Познавательные эксперименты с транзисторами
Во всех экспериментах используются транзисторы КТ315Б, диоды Д9Б, миниатюрные лампы накаливания на 2,5В х 0,068А. Головные телефоны - высокоомные, типа ТОН-2. Переменный конденсатор - любой, ёмкостью 15...180 пФ. Батарея питания состоит из двух последовательно соединённых батарей по 4,5В типоразмера 3R12. Лампы можно заменить на последовательные соединённые светодиод типа АЛ307А и резистор номиналом 1 кОм.
ЭКСПЕРИМЕНТ 1
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА (проводники, полупроводники и изоляторы)
Электрический ток - это направленное движение электронов от одного полюса к другому под действием напряжения (батарея 9 В).
Все электроны имеют одинаковый отрицательный заряд. Атомы различных веществ имеют различное число электронов. Большинство электронов прочно связано с атомами, но имеются и так называемые «свободные», или валентные, электроны. Если к концам проводника приложить напряжение, то свободные электроны начнут двигаться к положительному полюсу батареи.
В некоторых материалах перемещение электронов относительно свободное, их называют проводниками; в других - перемещение затруднено, их называют полупроводниками; в третьих - вообще невозможно, такие материалы называют изоляторами, или диэлектриками.
Металлы являются хорошими проводниками тока. Такие вещества, как слюда, фарфор, стекло, шёлк, бумага, хлопок, относятся к изоляторам.
К полупроводникам относятся германий, кремний и др. Проводниками данные вещества становятся при определённых условиях. Это свойство используется при производстве полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов.
Рис. 1. Определение проводимости воды
Этот эксперимент демонстрирует работу простой электрической цепи и различие в проводимости проводников, полупроводников и диэлектриков.
Соберите схему, как показано на рис. 1, и выведите оголённые концы проводов на переднюю часть платы. Соедините оголённые концы вместе, лампочка будет гореть. Это говорит о том, что через цепь проходит электрический ток.
С помощью двух проводов можно проверить проводимость различных материалов. Для точного определения проводимости тех или иных материалов необходимы специальные приборы. (По яркости горения лампочки можно лишь определить, является ли исследуемый материал хорошим или плохим проводником.)
Присоедините оголённые концы двух проводников к куску сухого дерева на небольшом расстоянии друг от друга. Лампочка гореть не будет. Это означает, что сухое дерево является диэлектриком. Если оголённые концы двух проводников присоединить к алюминию, меди или стали, лампочка будет гореть. Это говорит о том, что металлы являются хорошими проводниками электрического тока.
Опустите оголённые концы проводников в стакан с водопроводной водой (рис. 1, а). Лампочка не горит. Это означает, что вода является плохим проводником тока. Если в воду добавить немного соли и повторить опыт (рис. 1, б), лампочка будет гореть, что говорит о протекании тока в цепи.
Резистор 56 Ом в этой схеме и во всех последующих экспериментах служит для ограничения тока в цепи.
ЭКСПЕРИМЕНТ 2
ДЕЙСТВИЕ ДИОДА
Целью данного эксперимента является наглядная демонстрация того, что диод хорошо проводит ток в одном направлении и не проводит - в обратном.
Соберите схему, как показано на рис. 2, а. Лампа будет гореть. Поверните диод на 180° (рис. 2, б). Лампочка гореть не будет.
А теперь попытаемся разобраться в физической сущности эксперимента.
Рис. 2. Действие полупроводникового диода в электронной цепи.
Полупроводниковые вещества германий и кремний имеют по четыре свободных, или валентных, электрона. Атомы полупроводника связываются в плотные кристаллы (кристаллическую решётку) (рис. 3, а).
Рис. 3. Кристаллическая решётка полупроводников.
Если в полупроводник, имеющий четыре валентных электрона, ввести примесь, например мышьяка, имеющего пять валентных электронов (рис. 3, б), то пятый электрон в кристалле окажется свободным. Такие примеси обеспечивают электронную проводимость, или проводимость n-типа.
Примеси, имеющие меньшую валентность, чем атомы полупроводника, обладают способностью присоединять к себе электроны; такие примеси обеспечивают дырочную проводимость, или проводимость p-типа (рис. 3, в).
Рис. 4. p-n-переходы в полупроводниковом диоде.
Полупроводниковый диод состоит из спая материалов p- и n- типов (p-n-переход) (рис. 4, а). В зависимости от полярности приложенного напряжения p-n-переход может либо способствовать (рис. 4, г), либо препятствовать (рис. 4, в) прохождению электрического тока. На границе двух полупроводников еще до подачи внешнего напряжения создаётся двоичный электрический слой с местным электрическим полем напряжённостью Е0 (рис. 4, б).
Если через диод пропустить переменный ток, то диод будет пропускать только положительную полуволну (рис. 4 г), а отрицательная проходить не будет (см. рис. 4, в). Диод, таким образом, преобразует, или «выпрямляет», переменный ток в постоянный.
ЭКСПЕРИМЕНТ 3
КАК РАБОТАЕТ ТРАНЗИСТОР
Этот эксперимент наглядно демонстрирует основную функцию транзистора, являющегося усилителем тока. Небольшой управляющий ток в цепи базы может вызвать большой ток в цепи эмиттер - коллектор. Меняя сопротивление базового резистора, можно менять ток коллектора.
Рис. 5. Демонстрационная схема работы биполярного транзистора.
Соберите схему (рис. 5). Поставьте в схему поочерёдно резисторы: 1 МОм, 470 кОм, 100 кОм, 22 кОм, 10 кОм. Можно заметить, что с резисторами 1 МОм и 470 кОм лампочка не горит; 100 кОм - лампочка едва горит; 22 кОм - лампочка горит ярче; полная яркость наблюдается при подключении базового резистора 10 кОм.
|
Рис. 6. Транзистор со структурой n-p-n. |
Рис. 7. Транзистор со структурой p-n-p. |
Транзистор представляет собой, по существу, два полупроводниковых диода, имеющих одну общую область - базу. Если при этом общей окажется область с p-проводимостью, то получится транзистор со структурой n-p-n (рис. 6); если общая область будет с n-проводимостью, то транзистор будет со структурой p-n-p (рис. 7).
