categorieën: Interessante feiten, Beginnende elektriciens
Aantal keer bekeken: 216769
Reacties op het artikel: 3
Transistors: doel, apparaat en werkingsprincipes
Bekijk het eerste deel van het artikel hier: Transistor geschiedenis.
Wat betekent de naam "transistor"
De transistor kreeg niet meteen zo'n bekende naam. Aanvankelijk werd deze, naar analogie met de lamptechniek, genoemd halfgeleider triode. De moderne naam bestaat uit twee woorden. Het eerste woord is "overdracht" (hier herinner ik me onmiddellijk "transformator") betekent een zender, converter en carrier. En de tweede helft van het woord lijkt op het woord "weerstand" - een detail van elektrische circuits, waarvan de belangrijkste eigenschap elektrische weerstand is.
Het is deze weerstand die voorkomt in de wet van Ohm en vele andere formules van elektrotechniek. Daarom kan het woord "transistor" worden geïnterpreteerd als een weerstandsconvertor. Ongeveer hetzelfde als in hydraulica, wordt de verandering in vloeistofstroom geregeld door een klep. Voor een transistor verandert een dergelijke "klep" de hoeveelheid elektrische ladingen die een elektrische stroom creëren. Deze verandering is niets meer dan een verandering in de interne weerstand van een halfgeleiderapparaat.
Versterking van elektrische signalen
De meest voorkomende bewerking die wordt uitgevoerd transistorsHet is versterking van elektrische signalen. Maar dit is niet helemaal de juiste uitdrukking, omdat het zwakke signaal van de microfoon zo blijft.
Versterking is ook vereist op radio en televisie: een zwak signaal van een miljardste antenne moet zodanig worden versterkt dat een geluid of beeld op het scherm verschijnt. En dit is een vermogen van enkele tientallen, en in sommige gevallen honderden watt. Daarom wordt het versterkingsproces gereduceerd om ervoor te zorgen dat met behulp van extra energiebronnen die worden ontvangen van de voeding, een krachtige kopie van een zwak ingangssignaal wordt verkregen. Met andere woorden, een input met laag vermogen stimuleert krachtige energiestromen.
Versterking op andere gebieden van technologie en natuur
Dergelijke voorbeelden zijn niet alleen te vinden in elektrische circuits. Wanneer u bijvoorbeeld op het gaspedaal drukt, neemt de snelheid van de auto toe. Tegelijkertijd hoeft u niet heel hard op het gaspedaal te drukken - in vergelijking met het motorvermogen is de druk op het pedaal te verwaarlozen. Om de snelheid te verlagen, moet het pedaal enigszins worden losgelaten om het invoereffect te verzwakken. In deze situatie is benzine een krachtige energiebron.
Hetzelfde effect kan worden waargenomen in de hydraulica: er wordt heel weinig uitgegeven aan het openen van een elektromagnetische klep, bijvoorbeeld in een werktuigmachine. En de oliedruk op de zuiger van het mechanisme kan een kracht van enkele tonnen veroorzaken. Deze kracht kan worden aangepast als een regelbare klep in de olieleiding is aangebracht, zoals in een conventionele keukenkraan. Iets bedekt - de druk daalde, de druk daalde. Als je meer opende, werd de druk groter.
Het is ook niet nodig om speciale inspanningen te leveren om de klep te draaien. In dit geval is het pompstation van de machine een externe energiebron. En er zijn heel veel vergelijkbare invloeden in de natuur en technologie. Maar toch zijn we meer geïnteresseerd in de transistor, dus we zullen verder moeten overwegen ...
Signaal versterkers
In de meeste versterkingscircuits worden transistors of elektronische buizen gebruikt als een variabele weerstand, waarvan de weerstand verandert onder invloed van een zwak ingangssignaal. Deze "variabele weerstand" is een integraal onderdeel van de DC-schakeling, die bijvoorbeeld stroom ontvangt van galvanische cellen of batterijen, dus een constante stroom begint in het circuit te stromen. De beginwaarde van deze stroom (er is nog geen ingangssignaal) wordt ingesteld bij het instellen van het circuit.
Onder invloed van het ingangssignaal verandert de interne weerstand van het actieve element (transistor of lamp) in de tijd met het ingangssignaal. Daarom verandert gelijkstroom in wisselstroom, waardoor een krachtige kopie van het ingangssignaal bij de belasting ontstaat. Hoe nauwkeurig dit exemplaar zal zijn, hangt af van vele voorwaarden, maar we zullen hier later over praten.
De werking van het ingangssignaal lijkt sterk op het bovengenoemde gaspedaal of de klep in het hydraulische systeem. Om te begrijpen wat zo'n poortklep in een transistor is, moet je vertellen, op zijn minst zeer vereenvoudigd, maar waar en begrijpelijk over sommige processen in halfgeleiders.
Geleidbaarheid en atomaire structuur
Een elektrische stroom wordt gecreëerd door de beweging van elektronen in de geleider. Om te begrijpen hoe dit gebeurt, moet je rekening houden met de structuur van het atoom. De overweging zal natuurlijk zo eenvoudig mogelijk zijn, zelfs primitief, maar u de essentie van het proces laten begrijpen, niet meer dan nodig is om de werking van halfgeleiders te beschrijven.
In 1913 stelde de Deense natuurkundige Niels Bohr een planetair model van het atoom voor, dat wordt weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Planetair atoommodel
Volgens zijn theorie bestaat een atoom uit een kern, die op zijn beurt uit protonen en neutronen bestaat. Protonen zijn dragers van een positieve elektrische lading en neutronen zijn elektrisch neutraal.
Rond de kern roteren elektronen in banen waarvan de negatieve elektrische lading is. Het aantal protonen en elektronen in een atoom is hetzelfde en de elektrische lading van de kern wordt in evenwicht gehouden door de totale lading van elektronen. In dit geval zeggen ze dat het atoom zich in een evenwichtstoestand bevindt of elektrisch neutraal is, dat wil zeggen dat het geen positieve of negatieve lading draagt.
Als een atoom een elektron verliest, wordt zijn elektrische lading positief en wordt het atoom zelf in dit geval een positief ion. Als een atoom een vreemd elektron aan zichzelf hecht, wordt het een negatief ion genoemd.
Figuur 2 toont een fragment van het periodiek systeem. Laten we aandacht besteden aan de rechthoek waarin silicium (Si) zich bevindt.
Figuur 2. Fragment van het periodiek systeem
Rechtsonder staat een kolom met getallen. Ze laten zien hoe de elektronen zijn verdeeld over de banen van het atoom - het onderste cijfer dat het dichtst bij de kern van de baan ligt. Als je goed naar figuur 1 kijkt, kunnen we met vertrouwen zeggen dat we een siliciumatoom hebben met een elektronenverdeling van 2, 8, 4. Figuur 1 is volumineus, het laat bijna zien dat de banen van de elektronen bolvormig zijn, maar voor verdere redenering kunnen we aannemen dat ze zich in hetzelfde vlak bevinden en alle elektronen lopen langs hetzelfde spoor, zoals weergegeven in figuur 3.
Figuur 3
Latijnse letters in de figuur geven de schaal aan. Afhankelijk van het aantal elektronen in een atoom, kan hun aantal verschillen, maar niet meer dan zeven: K = 2, L = 8, M = 18, N = 32, O = 50, P = 72, Q = 98. In elke baan kan het een bepaald aantal elektronen zijn. Op de laatste Q zijn er bijvoorbeeld maar liefst 98, minder is mogelijk, niet meer. Wat ons verhaal betreft, kan deze verdeling eigenlijk worden genegeerd: we zijn alleen geïnteresseerd in elektronen in de buitenste baan.
Natuurlijk roteren in feite alle elektronen helemaal niet in hetzelfde vlak: zelfs 2 elektronen in een baan met de naam K roteren in bolvormige banen heel dichtbij. En wat kunnen we zeggen over banen met hogere niveaus! Daar gebeurt het ... Maar voor de eenvoud van de redenering gaan we ervan uit dat alles in één vlak gebeurt, zoals weergegeven in figuur 3.
In dit geval kan zelfs het kristalrooster in een platte vorm worden gepresenteerd, wat het begrip van het materiaal zal vergemakkelijken, hoewel het in feite veel gecompliceerder is. Het platte raster wordt getoond in figuur 4.
Figuur 4
De elektronen van de buitenste laag worden valentie genoemd. Zij zijn het die in de figuur worden getoond (de resterende elektronen doen er niet toe voor ons verhaal).Zij zijn het die deelnemen aan de vereniging van atomen in moleculen en bij het maken van verschillende stoffen bepalen zij hun eigenschappen.
Zij zijn het die zich van het atoom kunnen losmaken en vrij kunnen ronddwalen, en als er voorwaarden zijn, een elektrische stroom creëren. Bovendien zijn het in de buitenste omhulsels dat de processen plaatsvinden die resulteren in transistoren - halfgeleiderversterkende apparaten.
Vervolg van het artikel: Transistors. Deel 2. Geleiders, isolatoren en halfgeleiders.
Boris Aladyshkin
Zie ook op electro-nl.tomathouse.com
: