е-

когда по ней протекает ток достаточной величины. Промышленность выпускает различные по конструкции типы реле, среди них можно выделить реле заш,елки и реле ступенчатого типа (шаговые искатели). Последние послужили основой создания телефонных станций, а сейчас они широко используются в игральных автоматах. Промы иленность выпускает реле постоянного и перемен- Лампа

иого тока и для значенийР напряжения 115 в

на катушке от 5 до ПО В. Для быстро- (перем. тока)

действующих схем (1 мс) предназначены ртутные и язычковые реле, специальные мощные реле используются в электропитании; они работают с токами, достигающими нескольких тысяч ампер. Там, где раньше использовали реле, теперь

часто прибегают к помощи полевых трап- Рис. 1.96. зисторов, а для напряжений переменного

тока используют так называемые реле на твердом теле. Основное назначение реле состоит в дистанционном переключении электрических цепей и в переключении высоковольтных линий. В связи с тем что электрические схемы должны быть изолированы от линий питающего напряжения переменного тока, реле используют для переключения питающих напряжений переменного тока, при это.м управляющие сигналы бывают изолированы.

Разъемы. Разъем представляет собой неотъемлему!о (и, как правило, самую ненадежную) часть любого электронного аппарата. Функции разъема состоят в подаче сигналов на вход прибора и передаче их с его выходов на другие схемы, в передаче сигналов и питания постоянного тока между различными узлами схемы прибора. Благодаря разъемам можно заменять в приборах отдельные печатные платы и целые модули, обеспечивая тем самым гибкость схемной реализации электронного оборудования. Промышленность выпускает самые разнообразные разъемы, различающиеся по форме и размерам.

Штеккерные разъемы. Простейший разъем (однополюсная вилка с гнездом) представляет собой штыревой или плоский ( банановый ) контакт и используется в универсальных измерительных приборах, источниках питания и т. п. Такие разъемы легко достать, они недороги, но, пожалуй, не так полезны на практике, как коаксиальные разъемы для экранированного кабеля или многоконтактные разъемы. Разновидностью простейшего разъема является зажим ( крокодил ), который известен в основном тем, что им неудобно пользоваться.

Разъемы для экранированных кабелей. Для предотвращения емкостной связи, а также по ряду других причин, о которых речь пойдет в гл. 13, желательно осуществлять передачу сигнала от одного прибора к другому по экранированному коаксиальному кабелю. Наиболее

Рис. 1.97. Для экранированного (коаксиального) кабеля чаще всего используют разъемы типа BNC.

Слева направо-, гнездо разъема, соединенное с кабелем; стандартная вилка, которая устанавливается на паиели прибора; две вилки с изолирующей вставкой; Т-образный разъем типа BNC (очень удобная вещь!).

К этому семейству разъемов для коаксиальных кабелей относятся также уже почти вышедшие из употребления разъемы типа UHF, разъемы типа N, миниатюрный разъем типа SMA, субминиатюрный разъем типа LEMO и разъем типа MHV, представляющий собой разновидность разъема типа BNC, предназначенную для высоковольтных цепей. Так называемый граммофонный разъем, используемый в схемах звуковых частот, представляет собой яркий пример плохой конструкции - при соединении частей разъема сигнальная цепь замыкается раньше, чем экранирующая.

Многоконтактные разъемы. Для электронных приборов очень часто нужны многожильные кабели и соответственно многоконтактные разъемы. Промышленность выпускает десятки типов таких разъемов. Простейшим является разъем для 3-жильного провода. К числу наиболее распространенных относятся также субминиатюрные разъемы типа D из серии разъемов Winchester MRA, уже давно испытанные и заслужившие доверие разъемы типа MS, а также разъемы для гибкого кабеля (рис. 1.98). Имейте в виду, что некоторые разъемы требуют осторожного обращения, например миниатюрные шестиугольные разъемы, которые нельзя ронять на пол, а в некоторых нет никакого приспособления, фиксирующего взаимное положение частей разъема (это относится, например, к разъемам серии Jones 300).

распространены цилиндрические разъемы (типа BNC), которые устанавливают на передней панели большинства приборов. Сочленение частей разъема осуществляется при помощи резьбового соединения путем поворота на 90°, при этом замыкается как экранирующая цепь (земля), так и цепь сигнала. Этот разъем, как и всякий'другой, служит для подключения к прибору кабеля, поэтому он сост-о#Гий двух сочленяющихся частей, одна из которых уставаВАивается на паиёЛи прибора, а другая присоединяется к кабелю (рис. 1.97).