Область транзистора, излучающая (эмигрирующая) носители тока, называется эмиттером; область, собирающая носители тока, называется коллектором. Зона, заключённая между этими областями, называется базой. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между базой и коллектором - коллекторным.
На рис. 5 показано включение транзистора типа n-p-n в электрическую цепь.
При включении в цепь транзистора типа p-n-p полярность включения батареи Б меняется на противоположную.
Для токов, протекающих через транзистор, существует зависимость
Iэ = Iб + Iк
Транзисторы характеризуются коэффициентом усиления по току, обозначаемым буквой β, представляет собой отношение приращения тока коллектора к изменению тока базы.
Значение β лежит в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен единиц в зависимости от типа транзистора.
ЭКСПЕРИМЕНТ 4
СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОРА
Изучив принцип действия транзистора, можно продемонстрировать свойства конденсатора. Соберите схему (рис. 8), но не присоединяйте электролитический конденсатор 100 мкФ. Затем подключите его на некоторое время в положение А (рис. 8, а). Лампочка загорится и погаснет. Это говорит о том, что в цепи шел ток заряда конденсатора. Теперь поместите конденсатор в положение В (рис. 8, б), при этом руками не касайтесь выводов, иначе конденсатор может разрядиться. Лампочка загорится и погаснет, произошёл разряд конденсатора. Теперь снова поместите конденсатор в положение А. Произошёл его заряд. Положите конденсатор на некоторое время (10 с) в сторону на изолирующий материал, затем поместите в положение В. Лампочка загорится и погаснет. Из этого эксперимента видно, что конденсатор способен накапливать и хранить электрический заряд долгое время. Накопленный заряд зависит от ёмкости конденсатора.
|
Рис. 8. Схема, объясняющая принцип действия конденсатора. |
Рис. 9. Изменение напряжения и тока на конденсаторе во времени. |
Произведите заряд конденсатора, установив его в положение А, затем разрядите его, присоединив к выводам конденсатора проводники с оголёнными концами (проводник держите за изолированную часть!), и поместите его в положение В. Лампочка не загорится. Как видно из этого эксперимента, заряженный конденсатор выполняет роль источника питания (батареи) в цепи базы, но после использования электрического заряда лампочка гаснет. На рис. 9 представлены зависимости от времени: напряжения заряда конденсатора; тока заряда, протекающего в цепи.
ЭКСПЕРИМЕНТ 5
ТРАНЗИСТОР В КАЧЕСТВЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
Соберите схему согласно рис. 10, но пока не устанавливайте резистор R1 и транзистор Т1 в схему. Ключ В должен быть подсоединён к схеме в точке А и Е, чтобы точку соединения резисторов R3, R1 можно было замыкать на общий провод (минусовая шина печатной платы).
Рис. 10. Транзистор в схеме работает как выключатель.
Подключите батарею, лампочка в цепи коллектора Т2 будет гореть. Теперь замкните цепь выключателем В. Лампочка погаснет, так как выключатель соединяет точку А с минусовой шиной, тем самым уменьшая потенциал точки А, следовательно, и потенциал базы Т2. Если выключатель вернуть в исходное положение, лампочка загорится. Теперь отсоедините батарею и подсоедините Т1, резистор R1 не подсоединяйте. Подключите батарею, лампочка снова загорится. Как и в первом случае, транзистор Т1 открыт и через него проходит электрический ток. Поставьте теперь резистор R1 (470 кОм) в точках С и D. Лампочка погаснет. Снимите резистор, и лампочка загорится снова.
Когда напряжение на коллекторе Т1 падает до нуля (при установке резистора 470 кОм), транзистор открывается. База транзистора Т2 подключается через Т1 к минусовой шине, и Т2 закрывается. Лампочка гаснет. Таким образом, транзистор Т1 выполняет роль выключателя.
В предыдущих экспериментах транзистор использовался как усилитель, теперь он использован в качестве выключателя.
Возможности применения транзистора в качестве ключа (выключателя) приведены в экспериментах 6, 7.
ЭКСПЕРИМЕНТ 6
АВАРИЙНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ
Особенностью данной схемы является то, что транзистор Т1, используемый в качестве ключа, управляется фоторезистором R2.
Имеющийся в данном наборе фоторезистор меняет своё сопротивление от 2 кОм при сильном освещении до нескольких сотен кОм в темноте.
Соберите схему согласно рис. 11. В зависимости от освещения помещения, где вы проводите эксперимент, подберите резистор R1 таким образом, чтобы лампочка горела нормально без затемнения фоторезистора.
Рис. 11. Схема аварийной сигнализации на основе фоторезистора.
Состояние транзистора Т1 определяется делителем напряжения, состоящим из резистора R1 и фоторезистора R2.
Если фоторезистор освещён, сопротивление его мало, транзистор Т1 закрыт, тока в его коллекторной цепи нет. Состояние транзистора Т2 определяется подачей положительного потенциала резисторами R3 и R4 на базу Т2. Следовательно, транзистор Т2 открывается, течёт коллекторный ток, лампочка горит.
При затемнении фоторезистора его сопротивление сильно увеличивается и достигает величины, когда делитель подаёт напряжение на базу Т1, достаточное для его открывания. Напряжение на коллекторе Т1 падает почти до нуля, через резистор R4 запирает транзистор Т2, лампочка гаснет.
На практике в подобных схемах в коллекторную цепь транзистора Т2 могут быть установлены другие исполнительные механизмы (звонок, реле и т. д.).
В этой и в последующих схемах может быть использован фоторезистор типа СФ2-9 или аналогичный.
ЭКСПЕРИМЕНТ 7
АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ВКЛЮЧЕНИЯ СВЕТА
В отличие от эксперимента 6, в данном- эксперименте при затемнении фоторезистора R1 лампочка горит (рис. 12).
Рис. 12. Схема, включающая свет автоматически.
При попадании света на фоторезистор его сопротивление сильно уменьшается, что приводит к открыванию транзистора Т1, а следовательно, к закрытию Т2. Лампочка не горит.
В темноте лампочка включается автоматически.
Это свойство может использоваться для включения и выключения ламп в зависимости от освещённости.
