Месяц назад мы подготовили прочную основу для понимания работы транзистора. Сегодня вы узнаете, ряд важных вопросов, и, наконец, воскликнете: "Транзистор? Но это так просто". Прежде чем это произойдет, вы должны познакомиться с понятием источника тока.

В предыдущей статье, я хотел объяснить идею, что напряжение может быть результатом протекания тока через сопротивление.

Во введении к статье, упоминается понятие источника тока. Само слово "источник" предлагает что-то. Источником является основным фактором, причиной, дающей эффект ...

Вы поняли, что я имею в виду?

До сих пор мы знали только источник напряжения.

Во-первых, расширим свой кругозор, анализирую сходства и различая источника напряжения и источника тока.

Для начала небольшая и простая загадка: можно ли в магазине купить источник напряжения?

Когда вы просите, продавец посмотрит на вас странным взглядом и спросить, вы имеете в виду батарейки? В самом деле. Батарея, аккумулятор и блок питания, различные типы источников напряжения, но они не являются идеальными источниками.

В любом случае, термин «источник напряжения» указывает на то, что само по себе является источником напряжения.

Действительно, каждая батарея, аккумулятор или источника питания имеет номинальное напряжение. А ток? Ток нас менее интересует – значение тока зависит от приложенной нагрузки.

Источник напряжение вы уже знаете, но теперь нас интересует источник тока.


На рисунке 4 найдете часто используемое условное графическое обозначение источника тока. В литературе встречаются разные обозначения источника тока. Мы будем использовать это на рисунке 4. Очень часто, стрелка указывает направление тока (если говорят о цепях постоянного тока, а не переменного тока).

Теперь можно возразить, что в магазине не возможно купить элемент называемый источником тока. Можно купить батареи, резисторы, конденсаторы, транзисторы, интегральные схемы, но не источник тока. И так в магазине нет, вот и весь разговор?

В самом деле, источник тока является экзотическим творением, но вы ошибаетесь. Будьте терпеливы.


Мой милый, если вы действительно хотите понимать электронику, то с самого начала вы должны привыкнуть к тому, что электроника часто используют некоторые упрощенные и точные модели. Такой простой моделью является источник напряжения. В этом случае, я не думаю, что у вас есть вопросы или проблемы с пониманием. На рисунке 5, вы найдете две версии одной и той же схемы: идеальный источник напряжения с внутренним резистором.

Для чего на рисунках 5а и 5б по-разному обозначены источники напряжения?

Символ источника на рисунке 5а применят для теоретических соображений – так обозначают идеальный источник напряжения, модель не встречается ни где в реальности.

Тем не менее, символ источника напряжения на рисунке 5б обычно используют для обозначения реального источника энергии, такого как батарея, аккумулятор, или даже блок питания.

Это просто!

Идеальный источник напряжения является гипотетическим элементом, с которого снимается напряжение, указанного значения. Это напряжение задано и не зависит от тока, который берется из источника.

Ток, протекающий через резистор определяется:
I=U/R

Идеальный источник напряжения теоретически может обеспечить ток от нуля до бесконечно большого значения, а напряжение всегда остаются одним и тем же.

Опять же скажу, конечно, никто никогда не видел идеальный источник напряжения, и все же так часто мы используем это понятие в теоретических соображениях и расчетах.

Чем он отличается от неидеального, реального источника напряжения?

Вы знаете по опыту, что батарея не может дать бесконечно большой ток. Даже если подключить небольшую лампочку напряжение аккумуляторной батареи уменьшится на ее выводах. Как учесть этот эффект, при теоретических расчетах? Или стараться экономить, так как выходное напряжение аккумуляторной батареи (несовершенного источника) зависит от текущего потребления?


Вы можете придумать свой способ учета этого падения, но гораздо проще и легче представить, что неидеальный источник напряжения, по сути, состоит из идеального источника напряжения и внутреннего сопротивления Rw. Это показано на рисунке 6. Напряжение в электронике, как правило, обозначают буквой U. Тем не менее, в случае с идеальным источником напряжения, напряжение обозначается буквой Е. Наверное, вы уже слышали о такой вещи, как электродвижущая сила, сокращенно ЭДС. Эта электродвижущая сила и есть напряжение идеального источника напряжения. Напряжение батареи равно ЭДС только тогда, когда нет потребления тока. При увеличении потребляемого тока падение напряжения на сопротивление Rw увеличивается, и следовательно полезное напряжения батареи уменьшается. Вы не должны сомневаться, что внутреннее сопротивление Rw маленькой 12-вольтовой батареи больше, гораздо больше 12-вольтового аккумулятора автомобиля.

Отметим еще раз, что значение Rw устанавливает максимальный ток, который можно получить от неидеального источника. Максимальный ток, - это ток короткого замыкания (при этом полезное напряжение равно нулю) определяется Imax = E / RW. Получить больший ток не возможно. Пожалуйста, запомните это.

В практике, по экономическим причинам, потребляемый ток должен быть менее половины максимального тока Imax.

Теперь переходим к источнику тока.

Вы можете себе представить электронные элементы, которые сами по себе были бы источниками постоянного тока (то есть не идеальным) источником тока?

Конечно, как идеальный источник напряжения, так же идеальный источник тока – модель ... которая не существует. Хотя не существует идеального источника тока, некоторые электронные элементы, в некоторых условиях ведут себя как неидеальные источники тока. Почему они не идеальные? Это отдельная проблема, о которой я расскажу чуть позже.


На рисунке 7 вы найдете схему содержащей источник тока соединенный с резистором.

Что вы можете сказать о напряжении источника тока?

Прежде всего, думайте сами ... Если вернуться к гидравлической модели - Я думаю, что у вас нет сомнений гидравлический эквивалент источника тока будет насос с постоянной производительностью.

Берегитесь теперь, из-за избытка чувств вы можете выпасть из кресла:

Как и в случае идеального источника напряжения (где ток зависит от нагрузки приложенной извне, и может быть от нуля до бесконечности) аналогично, у источника тока, напряжение зависит только от подключенной нагрузки и может варьироваться от нуля до бесконечности!

Как, напряжение может быть бесконечно большим?

Да, представьте себе, что, в теории, да. Точно так же, ток от идеального источника напряжения может быть бесконечно большим.

От куда может взяться напряжение?

В случае гидравлической аналогией источником тока является насос, который имеет постоянную производительность, то есть, несмотря ни на что, он должен качать определенное количество воды. Если имеется сопротивление, то давление увеличивается до того, значения которое позволит протиснуться установленному количеству воды через сжатие сопротивления (щель).

Можете ли вы себе представить, идеальный источник тока по своей природе обеспечивает протекания постоянного тока и когда он сталкивается с сопротивлением, то напряжение возрастает.

Здесь нет ничего загадочного - просто снова выполняется закон Ома. Все это в соответствии с известной формулой
U = I×R


При подключении к источнику тока небольшое сопротивление, то поток тока производить на этом сопротивлении низкое напряжение, в соответствии с приведенной выше формуле. Если сопротивление высокое, и напряжение будет высоким.

Обязательно, отметьте для себя. Что является причиной, а что следствием.

Это, наверное, совершенно интуитивно чувствуется, что напряжение, в зависимости от ситуации может быть понято не только как причина, но и результат протекания тока через сопротивление.

Если вы поймете что такое источник тока, тогда вы откроете путь для понимания принципов работы схем, содержащих транзисторы (и не только).

На самом деле, сейчас я пойду к обсуждению транзистора, но я полагаю, что абстрактная модель источника тока может быть для вас слишком трудной. Но реальные системы работают правильно в указанных пределах напряжений и интуиция подсказывает вам, что напряжение не может быть расти бесконечно. Правильно!

Но если вы читали наш обучающий курс в прошлом году, то знаете что в цепи, содержащей катушку (индуктивность) напряжение может быть выше, чем напряжение питания. Может что-то в этом роде произойти в транзисторах?

Нет! Напряженность в схемах с транзисторами (не содержащие индуктивности) не может быть больше, чем напряжение питания.

Чтобы не ставить вас в тупик, я дам вам еще одну аналогию.

Теперь напомним принцип работы карбюратора машины. Вы удивлены? Да, карбюратор автомобиля!


Очень упрощенная схема карбюратора, смотри рисунок 8. Принцип работы, наверное, знаете, так что ответе на вопросы:

Зависит ли уровень бензина в карбюраторе от давления на входе?

Конечно, нет! Давление может быть очень маленьким или очень большим, поплавок и игла работают так, что в карбюраторе всегда поддерживается одинаковый уровень бензина.

Здесь мы имеем постоянный уровень бензина.

Теперь ответ на вопрос, от чего зависит количество топлива текущее через открытое отверстие?

Может быть, немного упрощаю дело, если скажу, что количество бензина, который протекает, зависит от размера открытого отверстия. В машине все выглядит по-другому, потому что речь идет о вакуумном впускном коллекторе, и многих других факторов, но мы не изучаем устройство автомобиля, а просто ищем гидравлический аналог транзистора.

Поэтому спросите себя, вы согласны, что количества бензина будет зависеть от размера выходного отверстия, и абсолютно не зависит от давления топлива на входе в карбюратор (до иглы)? Вы согласны?

Все в порядке!

Теперь наш карбюратор близок к черному ящику .. забудьте что в этом ящике. Мы не будем также играть с бензином, потому что это горючее и легко может воспламениться. Таким образом, вместо бензина, для дальнейших экспериментов мы используем воду.

Давайте вернемся к нашему черному ящику. Мы уже забыли, что находится внутри него.

Мы присоединяемся к нашему черному ящику .. и не можем понять, что это за история: независимо от давления в системе, из выпускной трубы вода всегда течет в одном темпе.

Мы пытаемся изменить давление на входе ... и ничего! Скорость потока воды через черный ящик всегда одинакова, независимо от давления? Мы получили источник с постоянной производительностью.

Теперь вернемся к схеме. Есть ли электрический эквивалент нашего черного ящика, в котором, независимо от приложенного напряжения, ток будет течь с той же интенсивностью?

Может быть, стабилизатор? В самом деле, это просто стабилизатор тока.

Через стабилизатор тока проходит при подаче напряжения ток определенной интенсивности. Я не думаю, что это трудно себе представить такой элемент. Обратите внимание, что, например, изготавливаются специальные компоненты (микросхемы), которые имеют такие свойства, например LM334.

Обратите внимание, что стабилизатор в принципе ... источник тока! В конце концов, ток, протекающий через него стабилизирован и не зависит от напряжения. Конечно, такой стабилизатор сам по себе не является источником тока, потому что это источник энергии. Кроме того, напряжение на нем не может расти бесконечно, а только до величины напряжения питания. Тем не менее, при определенных условиях, для внешнего наблюдателя, поведение стабилизатора тока не отличается от поведения "идеального" источника тока.

Теперь запомните важную информацию: практически источником тока называется не только "идеальный" источник тока, который источник энергии, но элемент или схема, ток которой не изменится под влиянием приложенного напряжения.

Скажу больше - в большинстве случаев говорят "источник тока" мы думаем только о стабилизаторе тока или просто элементе или электронной системе с постоянным выходным током, независимо от напряжения питания.

Как вы правильно догадались, что такой стабилизатор тока является лишь шагом к транзистору.

На самом деле, название уже говорит само за себя. Короче говоря, транзистор должен рассматриваться как управляемый источник тока.

Прежде чем приступить к анализу нужно найти для нашего транзистора гидравлический аналог.

Минуту назад я говорил вам немного о карбюраторе. Давайте пойдем этим путем.


На рисунке 9а есть нечто подобное, похоже на рисунок 8, за исключением того, что добавлена ​​возможность регулирования выходного сечения. Перемещая заслонку теперь можно регулировать скорость потока воды через отверстие, и, следовательно, поток воды через входной канал.

Получаем устройство аналогичное источнику тока: производительность, то есть, поток воды зависит только от положения заслонки и не зависит от давления во входном канале.

Электрическое обозначение такого устройства – управляемого источника тока, которые применяется на схемах, показано на рисунке 9b.

Встретишь это обозначение, знай, это регулируемый источник тока. Отлично! Но это не все.

Что в транзисторе управляет током?

Посмотрите на рисунок 10. Дополним управляемый источник небольшим каналом с клапаном, который соединен с затвором. Маленькая и слабая пружинка – причина того что заслонка закрывает сечение канала, заслонка полностью перекроет выход «карбюратора». Таким образом, через наш «карбюратор» не может течь ток. Поплавок и игла закроют входной канал.


Но если пустить воду в дополнительный канал с клапаном. Даже небольшого давления воды достаточно, что бы преодолеть силу пружины и сдвинуть заслонку.

Отклонение заслонки открывает вход воды через «карбюратор». Через "карбюратор" вода начинает течь. Количество воды зависит от открытия заслонки, - от количества воды, протекающего через дополнительный канал. Все так устроено, что имея низкий расход воды можно значительно открывать канал и управлять гораздо большим потоком воды который течет через карбюратор.

И здесь мы имеем гидравлическая модель транзистора во всей красе!

Точно так же можно сказать и о токе, в транзисторе, показанном на рисунке 11. Небольшой ток, протекающий от базы к эмиттеру открывает «клапан» и позволяет течь гораздо большему току от коллектора к эмиттеру.


Первый, электрический ток небольшой величины, называется током базы и обозначается IB, а второй, большой ток, называют ток коллектора, и обозначается IC. Очевидно, что оба тока текут в цепи эмиттера

Таким образом, мы можем написать:
IE = IC + IB

Мы можем назвать ток базы управляющим, а ток коллектора - управляемым током. Если вы измерите их, то можно найти их соотношение.

Если вы читали наш курс в прошлом году, то вас не удивляет, что клапан с пружиной, пропускает поток воды в одном направлении, это эквивалент диода. Таким образом, на рисунке 11 появился символ диода.

Конечно, управляющий ток IB существенно ниже, чем текущий управляемый IC, в противном случае все это удовольствие не имело бы смысла.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления транзистора и часто обозначается греческой буквой бета (β).


В каталогах есть другое обозначение соответствующие коэффициенту усиления по току - h21E. Ответ на вопрос, откуда взялось это "ха двадцать один е" и почему оно называется как h21E выходит за рамки данной статьи.

На данный момент, как вы знаете, сейчас производятся типичные маломощные транзисторы с коэффициентом усиления по току больше 100, и часто можно найти 500 и более.

Ну и что? Вы разобрались во всех этих потоках. Можете отдыхать. А в следующем разделе вы найдете много другой важной информации о транзисторах.