|
Таблица 26 Примерная разбивка материала темы по занятиям
|
|
№ |
Тематика |
Теоретические |
Практические |
|
заня |
|
||
|
тия |
занятия |
сведения |
работы |
|
6 |
Физические про |
Транзистор с п-р п- |
«Сторож» на тран |
|
|
цессы в плоско |
переходом и транзи |
зисторе. Монтаж схе |
|
|
стном транзис |
стор с р-я-р-перехо- |
мы, испытания уст |
|
|
торе |
дом. Принцип работы. |
ройства |
|
|
|
Обозначения типов |
|
|
|
|
транзисторов |
|
|
7 |
Усиление в |
Общие сведения о |
Пробник для про |
|
|
транзисторе |
процессе усиления в |
верки транзисторов |
|
|
|
транзисторе. Коэффи |
|
|
|
|
циент усиления |
|
|
8 |
Транзистор — |
Понятие о датчике. |
Фотосигнализатор. |
|
|
датчик света и |
Влияние света и тем |
Изготовление датчи |
|
|
температуры |
пературы на парамет |
ков и монтажных |
|
|
|
ры транзистора |
плат |
Ход теоретических занятий
Занятия по данной теме можно начать с небольшой экскурсии в мир современной полупроводниковой техники. Руководитель кружка рассказывает ребятам о широком применении полупроводников во всех без исключения областях радиоэлектроники, сообщает им, что при тех же возможностях, что и у электронной лампы, полупроводниковый прибор обладает рядом преимуществ. Ребятам предлагают ответить, о каких полупроводниковых устройствах им приходилось слышать, где они используются.
Ребятам полезно напомнить о полупроводниках то, что им ранее сообщалось при прохождении темы «Электро- и радиотехнические материалы».
Продолжая начатый разговор о полупроводниках, преподаватель останавливается на электрических свойствах этих материалов. Он рисует на доске упрощенную схему структуры полупроводника и объясняет, что любой атом связан с каждым соседним атомом посредством электронной связи. Если все электроны «на своих местах», полупроводник ведет себя как диэлектрик. Но наступают условия, например при повышении температуры, когда связь электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них могут покидать свои межатомной связи электрон становится свободным, а там, где он был до этого, образуется пустое место, называемое «дыркой» (рис. 27). Освободившиеся электроны под влиянием сил электрического поля двигаются по направлению положительного полюса источника питания. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» б них, заполняя некоторые межатомные связи. В то же время другие межатомные связи нарушаются: из них уходят электроны, возникают дырки и заполняются новые межатомные связи. Объясняя механизм передвижения дырок в сторону отрицательного полюса источника питания, следует широко применять различные образные сравнения и аналогии. Так, например, в книге В.Г.Борисова и Ю. М. Отряшенкова «Юный радиолюбитель» это явление сравнивают с хорошо знакомой каждому школьнику картиной. Стоит пионерский строй. Несколько ребят вышло из строя: образовались пустые места — дырки. Вожатый подает команду: «Сомкнуть строй!». Ребята по очереди делают шаг вправо, заполняя пустые места. Что получается? Ребята один за другим перемещаются к правому флангу, а пустые места— в сторону левого фланга.
Далее педагог сообщает членам кружка, что в чистом виде германий и кремний обладают низкой собственной электропроводностью, но, вводя небольшие количества приместей, электрические свойства полупроводника можно значительно повысить. Введение таких примесей, как сурьма или мышьяк, увеличивает в нем число свободных электронов. Полупроводники с избытком свободных электронов называются полупроводниками с электронной проводимостью, или полупроводниками д-типа.
|
Рис. 27 |
Добавление в небольших количествах индия, алюминия или галлия создает в полупроводнике недостаток электронов Такой полупроводник называют полупроводником с дырочной проводимостью, или полупроводником р-типа.
Получив представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, члены кружка знакомятся с принципом работы полупроводникового диода. Приводят схематический рисунок, отражающий процессы, происходящие в р-n-переходе (рис. 28).
На схеме включают источник питания так, чтобы отрицательный полюс его был соединен с полупроводником п-типа, а положительный — с полупроводником типа. По цепи в этом случае пойдет ток. Положительные дырки будут отталкиваться в материале р-типа от положительного полюса батареи и двигаться к переходу. Аналогично в материале д-типа электроны будут отталкиваться от отрицательного полюса батареи и также будут двигаться к переходу. В области перехода дырки и электроны встречаются и рекомбинируют друг с другом. На их место в область п из источника поступают новые электроны, а из области р уходят электроны, что равнозначно появлению в ней новых дырок.
Полупроводниковый диод последовательно с лампочкой подключают в прямом направлении к батарейке. Лампочка горит, значит, диод свободно пропускает через себя электрический ток. Теперь диод включают в обратном направлении. Лампочка гореть не будет. Делается вывод: диод, включенный в обратном направлении, тока не пропускает. В этом случае он представляет собой очень большое сопротивление.
Руководитель предлагает кружковцам разобраться в этом вопросе с позиции теории полупроводников. На схематическом рисунке перехода изменяют полярность батареи на обратную. Электроны в материале н-типа устремятся к положительному полюсу батареи, а дырки в материале типа — к отрицательному полюсу батареи, Поскольку и электроны и дьтрки удаляются от перехода, практически ток в цепи отсутствует.
Работу полупроводникового диода можно сравнить с работой водопроводного крана. А ерли включить диод в цепь с переменным током? На этот вопрос ребятам нетрудно будет ответить, напомнив им действие вакуумного диода. Он будет свободно пропускать ток одного направления — прямой и почти не пропускать гок противоположного направления — обратный. Следует также начертить на доске вольтамперную характеристику полупроводникового диода, сравнив ее с аналогичной характеристикой диода лампового.
Кружковцам демонстрируют промышленные образцы различных типов кристаллических диодов, объясняют их назначение. Педагог рассказывает ребятам, что существует два вида полупроводниковых диодов — плоскостные и точечные — и кратко останавливается на устройстве каждого вида, используя в качестве наглядного материала учебные плакаты по теме «Полупроводниковые приборы».
Конструкция большинства плоскостных диодов такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2—4 мм2 и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла германия или кремния, расплавлен маленький кусочек индия. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости, а между ними р-я-переход.
Выпрямительным элементом точечного диода служит крохотная пластинка германия или кремния, обычно с электронной проводимостью, с которой соприкасается острие тонкой вольфрамовой проволочки. После сборки диод формуют — пропускают через контакт между пластинкой и проволочкой ток определенной величины. В это время под острием проволочки в кристалле полупроводника образуется небольшая область с дырочной проводимостью. Получается электронно- дырочный переход, обладающий односторонней проводимостью тока.
Далее члены кружка знакомятся с маркировкой и условным обозначением полупроводниковых диодов. Как плоскостные, так и точечные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д7А, Д226Б, Д2В, Д9Ж. Буква Д в маркировке приборов означает «диод», цифры, следующие за нею, характеризуют группу диода, а стоящие в конце обозначения буквы А—Ж указывают разновидности групп приборов.
А как определить полярность диода? Педагог сообщает, что прежде всего следует найти на его корпусе или на одной из ложек значок условного обозначения. На некоторых типах диодов значок может отсутствовать, в них треугольник заменен красной точкой.
Занятия по изучению транзистора рекомендуется построить следующим образом: вначале познакомить ребят с конструкцией прибора, а затем рассмотреть происходящие в нем физические процессы. Это условие вызвано тем, что выполняемые в кружке работы и изучаемый теоретический материал находятся друг с другом в определенной зависимости.
Кружковцам рассказывают о конструкции транзистора, используя увеличенный чертеж полупроводникового прибора. Устройство маломощного низкочастотного транзистора демонстрируют, сняв аккуратно чашечку с основания его корпуса. Ребятам сообщают, что из всего многообразия полупроводниковых триодов, выпускаемых нашей промышленностью, в текущем учебном году им предстоит пользоваться только некоторыми из них: маломощными низкочастотными транзисторами типа П13~ь-П16, МП39-ьМП42 и низкочастотными мощными типа П201—203, Г1212—214. Педагог демонстрирует названные типы транзисторов и сообщает порядок расположения выводов. Все эти сведения кружковцы заносят в тетради.
Приступая к объяснению принципа работы транзистора, руководитель кружка вычерчивает на доске схематический рисунок с изображением трехслойной структуры полупроводниковых триодов: п-р-п и р-п-р-пере ходов. К выводам транзистора на схеме присоединяют внешние батареи в результате чего через транзистор течет ток. Батарея, включенная между эмиттером и базой, вызывает поступление электронов (в триоде п-р-п- типа) или дырок (в триоде р-п-р-типа) из эмиттера в базу. Батарея, включенная между базой и коллектором, способствует прохождению сквозь базу носителей тока и попаданию их на коллектор. Такое прохождение носителей тока сквозь базу возможно, потому что база имеет очень небольшую толщину (рис. 29).
Знакомя ребят с обозначением транзисторов на схемах, преподаватель указывает, что в транзисторах р-п-р-типа стрелка, обозначающая эмиттер, обращена в сторону базы, а в транзисторах п-р-п-типа — от базы.
Особое внимание педагогу следует обратить на процесс усиления в транзисторе. Способность транзистора усиливать можно продемонстрировать, собрав схему рис. 30. Для этой схемы надо иметь микроамперметр, миллиамперметр, переменный резистор 10 ком, транзистор, пару батареек. Переменный резистор устанавливают на максимальное положение (стрелки обеих приборов находятся в начале шкалы). При повороте ручки переменного резистора показания приборов увеличиваются. Строится график зависимости тока коллектора от тока базы, из которого видно, что незначительное увеличение тока в цепи базы вызывает относительно большой рост тока в коллекторной цепи.
Вывод из этого опыта можно сделать только один. Транзистор работает как усилитель тока. В цепи базы протекает ток значительно слабее, чем возникает в коллекторной цепи.
Если теперь разделить значение коллекторного тока на величину тока, протекающего в цепи базы, то можно наглядно представить величину транзистора.
В заключение руководитель рассказывает ребятам об использовании транзистора в качестве фото- или термо-датчиков. Разъясняется сущность датчика как устройства, служащего для преобразования неэлектрической величины в электрическую.
Ход практических занятий
Ребятам предлагают изготовить реле «прикосновения» на тиратрону МТХ-90 Эта работа включает в себя новые для кружковцев элементы; газоразрядный прибор МТХ-90 и полупроводниковый диод (рис. 31).
Для сборки конструкции необходимы следующие детали и материалы:
тиратрон МТХ-90;
реле электромагнитное любого типа; конденсатор электролитический 10,0X50 в; диод Д226Б или Д7Г -Д7Ж; резисторы 1,0 и 750 ом; клеммы 2 шт.;
гетинаксовая или фанерная плата 120X80 мм; корпус.
Устройство работает следующим образом. В цепь катода тиратрона МТХ-90 включено электромагнитное реле. Поскольку анодный ток тиратрона может быть достаточно большим, допустимо применение практически любого типа релчх При касании рукой провода, соединенного через высокоомный резистор R1 с поджигателем, происходит разряд тиратрона и срабатывает реле, контакты которого включают исполнительное устройство (лампу, звонок). Полупроводниковый диод Д[ является выпрямителем, электролитический конденсатор С1 устраняет «дребезжание» реле, величину сопротивления резистора, ограничивающего ток тиратрона, подбирают в процессе настройки схемы. Напряжение на аноде МТХ-90 должно быть не более 130—140 в.
Реле «прикосновения» может найти самое широкое применение в практической работе кружка в качестве элемента схем конструкций автоматических устройств. Например, с помощью него можно автоматически включать световые транспаранты при касании к металлическим предметам («Не забывай класть инструменты на место!», «Руками не трогать!»), управлять работой приборов простым прикосновением.
Прежде чем приступить к монтажу схемы, педагогу следует дать исчерпывающие сведения о назначении и способе включения комплектующих элементов.
Руководитель вместе с кружковцами прослеживает путь создания прибора. Сначала ребята,получив комплекты деталей, переносят представление о конструкции на бумагу в виде эскизов. После уточнения конструкции автоматического устройства и его монтажной схемы с педагогом члены кружка приступают к изготовлению монтажной платы.
Прежде чем начать конструирование, юным конструкторам предлагается подумать/над тем, каким требованиям должно удовлетворять готовое изделие. Направляемые руководителем, они приходят к выводу, что размеры платы должны соответствовать выбранному корпусу; взаимное расположение деталей должно быть таковым, чтобы монтажная схема получилась компактной и рациональной; работа с прибором безопасной.
Разумеется, первые шаги в самостоятельной конструкторской деятельности ребята делают, опираясь на конструкцию, подготовленную педагогом. На занятиях рекомендуется использовать развернутую схему устройства.
Наладка схемы реле «прикосновения» большого труда не представляет: если все детали исправны и монтаж выполнен без ошибок, устройство сразу же начинает работать. Работает оно только от напряжения 127 в. Для питания от сети 220 в необходим делитель напряжения или понижающий трансформатор. Предпочтение следует отдать трансформатору, поскольку применение его не потребует никаких дополнительных настроек.
Окончательная наладка схемы сводится к подбору величин резисторов R1 и R2. В случае, если электромагнитное реле срабатывает недостаточно четко, величину R2 несколько уменьшают, и наоборот, если МТХ-90 очень ярко светится, сопротивление того же резистора увеличивают. Это увеличит срок службы тиратрона. Величину резистора R1 подбирают в зависимости от длины провода сигнализации: чем длиннее провод, тем больше сопротивление резистора. Однако подключение провода длиной более 2—3 м вызывает самовозбуждение устройства. В этом случае следует применить экранированный провод.
Поскольку реле «прикосновения» работает от сети, обращаться с ним надо осторожно. Это обстоятельство требует, чтобы схема устройства была помещена в надежный корпус, обеспечив тем самым необходимую безопасность детей, в особенности если они Собираются использовать его в школе или дома.
Ребятам предлагается оформить конструкцию самостоятельно, используя имеющийся опыт. Перед ними стоит задача собрать корпус прибора в соответствии с разработанной конструкцией, установить клеммы, выключатель и плату со схемой. Рядом с отверстием для шнура питания следует написать: «127 в». Если корпус выполнен из фанеры, его рекомендуется окрасить. В заключение проводятся окончательные испытания устройства.
Результатами своей работы членам кружка предоставляется право распорядиться по их усмотрению. Однако можно подсказать, что такой прибор найдет широкое применение в школе.
Последовательность выполнения практических работ находится в определенной зависимости от тематики изучаемого теоретического материала. Поэтому тема «Транзистор» находит свое отражение и в содержании практических занятий.
В качестве объекта для изготовления в кружке выбрана схема простейшего автоматического устройства— «сторожа» на транзисторе. При разрыве провода, соединяющего базу с эмиттером, транзистор открывается и включенная в цепь его коллектора лампочка загорается (или срабатывает реле) рис. 32,а.
Сборка схемы затруднений у ребят, как правило, не вызывает. Вместе с тем данное устройство наиболее полно отвечает дидактическим задачам темы. Члены кружка знакомятся с расположением выводов и приемами монтажа транзисторов, наглядно постигают физические основы работы кристаллических триодов.
Монтаж данной схемы производится на «гвоздиках». Кусочки медного провода длиной 10 мм и 0 1 ммь вставляют в отверстия монтажной платы, просверленные сверлом 0 1 мм в соответствии с монтажной схемой. Эта операция для ребят новая. Руководитель рассказывает своим воспитанникам, что такой монтаж не только обеспечивает необходимую жесткость, исключает ошибку и путаницу, но и позволяет, если надо, легко заменить любую радиодеталь.
Провод, из которого делаются «гвоздики», предварительно тщательно зачищают и залуживают припоем. Длина выступающего конца «гвоздика» со стороны деталей равна 5 мм, а со стороны монтажа — 2—3 мм. Пример монтажа на «гвоздиках» показан на рис. 33.
Рис. 33.
Собранное устройство ребята испытывают в действии, находят ему практическое применение. «Сторож» легко может быть переделан в пробник для проверки транзисторов. Подмечая эту особенность, руководитель ставит перед кружковцами конструктивную задачу, как сделать прибор для проверки транзисторов. Сначала рассматривается принцип работы прибора, а затем переходят к обсуждению конструкции (рис. 32,6).
В электрическую схему добавляется тумблер и три зажима «крокодил». Испытываемый транзистор подключают к прибору при нижнем положении тумблера (база отключена от источника питания). При переключении тумблера из нижнего положения в верхнее ток базы возрастает и, если транзистор исправен, лампочка будет гореть. При этом по яркости свечения можно получить представление об усилении .транзистора. Более точные измерения производят, если вместо лампочки включить миллиамперметр со шкалой 0—1 ма.
Корпус пробника имеет размеры 120X100X30 мм и изготовляется из листового гетинакса или фанеры.
Следующей работой является фотосигнализатор.
Организация и сам процесс учебного конструирования в общем остаются такими же, какими были на прошлых занятиях. Однако при разработке монтажной схемы и наладке прибора будут встречаться свои особенности, зависящие от специфики транзисторов. Процесс Д1,Д2 Д2 изготовления данного устройства рассмотрен схема тично (рис. 34).
Для сборки одной конструкции потребуются следующие детали и материалы:
транзисторы маломощные низкочастотные (МП39 Н-МП42,
МП20) — 3 шт.
транзистор мощный низкочастотный (П201-^П202) — 1 шт.
точечные диоды типа Д2, Д9 — 2 шт.
переменный резистор 4,3 -МО ком — 1 шт.
лампочка от карманного фонаря — 1 шг.
батарея КБС — 1 шт.
гетинаксовая плата 100X60 мм — 1 шт.
корпус от карманного радиоприемника — 1 шт.
Световой импульс, попадая на фотоэлемент, вызывает срабатывание схемы, и лампочка вспыхивает. Фотоэлементом . является транзистор со снятой крышкой. Слабый ток фотоэлемента усиливается усилителем постоянного тока (УПТ), собранным по схеме составного транзистора. Диоды Д1 и Д2 осуществляют температурную компенсацию: при повышении температуры сопротивление диодов уменьшается и часть теплового тока протекает через них.
Работу над прибором начинают с изготовления монтажной платы и фотодатчика. Верхняя часть корпуса транзистора осторожно спиливается лобзиком, а затем поверхность кристалла очищается от попавших на нее металлических опилок. Фотодатчик будет значительно чувствительнее, если световой поток будет попадать на фоторезистор через небольшую линзочку, в фокусе которой находится кристалл.