ЭКСПЕРИМЕНТ 8
СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Отличительной особенностью данной схемы является большая чувствительность. В этом и ряде последующих экспериментов используется комбинированное соединение транзисторов (составной транзистор) (рис. 13).
Рис. 13. Оптоэлектронное сигнальное устройство.
Принцип действия данной схемы не отличается от схемы эксперимента 7. При определённом значении сопротивления резисторов R1 + R2 и сопротивления фоторезистора R3 в цепи базы транзистора Т1 протекает ток. В цепи коллектора Т1 тоже течёт ток, но в (3 раз больший тока базы Т1. Допустим, что (β=100. Весь ток, идущий через эмиттер Т1, должен пройти через переход эмиттер - база Т2. Тогда ток коллектора Т2 в β раз больше тока коллектора Т1, ток коллектора Т1 в β раз больше тока базы Т1, ток коллектора Т2 приблизительно в 10 000 раз больше тока базы Т1. Таким образом, составной транзистор можно рассматривать как единый транзистор с очень большим коэффициентом усиления и большой чувствительностью. Второй особенностью составного транзистора является то, что транзистор Т2 должен быть достаточно мощным, в то время как управляющий им транзистор Т1 может, быть маломощным, так как ток, проходящий через него, в 100 раз меньше тока, проходящего через Т2.
Работоспособность схемы, приведённой на рис. 13, определяется освещённостью помещения, где проводится эксперимент, поэтому важно подобрать сопротивление R1 делителя верхнего плеча так, чтобы в освещённой комнате лампочка не горела, а горела при затемнении фоторезистора рукой, затемнении комнаты шторами или при выключении света, если эксперимент проводится вечером.
ЭКСПЕРИМЕНТ 9
ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ
В этой схеме (рис. 14) для определения влажности материала также используется составной транзистор, обладающий большой чувствительностью. Смещение базы Т1 обеспечивается резистором R1 и двумя проводниками с оголёнными концами.
Проверьте электрическую цепь, слегка сжимая пальцами обеих рук оголённые концы двух проводников, при этом не соединяя их друг с другом. Сопротивление пальцев достаточно для срабатывания схемы, и лампочка загорается.
Рис. 14. Схема датчика влажности. Неизолированные концы проводников пронизывают промокательную бумагу.
Теперь оголённые концы пропустите через промокательную бумагу на расстоянии примерно 1,5-2 см, другие концы присоедините к схеме согласно рис. 14. Затем увлажните промокательную бумагу между проводами водой. Лампочка загорается (В данном случае уменьшение сопротивления произошло за счёт растворения водой имеющихся в бумаге солей.).
Если промокательную бумагу пропитать соляным раствором, а затем высушить и повторить опыт, эффективность эксперимента повышается, концы проводников можно разнести на большее расстояние.
ЭКСПЕРИМЕНТ 10
СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Данная схема аналогична предыдущей, разница лишь в том, что лампа горит при освещении фоторезистора и гаснет при затемнении (рис. 15).
Рис. 15. Сигнальное устройство на фоторезисторе.
Схема работает следующим образом: при обычном освещении фоторезистора R1 лампочка будет гореть, так как сопротивление R1 мало, транзистор Т1 открыт. При выключении света лампочка погаснет. Свет карманного фонарика или зажжённых спичек заставит лампочку снова гореть. Чувствительность цепи регулируется увеличением или уменьшением сопротивления резистора R2.
ЭКСПЕРИМЕНТ 11
СЧЁТЧИК ИЗДЕЛИЙ
Этот эксперимент надо проводить в полузатемнённом помещении. Все время, когда свет падает на фоторезистор, индикаторная лампочка Л2 горит. Если поместить кусок картона между источником света (лампочкой Л1 и фоторезистором, лампочка Л2 гаснет. Если убрать картон, лампочка Л2 загорается вновь (рис. 16).
Рис. 16. Счётчик изделий.
Чтобы эксперимент прошёл удачно, надо отрегулировать схему, т. е. подобрать сопротивление резистора R3 (наиболее подходящим в этом случае является 470 Ом).
Эта схема практически может быть использована для счта партии изделий на конвейере. Если источник света и фоторезистор размещены таким образом, что между ними проходит партия изделий, цепь то включается, то выключается, так как поток света прерывается проходящими изделиями. Вместо индикаторной лампочки Л2 используется специальный счётчик.
ЭКСПЕРИМЕНТ 12
ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ СВЕТА
Этот эксперимент похож на эксперимент 11, разница лишь в том, что сюда включена схема мультивибратора, собранного на транзисторах Т1 и Т2. Подробное описание работы мультивибратора дано в эксперименте 14. В этом эксперименте лампа Л1 включается и выключается с частотой, которую задаёт мультивибратор (рис. 17).
Рис. 17. Эксперимент, показывающий возможность передачи сигналов с помощью света.
Суть эксперимента состоит в том, что сигнальная лампочка Л2 срабатывает с такими же частотой и фазой, как и лампочка Л1. Это происходит даже тогда, когда нет электрической связи между ними. Для этого необходимо подключить отдельную батарею для схемы мультивибратора.
Таким образом, существует возможность передавать сигналы, используя световые импульсы.
ЭКСПЕРИМЕНТ 13
ВРЕМЕННОЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
Схема настоящего эксперимента позволяет обеспечивать заданное время горения лампочки (рис. 18).
В качестве задающего элемента используется конденсатор. Если замкнуть выключатель В, база транзистора Т1 соединяется с отрицательной шиной и Т1 закрывается. Напряжение на его коллекторе возрастает, транзистор Т2 открывается, загорается сигнальная лампочка. При замкнутом выключателе конденсатор С не заряжен.
Теперь разомкнём выключатель В. Конденсатор начинает медленно заряжаться через резистор R1, напряжение на нем увеличивается. Транзистор Т1 начинает открываться, напряжение на его коллекторе падает, Т2 закрывается, лампочка гаснет.
Рис. 18. Выключатель с задержкой
Время между размыканием выключателя и гашением лампочки составляет приблизительно 6 с пропорционально постоянной времени заряда конденсатора. При увеличении или уменьшении ёмкости С1 или сопротивления R1 увеличивается или уменьшается задержка выключения лампочки. При использовании ёмкости 10 мкФ задержка составляет 0,6 с.
