Схемы переключателей на транзисторах. Сенсорный включатель на двух транзисторах. Транзистор в образе человека

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 Е 0 (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.

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

I э = I б + I к

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 . 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

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

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

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 и 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

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 , 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 , видно, что они инвертированы.

Таблица истинности схемы И-НЕ

ЭКСПЕРИМЕНТ 22
СХЕМА «ИЛИ-НЕ»

Этот эксперимент сочетает в себе два эксперимента: - схема ИЛИ и - 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

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

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 . 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.

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.

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 ; транзисторы - в ; электролитические конденсаторы (10 и 100 мкФ) - в . Головной телефон также можно проверить, подключив его к батарее,- в наушнике будет слышно «потрескивание».

Пожалуй, даже далёкий от электроники человек слышал, что существует такой элемент, как реле. Простейшее электромагнитное реле содержит в себе электромагнит, при подаче на который напряжения происходит замыкание двух других контактов. С помощью реле мы может коммутировать довольно мощную нагрузку, подавая или наоборот, снимая напряжение с управляющих контактов. Наибольшее распространение получили реле, управляющиеся от 12-ти вольт. Также встречаются реле на напряжение 3, 5, 24 вольта.

Однако коммутировать мощную нагрузку можно не только с помощью реле. В последнее время широкое распространение получили мощные полевые транзисторы. Одно из их главных предназначений – работа в ключевом режиме, т.е. транзистор либо закрыт, либо полностью открыт, когда сопротивление перехода Сток – Исток практически равно нулю. Открыть полевой транзистор можно подав напряжение на затвор относительно его истока. Сравнить работу ключа на полевом транзисторе можно с работой реле – подали напряжение на затвор, транзистор открылся, цепь замкнулась. Сняли напряжение с затвора – цепь разомкнулась, нагрузка обесточена.
При этом ключ на полевом транзисторе имеет перед реле некоторые преимущества, такие, как:

• Большая долговечность. Довольно часто реле выходят из строя из-за наличия механически подвижных частей, транзистор же при правильных условиях эксплуатации имеет гораздо больший срок службы.
• Экономичность. Обмотка реле потребляет ток, причём иногда весьма значительный. Затвор транзистора же потребляет ток только в момент подачи на него напряжения, затем он практически не потребляет тока.
• Отсутствие щелчков при переключении.

Схема

Схема ключа на полевого транзистора представлена ниже:

Резистор R1 в ней является токоограничивающим, он нужен для того, чтобы уменьшить ток, потребляемый затвором в момент открытия, без него транзистор может выйти из строя. Номинал этого резистора можно спокойно изменять в широких пределах, от 10 до 100 Ом, это не скажется на работе схемы.
Резистор R2 подтягивает затвор к истоку, тем самым уравнивая их потенциалы тогда, когда на затвор не подаётся напряжение. Без него затвор останется «висеть в воздухе» и транзистор не сможет гарантированно закрыться. Номинал этого резистора также можно менять в широких пределах – от 1 до 10 кОм.
Транзистор Т1 – полевой N-канальный транзистор. Его нужно выбирать исходя из мощности, потребляемой нагрузкой и величины управляющего напряжения. Если оно меньше 7-ти вольт, следует взять так называемый «логический» полевой транзистор, который надёжно открывает от напряжения 3.3 – 5 вольт. Их можно найти на материнских платах компьютеров. Если управляющее напряжение лежит в пределах 7-15 вольт, можно взять «обычный» полевой транзистор, например, IRF630, IRF730, IRF540 или любые другие аналогичные. При этом следует обратить внимание на такую характеристику, как сопротивление открытого канала. Транзисторы не идеальны, и даже в открытом состоянии сопротивление перехода Сток – Исток не равно нулю. Чаще всего оно составляет сотые доли Ома, что совершенно не критично при коммутации нагрузки небольшой мощности, но весьма существенно при больших токах. Поэтому, чтобы снизить падение напряжения на транзисторе и, соответственно, уменьшить его нагрев, нужно выбирать транзистор с наименьшим сопротивлением открытого канала.
«N» на схеме – какая-либо нагрузка.
Недостатком ключа на транзисторе является то, что он может работать только в цепях постоянного тока, ведь ток идёт только от Стока к Истоку.

