитель работает плохо — слишком мало усиление. В дальнейшем, познакомившись с транзистором более подробно, мы построим более простой и в то же время более совершенный усилитель высокой частоты для двухдиапазонного приемника. А схема, о которой идет речь сейчас, останется в нашей памяти лишь «этапом большого пути».

В схеме рис. 44—2 —три усилительных каскада, и сигнал, как эстафета, передается с одного из них на другой. Первый каскад (транзистор Т 1 ) получает сигнал прямо из входного контура через катушку связи L 3 или L 4 . Этот сигнал подается, естественно, во входную цепь транзистора — одним концом катушка связи L 3 (L 4 ) подключается прямо к эмиттеру, а вторым концом соединяется с базой. Соединение с базой осуществляется не непосредственно, а через конденсатор С 3 . Емкость этого конденсатора весьма велика, и можно считать, что переменное напряжение высокой частоты замыкается прямо на «землю», куда подключена база транзистора.

Небольшой черный прямоугольник — это условное обозначение, показывающее соединение с металлическим шасси (панелью), на котором монтируется схема. Но там, где монтаж ведется на панели из изолятора, роль такого общего для всех цепей «металлического шасси» обычно играет медная шинка — сравнительно толстый медный провод, к которому удобно подпаивать много разных цепей. Такая медная шинка имеется и на всех монтажных панелях нашего приемника. С ней соединено и гнездо «Земля». Поэтому о проводнике, подключенном к общей медной шинке, говорят, что этот проводник заземлен.

Соединить нижний (по схеме) конец катушки связи прямо с базой нельзя — через катушку связи на эмиттер подается напряжение смещения. «Минус» батареи смещения Бсм соединен с «землей», куда подключены все базы, а «плюс» подается на эмиттер транзистора Т 1 через катушки связи и резистор R 1 . Конденсатор С 3 позволяет заземлить нижний конец катушки связи для переменного тока и одновременно оставить его незаземленным для постоянного тока. Такие приемы — раздельное подключение какой-либо точки для переменного и постоянного тока — в электронной аппаратуре встречаются на каждом шагу. Более подробно мы познакомимся с ними немного позже (см. стр. 208).

Нагрузкой первого усилительного каскада служит высокочастотный трансформатор L 5 L 6 . Его первичная обмотка включена в коллекторную цепь транзистора Т 1 , и через эту обмотку на коллектор подается «минус» с батареи Б к . Вторичная обмотка вводит усиленное первым каскадом напряжение во входную цепь второго транзистора Т 2 . Так же, как и в первом каскаде, верхний (по схеме) конец катушки связи соединен непосредственно с эмиттером, а нижний конец — с базой (через конденсатор С 4 ). И так. же, как и в первом каскаде, через катушку связи подается на эмиттер «плюс» смещения. Мы привыкли к тому, что на базу подается «минус» смещения относительно эмиттера, но это то же самое, что подать на эмиттер «плюс» смещения относительно базы.

Третий усилительный каскад отличается от второго только тем, что нагрузкой в нем служит уже не трансформатор, а резистор R 4 , выходное напряжение с которого поступает прямо на детектор. Детектор собран по параллельной схеме, и его нагрузкой служит сам громкоговоритель или головные телефоны.

Во всех трех усилительных каскадах смещение подается одним и тем же способом, и нужное напряжение смещения устанавливается подбором резисторов R 1 , R 2 или R 3 . Каждый из этих резисторов образует со своим эмиттерным рn-переходом делитель напряжения. Резисторы выбраны таким образом, чтобы погасить излишек напряжения батареи Б см и оставить на эмиттерном переходе постоянное напряжение 0,2 в.

Напряжение на коллектор в первых двух транзисторах подается через катушку (L 5 , L 7 ) с очень небольшим активным сопротивлением. На такой катушке постоянное напряжение практически не теряется, и поэтому к коллекторам транзисторов Т 1 и Т 2 подводится полное напряжение батареи Б к . Это, кстати, одна из причин, позволивших удовлетвориться очень небольшим напряжением батареи Б к .

В приемнике по схеме рис. 44—2 используются те же основные детали — входной контур, переключатели диапазонов, конденсатор настройки, — что и в детекторных приемниках. Да и сам монтаж может вестись на той же фанерной панели. Единственное изменение, которое следует произвести, — это уменьшение числа витков катушки связи в три — пять раз. Так, например, катушка L 3 может содержать 3–4 витка, катушка L 4 — 2–3 витка.

Высокочастотные трансформаторы L 5 L 6 и L 7 L 8 выполнены на ферритовых кольцах К7х4х2 2000 НМ (магнитная проницаемость феррита — 2000; применение колец из феррита с меньшей проницаемостью снижает усиление). Данные катушек L 5 —120 витков, L 6 — 90 витков, L 7 и L 8 — по 10 витков каждая. Для намотки может быть использован провод ПЭЛШО 0,15.

Рассматривая схемы наших первых транзисторных усилителей, можно найти в них много неясного. Для чего, например, включать в качестве коллекторной нагрузки понижающий трансформатор (число витков L 5 и L 7 меньше, чем число витков L 6 и L 8 ) и снижать таким образом выходное напряжение каскада? Почему бы не собрать усилитель низкой частоты по той же схеме, по которой собран наш усилитель высокой частоты, и обеспечить таким образом нормальную работу громкоговорителя? Почему бы не упростить схему высокочастотного усилителя, применив вместо трансформаторов резисторы? Почему этот усилитель плохо работает на средних волнах?

Подобных вопросов можно придумать немало. Но пока трудно дать ответы на них. И трудность эта прежде всего связана вот с чем: мы с вами еще плохо знаем язык, на котором можно было бы говорить о транзисторных схемах. Преодолеть эту трудность можно только одним способом: нужно более внимательно, более подробно познакомиться с транзисторами.