Такого рода схемы используются в автоматических устройствах фотопечати. При фотопечати резистор R1 должен быть переменным для задания времени экспозиции.
ЭКСПЕРИМЕНТ 14
МУЛЬТИВИБРАТОР
Мультивибраторами называются устройства (генераторы), которые вырабатывают сигналы определённой частоты и амплитуды.
Мультивибратор является одним из самых распространенных и важных устройств в электронной технике и используется в различных устройствах автоматики, компьютерах, радарных установках, телевидении.
Рис. 19. Мультивибратор на транзисторах
Мультивибраторы бывают симметричные и несимметричные. В этом эксперименте рассматривается несимметричный мультивибратор. Симметрия получается в случае, если используются одинаковые транзисторы, конденсаторы (С1 = С2) и равны между собой сопротивления соответственно базовых и коллекторных резисторов.
Соберите схему согласно рис. 19. Лампочка горит лишь полсекунды, гаснет, потом снова загорается, и так продолжается до тех пор, пока подключена батарея.
Рассмотрим подробнее принцип работы схемы. Допустим, что транзистор Т1 открыт и насыщен, транзистор Т2 заперт и конденсатор С1 разряжается, а конденсатор С2 заряжается. Напряжение по мере разряда С1 возрастает. Как только напряжение на базе Т2 достигает нулевого уровня, отпирается транзистор Т2, восстанавливается действие положительной обратной связи и в схеме возникает процесс опрокидывания: транзистор Т1 закрывается, транзистор Т2 отпирается и насыщается. Конденсатор С1 заряжается, С2 разряжается. Как только напряжение на базе транзистора Т1 достигнет нулевого уровня, транзистор Т1 Открывается и весь процесс повторяется. Длительность формируемых импульсов (время горения лампы) и период автоколебаний (частота загорания лампочки) можно регулировать изменением ёмкостей С1 и С2 и сопротивлений R1 и R3. Существует несколько вариантов схем мультивибраторов, которые представлены на рис. 20. В одновибраторе (рис. 20, б) один из конденсаторов заменён резистором R2. В обычном состоянии транзистор Т1 остаётся открытым. Его коллектор имеет нулевое напряжение, что удерживает транзистор Т2 в закрытом состоянии. При воздействии отрицательного импульса на базу транзистора Т2 он открывается, а Т1 закрывается. Время, на которое транзистор Т1 остаётся закрытым, регулируется с помощью С1 и R1. Одновибратор формирует и выдаёт импульс предварительно заданных формы и размера для каждого пускового импульса. Одновибратор используется для формирования импульсов.
В ждущем мультивибраторе (триггере) (рис. 20, в) оба конденсатора заменяются соединительными резисторами. Поскольку триггер лишён ёмкостей, то после включения источника питания в схеме будут протекать постоянные токи. Управление работой можно проводить только внешним воздействием, в результате чего транзисторы поочерёдно будут то открываться, то закрываться.
Рис. 20. Виды мультивибраторов: мультивибратор, одновибратор и ждущий мультивибратор (симметричный триггер).
Рассмотрим симметричный триггер (рис. 20, в). Он обладает двумя состояниями устойчивого равновесия, которые он занимает лишь под действием внешних управляющих импульсов, прикладываемых то к одному, то к другому плечу триггера.
Первое состояние: транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт и насыщен.
Второе состояние: транзистор Т1 открыт, а транзистор Т2 закрыт. Когда транзистор закрыт, его коллекторное напряжение почти равно напряжению питания, а коллекторное напряжение открытого насыщенного транзистора практически равно нулю. Поэтому при опрокидывании триггера на коллекторах транзисторов создаются положительные и отрицательные перепады спряжения, почти равные напряжению питания.
Эксперимент 15 наглядно демонстрирует работу симметричного триггера.
ЭКСПЕРИМЕНТ 15
ЗАПОМИНАЮЩАЯ СХЕМА
Это схема симметричного триггера. Управление схемой проводится с помощью ключей В1 и В2 (рис. 21).
Если транзистор Т1 открыт (напряжение на его коллекторе очень малое) лампочка Л1 горит, транзистор Т2 заперт.
Рис. 21. Симметричный триггер в запоминающей схеме.
При нажатии на пластину ключа В1 напряжение на базе упадёт до нуля. Транзистор Т1 закроется, лампочка Л1 погаснет, напряжение на коллекторе Т1 возрастёт, транзистор Т2 откроется, загорится лампочка Л2. Схема займёт устойчивое состояние. К исходному положению схема вернётся при нажатии на ключ В2. При этом транзистор Т2 закроется, лампочка Л2 погаснет, напряжение на коллекторе Т2 возрастёт, что передастся на базу транзистора Т1, и он откроется, лампочка Л1 загорится. Схема займёт опять устойчивое состояние.
Такая схема может использоваться в качестве запоминающего устройства в компьютерах, так как схема будет хранить информацию до тех пор, пока её не отменят.
ЭКСПЕРИМЕНТ 16
ЗАПОМИНАЮЩАЯ СХЕМА С ОДНИМ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕМ
Схема состоит из управляющего каскада и триггера (рис. 22). Если подключить батарею, то одна из двух лампочек будет гореть, хотя транзистор Т1 заперт. Транзистор Т1 открывается при нажатии ключа В.
Если при подключении батареи, допустим, горит лампочка Л1, значит, транзистор Т2 открыт, напряжение на его коллекторе почти равно нулю, что и запирает через резистор R7 транзистор Т3.
Рис. 22. Запоминающая схема.
Замыкаем ключ В, транзистор Т1 открывается, напряжение на его коллекторе падает до нуля. Этот сигнал одновременно передаётся на два конденсатора, С1 и С2. Транзистор Т2 уже был открыт. Импульс напряжения, идущий через конденсатор С1 и диод Д1 на базу Т2, закрывает его. Напряжение на коллекторе Т2 возрастает и открывает транзистор Т3, лампочка Л2 загорается, лампочка Л1 гаснет.
