обмотки, работающие поочередно (2). Двухполупериодное выпрямление можно получить и без трансформатора, используя так называемую мостовую схему, в которой четыре выпрямляющих прибора вместо двух (3). Многие представляют себе выпрямитель как очень небольшую схему, используемую в телевизоре, приёмнике или магнитофоне. Однако в промышленности и на транспорте используют большие и очень мощные выпрямители для питания машин, которым необходимо постоянное напряжение.
Т-199. Вакуумный диод — прибор с односторонней проводимостью. В одном из первых электронных приборов всё происходит в вакууме, в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Прибор называется диод, поскольку в нём два электрода — катод и анод. Катод, как нить электролампы, сильно нагревают током от отдельного источника, например, от низковольтной обмотки трансформатора (накальная обмотка) или от батареи. При этом из раскалённого катода вылетают электроны, они сразу же двигаются к аноду, если на него подать «плюс», в цепи появляется анодный ток (Р-97.1, не забудьте, что условное направление тока, то есть направление стрелки на рисунках, — от «плюса» к «минусу», в данном случае от анода к катоду).
Если же на анод подать «минус» (Р-97.2), то он будет отталкивать электроны, и ток через диод не пойдёт. А если между анодом и катодом будет действовать переменное напряжение, то электроны будут двигаться к аноду, только когда на нём будет «плюс», то есть только во время положительных полупериодов. А это значит, что в цепи пойдёт пульсирующий ток — хоть и меняющийся по величине, но ток только одного направления. Отсюда вывод: диод — прибор с односторонней проводимостью, он может быть выпрямителем переменного тока.
Т-200. Первый электронный усилительный прибор — вакуумный триод. В самом начале прошлого века, а точнее, в 1907 году, было сделано совсем неприметное, казалось бы, изобретение, на основе которого в итоге выросла могучая и многообразная электроника. Вакуумный диод превратили в триод — между катодом и анодом вставили третий электрод, металлическую сетку с впаянным в стекло проволочным выводом (Р-97.3). Сетка находится близко к катоду, напряжение на ней очень сильно влияет на анодный ток, и он послушно меняется вслед за слабым сигналом на сетке, поэтому сетку назвали управляющей. В итоге, пролетев сквозь управляющую сетку, электроны создают ток в анодной цепи, создают мощную копию слабого сигнала. И вот что главное: энергию для этой мощной копии даёт анодная батарея, а задача триода — управлять анодным током, копируя слабый сигнал на управляющей сетке, создать мощную копию усиливаемого сигнала, что как раз и называется усилением. Так электровакуумный триод решил одну из главных и, казалось, неразрешимых проблем электросвязи — позволил усиливать ослабевшие после долгого пути телефонные и радиосигналы.
А вскоре триод стал основой принципиально нового генератора переменных токов высокой частоты, элементом памяти, инструментом вычислительных операций. Появление электронного усилителя привело к появлению новых схем, новых методов работы с сигналами, новых направлений электротехники слабых токов. Постепенно на смену триоду пришли более совершенные электронные лампы, главным образом пятиэлектродная — пентод (Р-97.4, Р-97.5). Но через 40 лет после своего рождения уже почти забытый триод вновь стал главным и даже единственным усилительным прибором. Но это уже был не вакуумный, а полупроводниковый триод.
ВК-249.Основные блоки персонального компьютера ПК, определяющие его возможности, — процессор ПР и оперативное запоминающее устройство ОЗУ. Важная характеристика процессора — его наибольшая рабочая частота, то есть частота импульсов, из которых в итоге формируются все двоичные коды. Часть из них переносят в ОЗУ, где с кодами можно работать и таким образом править слова, цифры, картинки и т. п., а затем запоминать исправления и переносить их в долговременную память.
Р-100. ВРЕМЯ ТРАНЗИСТОРА. Уже на примере диода было видно, что твердотельный прибор намного удобней иметь, чем электронную лампу. Полупроводниковым диодом может быть кусочек кристалла миллиметровых размеров, а электронная лампа — это целый научный прибор, миллиметровым его никак не сделаешь. Из вакуумного диода усилительная лампа получилась довольно просто — достаточно было вставить сетку между катодом и анодом. Но как вставить сетку в микроскопический кристалл? Один раз, правда, мир был обрадован — в 1922 году, как писали газеты, задача была решена. Молодой (19 лет) русский радист Олег Лосев из Нижегородской радиолаборатории создал кристаллический усилитель кристадин и построил с ним очень чувствительные радиоприёмники. Но вскоре оказалось, что из-за своей нестабильности кристадин не может конкурировать с электронными лампами. Задачу решили в 1948 году и создали транзистор американские теоретики высокого класса — Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Вильям Шокли, их работа была отмечена Нобелевской премией. К нынешним временам транзисторы прошли сложный путь (их уже делают размером меньше 0,005 миллиметра), и сегодня выпускаются две их основные разновидности.
Плоскостные транзисторы представляют собой трёхслойную систему из полупроводников германия или кремния с электронной (n) и дырочной (р) проводимостью (1,2). Слабый входной сигнал Uвх в итоге поставляет свои заряды в базу, из неё они попадают в коллекторный рn-переход, участвуют в создании коллекторного тока и усиливаются за счёт коллекторной батареи. Транзисторы второго типа, полевые (3,4), по принципу действия напоминают усилительную вакуумную лампу триод. Основной ток в них создаётся между истоком и стоком, а напряжение входного сигнала Uвх своим электрическим полем с затвора управляет этим током, подобно тому, как в вакуумном триоде сетка управляла анодным током. Полевые транзисторы в основном рассчитаны на работу с импульсными сигналами, и потому их можно сравнить с выключателем, который замкнут или не замкнут, то есть пропускает ток или не пропускает.
Т-201. Транзистор — главный работник электроники. Полупроводниковый диод появился практически одновременно с вакуумным, но полупроводниковому усилителю, как уже говорилось, пришлось ждать своего часа 40 лет. Сегодня диод создают в маленьком кристаллике полупроводников германия или кремния — с помощью примесей формируют в нём две зоны с разными электрическими свойствами (Р-98). В одной из них есть свободные электроны, это зона n, от слова negativus — «отрицательный». В другой зоне есть свободные положительные заряды (для упрощения считайте их положительными ионами, Т-8), это зона р, от слова positivus — «положительный». Пограничная область между зонами р и n называется рn-переход.
Поведение полупроводникового диода, также как и вакуумного, зависит от того, в какой полярности к нему подведено внешнее напряжение — к какой зоне подключён «плюс», а к какой «минус». В одном случае («плюс» подключён к катоду, «минус» к аноду) свободные заряды оттягиваются от рn-перехода и ток через диод не проходит — он напоминает две обкладки конденсатора с изолятором между ними. При другой полярности («плюс подключён к аноду, «минус» к катоду) внешнее напряжение подтягивает свободные заряды к рn-переходу, там они непрерывно нейтрализуют друг друга (Т-8), в цепи идёт ток, поставляющий в рn-переход новые положительные и отрицательные заряды.
Даже новичок, тот, кто впервые знакомится с работой полупроводниковых диодов, довольно быстро сам сообразит, что с движением электронов в сторону рn-перехода никакой проблемы нет — свободные электроны, которых тянет к себе «плюс», всегда найдут лазейку (Т-8), чтобы просочиться в его сторону. Но как быть с положительными ионами? Они же не могут свободно двигаться, они связаны со структурой самого полупроводникового материала, входят в его кристаллическую решётку и практически неподвижны. Чтобы прояснить эту неясность, изготовим (разумеется, мысленно) простейшую учебную модель — два расположенных рядом атома. Один из них полностью укомплектован электронами и собственного электрического заряда не имеет. У другого атома одного электрона не хватает, это фактически положительный ион с единичным положительным зарядом. Представьте себе, что из нейтрального атома один электрон быстро перескочил в этот положительный ион и превратил его в нейтральный атом. А сам нейтральный атом при этом, естественно, стал положительным ионом — теперь у него не хватает одного электрона, то есть имеется лишний положительный заряд. Не вдаваясь во все эти подробности, можно отметить конечный результат: в полупроводниковом кристалле произошло перемещение положительного заряда. Движение электрона произошло так быстро, что его даже нельзя считать свободным электроном, а подвижные положительные ионы могут существовать достаточно долго — до следующего электронного прыжка (Т-8). В литературе о полупроводниках эти ионы с лишним положительным зарядом получили имя дырки (видимо, имеется в виду свободное место отсутствующего электрона), и именно их считают свободными подвижными положительными зарядами.
ВК-250.В конце 1947 года появились транзисторы, и ещё долго основное внимание обращали на их огромные достоинства в сравнении с электронной лампой: малые размеры и один источник питания вместо двух. Но затем главными стали другие достоинства транзистора, особенно возможность создания интегральных схем. В них тысячи, миллионы, а теперь уже и миллиарды транзисторов (их размеры уже измеряются нанометрами!), связанных в одном кристалле, образуют готовый сложный электронный блок.
Р-101. ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ — ОТ ТРАНЗИСТОРА К МИКРОСХЕМЕ. Планарная технология была придумана и разработана для автоматизированного производства транзисторов, а спустя некоторое время без принципиальных изменений переведена на производство интегральных микросхем. Слово «планарная» происходит от латинского «планус» — «плоский» и напоминает, что исходная кремниевая пластина (на рисунке 1 показан очень маленький её участок) и детали изготовленных в ней транзисторов — тоже плоскости. На круглой пластине толщиной несколько миллиметров и диаметром 40–60 са