Основы электроники §2

Торцевые разъемы для печатных плат. Для печатных плат чаще всего используются торцевые разъемы, состоящие на гнезда и вилки с позолоченными штыревыми контактами, устанавливаемой на торце платы. Выпускаемые промышленностью торцевые разъемы имеют от 15 до 100 контактов и различное конструктивное оформление. Разъемы можно устанавливать на специальной плате, печатный монтаж которой обеспечивает соединение отдельных печатных плат устройства.

Рис. 1.98. Некоторые мпогокоитактные разъемы,

Слева направо; малогабаритный D образный разъем, выпускаемый как для кабелей, так и для установки на панелях приборов; количество контактов: 9, 15, 25, 37 или 50; старый, заслуженный разъем типа MS/AN, выпускается с разнообразным количеством контактов и в различном конструктивном оформлении, некоторые разновидности предназначены дли коаксиальных Кабелей; миниатюрный разъем (типа Winchester MRA) е фиксирующими винтами, выпускается несколько разновидностей, различающихся габаритными размерами; разъем для печатных плат, гнездо предназначено для гибкого кабеля.

В схемах, состоящих всего из нескольких печатных плат, могут потребоваться вилки разъемов для печатных плат и гнезда кабельных разъемов (в гл. 12 приведены некоторые фотографии, на которых видны примеры использования разъемов).

1.33. Индикаторы

Измерительные приборы. Значения напряжения или тока можно определять с помощью стрелочных показывающих приборов или по цифровым индикаторам. Последние, конечно, более дороги, но они имеют и более высокую точность. Промышленность выпускает измерительные приборы и первого, и второго типа как для токов, так и для напряжений. Выпускаются также уникальные датчики для приборных досок, которые позволяют определять значения уровня громкости (по децибельной шкале звука), большие значения напряжения переменного тока (от 105 до 130 В), значения температуры (с помощью термопары), процентной нагрузки мотора, частоты и т. д. В цифровых датчиках часто предусмотрены логические выходы, которые позволяют использовать показания датчика для ввода в какой-либо другой прибор.

1.34. Переменные компоненты

Резисторы. Переменные резисторы или потенциометры используют для регулирования в схемах, их ручки часто выводят на панели приборов. Наиболее распространенным является потенциометр типа АВ, рассчитанный на мощность до 2 Вт; этот потенциометр изготовлен из того же материала, что и 1сстся}ный композитный резистор, и имеет скользящий контакт. Потенциометры других типов изготовляют из керамических материалов и пластиков; они обладают улучшенными характеристиками. Более высоким разрешением и более высокой линейностью обладают многсоборотные потенциометры (3, 5 или 10 оборотов). В ограниченном количестве промышленность выпускает также сблокированные потенциометры (несколько независимых секций, собранных на одной оси) для тех областей применения, где нужны именно такие потенциометры.

Потенциометры, о которых шла речь, устанавливают чаще всего на лицевых панелях приборов, внутри же приборов устанавливают подстроенные потенциометры, которые также бывают одно- и много-оборотными и могут быть установлены на платах с печатным монтажом. Они используются, например, при калибровке прибора, которая выполняется раз и навсегда . Полезный совет: не поддавайтесь соблазну установить в схеме побольше потенциометров. Лучше потратить больше сил на разработку, чем на регулировку.

Светоизлучающие диоды (СИД),- Прим. peOi

Лампы tt светодиоды\ Представим себе картинку из научно-фантастического фильма - вспышки света, экраны, заполненные таинственными и непонятными цифрами и символами, жуткие звуки... И все эти эффекты, за исключением звуковых, создаются с помощью ламп и дисплеев. В качестве индикаторов для лицевых панелей приборов долгое время использовали небольшие лампы накаливания, теперь им на смену пришли светодиоды. Ойи ведут себя как обычные диоды, но прямое напряжение для них составляет от 1,5 до 2,5 В. Когда светодиод открыт, через него протекает ток и он излучает свет. Для получения достаточной яркости светагобычно требуется ток от 5 до 20 мА. Светодиоды дешевле, чем лампЫ накаливания, никогда не перегорают и бывают трех цветов (красные, желтые и зеленые). Поступают в продажу в удобном для использования виде.