Если снова нажать ключ, происходят противоположные процессы. Транзистор Т3 закрывается, лампочка Л2 гаснет, транзистор Т2 открывается, лампочка Л1 загорается. Таким образом, при воздействии на схему двумя повторными сигналами схема возвращается в первоначальное состояние.
Эта схема, как и в предыдущем случае, может служить запоминающим устройством в вычислительных машинах. Её преимущество перед другими схемами состоит в том, что управляющие сигналы поступают через одну входную цепь.
ЭКСПЕРИМЕНТ 17
ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
Схема этого эксперимента состоит из двух схем: мультивибратора и триггера (рис. 23). Транзисторы Т1 и Т2 образуют мультивибратор для выработки серии синхронизированных импульсов определённой частоты. Принцип работы этого мультивибратора описан в эксперименте 14. Транзисторы Т3 и Т4 образуют триггер (см. эксперимент 15).
Рис. 23. Делитель частоты на транзисторах.
Транзисторы Т1 и Т2 открываются поочерёдно. Управляющий сигнал посылается в триггер. Когда транзистор Т2 открыт, лампочка Л1 не горит. Лампочка Л2 загорается, когда транзистор Т3 открыт. Но транзисторы Т3 и Т4 открываются и закрываются поочерёдно, следовательно, лампочка Л2 загорается при каждом втором управляющем сигнале, посылаемом мультивибратором. Таким образом, частота горения лампочки Л2 в 2 раза меньше частоты горения лампочки Л1.
Это свойство может использоваться в электрооргане: частоты всех нот верхней октавы органа делятся пополам и создаётся тон октавой ниже. Процесс может повторяться.
ЭКСПЕРИМЕНТ 18
СХЕМА «И» ПО ЕДИНИЦАМ
В этом эксперименте транзистор используется в качестве ключа, а лампочка является индикатором выхода (рис. 24).
Эта схема является логической. Лампочка будет гореть, если на базе транзистора (точка С) будет высокий потенциал.
Допустим, точки А и В не соединены с отрицательной шиной, они имеют высокий потенциал, следовательно, в точке С также высокий потенциал, транзистор открыт, лампочка горит.
Рис. 24. Логический элемент 2И на транзисторе.
Примем условно: высокий потенциал - логическая «1» - лампочка горит; низкий потенциал - логический «0» - лампочка не горит.
Таким образом, при наличии в точках А и В логических «1», в точке С тоже будет «1».
Теперь соединим точку А с отрицательной шиной. Её потенциал станет низким (упадёт до «0» В). Точка В имеет высокий потенциал. По цепи R3 - Д1 - батарея потечёт ток. Следовательно, в точке С будет низкий потенциал или «0». Транзистор закрыт, лампочка не горит.
Соединим с землёй точку В. Ток теперь течёт по цепи R3 - Д2 - батарея. Потенциал в точке С низкий, транзистор закрыт, лампочка не горит.
Если обе точки соединить с землёй, в точке С также будет низкий потенциал.
Подобные схемы могут быть использованы в электронном экзаменаторе и других логических схемах, где сигнал на выходе будет лишь при наличии одновременных сигналов в двух и более входных каналах.
Возможные состояния схемы отражены в таблице.
Таблица истинности схемы И
| А | В | С | Состояние лампочки |
| 1 | 1 | 1 | Горит |
| 1 | 0 | 0 | Не горит |
| 0 | 1 | 0 | Не горит |
| 0 | 0 | 0 | Не горит |
ЭКСПЕРИМЕНТ 19
СХЕМА «ИЛИ» ПО ЕДИНИЦАМ
Эта схема противоположна предыдущей. Чтобы в точке С был «0», необходимо, чтобы в точках А и В также был «0», т. е. точки А и В надо соединить с отрицательной шиной. В этом случае транзистор закроется, лампочка погаснет (рис. 25).
Если теперь только одну из точек, А или В, соединить с отрицательной шиной, то в точке С все равно будет высокий уровень, т. е. «1», транзистор открыт, лампочка горит.
Рис. 25. Логический элемент 2ИЛИ на транзисторе.
При подсоединении точки В к отрицательной шине ток пойдёт через R2, Д1 и R3. Через диод Д2 ток не пойдёт, так как он включён в обратном для проводимости направлении. В точке С будет около 9 В. Транзистор открыт, лампочка горит.
Теперь точку А соединим с отрицательной шиной. Ток пойдёт через R1, Д2, R3. Напряжение в точке С будет около 9 В, транзистор открыт, лампочка горит.
Таблица истинности схемы ИЛИ
| А | В | С | Состояние лампочки |
| 0 | 0 | 0 | Не горит |
| 0 | 1 | 1 | Горит |
| 1 | 0 | 1 | Горит |
| 1 | 1 | 1 | Горит |
ЭКСПЕРИМЕНТ 20
СХЕМА «НЕ» (ИНВЕРТОР)
Этот эксперимент демонстрирует работу транзистора в качестве инвертора - устройства, способного менять полярность выходного сигнала относительно входного на противоположный. В экспериментах 18 и 19 транзистор не являлся частью действующих логических схем, он лишь служил для включения лампочки. Если точку А соединить с отрицательной шиной, то потенциал её упадёт до,«0», транзистор закроется, лампочка погаснет, в точке В - высокий потенциал. Это означает логическую «1» (рис. 26).
Рис. 26. Транзистор работает как инвертор.
Если точка А не соединена с отрицательной шиной, т. е. в точке А - «1», то транзистор открыт, лампочка горит, напряжение в точке В близко к «0» или это составляет логический «0».
В этом эксперименте транзистор является составной частью логической схемы и может использоваться для преобразования схемы ИЛИ в ИЛИ-НЕ и схемы И в И-НЕ.
Таблица истинности схемы НЕ
| A | B | Состояние лампочки |
| 0 | 1 | Не горит |
| 1 | 0 | Горит |
ЭКСПЕРИМЕНТ 21
СХЕМА «И-НЕ»
Этот эксперимент сочетает в себе два эксперимента: 18 - схема И и 20 - схема НЕ (рис. 27).
Данная схема функционирует аналогично схеме эксперимента 18, формируя на базе транзистора «1» или «0».
Рис. 27. Логический элемент 2И-НЕ на транзисторе.
Транзистор используется в качестве инвертора. Если на базе транзистора появляется «1», то на выходе точка - «0» и наоборот.
Если потенциалы в точке D сравнить с потенциалами в точке С эксперимента 18, видно, что они инвертированы.
Таблица истинности схемы И-НЕ
| А | B | D | Состояние лампочки |
| 1 | 1 | 0 | Горит |
| 1 | 0 | 1 | Не горит |
| 0 | 1 | 1 | Не горит |
| 0 | 0 | 1 | Не горит |
ЭКСПЕРИМЕНТ 22
СХЕМА «ИЛИ-НЕ»
Этот эксперимент сочетает в себе два эксперимента: 19 - схема ИЛИ и 20 - схема НЕ (рис. 28).
Рис. 28. Логический элемент 2ИЛИ-НЕ на транзисторе.
Схема функционирует точно так же, как в эксперименте 20 (на базе транзистора вырабатывается «0» или «1»). Разница лишь в том, что транзистор используется в качестве инвертора: если «1» на входе транзистора, то «0» на его выходе и наоборот.
Таблица истинности схемы ИЛИ-НЕ
| А | B | D | Состояние лампочки |
| 1 | 1 | 0 | Горит |
| 1 | 0 | 0 | Горит |
| 0 | 1 | 0 | Горит |
| 0 | 0 | 1 | Не горит |
ЭКСПЕРИМЕНТ 23
СХЕМА «И-НЕ», СОБРАННАЯ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Эта схема состоит из двух логических схем НЕ, коллекторы транзисторов которых соединены в точке С (рис. 29).
Если обе точки, А и В, соединить с отрицательной шиной, то их потенциалы станут равными «0». Транзисторы закроются, в точке С будет высокий потенциал, лампочка гореть не будет.
Рис. 29. Логический элемент 2И-НЕ.
Если лишь точку А соединить с отрицательной шиной, в точке В логическая «1», Т1 закрыт, а Т2 открыт, течёт коллекторный ток, лампочка горит, в точке С логический «0».
Если точку В соединить с отрицательной шиной, то на выходе также будет «0», лампочка будет гореть, в этом случае Т1 открыт, Т2 закрыт.
И, наконец, если точки А и В имеют логическую «1» (не соединены с отрицательной шиной), оба транзистора открыты. На их коллекторах «0», ток течёт через оба транзистора, лампочка горит.
Таблица истинности схемы И-НЕ
| А | B | C | Состояние лампочки |
| 0 | 0 | 1 | Не горит |
| 0 | 1 | 0 | Горит |
| 1 | 0 | 0 | Горит |
| 1 | 1 | 0 | Горит |
ЭКСПЕРИМЕНТ 24
ДАТЧИК ТЕЛЕФОНА И УСИЛИТЕЛЬ
В схеме эксперимента оба транзистора используются в качестве усилителя звуковых сигналов (рис.30).
Рис. 30. Индуктивный датчик телефона.
Сигналы улавливаются и подаются на базу транзистора Т1 с помощью индуктивной катушки L, затем они усиливаются и подаются в телефон. Когда вы закончили собирать схему на плате, расположите ферритовый стержень вблизи телефона перпендикулярно входящим проводам. Будет слышна речь.
В этой схеме и в дальнейшем в качестве индуктивной катушки L используется ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 100-160 мм, марки 600НН. Обмотка содержит примерно 110 витков медного изолированного провода диаметром 0,15..0,3 мм типа ПЭЛ или ПЭВ.
ЭКСПЕРИМЕНТ 25
МИКРОФОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Если имеется в наличии лишний телефон (рис. 31), он может быть использован вместо катушки индуктивности в предыдущем эксперименте. В результате этого будем иметь чувствительный микрофонный усилитель.
Рис. 31. Микрофонный усилитель.
В пределах собранной схемы можно получить подобие устройства двусторонней связи. Телефон 1 можно использовать как приёмное устройство (подключение в точке А), а телефон 2 - как выходное устройство (подключение в точке В). При этом вторые концы обоих телефонов должны быть соединены с отрицательной шиной.
ЭКСПЕРИМЕНТ 26
УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ ПРОИГРЫВАТЕЛЯ
С помощью граммофонного усилителя (рис. 32) можно слушать записи, не нарушая покоя окружающих.
Схема состоит из двух каскадов звукового усиления. Входным сигналом является сигнал, идущий со звукоснимателя.
Рис. 32. Усилитель для проигрывателя.
На схеме буквой А обозначен датчик. Этот датчик и конденсатор С2 являются ёмкостным делителем напряжения для уменьшения первоначальной громкости. Подстроечный конденсатор С3 и конденсатор С4 являются вторичным делителем напряжения. С помощью С3 регулируется громкость.
ЭКСПЕРИМЕНТ 27
«ЭЛЕКТРОННАЯ СКРИПКА»
Здесь схема мультивибратора предназначена для создания электронной музыки. Схема аналогична эксперименту 14. Главным отличием является то, что резистор смещения базы транзистора Т1 является переменным. Резистор 22 кОм (R2), соединённый последовательно с переменным резистором, обеспечивает минимальное сопротивление смещения базы Т1 (рис. 33).
Рис. 33. Мультивибратор для создания музыки.
ЭКСПЕРИМЕНТ 28
МИГАЮЩИЙ ЗУММЕР МОРЗЕ
В этой схеме мультивибратор предназначен для генерирования импульсов с тональной частотой. Лампочка загорается при включении питания схемы (рис. 34).
Телефон в этой схеме включается в цепь между коллектором транзистора Т2 через конденсатор С4 и отрицательной шиной платы.
Рис. 34. Генератор для изучения азбуки Морзе.
С помощью этой схемы можно практиковаться в изучении азбуки Морзе.
Если вас не устраивает тон звука, поменяйте местами конденсаторы С2 и С1.
ЭКСПЕРИМЕНТ 29
МЕТРОНОМ
Метроном - это прибор для задания ритма (темпа), например, в музыке. Для этих целей ранее применялся маятниковый метроном, который давал как визуальное, так и слышимое обозначение темпа.
