Транзисторами называют полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Различают два вида транзисторов: биполярные и полевые. В электронных автоматах, разговор о которых пойдет позже, будут использоваться преимущественно биполярные транзисторы.

Рис. 1 Схематическое устройство и условное графическое обозначение на схемах транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)

    Основой биполярного транзистора (рис. 1) служит небольшая пластинка германия или кремния, обладающая электронной или дырочной электропроводимостью, то есть n-типа или p-типа. На поверхности обеих сторон пластинки наплавляют шарики примесных элементов. При нагревании до строго определенной температуры происходи диффузия (проникновение) примесных элементов в толщу пластинки полупроводника. В результате в толще пластинки возникают две области, противоположные ей по электропроводимости. Пластинка германия или кремния p-типа и созданные в ней области n-типа образуют транзистор структуры n-p-n (рис. 1,а), а пластинка n-типа и созданные в ней области p-типа — транзистор структуры p-n-p (рис. 1,б).
    Независимо от структуры транзистора его пластинку исходного полупроводника называют базой (Б), противоположную ей по электропроводимости область меньшего объема — эмиттером (Э), а другую такую же область большего объема — коллектором (К). Эти три электрода образуют два p-n перехода: между базой и коллектором — коллекторный, а между базой и эмиттером — эмиттерный. Каждый из них по своим электрическим свойствам аналогичен p-n переходам полупроводниковых диодов и открывается при таких же прямых напряжениях на них.
    Условные графические обозначения транзисторов разных структур отличаются лишь тем, что стрелка, символизирующая эмиттер и направление тока через эмиттерный переход, у транзистора структуры p-n-p обращена к базе, а у транзистора n-p-n — от базы.
    Транзистор-усилитель. Схема усилителя на транзисторе структуры n-p-n, который может быть как германиевым, так и кремниевым, и графики, поясняющие сущность его работы, показаны на рис. 2.

Рис. 2 Схема однокаскадного усилителя (а) и графики, иллюстрирующие его работу (б)