Изготовление ключа на полевом транзисторе

Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:
1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

4) В итоге на текстолите появляется рисунок дорожек в зеркальном отображении. Если тонер местами плохо прилип к будущей плате, можно подправить огрехи в помощью женского лака для ногтей.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

После травления плата приобретает такой вид:

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:

Плата готова к запаиванию в неё деталей. Потребуются всего два резистора и транзистор.

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:

Основное назначение транзисторных выключателей, схемы которых предлагаются вниманию читателей, - включение и выключение нагрузки постоянного тока. Кроме этого, он может выполнять ещё дополнительные функции, например, индицировать своё состояние, автоматически отключать нагрузку при разрядке аккумуляторной батареи до предельно допустимого значения или по сигналу датчиков температуры, освещённости и др. На базе нескольких выключателей можно сделать переключатель. Коммутация тока осуществляется транзистором, а управление осуществляется одной простой кнопкой с контактом на замыкание. Каждое нажатие на кнопку изменяет состояние выключателя на противоположное.

Описание аналогичного выключателя было приведено в , но там для управления применены две кнопки. К достоинствам предлагаемых выключателей можно отнести бесконтактное подключение нагрузки, практически отсутствие потребляемого тока в выключенном состоянии, доступные элементы и возможность применения малогабаритной кнопки, занимающей мало места на панели прибора. Недостатки - собственный потребляемый ток (несколько миллиампер) во включённом состоянии, падение напряжения на транзисторе (доли вольта), необходимость принятия мер для защиты от импульсных помех надёжного контакта во входной цепи (может самопроизвольно выключаться при кратковременном нарушении контакта).

Схема выключателя показана на рис. 1. Принцип его работы основан на том, что у открытого кремниевого транзистора напряжение на переходе база-эмиттер транзистора - 0,5...0,7 В, а напряжение насыщения коллектор-эмиттер может быть 0,2...0,3 В. По сути, это устройство представляет собой триггер на транзисторах с разной структурой, управляемый одной кнопкой. После подачи питающего напряжения оба транзистора закрыты, а конденсатор C1 разряжен. При нажатии на кнопку SB1 ток зарядки конденсатора С1 открывает транзистор VT1, и следом за ним откроется транзистор VT2. При отпускании кнопки транзисторы остаются во включённом состоянии, питающее напряжение (за вычетом падения напряжения на транзисторе VT1) поступает на нагрузку и продолжится зарядка конденсатора С1. Он зарядится до напряжения, немногим большем, чем напряжение на базе этого транзистора, поскольку напряжение насыщения коллектор-эмиттер меньше напряжения база-эмиттер.

Рис. 1. Схема выключателя

Поэтому при следующем нажатии на кнопку напряжение база-эмиттер на транзисторе VT1 будет недостаточным для поддержания его в открытом состоянии и он закроется. Следом закроется транзистор VT2, и нагрузка обесточится. Конденсатор С1 разрядится через нагрузку и резисторы R3-R5, и выключатель вернётся в исходное состояние. Максимальный коллекторный ток транзистора VT1 I к зависит от коэффициента передачи тока h 21Э и базового тока I б: I к = I б · h 21Э. Для указанных на схеме номиналов и типов элементов этот ток - 100...150 мА. Чтобы выключатель работал нормально, ток, потребляемый нагрузкой, должен быть меньше этого значения.

У этого выключателя есть две особенности. Если на выходе выключателя будет короткое замыкание, после кратковременного нажатия на кнопку SB1 транзисторы на короткое время откроются и затем, после зарядки конденсатора С1, закроются. При уменьшении выходного напряжения примерно до 1 В (зависит от сопротивлений резисторов R3 и R4) транзисторы также закроются, т. е. нагрузка будет обесточена.

Второе свойство выключателя можно использовать для построения разрядного устройства для отдельных Ni-Cd или Ni-Mh аккумуляторов до 1 В перед составлением их в батарею и дальнейшей общей зарядке. Схема устройства показана на рис. 2. Выключатель на транзисторах VT1, VT2 подключает к аккумулятору разрядный резистор R6, параллельно которому подключён преобразователь напряжения , собранный на транзисторах VT3, VT4, питающий светодиод HL1. Светодиод индицирует состояние процесса разрядки и является дополнительной нагрузкой аккумулятора. Резистором R8 можно изменять яркость свечения светодиода, вследствие этого изменяется потребляемый им ток. Так можно производить корректировку разрядного тока. По мере разрядки аккумулятора снижается напряжение на входе выключателя, а также на базе транзистора VT2. Резисторы делителя в цепи базы этого транзистора подобраны так, что при напряжении на входе 1 В напряжение на базе уменьшится настолько, что транзистор VT2 закроется, а вслед за ним и транзистор VT1 - разрядка прекратится. При указанных на схеме номиналах элементов интервал регулировки тока разрядки - 40...90 мА. Если резистор R6 исключить, разрядный ток можно менять в интервале от 10 до 50 мА. При использовании сверхъяркого светодиода это устройство можно применить для построения карманного фонаря с защитой аккумулятора от глубокой разрядки.

Рис. 2. Схема разрядного устройства

На рис. 3 показано ещё одно применение выключателя - таймер. Он был использован мною в портативном приборе - испытателе оксидных конденсаторов. В схему дополнительно введён светодиод HL1, который индицирует состояние устройства. После включения загорается светодиод и конденсатор C2 начинает заряжаться обратным током диода VD1. При определённом напряжении на нём откроется транзистор VT3, который закоротит эмиттерный переход транзистора VT2, что приведёт к выключению устройства (светодиод погаснет). Конденсатор C2 быстро разрядится через диод VD1, резисторы R3, R4 и выключатель вернётся в исходное состояние. Время выдержки зависит от ёмкости конденсатора С2 и обратного тока диода. При указанных на схеме элементах оно составляет около 2 мин. Если взамен конденсатора С2 установить фоторезистор, терморезистор (или другие датчики), а взамен диода - резистор, получим устройство, которое будет выключаться при изменении освещённости, температуры и т. п.

Рис. 3. Схема таймера

Если в нагрузке есть конденсаторы большой ёмкости, выключатель может не включиться (это зависит от их ёмкости). Схема устройства, лишённого этого недостатка, показана на рис. 4. Добавлен ещё один транзистор VT1, который выполняет функцию ключа, а два других транзистора управляют этим ключом, чем исключается влияние нагрузки на работу выключателя. Но при этом потеряется свойство не включаться при наличии в цепи нагрузки короткого замыкания. Светодиод выполняет аналогичную функцию. При указанных на схеме номиналах деталей ток базы транзистора VT1 - около 3 мА.

Рис. 4. Схема устройства

Были опробованы несколько транзисторов КТ209К и КТ209В в качестве ключа. Они имели коэффициенты передачи тока базы от 140 до 170.

При токе нагрузки 120 мА падение напряжения на транзисторах было 120...200 мВ. При токе 160 мА - 0,5...2,2 В. Использование в качестве ключа составного транзистора КТ973Б позволило значительно увеличить допустимый ток нагрузки, но падение напряжения на нём было 750...850 мВ, и при токе 300 мА транзистор слабо грелся. В выключенном состоянии потребляемый ток настолько мал, что измерить его с помощью мультиметра DT830B не удалось. При этом транзисторы предварительно не отбирались ни по каким параметрам.

На рис. 5 представлена схема трёхканального зависимого переключателя. В ней объединены три выключателя, но при необходимости их число может быть увеличено. Кратковременное нажатие на любую из кнопок вызовет включение соответствующего выключателя и подключение соответствующей нагрузки к источнику питания. Если нажать на какую-либо другую кнопку, включится соответствующий выключатель, а предыдущий выключится. Нажатие на следующую кнопку включит следующий выключатель, а предыдущий опять отключится. При повторном же нажатии на ту же кнопку последний работающий выключатель выключится, и устройство возвратится в исходное состояние - все нагрузки будут обесточены. Режим переключения обеспечивает резистор R5. При включении какого-либо выключателя напряжение на этом резисторе возрастает, что приводит к закрыванию включённого ранее выключателя. Сопротивление этого резистора зависит от тока, потребляемого самими выключателями, в данном случае его значение - около 3 мА. Элементы VD1, R3 и С2 обеспечивают прохождение разрядного тока конденсаторов С3, С5 и С7. Через резистор R3 конденсатор С2 разряжает в паузах между нажатиями на кнопку. Если эту цепь исключить, останутся только режимы включения и переключения. Заменив резистор R5 проволочной перемычкой, получим три независимо работающих устройства.

Рис. 5. Схема трёхканального зависимого переключателя

Переключатель предполагалось применить в коммутаторе телевизионных антенн с усилителями, но с появлением кабельного телевидения необходимость в нём отпала, и проект не был реализован на практике.

В выключателях могут быть применены транзисторы самых разных типов, но они должны соответствовать определённым требованиям. Во-первых, все они должны быть кремниевыми. Во-вторых, транзисторы, коммутирующие ток нагрузки, должны иметь напряжение насыщения U к-э нас не более 0,2...0,3 В, максимальный допустимый ток коллектора I к макс должен быть в несколько раз больше коммутируемого тока, а коэффициент передачи тока h 21э достаточный, чтобы при заданном токе базы транзистор находился в режиме насыщения. Из имеющихся у меня в наличии транзисторов хорошо зарекомендовали себя транзисторы серий КТ209 и КТ502, несколько хуже - серий КТ3107 и КТ361.

Сопротивления резисторов можно изменять в значительных пределах. Если требуется большая экономичность и не нужна индикация состояния выключателя, светодиод не устанавливают, а резистор в цепи коллектора VT3 (см. рис. 4) можно увеличить до 100 кОм и более, но надо учесть, что при этом уменьшится базовый ток транзистора VT2 и максимальный ток в нагрузке. Транзистор VT3 (см. рис. 3) должен иметь коэффициент передачи тока h 21э более 100. Сопротивление резистора R5 в зарядной цепи конденсатора С1 (см. рис. 1) и аналогичных ему в других схемах может быть в интервале 100...470 кОм. Конденсатор C1 (см. рис. 1) и аналогичные ему в других схемах должны быть с малым током утечки, желательно применить оксиднополупроводниковые серии К53, но можно применять и оксидные, при этом сопротивление резистора R5 должно быть не более 100 кОм. При увеличении ёмкости этого конденсатора уменьшится быстродействие (время, по истечении которого устройство можно выключить после включения), а если уменьшить - снизится чёткость в работе. Конденсатор C2 (см. рис. 3) - только оксидно-полупроводниковый. Кнопки - любые малогабаритные с самовозвратом. Катушка L1 преобразователя (см. рис. 2) применена от регулятора линейности строк чёрно-белого телевизора, хорошо работает преобразователь и с дросселем на Ш-образном магнитопроводе от КЛЛ. Можно также воспользоваться рекомендациями, приведёнными в . Диод VD1 (см. рис. 5) может быть любым маломощным, как кремниевым, так и германиевым. Диод VD1 (см. рис. 3) должен быть обязательно германиевым.

Налаживания требуют устройства, схемы которых показаны на рис. 2 и рис. 5, остальные в налаживании не нуждаются, если нет особых требований и все детали исправны. Для налаживания разрядного устройства (см. рис. 2) потребуется источник питания с регулируемым напряжением на выходе. Прежде всего, взамен резистора R4 временно устанавливают переменный резистор сопротивлением 4,7 кОм (в максимум сопротивления). Подключают источник питания, предварительно установив на его выходе напряжение 1,25 В. Включают разрядное устройство нажатием на кнопку и устанавливают с помощью резистора R8 требуемый ток разрядки. После этого устанавливают на выходе источника питания напряжение 1 В, и с помощью добавочного переменного резистора добиваются выключения устройства. После этого надо несколько раз проверить напряжение выключения. Для этого необходимо увеличить напряжение на выходе источника питания до 1,25 В, включить устройство, затем необходимо плавно уменьшать напряжение до 1 В, наблюдая момент выключения. Затем измеряют введённую часть дополнительного переменного резистора и заменяют его постоянным с таким же сопротивлением.

Во всех других устройствах также можно реализовать аналогичную функцию выключения при снижении входного напряжения. Налаживание производится аналогично. При этом то обстоятельство, что вблизи точки выключения транзисторы начинают закрываться плавно и ток в нагрузке тоже будет плавно уменьшаться. Если в качестве нагрузки будет радиоприёмник, то это проявится как уменьшение громкости. Возможно, рекомендации, описанные в , помогут решить эту проблему.