В данной схеме указанные функции выполняет мультивибратор. Частота темпа равна примерно 0,5 с (рис. 35).
Рис. 35. Метроном.
Ее можно изменить, заменив резистор R1. Например, при R1=4,7 кОм частота уменьшится вдвое.
Благодаря телефону и индикаторной лампочке есть возможность слышать и зрительно ощущать заданный ритм.
ЭКСПЕРИМЕНТ 30
ЗВУКОВОЕ СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С АВТОМАТИЧЕСКИМ ВОЗВРАТОМ В ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Эта схема (рис. 36) демонстрирует применение одновибратора, работа которого описана в эксперименте 14. В исходном состоянии транзистор Т1 открыт, а Т2 закрыт. Телефон здесь используется в качестве микрофона. Свист в микрофон (можно просто подуть) или лёгкое постукивание возбуждает переменный ток в цепи микрофона. Отрицательные сигналы, поступая на базу транзистора Т1, закрывают его, а следовательно, открывают транзистор Т2, в цепи коллектора Т2 появляется ток, и лампочка загорается. В это время происходит заряд конденсатора С1 через резистор R1. Напряжение заряженного конденсатора С2 достаточно для открывания транзистора Т1, т. е. схема возвращается в своё первоначальное состояние самопроизвольно, лампочка при этом гаснет. Время горения лампочки составляет около 4 с. Если конденсаторы С2 и С1 поменять местами, то время горения лампочки увеличится до 30 с. Если резистор R4 (1 кОм) заменить на 470 кОм, то время увеличится с 4 до 12 с.
Рис. 36. Акустическое сигнальное устройство.
Этот эксперимент можно представить в виде фокуса, который можно показать в кругу друзей. Для этого необходимо снять один из микрофонов телефона и положить его под плату около лампочки таким образом, чтобы отверстие в плате совпадало с центром микрофона. Теперь, если подуть на отверстие в плате, будет казаться, что вы дуете на лампочку и поэтому она загорается.
ЭКСПЕРИМЕНТ 31
ЗВУКОВОЕ СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С РУЧНЫМ ВОЗВРАТОМ В ИСХОДНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ
Эта схема (рис. 37) по принципу действия аналогична предыдущей, с той лишь разницей, что при переключении схема не возвращается автоматически в исходное состояние, а производится это с помощью выключателя В.
Рис. 37. Акустическое сигнальное устройство с ручным сбросом.
Состояние готовности схемы или исходное состояние будет, когда транзистор Т1 открыт, Т2 закрыт, лампа не горит.
Легкий свист в микрофон даёт сигнал, который запирает транзистор Т1, при этом открывая транзистор Т2. Сигнальная лампочка загорается. Она будет гореть до тех пор, пока транзистор Т2 не закроется. Для этого необходимо закоротить базу транзистора Т2 на отрицательную шину («землю») с помощью ключа В. К подобным схемам можно подключать другие исполнительные устройства, например реле.
ЭКСПЕРИМЕНТ 32
ПРОСТЕЙШИЙ ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЁМНИК
Начинающему радиолюбителю конструирование радиоприёмников следует начинать с простейших конструкций, например с детекторного приёмника, схема которого представлена на рис. 38.
Работает детекторный приёмник следующим образом: электромагнитные волны, посылаемые в эфир радиостанциями, пересекая антенну приёмника, наводят в ней напряжение с частотой, соответствующей частоте сигнала радиостанции. Наведённое напряжение поступает во входной контур L, С1. Другими словами, этот контур называется резонансным, так как он заранее настраивается на частоту желаемой радиостанции. В резонансном контуре входной сигнал усиливается в десятки раз и после этого поступает на детектор.
Рис. 38. Детекторный приёмник.
Детектор собран на полупроводниковом диоде, который служит для выпрямления модулированного сигнала. Низкочастотная (звуковая) составляющая пройдёт через головные телефоны, и вы услышите речь или музыку в зависимости от передачи данной радиостанции. Высокочастотная составляющая продетектированного сигнала, минуя головные телефоны, пройдёт через конденсатор С2 на землю. Ёмкость конденсатора С2 определяет степень фильтрации высокочастотной составляющей продетектированного сигнала. Обычно ёмкость конденсатора С2 выбирают таким образом, чтобы для звуковых частот он представлял большое сопротивление, а для высокочастотной составляющей его сопротивление было мало.
В качестве конденсатора С1 можно использовать любой малогабаритный конденсатор переменной ёмкости с пределами измерения 10...200 пФ. В данном конструкторе для настройки контура используется керамический подстроечный конденсатор типа КПК-2 ёмкостью от 25 до 150 пФ.
Катушка индуктивности L имеет следующие параметры: число витков - 110±10, диаметр провода - 0,15 мм, тип - ПЭВ-2, диаметр каркаса из изоляционного материала - 8,5 мм.
АНТЕННА
Правильно собранный приёмник начинает работать сразу при подключении к нему наружной антенны, которая представляет собой кусок медного провода диаметром 0,35 мм, длиной 15-20 м, подвешенного на изоляторах на некоторой высоте над землёй. Чем выше будет находиться антенна над землёй, тем лучше будет приём сигналов радиостанций.
ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Громкость приёма возрастает, если к приёмнику подключить заземление. Провод заземления должен быть коротким и иметь небольшое сопротивление. Его конец соединяется с медной трубой, идущей в глубь грунта.
ЭКСПЕРИМЕНТ 33
ДЕТЕКТОРНЫЙ ПРИЁМНИК С УСИЛИТЕЛЕМ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Эта схема (рис. 39) аналогична предыдущей схеме детекторного приёмника с той лишь разницей, что здесь добавлен простейший усилитель низкой частоты, собранный на транзисторе Т. Усилитель низкой частоты служит для увеличения мощности сигналов, продетектированных диодом. Схема настройки колебательного контура соединена с диодом через конденсатор С2 (0,1 мкФ), а резистор R1 (100 кОм) обеспечивает диоду постоянное смещение.
Рис. 39. Детекторный приёмник с однокаскадным УНЧ.
Для нормальной работы транзистора используется источник питания напряжением 9 В. Резистор R2 необходим для того, чтобы обеспечить подачу напряжения на базу транзистора для создания необходимого режима его работы.