    На коллектор n-p-n транзистора относительно эмиттера через резистор R_н подают положительное напряжение источника питания U_пит, которым может быть батарея гальванических элементов или сетевой блок питания с выходным напряжением 4,5...9 В. Участок эмиттер — коллектор, резистор R_н и источник питания U_пит образуют коллекторную цепь транзистора-усилителя. Резистор R_н в этой цепи выполняет функцию нагрузки, на которой выделяется напряжение сигнала, усиленного транзистором.
    На базу транзистора через R_б подается положительное напряжение источника питания, называемое начальным напряжением смещения. При этом в цепи база — эмиттерный переход транзистора возникает ток, значение которого определяется (по закону Ома) напряжением источника питания и суммарным сопротивлением базового резистора R_б и эмиттерного p-n перехода. Подбором этого резистора (на схемах обозначают звездочкой) на базе устанавливают такое напряжение смещения, при котором на коллекторе транзистора относительно эмиттера будет примерно половина напряжения источника питания. При этом транзистор открывается и в его коллекторной цепи возникает ток коллектора I_к, который во много раз больше тока в базовой цепи.
    Для германиевых транзисторов, работающих в режиме усиления, начальное напряжение смещения должно быть 0,1...0,2 В, а для кремниевых — 0,6...0,7 В. Без начального напряжения смещения на базе транзистор искажает усиливаемый сигнал.
    Как работает такой усилитель? Сигнал U_вх, который надо усилить, подают на вход усилителя через связующий конденсатор C_св, а усиленный им сигнал снимают с нагрузочного резистора R_н. Пока такого сигнала на входе усилителя нет, на базе транзистора действует только напряжение смещения, открывающее транзистор. В это время в коллекторной цепи течет ток покоя I_п (на графиках рис.2 — участки 0 — а). С появлением на входе усилителя сигнала U_вх напряжение на базе транзистора начинает изменяться: при положительных полупериодах входного сигнала оно становится более положительным, а при отрицательных — менее положительным. В результате соответственно изменяется и ток базы, текущий через эмиттерный переход транзистора, и в значительной степени — напряжение на коллекторе и ток в коллекторной цепи. При этом на нагрузочном резисторе R_н выделяется переменное напряжение, которое во много раз больше напряжения входного сигнала. Этот сигнал через разделительный конденсатор C_раз, пропускающий только переменную составляющую, может быть подан на вход следующего каскада для дополнительного усиления.
    Точно так же работает и транзистор структуры p-n-p, например серии КТ361. Но в этом случае полярность включения источника питания должна быть обратной, чтобы на коллектор и базу транзистора относительно эмиттера подавалось отрицательное напряжение.
    Усилительные свойства транзистора оценивают статистическим коэффициентом передачи тока базы h_21Э (читают так: аш-два-один-э) и выражают числом, показывающим, во сколько раз изменяется ток коллекторной цепи по сравнению с изменением тока в базовой цепи. Практически можно считать, что коэффициент h_21Э равен частному от деления тока коллектора на ток базы, то есть: h_21Э=I_К/I_Б. Если, например, ток I_К равен 1 мА, а ток базы I_Б — 0,02 мА (20 мкА), то коэффициент h_21Э этого транзистора будет приблизительно 50. Чем больше численное значение коэффициента h_21Э транзистора, тем, естественно, больше усиление сигнала, которое он может обеспечить.
    Транзистор — электронный ключ. В значительной части электронных автоматов, конструированием которых вы займетесь, транзисторы будут работать в режиме переключения или, как ещё говорят, как электронные ключи. Суть такого режима заключается в том, что под действием резкого изменения напряжения на базе так же резко, как бы скачками, изменяется ток в коллекторной цепи.
    Наглядное представление о работе транзистора в режиме переключения может дать проведение следующего опыта. Вам потребуется p-n-p транзистор, желательно кремниевый, средней или большей мощности, например КТ814А, кнопочный переключатель любой конструкции, миниатюрная лампа накаливания МН 3,5-0,26 или МН 3,5-0,14, батарея 3336 и резистор на номинальное сопротивление 1,5...2 кОм. Соедините их точно по схеме, приведенной на рис. 3.

Рис.3 Работа транзистора в режиме переключения

    Пока контакты кнопки SB замкнуты, база транзистора VT накоротко замкнута на эмиттер и общий «заземленный» проводник батареи питания GB. В это время транзистор закрыт, сопротивление его участка эмиттер — коллектор велико, тока в коллекторной цепи практически нет. Поэтому лампа HL, включенная в эту цепь, не горит.
    Теперь нажмите на кнопку переключателя SB — лампа HL тут же загорится. Почему? Размыкая контакты кнопки, вы тем самым подаете на базу транзистора (относительно эмиттера) открывающее его отрицательное напряжение. Сопротивление же участка эмиттер — коллектор открытого транзистора мало (близко к нулю), поэтому все напряжение батареи оказывается приложенным к нити накала лампы. В это время ток в коллекторной цепи транзистора ограничивается в основном лишь небольшим сопротивлением (несколько ом) нагретой до свечения нитью накала лампы.
    Нажмите несколько раз подряд кнопку SB. Столько же раз автоматически будет загораться и гаснуть лампа накаливания, являющаяся в данном случаенагрузкой транзистора. Сам же транзистор, работающий в таком режиме, становится переключателем питания его нагрузки — электронным ключом. Эти процессы иллюстрируют графики, приведенные на том же рис. 3.
    Если в вашем распоряжении будет транзистор структуры n-p-n, например КТ815А, в таком случае надо лишь поменять местами полярность подключения батареи питания.
    В любом случае в коллекторную цепь транзистора можно включить (вместо лампы HL) электромагнитное реле, обмотка которого рассчитана на напряжение срабатывания, примерно на третью часть меньшее напряжения источника питания. Срабатывая при открывании транзистора, оно своими контактами сможет замыкать цепь питания более мощной, чем миниатюрная лампа накаливания, нагрузки, например электродвигателя. Получится электронное реле, которое может выполнять функцию исполнительного устройства автомата.