Налаживание переключателя (см. рис. 5) сводится к временной замене постоянных резисторов R3 и R5 на переменные с сопротивлением в 2...3 раза больше. Последовательно нажимая на кнопки, с помощью резистора R5 добиваются надёжной работы. После этого повторными нажатиями на одну и ту же кнопку с помощью резистора R3 добиваются надёжного выключения. Затем переменные резисторы заменяют постоянными, как сказано выше. Для повышения помехоустойчивости параллельно резисторам R7, R13 и R19 надо установить керамические конденсаторы ёмкостью несколько нанофарад.

Литература

1. Поляков В. Электронный выключатель защищает аккумуляторную батарею. - Радио, 2002, № 8, с. 60.

Производители полупроводниковых приборов разрабатывают новые, более совершенные изделия, что дает возможность радиолюбителям, в свою очередь, создавать простые компактные устройства с улучшенными параметрами, недостижимыми всего лишь несколько лет назад. Один из примеров тому пред-ставлен в публикуемой ниже статье, в которой описан мощный электронный включатель-выключатель, способный во многих случаях потеснить своего электромагнитного конкурента.

На рис. 1 представлена схема одного из вариантов мощного электронного реле, предназначенного для коммутации тока нагрузки до 20 А при напряжении 5...20 В. Устройство собрано на базе мощного п-канального транзистора МДП АРМ2556NU), имеющего сопротивление канала не более 5,7 мОм при напряжении затвор-исток 10 В или не более 10 мОм при 4,5 В. Столь малое сопротивление открытого канала позволяет с помощью этого прибора коммутировать большой ток, причем установка транзистора на теплоотвод при невысокой частоте переключения (единицы - десятки килогерц) обычно не требуется. Устройство может быть использовано, например, как электронный включатель-выключатель выходного напряжения в мощном блоке питания, мощных источников света в аккумуляторных фонарях, низковольтных электродвигателей, тяговых электромагнитов и для множества других применений.
Использование в качестве основного коммутирующего элемента мощного транзистора МДП в сравнении с электромагнитным реле позволяет получить меньшее сопротивление "замкнутых контактов", отсутствие их выгорания и искровых помех, более высокое быстродействие (при электронном управлении). Кроме того, такой электронный переключатель будет иметь меньшие габариты и массу, чем электромагнитные реле на ток 10...20 А, а также значительно меньший ток, потребляемый цепями управления.
Управлять электронным переключателем можно двумя малогабаритными кнопками без фиксации, например, герконовыми, мембранными или резиновыми с токопроводящим покрытием.

На рис. 2 для сравнения габаритов показаны электромагнитное реле С71-2А-Р фирмы Omron, контакты которого рассчитаны на коммутацию тока 20 А, и макет электронного реле на
транзисторе МДП. Электронный узел даже при относительно просторном монтаже занимает вчетверо меньший объем (кнопки и светодиод смонтированы вне платы) и значительно легче.
При подаче напряжения на вход устройства, полевой транзистор VT2 остается закрытым, подключенная к выходу нагрузка - обесточенной, светодиод НL1 - выключенным. Чтобы подать напряжение на нагрузку, необходимо на короткое время нажать на кнопку SB1. Это приведет к открыванию транзистора VТ1 и вслед за ним транзистора VT2.
О поступившем к нагрузке напряжении проинформирует включившийся светодиод HL1. Конденсаторы СЗ и С4, а также С1, С2, С5, С6 устраняют воз-можное влияние на состояние транзисторов различных помех. Диоды VD2- VD5 предназначены для принудительного выключения устройства при снижении входного напряжения примерно до 3 В, что предохраняет полевой транзистор VT2 от перегревания.
Дело в том, что столь глубокое уменьшение напряжения затвор-исток транзистора \/Т2 резко увеличивает сопротивление канала и, как следствие, выделяемую в нем тепловую мощность, особенно при большом нагрузочном токе. Для того чтобы предохранить полевой транзистор от перегревания, предусмотрена цепь R5VD2-VD5, закрывающая оба транзистора.
Варистор RU1 и стабилитрон VD1 защищают сравнительно низковольтный полевой транзистор от всплесков напряжения, например, от ЭДС самоиндукции электродвигателя, подключенного к входу или выходу устройства, или, например, от случайного повреждения статическим электричеством при прикосновении к затвору транзистора \/Т2 отверткой (или другими металличе¬скими предметами).
Для выключения устройства достаточно кратковременного замыкания контактов кнопки SB2. Управлять состоянием транзистора VT2 можно не только мало-мощными миниатюрными кнопками, но и, например, двумя оптронами или маломощными герконовыми реле. Следует отметить, что в выключенном состоянии переключатель практически не потребляет энергии.
Экспериментальный образец устройства был смонтирован на монтажной плате размерами 46x27 мм из стеклотекстолита навесным монтажом. Сильноточные цепи выполнены короткими отрезками монтажного провода сечением не менее 1,2 мм.
Транзистор АРМ2556NU в миниатюрном корпусе Т0252 допускает максимальное напряжение сток-исток 25 В. При токе стока 40 А и напряжении затвор-исток 10 В или 20 А при напряжении затвор-исток 4,5 В типовое зна¬чение сопротивления открытого канала не превышает 4,5 и 7,5 мОм соответственно. Максимально допустимый постоянный ток стока транзистора при температуре корпуса 25 °С - 60 А.
Транзистор следует припаять к теплоотводу с полезной площадью поверхности не менее 7 см/2 на случай работы при пониженном напряжении питания с большим током нагрузки. При монтаже транзистора необходимо принимать меры по его защите от пробоя статическим электричеством.
Транзисторы АРМ2556NU, предназначенные для работы в понижающих импульсных стабилизаторах напряжения, сейчас широко используют в со-временных высокопроизводительных видеокартах и компьютерных системных платах. Заменить этот транзистор можно двумя соединенными параллельно миниатюрными, но имеющими вдвое большее сопротивление открытого канала транзисторами АРМ25101NU (8,5 МОм при U3-и = 10 В) или другими аналогичными, управляемыми низким напряжением затвор-исток. При ис-пользовании транзисторов с большим чем у АРМ25561NU, сопротивлением ка-нала для сохранения малого сопротивления переключательного элемента можно включить несколько однотипных полевых транзисторов, соединенных параллельно.
Транзистор 2SA733B заменим любым из серий 2SА733. 2SА992, SS9015, КТ3107, КТ6112. Вместо BZV55С15 подойдет стабилитрон 1N744А, TZМС-15, 2С215Ж, КС215ЖА, а вместо 1N148 - диод 1 N914 (или любые из серий КД522, КД521). Светодиод - любой общего применения, желательно с повышенной светоотдачей, например, из серий КИПД40, КИПД66. Для каждого конкретного напряжения на нагрузке следует подбирать резистор с тем, чтобы не превысить номинальный ток светодиода.
Оксидные конденсаторы - К50-68, К53-19 или импортные. Остальные - К10-17, К10-50. Варистор FNR-05K220 можно заменить любым маломощным на 18...22 В, например FNR-05K180.
Безошибочно собранное из исправных деталей устройство не требует на-лаживания.
В зависимости от конкретных особенностей применения предлагаемый для повторения коммутатор можно упростить или усовершенствовать. Например, если исключены всплески напряжения со стороны источника питания или подключенной нагрузки, можно обойтись без варистора RU1. Также можно отказаться от защитного стабилитрона VD1, если напряжение источника питания не превысит 15 В и исключены всякие прикосновения к выводу затвора транзистора VT2.
Если в цепь нагрузки ввести последовательно обмотку самодельного герконового реле, разомкнутые контакты которого подключены параллельно контактам кнопки SB2, то питание нагрузки будет автоматически отключаться при увеличении потребляемого ею тока выше заданного. Для изготовления такого реле на баллон геркона КЭМЗ надо намотать несколько витков толстого (диаметром 0,7...1,2 мм) обмоточного провода. Так, например, с катушкой из семи витков провода ПЭВ-2 0,68 реле сработает при токе около 5 А. Требуемое число витков для желаемого тока срабатывания защиты для конкретного экземпляра геркона определяют экспериментально.

Казалось бы, чего проще, включил питание и прибор, содержащий МК, заработал. Однако на практике бывают случаи, когда обычный механический тумблер для этих целей не годится. Показательные примеры:

• микропереключатель хорошо вписывается в конструкцию, но он рассчитан на низкий ток коммутации, а устройство потребляет на порядок больше;
• необходимо осуществить дистанционное включение/выключение питания сигналом логического уровня;
• тумблер питания сделан в виде сенсорной (квазисенсорной) кнопки;
• требуется осуществить «триггерное» включение/выключение питания повторным нажатием одной и той же кнопки.

Для таких целей нужны специальные схемные решения, основанные на применении электронных транзисторных ключей (Рис. 6.23, а...м).

Рис. 6.23. Схемы электронного включения питания (начало):

а) SI — это выключатель «с секретом», применяемый для ограничения несанкционированного доступа к компьютеру. Маломощный тумблер открывает/закрывает полевой транзистор VT1, который подаёт питание на устройство, содержащее МК. При входном напряжении выше +5.25 В требуется поставить перед М К дополнительный стабилизатор;

б) включение/выключение питания +4.9 В цифровым сигналом ВКЛ-ВЫКЛ через логический элемент DDI и коммутирующий транзистор VT1

в) маломощная «квазисенсорная» кнопка SB1 триггерно включает/выключает питание +3 В через микросхему DDL Конденсатор C1 снижает «дребезг» контактов. Светодиод HL1 индицирует протекание тока через ключевой транзистор VTL Достоинство схемы — очень низкое собственное потребление тока в выключенном состоянии;

Рис. 6.23. Схемы электронного включения питания (продолжение):

г) подача напряжения +4.8 В маломощной кнопкой SBI (без самовозврата). Источник входного питания +5 В должен иметь защиту по току, чтобы не вышел из строя транзистор VTI при коротком замыкании в нагрузке;

д) включение напряжения +4.6 В по внешнему сигналу £/вх. Предусмотрена гальваническая развязка на оптопаре VU1. Сопротивление резистора RI зависит от амплитуды £/вх;

е) кнопки SBI, SB2 должны быть с самовозвратом, их нажимают по очереди. Начальный ток, проходящий через контакты кнопки SB2, равен полному току нагрузки в цепи +5 В;

ж) схема Л. Койла. Транзистор VTI автоматически открывается в момент соединения вилки ХР1 с розеткой XS1 (за счёт последовательно включённых резисторов R1, R3). Одновременно в основное устройство подаётся звуковой сигнал от аудиоусилителя через элементы С2, R4. Резистор RI допускается не устанавливать при низком активном сопротивлении канала «Audio»;

з) аналогично Рис. 6.23, в, но с ключом на полевом транзисторе VT1. Это позволяет снизить собственное потребление тока как в выключенном, так и во включённом состоянии;

Рис. 6.23. Схемы электронного включения питания (окончание):

и) схема активизации МК на строго фиксированный промежуток времени. При замыкании контактов переключателя S1 конденсатор С5 начинает заряжаться через резистор R2, транзистор VTI открывается, МК включается. Как только напряжение на затворе транзистора VT1 уменьшится до порога отсечки, МК выключается. Для повторного включения надо разомкнуть контакты 57, выдержать небольшую паузу (зависит от R, С5) и затем снова их замкнуть;

к) гальванически изолированное включение/выключение питания +4.9 В при помощи сигналов с СОМ-порта компьютера. Резистор R3 поддерживает закрытое состояние транзистора VT1 при «выключенной» оптопаре VUI;

л) удалённое включение/выключение интегрального стабилизатора напряжения DA 1 (фирма Maxim Integrated Products) через СОМ-порт компьютера. Питание +9 В может быть снижено вплоть до +5.5 В, но при этом надо увеличить сопротивление резистора R2, чтобы напряжение на выводе 1 микросхемы DA I стало больше, чем на выводе 4;

м) стабилизатор напряжения DA1 (фирма Micrel) имеет вход включения питания EN, который управляется ВЫСОКИМ логическим уровнем. Резистор RI нужен, чтобы вывод 1 микросхемы DAI «не висел в воздухе», например, при Z-состоянии КМОП-микросхемы или при расстыковке разъёма.