Шаг за шагом. От детекторного приемника до супергетеродина - Рудольф Сворень

Мы уже знакомились с устройством полупроводникового диода. В нем есть две примыкающие друг к другу зоны полупроводникового материала: зона со свободными положительными зарядами (зона р) и зона со свободными электронами (зона n). Область между этими зонами называется рn-переходом.

В полупроводниковом триоде также имеются зоны с различной проводимостью, но не две зоны, как в диоде, а три. Из нескольких типов выпускаемых в настоящее время транзисторов наиболее широкое распространение получили плоскостные германиевые транзисторы типа р-n-р. Основой такого транзистора является кристалл германия, в котором имеется некоторое количество свободных электронов (зона n). В двух местах в этот кристалл вкраплены мельчайшие кусочки металла индия (лист 100). В местах соприкосновения с индием в кристалле германия появляется некоторое количество свободных положительных зарядов. Таким образом, в полупроводниковом триоде по краям зоны n образуются две зоны р, а значит, и два рn-перехода, и поэтому полупроводниковый триод типа р-n-р можно рассматривать как два плоскостных диода с общей зоной n. В плоскостных диодах, так же как и в транзисторах, рn-переход создается путем вкрапления индия в германий.

Один из кусочков индия с прилегающей к нему зоной р получил название «эмиттер» («выбрасывающий заряды»), другой — «коллектор» («собирающий заряды»), а сам кристалл германия (зона «n») называется базой (иногда основанием) триода.

Корпус транзистора обычно выполняют из металла или пластмассы. Из корпуса через миниатюрные стеклянные или керамические изоляторы выходят три тонкие проволоки: выводы коллектора, эмиттера и базы (лист 101).

При использовании транзистора в усилительном каскаде между базой и коллектором включают батарею (ее напряжение обычно составляет несколько вольт), которая и дает энергию, необходимую для получения усиленного сигнала (лист 102, рис. 59).

Рис. 59. Транзистор типа р-n-р можно рассматривать как два полупроводниковых диода с общей зоной n. Первый из этих «диодов» — эмиттерный, рn-переход включен в прямом направлении, и даже слабый входной сигнал сравнительно легко создает в нем ток. Заряды, попавшие из эмиттера на базу, в итоге подходят ко второму диоду (коллекторному рn-переходу) и под действием сравнительно большого напряжения коллекторной батареи создают ток, который выделяет в нагрузке необходимую мощность.

«Плюс» этой батареи соединяют с базой, а «минус» — с коллектором. Таким образом, рn-переход между основанием и коллектором (коллекторный переход) фактически представляет собой диод, включенный в «обратном» направлении, то есть почти не пропускающий тока.

На эмиттер, наоборот, подают небольшое (обычно десятые доли вольта) положительное напряжение, и поэтому рn-переход между эмиттером и базой (эмиттерный переход) фактически представляет собой диод, включенный в прямом направлении, то есть хорошо пропускающий ток.

Но оба эти рn-перехода (эмиттерный и коллекторный) нельзя рассматривать как два отдельных, изолированных друг от друга полупроводниковых диода, так как они имеют общую зону n — кристалл германия. Поэтому, когда появляется ток в цепи, эмиттера, то одновременно с этим возникает ток и в цепи коллектора: почти все положительные заряды, попадающие из эмиттера в базу, «просачиваются» сквозь него (это явление называется диффузией), попадают в коллекторный рn-переход и сразу же начинают двигаться к коллектору под действием отрицательного напряжения на нем (рис. 59). Это напряжение помогает положительным зарядам легко преодолеть сопротивление коллекторного рn-перехода. Вы, очевидно, не забыли, что коллекторный переход — это диод, включенный в обратном направлении, то есть обладающий большим сопротивлением!

Более того, если в цепь коллектора включить какое-нибудь сопротивление (сопротивление нагрузки), то коллекторный ток, затратив часть энергии, полученной от батареи, преодолеет и это сопротивление, выделив на нем соответствующую мощность.

Переменное напряжение, которое нужно усилить, например, переменное напряжение ВЧ, действующее на контуре, или переменное напряжение НЧ, которое можно получить с детектора, подводится к полупроводниковому триоду таким образом, чтобы оно действовало между эмиттером и базой и управляло бы величиной тока в эмиттерном переходе. При этом под действием усиливаемого переменного напряжения изменяется ток эмиттерного перехода, то есть изменяется и количество положительных зарядов, которые из эмиттера попадают в базу, а оттуда переходят в цепь коллектора.

Таким образом, точно следуя за всеми изменениями усиливаемого сигнала, изменяется коллекторный ток — появляется «мощная копия» усиливаемого сигнала. Энергия на создание этой «мощной копии» получена от коллекторной батареи, а роль эмиттерного перехода сводится лишь к тому, чтобы «поставлять» положительные заряды, необходимые для образования коллекторного тока, и регулировать количество «поставляемых» зарядов в соответствии с изменениями усиливаемого сигнала.

Поскольку эмиттерный переход включен в прямом направлении, то необходимый ток эмиттерной цепи, то есть необходимое количество движущихся зарядов, удается получить при небольших усиливаемых напряжениях.

Как видите, транзистор никакого мощного усиленного сигнала не дает. Если уж говорить об электрической мощности, то она выделяется на сопротивлении нагрузки лишь только потому, что это сопротивление подключено к батарее с достаточно большой э.д.с. Но если бы мы просто подключили нагрузку к батарее, то в цепи протекал бы обычный постоянный ток. Только потому, что вместе с нагрузкой мы подключили к батарее транзистор, у нас появилась возможность управлять током, который проходит через нагрузку, и, изменяя его по «образцу» — входному сигналу, — получать «мощную копию» этого сигнала. Используя транзисторы, можно построить сравнительно простые детекторные приемники (лист 102), где транзистор не только усиливает, но и детектирует сигнал. Число витков той части контурной катушки Lк, которая подключается к триоду, так же! как и число витков катушки связи Lсв, обычно не превышает 10–20.

Транзистор позволяет управлять током самым простым путем — с его помощью мы просто изменяем количество зарядов, которые попадают с базы в коллекторную цепь и могут участвовать в создании тока через нагрузку. Управлять этим током можно и иначе, например так, как это делается в электронной лампе.

В электронной лампе, так же как и в полупроводниковом триоде, эффект усиления получается благодаря тому, что слабый электрический сигнал управляет протекающим через лампу током (движением зарядов), а этот ток может развивать значительную мощность за счет энергии внешней батареи.

В отличие от полупроводникового триода, основные процессы в лампе происходят не в микроскопических кристаллах германия или кремния, а в вакууме — в стеклянном (а иногда металлическом или металлокерамическом) баллоне, из которого откачан воздух.

В полупроводниковом триоде и, в частности, в его эмиттере всегда имеются свободные электрические заряды, то есть заряды, которые могут перемещаться под действием какого-либо напряжения, образуя эмиттерный или коллекторный ток.

В вакууме свободных зарядов практически нет, и для их получения в лампу вводится специальная деталь — катод. Во многих лампах катод представляет собой металлическую нить (есть и другие типы катодов), по которой пропускают электрический ток (ток накала), подключив к ней небольшую батарею (батарея накала Бн). Под действием тока катод, подобно спирали электроплитки, нагревается до высокой температуры — от 800° до 2500°, в зависимости от типа катода. Как известно, в металле всегда имеется большое количество свободных электронов (это и отличает проводники от изоляторов), которые беспорядочно двигаются в межатомном пространстве. Чем выше температура металла, тем интенсивнее это беспорядочное движение. При высокой температуре катода многие из электронов выходят за его пределы, и в вакууме вблизи катода появляются свободные электрические заряды (рис. 60).

Рис. 60. Чтобы в лампе появились свободные электроны, в ее баллон вводят специальный электрод — катод — и накаливают его до высокой температуры. Для нагревания катода используют электрический ток.