Материалы, пропускающие электрический ток, называют проводниками, а материалы его не пропускающие, называют изоляторами. Материалы, обладающие промежуточными свойствами между проводниками и изоляторами, называют полупроводниками. Полупроводниковые элементы находят широкое применение в электронных системах. Их свойства, характеристики и другие особенности описаны ниже.
Терморезистор
У проводников, таких как металлы, сопротивление при повышении температуры увеличивается, а вот сопротивление полупроводников, как правило, наоборот уменьшается.
Элемент, выполненный из материала с существенной зависимостью сопротивления от температуры, называют терморезистором.
Терморезистор, сопротивление, которого повышается по мере роста температуры, называется терморезистором с положительной температурной характеристикой (или терморезистором с положительным температурным коэффициентом сопротивления).
В большинстве случаев терморезисторы обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Они применяются в схемах измерения температуры, схемах температурной компенсации и т.п.
На электрических схемах терморезистор обозначается символом
Диод
Диод (сокращение — Д), обозначаемый символом
представляет собой полупроводниковый элемент, проводящий ток только в одном направлении.
Направление, при котором ток проходит через диод, называется прямым, а направление, при котором ток через него не проходит, называется обратным
Диод Зенера (стабилитрон)
Диод, сохраняющий характеристику обычного диода при прямом направлении тока, но пропускающий ток в обратном направлении при определенных условиях, называется диодом Зенера (стабилитроном). На электрических схемах такой диод обозначается символом.
Как показано на рисунке, при прямом направлении тока он имеет такую же характеристику, как и обычный диод, однако при обратном направлении тока, при достижении определенного значения напряжения (напряжения стабилизации) такой диод резко изменяет свою характеристику и начинает проводить ток.
Но если обычный диод при превышении напряжения пробоя разрушается, то диод Зенера возвращается в нормальное состояние, как только обратное напряжение становится меньшим напряжения пробоя. Благодаря этой особенности такой диод используется в основном в электрических схемах стабилизации напряжения
Светодиод
Диоды, излучающие световой поток при протекании электрического тока в прямом направлении, называются светодиодами (сокращённо LED — англоязычное наименование Light Emitting Diode).
Различные виды светодиодов, создают излучение как в видимой области спектра, так и в невидимой (инфракрасное и т.п.).
При приложении напряжения к PN-переходу в прямом направлении, светодиод непосредственно преобразует электрический ток в световую энергию. Для излучения света светодиоду необходим ток около 10 мА.
Если к светодиоду приложено напряжение обратной полярности, то он не проводит ток, и вследствие этого световой поток не излучается.
Светодиоды широко используются в качестве элементов световой индикации и т.п.
Фотодиод и фототранзистор
В отличие от светодиода, фотодиод пропускает ток в обратном направлении при воздействии на него светового потока.
Фототранзистор выполняет ту же функцию, что и фотодиод.
Фотодиоды и фототранзисторы используются в качестве светоприёмников оптических систем связи и т.п.
Транзистор
Транзистор (сокращенно Т) представляет собой устройство, образованное комбинацией полупроводников.
Существуют два типа проводимости транзисторов — PNP и NPN.
Транзистор имеет три вывода, каждый из которых носит собственное наименование.
Вывод, или контакт со стрелкой, называется эмиттером (сокращенно Э), другой, соединённый с Т-образным изображением на схеме, называется базой (сокращенно Б), а третий называется коллектором (сокращенно К). Эти обозначения используются для транзисторов обоих типов, PNP и NPN
Токи, протекающие по упомянутым электродам называются соответственно током эмиттера (Iэ), током базы (Iб) и током коллектора (Iк). Направление протекания токов указано стрелкой на эмиттере.
Ток эмиттера равен сумме тока базы и тока коллектора:
Iэ=Iб+Iк
Следовательно, ток базы равен:
Iб=Iэ-Iк
Транзистор позволяет управлять сильными токами между эмиттером и коллектором (коллекторный ток) с помощью слабых токов между эмиттером и базой (базовый ток). При прекращении базового тока, ток между эмиттером и коллектором тоже прекращается!
Наиболее часто используются два свойства транзистора. Одно из них заключается в усилении тока, а второе — в действии транзистора в качестве электронного ключа. Оба эти свойства описаны ниже.
Усиление тока транзистором
При подаче электрического сигнала на входной вывод транзистора на его выходном выводе появляется усиленный сигнал. Это свойство транзистора называется усилением.
Как показано на рисунке, входной сигнал подаётся на базу транзистора, а выходной сигнал снимается с коллектора. Изменение тока базы Iб усиливается и проявляется в виде соответствующего увеличения значения тока коллектора Iк. Отношение тока коллектора Iк к току базы Iб называется коэффициентом усиления по постоянному току и обозначается греческой буквой β (бета).
| Коэффициент усиления по току:β = Iк/Iб= Iк/(Iэ-Iк) |
Транзистор, как электронный ключ
Вследствие конструктивных особенностей, транзистор не пропускает токи эмиттера Iэ и коллектора Iк, пока отсутствует ток базы Iб.
Это означает, что при прерывании и возобновлении тока базы, токи эмиттера и коллектора будут также прерываться или протекать. Это функция транзистора позволяет называть его электронным ключом.
Сравним транзистор и обычное электромагнитное реле.
Рассмотрим реле с выключателем, расположенным в цепи его обмотки. При замыкании контактов выключателя ток протекает по обмотке электромагнита реле, вследствие чего его контакты замыкаются. В результате лампа, включенная в цепь контактов реле, светится.
Транзистор выполняет точно такую же функцию, как и реле.
При замыкании контактов выключателя, расположенного в цепи базы, с эмиттера протекает ток базы Iб, и этот ток вызывает появление тока коллектора Iк. В результате лампа начинает светиться. Когда протекающий ток базы Iб обеспечивает протекание тока коллектора Iк, говорят, что транзистор “открыт”.
Функции реле и транзистора одинаковы, поскольку они могут управлять большим током с помощью малого тока. Транзистор отличается от реле отсутствием контактов.
Включение (открытие) транзистора
На схеме приводится пример использования NPN-транзистора. Рассмотрим условия, при которых в случае замыкания контактов выключателя лампа загорается.
Какое значение потенциала будет в точке А при разомкнутых контактах выключателя? Поскольку резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, потенциал в точке А определяется величинами сопротивлений этих резисторов. По мере уменьшения R2 по отношению к R1, потенциал в этой точке также уменьшается.
При замыкании контактов выключателя потенциал точки А подключается к базе транзистора. Как показано на схеме, эмиттер подключен непосредственно к минусу источника питания и поэтому его потенциал равен нулю. Ток протекает от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Поэтому ток (ток базы) течёт от базы к эмиттеру и это приводит к открытию транзистора. При этом протекает ток коллектора и лампа светится.
Что будет происходить, если сопротивление резистора R2 постепенно уменьшать до нуля?
Потенциал в точке А станет нулевым, такой же нулевой потенциал будет и на базе транзистора. Так как потенциал эмиттера также равен нулю, исчезнет разность потенциалов между базой и эмиттером, и ток между ними течь не будет. Так как транзистор не может быть открыт без наличия тока базы, лампа светиться не будет. Это означает, что NPN-транзистор не может быть открыт при потенциале базы меньшим, чем потенциал эмиттера.
Рассмотрим, какие условия необходимы для открытия PNP транзистора.
Как показано на рисунке, применительно к транзистору типа PNP ток базы течёт от эмиттера к базе. Поэтому он не откроется, пока потенциал эмиттера не станет большим, чем потенциал базы.
В этом случае, потенциал базы увеличивается по мере уменьшения сопротивления резистора R1 относительно резистора R2.
Тиристор
Тиристор принадлежит к классу полупроводниковых устройств, носящим наименование “SCR” (Silicon Controlled Rectifier) — кремниевый управляемый выпрямитель. Он относится к классу полупроводниковых коммутационных устройств, и образован четырёх или более многослойной полупроводниковой структурой. Тиристоры имеют два состояния (открытое и закрытое). Классификация тиристоров показана на иллюстрации.
В этом разделе описывается наиболее распространённый тип — однополярный триодный тиристор (тринистор).
Однополярный триодный тиристор (SCR)
Тиристор имеет три вывода, соответственно называемые анодом, управляющим электродом и катодом. Ток, текущий от анода к катоду, называется прямым током, а ток, текущий в противоположном направлении — обратным током. При наличии на тиристоре напряжения обратного направления ток через него, как и через обычный диод, не проходит. Тиристор практически не пропускает ток в прямом направлении, пока напряжение на нём не достигнет определённого, достаточно большого значения. По мере увеличения анодного напряжения прямой ток постепенно возрастает и при определённом его значении наступает лавинообразный переход тиристора в открытое состояние. После этого вольтамперная характеристика тиристора приближается к характеристике обычного диода. Подавая напряжение на управляющий электрод, можно снизить напряжение включения (открытия) тиристора. Причём с увеличением тока управления, напряжение открытия снижается и в идеальном случае тиристор может быть открыт при низком прямом (анодном) напряжении.
Предыдущая тема: Емкость и конденсатор
Следующая тема: Интегральные схемы