Для этой схемы, как и в предыдущем эксперименте, необходимы наружная антенна и заземление.
ЭКСПЕРИМЕНТ 34
ПРОСТОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРИЁМНИК
Приёмник (рис. 40) отличается от предыдущего тем, что вместо диода Д установлен транзистор, который одновременно работает и как детектор высокочастотных колебаний, и как усилитель низкой частоты.
Рис. 40. Однотранзисторный приёмник.
Детектирование высокочастотного сигнала в этом приёмнике осуществляется на участке база - эмиттер, поэтому специального детектора (диода) такой приёмник не требует. Транзистор с колебательным контуром связан, как и в предыдущей схеме, через конденсатор ёмкостью 0,1 мкФ и является развязывающим. Конденсатор С3 служит для фильтрации высокочастотной составляющей сигнала, которая также усиливается транзистором.
ЭКСПЕРИМЕНТ 35
РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЁМНИК
В этом приёмнике (рис. 41) регенерация используется для улучшения чувствительности и избирательности контура. Эту роль выполняет катушка L2. Транзистор в этой схеме включён несколько иначе, чем в предыдущей. Напряжение сигнала с входного контура поступает на базу транзистора. Транзистор детектирует и усиливает сигнал. Высокочастотная составляющая сигнала не сразу поступает на фильтрующий конденсатор С3, а проходит сначала через обмотку обратной связи L2, которая находится на одном сердечнике с контурной катушкой L1. Благодаря тому, что катушки размещены на одном сердечнике, между ними существует индуктивная связь, и часть усиленного напряжения высокочастотного сигнала из коллекторной цепи транзистора снова поступает во входной контур приёмника. При правильном включении концов катушки связи L2 напряжение обратной связи, поступающее в контур L1 за счёт индуктивной связи, совпадает по фазе с приходящим из антенны сигналом, и происходит как бы увеличение сигнала. Чувствительность приёмника при этом повышается. Однако при большой индуктивной связи такой приёмник может превратиться в генератор незатухающих колебаний, и в телефонах прослушивается резкий свист. Чтобы устранить чрезмерное возбуждение, необходимо уменьшить степень связи между катушками L1 и L2. Достигается это либо удалением катушек друг от друга, либо уменьшением числа витков катушки L2.
Рис. 41. Регенеративный приёмник.
Может случиться, что обратная связь не даёт желаемого эффекта и приём станций, хорошо слышимых ранее, при введении обратной связи прекращается вовсе. Это говорит о том, что вместо положительной обратной связи образовалась отрицательная и нужно поменять местами концы катушки L2.
На небольших расстояниях от радиостанции описываемый приёмник хорошо работает без внешней антенны, на одну магнитную антенну.
Если слышимость радиостанции низкая, к приёмнику все же нужно подключить наружную антенну.
Приёмник с одной ферритовой антенной необходимо установить так, чтобы приходящие от радиостанции электромагнитные волны создавали в катушке колебательного контура наибольший сигнал. Таким образом, когда вы при помощи переменного„конденсатора настроились на сигнал радиостанции, если слышимость плохая, поворачивайте схему для получения сигналов в телефонах нужной для вас громкости.
В этой схеме катушка L2 содержит 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,15 мм, намотка на каркасе, L2 - та же что и в эксперименте 24.
ЭКСПЕРИМЕНТ 36
ДВУХТРАНЗИСТОРНЫЙ РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЁМНИК
Эта схема (рис. 42) отличается от предыдущей тем, что здесь используется усилитель низкой частоты, собранный на транзисторах Т2.
С помощью двухтранзисторного регенеративного приёмника можно вести приём большого количества радиостанций.
Рис. 42. Регенеративный приёмник с усилителем низкой частоты.
Хотя в данном конструкторе (набор № 2) имеется лишь катушка для длинных волн, схема может работать как на средних, так и на коротких волнах, при использовании соответствующих подстроечных катушек. Их можно изготовить самим.
ЭКСПЕРИМЕНТ 37
«ПЕЛЕНГАТОР»
Схема этого эксперимента аналогична схеме эксперимента 36 без антенны и «земли».
Настройтесь на мощную радиостанцию. Возьмите плату в руки (она должна находиться горизонтально) и вращайте, пока не исчезнет звук (сигнал) или, по крайней мере, уменьшится до минимума. В этом положении ось феррита точно указывает на передатчик. Если теперь повернуть плату на 90°, сигналы будут хорошо слышны. Но более точно местонахождение радиостанции можно определить графоматематическим методом, используя при этом компас для определения угла по азимуту.
Для этого необходимо знать направление расположения передатчика с разных позиций - А и В (рис. 43, а).
Допустим, мы находимся в точке А, определили направление расположения передатчика, оно составляет 60°. Переместимся теперь в точку В, при этом замерим расстояние АВ. Определим второе направление расположения передатчика, оно составляет 30°. Пересечение двух направлений и является местонахождением передающей станции.
Рис. 43. Схема пеленгации радиостанции.
Если у вас есть карта с расположением на ней радиовещательных станций, то есть возможность точно определить ваше местонахождение.
Настройтесь на станцию А, пусть она будет расположена под углом 45°, а затем настройтесь на станцию В; её азимут, допустим, равен 90°. Учитывая эти углы, проведите на карте через точки А и В линии, их пересечение и даст ваше местонахождение (рис. 43, б).
Таким же способом корабли и самолёты ориентируются в процессе движения.
КОНТРОЛЬ ЦЕПИ
Чтобы во время экспериментов схемы работали надёжно, необходимо удостовериться, что батарея заряжена, все соединения чистые, а все гайки надёжно завинчены. Выводы батареи должны быть правильно соединены; при подключении необходимо строго соблюдать полярность электролитических конденсаторов и диодов.
ПРОВЕРКА КОМПОНЕНТОВ
Диоды могут быть проверены в эксперименте 2; транзисторы - в эксперименте 3; электролитические конденсаторы (10 и 100 мкФ) - в эксперименте 4. Головной телефон также можно проверить, подключив его к батарее,- в наушнике будет слышно «потрескивание».
Источник: инструкция к набору «Конструктор электронный детский»