קטגוריות: עובדות מעניינות, חשמלאים מתחילים
מספר צפיות: 216769
הערות לכתבה: 3
טרנזיסטורים: מטרה, התקן ועקרונות הפעולה
ראו את החלק הראשון של המאמר כאן: היסטוריה של טרנזיסטור.
מה פירוש השם "טרנזיסטור"
הטרנזיסטור לא קיבל מיד שם מוכר כל כך. בתחילה, על ידי אנלוגיה לטכניקת המנורה, זה נקרא טריוד מוליכים למחצה. השם המודרני מורכב משתי מילים. המילה הראשונה היא "העברה" (כאן אני זוכר מייד "שנאי") פירושה משדר, ממיר ומוביל. והחצי השני של המילה דומה למילה "נגדי" - פרט של מעגלי חשמל, שהרכוש העיקרי בהם הוא התנגדות חשמלית.
ההתנגדות הזו היא שמתרחשת בחוקיו של אוהם ובנוסחאות רבות אחרות של הנדסת חשמל. לכן ניתן לפרש את המילה "טרנזיסטור" כממיר התנגדות. בערך כמו בהידראוליקה, השינוי בזרימת הנוזל נשלט על ידי שסתום. עבור טרנזיסטור, "שסתום" כזה משנה את כמות המטענים החשמליים שיוצרים זרם חשמלי. שינוי זה אינו אלא שינוי בהתנגדות הפנימית של מכשיר מוליכים למחצה.
הגברה של אותות חשמליים
הפעולה הנפוצה ביותר שמתבצעת טרנזיסטוריםהוא הגברה של אותות חשמליים. אבל זה לא ממש הביטוי הנכון, מכיוון שהאות החלש מהמיקרופון נותר כך.
הגברה נדרשת גם ברדיו ובטלוויזיה: יש להגביר אות חלשה מאנטנת מיליארד וואט עד כדי כך שמופיע צליל או תמונה על המסך. וזה כוח של כמה עשרות, ובמקרים מסוימים מאות וואט. לפיכך, מופחת תהליך ההגברה בכדי להבטיח שבעזרת מקורות אנרגיה נוספים המתקבלים מאספקת החשמל, להשיג עותק חזק של אות קלט חלש. במילים אחרות, קלט בעל עוצמה נמוכה ממריץ זרמי אנרגיה חזקים.
הגברה בתחומי טכנולוגיה וטבע אחרים
דוגמאות כאלה ניתן למצוא לא רק במעגלי חשמל. לדוגמה, כאשר אתה לוחץ על דוושת הגז, מהירות המכונית עולה. יחד עם זאת, לא צריך ללחוץ חזק מאוד על דוושת הגז - בהשוואה לכוח המנוע, כוח לחיצה על הדוושה הוא אפסי. כדי להפחית את המהירות, הדוושה תצטרך להשתחרר מעט, כדי להחליש את אפקט הקלט. במצב זה בנזין הוא מקור אנרגיה רב עוצמה.
ניתן להבחין באותה השפעה בהידראוליקה: מעט מאוד מוציאים על פתיחת שסתום אלקטרומגנטי, למשל בכלי מכונה. ולחץ השמן על בוכנת המנגנון יכול ליצור כוח של כמה טונות. ניתן לכוונן כוח זה אם מסופק שסתום מתכוונן בצינור השמן, כמו בברז מטבח רגיל. מעט מכוסה - הלחץ צנח, הלחץ צנח. אם פתחת יותר, הלחץ התגבר.
זה גם לא הכרחי לעשות מאמצים מיוחדים להפעלת השסתום. במקרה זה, תחנת השאיבה של המכונה היא מקור אנרגיה חיצוני. ויש הרבה מאוד השפעות דומות בטבע ובטכנולוגיה. ובכל זאת, אנו מעוניינים יותר בטרנזיסטור, ולכן נצטרך לשקול עוד ...
מגברי אות
ברוב מעגלי ההגברה משמשים טרנזיסטורים או צינורות אלקטרונים כנגד משתנה שההתנגדות שלו משתנה תחת השפעת אות קלט חלש. "נגן משתנה" זה הוא חלק בלתי נפרד ממעגל DC, שמקבל חשמל למשל תאים גלווניים או סוללות, כך שזרם קבוע מתחיל לזרום במעגל. הערך ההתחלתי של זרם זה (אין עדיין אות כניסה) נקבע בעת הגדרת המעגל.
בהשפעת אות הקלט, ההתנגדות הפנימית של האלמנט הפעיל (טרנזיסטור או מנורה) משתנה בזמן עם אות הקלט. לפיכך, זרם ישיר הופך לזרם חילופין, ויוצר עותק רב עוצמה של אות הקלט בעומס. עד כמה העותק הזה יהיה מדויק תלוי בתנאים רבים, אך נדבר על כך בהמשך.