Светодиоды используются также в цифровых дисплеях, например, в калькуляторах находит применение 7-сегментный цифровой дисплей. Для отображения и букв, и цифр (алфавитно-цифровой дисплей) можно использовать 1б-сегментный или матричный дисплей. Для маломощных схем или схем, предназначенных для работы на улице, лучше всего использовать дисплей на жидких кристаллах.

На рис. 1.99 показано условное обозначение потенциометра. Обозначения по часовой стрелке и против часовой стрелки указывают на направление вращения.

И еще один совет по работе с переменным! резисторами: не стремитесь к тому, чтобы заменить резистор с определенным сопротивлением потенциометром. Соблазн, конечно, велик - ведь с помощью потенциометра можно установить такое значение сопротивления, какое

Прошив По часовой часовой , ..стрелка

стрелки'

Рис. 1.99.

хочется. Вся беда в том, что стабильность потенциометра ниже, чем стабильность хорошего (1%) резистора и, кроме того, потенциометры не дают хорошего разрешения (т. е. с их помощью нельзя точно установить значение сопротивления). Если на каком-либо участке схемы нужно установить точное значение сопротивления, воспользуйтесь сочетанием прецизионного резистора (1% и выше) и потенциометра, причем большая часть сопротивления должна определяться постоянным резистором. Например, если нужно получить сопротивление 23,4 кОм, воспользуйтесь последовательным соединением постоянного резистора с сопротивлением 22,6 кОм (точность 1%) и подстроечного потенциометра с сопротивлением 2 кОм. Можно также использовать последовательное соединение нескольких прецизионных резисторов, в котором самый маленький по величине резистор дополняет полное сопротивление до нужного точного значения.

В дальнейшем вы узнаете, что в некоторых случаях в качестве переменных резисторов, управляемых напряжением, можно использовать полевые транзисторы. Транзисторы можно использовать в качестве усилителей с переменным коэффициентом усиления, управляемым напряжением. Все эти идеи могут сослужить вам добрую службу в будущем, не оставляйте их без внимания.

Конденсаторы, Переменные конденсаторы имеют, как правило, небольшие емкости (до 100 пФ) н используются в радиочастотных

Рис. 1.100.

схемах. Подстроечные конденсаторы бывают двух типов - для внутрисхемных и внешних регулировок. На рис. 1..100 показано условное обозначение переменного конденсатора.

Диоды, к которым приложено обратное напряжение, можно использовать в качестве переменных конденсаторов, управляемых напряжением; такие диоды называют варикапами, варакторами или параметрическими диодами. Наиболее широко они используются на радиочастотах, особенно при автоматической регулировке частоты, в модуляторах и параметрических усилителях.

Индуктивности. Переменная индуктивность представляет собой катушку, в которой перемещается сердечник. Такие катушки обычно имеют индуктивность от нескольких микрогенри до нескольких генри н диапазон настройки 2:1. Промышленность выпускает также поворотный индуктор (состоит из катушки без сердечника и вращающегося скользящего контакта).

Трансформаторы. Переменные трансформаторы очень полезны для практического применения, особенно те-из них, которые работают от силовой сети с напряжением 115 В переменного тока. Их называют автотрансформаторами, и они состоят из одной обмотки и скользящего контакта. Их называют еще варнаками (под таким названием их впервые выпустила фирма General Radio Co.). Формируемое ими выходное напряжение тока меняется от О до 135 В при входном напряжении 115 В, ток нагрузки составляет от 1 до 20 А и выше. Автотрансформаторы нужны для измерительных приборов, на которые могут влиять колебания в питающем напряжении. Замечание: учтите, что выход автотрансформатора не изолирован электрически от силовой линии, как в случае с трансформатором. ,

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

(1) Для делителя напряжения, изображенного на рис. 1.101, составьте эквивалентную схему (источник тока и параллельный резистор). Покажите, что выходное напряжение эквивалентной схемы равно выходному напряжению реальной схемы при подключении JB качестве нагрузки резистора сопротивлением 5 кОм,

J) 0,5 мА

1.0

Рис, 1.101.

Рис. 1.103.

(2) Для схемы, изображенной на риг. 1.102, составьте эквивалентную. Совпадают ли значения эквивалентных параметров в этом примере и в схеме на рис. 1.101.

(3) Разработайте схему фильтра звуковых частот, который бы подавлял грохот . Он должен пропускать частоты выше 20 Гц (точка -3 дБ должна соответствовать частоте 10 Гц). Считайте, что источник имеет нулевой импеданс (идеальный источник напряжения), а нагрузка (минимальная) имеет сопротивление 10 кОм (принимая во внимание это условие, можно выбрать значения R к С таким образом, чтобы нагрузка не оказывала существенного влияния на работу фильтра).

(4) Разработайте схему фильтра звуковых частот, который бы ослаблял шипение иглы (точке -3 дБ соответствует частота 10 кГц). Источник и импеданс нагрузки имеют те же параметры, что в упражнении 3.

(5) Как из резисторов и конденсаторов собрать фильтр, чтобы он имел такую характеристику, как показанная на рис, 1.103?

(6) Разработайте схему широкополосного /?С-фильтра (рис. 1.104); частоты/i и соответствуют спаду -1 дБ. Подберите полные сопротивления так, чтобы второй каскад не оказывал существенного влияния как нагрузка на первый каскад.

Рис. 1.104,

(7) Изобразите график выходного напряжения для схемы, представленной на рис. 1.105.

(8) Разработайте схему щупа осциллографа с масштабным коэффициентом 1:10 (см. приложение А). Входной импеданс осциллографа определяется сопротивлением 1 ЛЮм

117 В V

(перем. тока) j

G, В

перем. mowa (зфф.)

вых

1П

Рис. 1.105. Сопротивление равно 1 кОм.

и параллельной емкостью 20 пФ. Допустим, что кабель щупа вносит дополнительную емкость 100 пФ, а все элементы установлены на конце щупа (а не на том конце кабеля, который соединяется с осциллографом) (рис. 1.106). Схема должна давать ослабление

Т^онец ш,упс1

100 пФ (кабель)

Усилитель

вертикального

отгаонения

Вход ОСЦИЛЛОГртфЕ!,

Рис. 1.106.

20 дБ (10) на всех частотах, включая сигналы постоянного тока. Щуп с масштабным коэффициентом 1:10 позволяет увеличить полное сопротивление нагрузки, подключаемой к испытуемой схеме, тем самым удается уменьшить влияние нагрузки на эту схему. Каким входным импедансом (параллельное соединение R и С) обладает щуп по отношению к тестируемой схеме?

Глава 2

ТРАНЗИСТОРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Транзистор - это один из основных активных компонентов. Он представляет собой устройство, которое может усиливать входной сигнал по мощности. Увеличение мощности сигнала происходит за счет внешнего источника питания. Отметим, что увеличение ампл[1туды сигнала не является в даннам случае определяющим. Так, например, повышающий трансформатор - пассивный компонент, такой же, как резистор или конденсатор, обеспечивает усиление по напряжению, но не может усилить сигнал по мощгюсти. Устройства, которые обладают свойством усиления по мощности, характеризуются способностью к генерации, обусловленной передачей выходного сигнала обратно на вход.

Изобретателей транзистора когда-то заинтересовала nNiCHHo способность устройства усиливать сигнал по мощности. Для нйчала они соорудили с помощью транзистора усилитель звуковых частот для громкоговор[1теля и убедились, что на выходе сигнал больше, чем на входе.

Транзистор является неотъемлемой частью всякой электронной схемы, начиная от простейшего усилителя или генератора до сложнейшей цифровой вычислительной машины. Интегральные схемы (ИС), которые приходят на смену схемам, собранным из дискретных транзисторов, представляют собой совокупности транзисторов или других компонентов, построенные на едином кристалле полупроводникового материала.

Обязательно следует разобраться в том, как работает транзистор, даже если вам придется пользоваться в основном интегральными схемами. Дело в том, что, для того чтобы собрать электронное Астрой-ство из интегральных схем и подключить его к внешним цепям, необходимо знать входные и выходные характеристики каждой используемой ИС. Кроме того, транзистор служит основой построения межсоединений, как внутренних (между ИС), так и внешних. И наконец, иногда (и даже довольно часто) сличается, что подходящей ИС промышленность не выпускает и приходится прибегать к схемам, собранным из дискретных компонентов. Как вы сами вскоре убедитесь, транзисторы сами по себе очень интересны, и ознакомление с их работой доставит вам удовольствие.

Мы будем рассматривать транзисторы совершенно не так, как авторы других книг. Обычно, изучая транзистор, пользуются его эквива-

лентнсй схемой и Л-параметрами. На наш взгляд, такой подход сложен и надуман. И дело не только в том, что, глядя на мудреные \ равнени?, вы едва ли поймете, как работает схема, скорее всего вы будете иметь смутное представление о параметрах транзистора, их значениях и, самое главное, диапазонах изменения.

Мы предлагаем вам другой подход. В этой главе мы построим простую модель транзистора и с ее помощью создадим несколько схем. Как только начнут проявляться ограничения модели, дополним ее с учетом уравнений Эберса - Молла, Полученная таким образом модель даст правильное представление о работе транзистора; с ее помощью вы сможете создавать самые хорошие схемы, не прибегая к большим расчетам. Кроме того, характеристики ваших схем не будут серьезно зависеть от таких неуправляемых параметров транзистора как, например, коэффициент усиления по току.

И наконец, несколько слов о принятых в инженерной практике условностях. Напряжение на выводе транзистора, взятое по отношению к потенциалу земли, обозначается буквенным индексом (К, Б или Э): например, t/к - это напряжение на коллекторе. Напряжение между выводами обозначается двойным индексом: например, Ыъэ - это напряжение между базой и эмиттером. Если индекс образован двумя од[1-наковыми буквами, то это - напряжение источника питания: (Уцк - это напряжение питания (обычно положительное) коллектора, (Уээ- напряжение питания (обычно отрицательное) эмиттера.

2.01. Первая модель транзистора: усилитель тока

Итак, начнем. Транзистор - это электронный прибор, имеющий три вывода (рис. 2.1). Различают транзисторы п - р - п- и р - п - р-типа. Транзисторы п - р - п-типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов р - п - р-типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярно-

Коллектор

сти напряжений должны быть изменены на противоположные):

1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.

2. Цепи база - э^шттep и база - коллектор работают как диоды (рис. 2.2). Обычно

Эмиттер лрп

Рис. 2.1.

диод база - эмиттер открыт, а диод база - коллектор смещен в обратном направлении.

3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями /к, /б и 7к:э. За превышение этих значений приходится расплачиваться новым транзистором (типичные значения приведены в табл. 2.1). Следует помнить и о предельных значениях других пара-

90 Г шва 2

метров, например рассеиваемой мои;ности (/к(Укэ), температуры, Иъэ и др.

4- Если правила 1-3 соблюдены, то ток прямо пропорщаонален току /б и можно записать следующее соотношение:

где /ijis - коэффициент усиления по току (обозначаемый также Р), обычно составляет около 100. Замечание: параметр А^хэ не следует пу-V тать с прямой проводимостью

уЛс^ диода база - коллектор; этот

Л/зл Но< рпрБа^; диод смещен в обратном направ-

V лении. Будем считать, что Я^э просто характеризует работу Рис 2 2 транзистора.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Запомните: параметр кцэ нельзя назвать удобным ; для различных транзисторов одного и того же типа его величина может изменяться от 50 до 250. Он зависит также от тока коллектора, напряжения между коллектором и эмиттером и температуры. Схему можно считать плохой, если на ее характеристики влияет величина параметра кпэ-

Рассмотрим правило 2. Из него следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как если потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6-0,8 В (прямое напряжение диода), то возникнет очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжения на базе и эмиттере связаны следующим соотношением: UbU3+0,Q В ((Уб = = (/э+/бэ). Еще раз уточним, что полярности напряжений указаны для транзисторов п - р - п-типа, их следует изменить на противоположные для транзисторов р - п - р-типа.

Обращаем ваше внимание на то, что, как уже отмечалось, ток коллектора не связан с проводи.мостью диода. Дело в том, что обычно к диоду коллектор - база приложено обратное напряжение. Более того, ток коллектора очень мало зависит от напряжения на коллекторе (этот диод подобен небольшому источнику тока), в то время как прямой ток, а следовательно, и проводимость диода резко увеличиваются при увеличении приложенного напряжения.

НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СХЕМЫ 2.02. Транзисторный переключатель

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 2.3, Это транзисторный переключатель. Его работу помогают понять правила, приведенные предыдущем разделе. Когда контакт переключателя разомкнут, ток