Основные принципы электроники

Основой всей электроники является электрон-элементарная частица, входящая в состав любого атома. Ученые создали модель атома, но сами атомы еще никому не удалось увидеть. Атомы столь малы, что и в самый сильный электронный микроскоп различить их очень трудно. Еще меньше атомов крохотные отрицательно заряженные электроны, которые весьма грубо можно представить обращающимися на некотором расстоянии вокруг ядра, расположенного в центре атома; в ядре и сконцентрирована основная часть массы атома.

Движение электронов. Обычно атомы не заряжены, но они могут присоединять дополнительный электрон и становиться заряженными отрицательно или терять электрон и приобретать положительный заряд. В некоторых случаях электроны способны покидать атомы, создавая поток свободных электронов - электрический ток, протекающий по проводнику. В источнике тока, создающем электродвижущую силу (эдс), на одном полюсе возникает избыток электронов (отрицательный полюс), д на другом-их дефицит (положительный полюс). Если между полюсами батареи подключить про водник, то эдс заставит электроны течь (точнее, «дрейфовать»-их скорость редко превышает 2 см/мин) от отрицательного полюса к положительному. Направление этого движения противоположно принятому по соглашению направлению тока от положительного полюса к отрицательному.

Проводники в электрических цепях (в виде проводов или тонких полосок меди на изолирующем материале, подобном паксолину) играют роль как бы дорожек, по которым электроны свободно проходят из одной части цепи в другую. Но чтобы контролировать токи, протекающие через различные компоненты цепей, например лампы или транзисторы, нужны специальные элементы. Эти элементы называются резисторами и имеют самые разнообразные сопротивления от долей ома до десятков миллионов ом.

При приложении электродвижущей силы (эдс) к концам металлического (например, медного) проводника в нем возникает поток электронов, которые свободно дрейфуют в металле. Под воздействием эдс они движутся в среднем в одном направлении, создавая электрический ток.

Значения сопротивлений угольных резисторов обычно даются в омах (они достигают миллионов ом) в соответствии с международным цветовым кодом. Показанный здесь резистор имеет сопротивление 470 ом с точностью 10%. Этот простой код расшифровывается так: кольцо А не несет информации, кольцо Б дает первую цифру, кольцо В - вторую, кольцо Г показывает число нулей, добавляемых к цифрам на Б и В. Четвертое кольцо Д показывает точность: серебряное - 10%, золотое - 5%. Отсутствие четвертого кольца соответствует точности 20%.

Электронные лампы и их устройство. Двухэлектродная электронная лампа- диод-представляет собой вакуумную трубку простейшей формы. Она может превращать переменный ток в серии импульсов-постоянный ток; этот процесс называется выпрямлением. Диод производит однополупериодное выпрямление тока. Чтобы получить постоянный ток, вообще не имеющий заметных пульсаций, пульсирующий ток пропускают через другие дополнительные элементы цепи, например конденсаторы и дроссели, которые «сглаживают» его.

Сейчас ламповые диоды в основном вытеснены их полупроводниковыми эквивалентами. Практически все современные бытовые схемы сделаны на полупроводниковых элементах. Лишь в некоторых телевизионных приемниках наряду с полупроводниками до сих пор используют одну-две электронные лампы.

Хотя полупроводниковый диод значительно меньше эквивалентной ему лампы, при использовании в аналогичной цепи он обеспечивает тот же выпрямляющий эффект. Поскольку полупроводниковый диод не имеет накала, он потребляет гораздо меньшую мощность, чем лампа.

В 1906 г. американский изобретатель Ли де Форест добавил в лампу еще один электрод (сетку), получив триод, что позволило регулировать поток электронов между катодом и анодом. В цепи, содержащей помимо лампы другие основные элементы (конденсаторы и резисторы), триод можно использовать как усилитель напряжения. Позднее были созданы лампы с несколькими сетками, что значительно улучшило их характеристики. Такие лампы использовались в первых радиоприемниках.

При приложении напряжения (А) к накалу (1) лампового диода катод (2) начинает испускать электроны, которые немедленно притягиваются к аноду (3). Так как анод не может испускать электроны, ток протекает только в одном направлении. Поэтому диод служит идеальным выпрямителем переменного тока-либо однополупериодным (Б), либо двухполупериодным (Е); в последнем случае используется двойной диод (с двумя анодами, Д). Полупроводниковый диод-выпрямитель более эффективен, так как не нуждается в накале. Этот прибор (В) состоит из пластины полупроводника р- типа (4) и шарика из материала и-типа (5). При протекании тока в одном направлении полупроводниковый диод имеет малое сопротивление, при протекании в другом - большое. В результате ток течет только в одном направлении - происходит его выпрямление. Цепь с однополупериодным выпрями гелем-диодом показана на рисунке Г.

Транзистор. Благодаря успешному завершению исследований, проводимых в лаборатории фирмы «Белл телефон» (США) под руководством Уильяма Шокли (род. 1910), мир электроники неожиданно обогатился полупроводниковым трехэлектродным прибором, которому было суждено положить конец господству электронных ламп. В 1956 г. Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике за работу по созданию транзистора, выполненную в 1948 г.

Так мы получили возможность наслаждаться портативными, недорогими и удобными приемниками, работающими на карманных батарейках. Транзисторы гораздо меньше по размерам многих других элементов схем, хотя в наши дни те также стали более миниатюрными. В последнее время широкое распространение получили так называемые интегральные схемы, где в объеме, меньшем объема обычного транзистора, в одном небольшом кристалле полупроводникового материала «упаковано» несколько транзисторов и других элементов.

Схемы, содержащие лампы и транзисторы, обладают интересной особенностью: в них используется «обратная связь» для улучшения качества звука, создаваемого усилителем. Оно позволяет избежать нарушений сигнала между входом и выходом лампы или транзистора или нескольких таких приборов. Обратная связь может быть по току и по напряжению.

В портативных радиоприемниках редко встречаются выходные трансформаторы, поскольку в них используется двухтактный выходной каскад с одним отводом. Это уменьшает стоимость и вес приемников.