פעולת אות הכניסה דומה מאוד לדוושת הגז שהוזכרה לעיל או לשסתום במערכת ההידראולית. כדי להבין מהו שסתום שער כזה בטרנזיסטור, אתה צריך לספר, לפחות מפושט מאוד, אבל נכון ומובן לגבי כמה תהליכים במוליכים למחצה.
מוליכות ומבנה אטומי
זרם חשמלי נוצר עקב תנועת האלקטרונים במוליך. על מנת להבין כיצד זה קורה, עליכם לקחת בחשבון את מבנה האטום. השיקול, כמובן, יהיה פשוט ככל האפשר, אפילו פרימיטיבי, אך יאפשר לכם להבין את מהות התהליך, לא יותר מהנדרש כדי לתאר את פעולתם של מוליכים למחצה.
בשנת 1913 הציע הפיזיקאי הדני נילס בוהר מודל פלנטרי של האטום, שמוצג באיור 1.
איור 1. מודל אטום פלנטרי
על פי התיאוריה שלו, אטום מורכב מגרעין, שבתורו מורכב מפרוטונים ונויטרונים. פרוטונים הם נשאים בעלי מטען חשמלי חיובי, ונויטרונים ניטרלים חשמלית.
סביב הגרעין מסתובבים אלקטרונים במסלולי מסלול שהמטען החשמלי השלילי שלהם הוא. מספר הפרוטונים והאלקטרונים באטום זהה, והמטען החשמלי של הגרעין מאוזן על ידי המטען הכולל של האלקטרונים. במקרה זה, הם אומרים שהאטום נמצא במצב של שיווי משקל או שהוא ניטרלי חשמלי, כלומר הוא אינו נושא מטען חיובי או שלילי.
אם אטום מאבד אלקטרון, המטען החשמלי שלו הופך לחיובי, והאטום עצמו במקרה זה הופך ליון חיובי. אם אטום מחבר לעצמו אלקטרון זר, זה נקרא יון שלילי.
איור 2 מציג שבר מהטבלה המחזורית. בואו לשים לב למלבן בו נמצא הסיליקון (Si).
איור 2. שבר של הטבלה המחזורית
בפינה השמאלית התחתונה עמודה של מספרים. הם מראים כיצד האלקטרונים מופצים על מסלולי האטום - הספרה התחתונה הקרובה ביותר לליבת המסלול. אם אתה מסתכל מקרוב על איור 1, אנו יכולים לומר בביטחון שיש לנו אטום סיליקון עם התפלגות אלקטרונים של 2, 8, 4. איור 1 הוא נפח, זה כמעט מראה כי מסלולי האלקטרונים הם כדוריים, אך לצורך נימוק נוסף, אנו יכולים להניח שהם נמצאים באותו מישור, וכל האלקטרונים עוברים באותו מסלול, כפי שמוצג באיור 3.
איור 3
אותיות לטיניות באיור מציינות את הקליפה. תלוי במספר האלקטרונים באטום, המספר שלהם יכול להיות שונה, אך לא יותר משבע: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. בכל מסלול הוא יכול להיות מספר מסוים של אלקטרונים. לדוגמה, ב- Q האחרון יש כמה 98, פחות אפשרי, לא יותר. למעשה, מבחינת הסיפור שלנו, ניתן להתעלם מההפצה הזו: אנו מעוניינים רק באלקטרונים הממוקמים במסלול החיצוני.
כמובן שלמעשה, כל האלקטרונים לא מסתובבים באותו מישור בכלל: אפילו 2 אלקטרונים שנמצאים במסלול עם השם K מסתובבים במסלולי כדור כדורים הממוקמים קרוב מאוד. ומה אנו יכולים לומר על מסלול עם רמות גבוהות יותר! הנה זה קורה ... אך לשם פשטות ההיגיון אנו מניחים שהכל קורה במישור אחד, כפי שמוצג באיור 3.
במקרה זה, ניתן אפילו להציג את סריג הגבישים בצורה שטוחה, שתאפשר את הבנת החומר, למרות שלמעשה היא מסובכת בהרבה. הרשת השטוחה מוצגת באיור 4.
איור 4
האלקטרונים של השכבה החיצונית נקראים ערכיות. הם אלה שמוצגים באיור (האלקטרונים שנותרו לא משנה לסיפור שלנו).הם אלה שמשתתפים באיחוד האטומים למולקולות, וכאשר הם יוצרים חומרים שונים הם קובעים את תכונותיהם.
הם אלה שיכולים להתנתק מהאטום ולשוטט בחופשיות, ואם יש תנאים מסוימים, ליצור זרם חשמלי. בנוסף, בקליפות החיצוניות מתרחשים התהליכים אשר גורמים לטרנזיסטורים - התקני הגברה מוליכים למחצה.
המשך המאמר: טרנזיסטורים חלק 2. מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה.
בוריס אלאדישקין
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: