Современная электроника немыслима без активных компонентов, которые служат основой для создания любых электронных устройств — от простых выпрямителей до сложных микропроцессоров. В отличие от пассивных элементов, активные компоненты способны управлять электротоком, усиливать сигналы и выполнять функции преобразования энергии. К таким элементам относятся диоды, транзисторы и микросхемы, каждая из которых играет важную роль в построении электронных схем различного назначения.
Понимание принципа работы активных компонентов значительно упрощается благодаря использованию аналогий, в частности, гидравлических моделей. С их помощью можно наглядно представить поведение электронных устройств, увидеть взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Это делает изучение электроники доступным даже для начинающих, позволяя интуитивно осознать процессы, происходящие внутри электронных схем.
Время чтения: 10 минут
Активные электронные компоненты? Это очень просто!
Активные компоненты, потребляя для своей работы электрическую энергию, предназначаются для электронной коммутации, генерирования и усиления сигнала (смотри статью «Усилители звука. Разновидности, классы усиления и виды схемотехники»). Работая совместно, пассивные и активные компоненты могут служить функциональной базой для построения электронных устройств любой сложности.
Диод
Диод можно сравнить с обратным клапаном, показанным на рисунке ниже. Основная функция обратного клапана — пропускать жидкость или газ только в одном направлении. После того как сила упругости пружины превышена, подвижная пластина отодвигается от упора, позволяя жидкости проходить по трубе. Поток жидкости в противоположном направлении блокируется пластиной, упирающейся в упор.
Если бы требовалось давление в 0.7 кг/см², чтобы превысить силу упругости пружины, проток жидкости в зависимости от давления мог бы выглядеть так, как на графике ниже.
В электронике эта кривая отражает вольт-амперную характеристику типичного кремниевого диода (давление — вольты, а проток — амперы). То есть типичный кремниевый диод открывается при напряжении около 0.7 вольта. Конечно, количество электротока, протекающего через диод, должно быть ограничено, иначе электронный прибор может быть повреждён. Точно так же, как слишком много жидкости через обратный клапан может разрушить пластину и привести к его неработоспособности (пробой диода).
Если диод изготовлен из арсенида галлия, для обеспечения тока потребовалось бы примерно вдвое больше напряжения (пружина с большей в два раза силой упругости). Уровень энергии, необходимый для «включения» диода из арсенида галлия, настолько высок, что при начале протекания тока генерируется свет. Эти диоды называются светоизлучающими диодами или просто светодиодами. Типичным применением обычного диода является выпрямление переменного напряжения, а также работа в качестве коммутирующего элемента.
Ознакомиться с принципом работы диода вы можете с помощью интерактивной электронной модели.
Транзистор
Его лучше описать как устройство, которое использует небольшое количество электротока для управления бо́льшим количеством (усилитель тока). Рассмотрим устройство, изготовленное так, как показано на рисунке ниже. Небольшое количество тока базы толкает часть L₁ рычага, заставляя обратный клапан D1 открываться, даже если он «смещён в обратном направлении» (давление является косвенным, чтобы удерживать обратный клапан закрытым).
Имейте в виду, что базовый ток не начнёт течь, пока обратный клапан D2 не позволит (0.7 кг/см²). Если бы отношение электротоков через D1 и базу было равно преимуществу рычага, то I₁ / Iᵦ = L₁ / L₂. Назовём это отношение бета (β) и пусть L₁ = 1 дециметр и L2 = 0.1 дециметра.
Тогда β = 10, а I₁ будет в 10×Iᵦ. Поскольку оба тока должны проходить через D2, I₂ = I₁ + Iᵦ. Эти же принципы применимы к кремниевому n-p-n транзистору. I₁ становится током коллектора (I꜀), а I₂ будет электротоком эмиттера (Iᴇ). β = I꜀ / Iᴮ и Iᴇ = Iᴮ + I꜀.
Ознакомиться с принципом работы биполярного n-p-n транзистора вы можете с помощью интерактивной электронной модели.
Биполярные транзисторы
Рисунок ниже представляет собой гидравлическую аналогию биполярника структуры p-n-p. Эмиттер «выпускает» электроток, который разделяется на два пути. Ток базы «заставляет открыть» коллекторный обратный клапан, который собирает весь электроток, за исключением небольшого количества, идущего в базу. Направление тока противоположно направлению в транзисторе n-p-n.
Из-за этих различий эмиттер p-n-p обычно соотносится с напряжением источника питания, а эмиттер n-p-n — с землёй или нулевым напряжением. В обоих компонентах коэффициент усиления тока (I꜀/Iᴮ) называется бета (β).
Ознакомиться с принципом работы биполярного p-n-p транзистора вы можете с помощью интерактивной электронной модели.
Полевые транзисторы
На рисунке ниже центральная часть участка трубы сделана из тонкой, гибкой резины, и эта резина окружена жидкостью из третьей трубы, называемой затвором. Когда к затвору прикладывается давление, резина сжимается и перекрывает ток жидкости от истока к стоку. Ток не течёт от затвора к стоку или истоку и наоборот. Это устройство использует изменение давления затвора для управления током жидкости, текущим от истока к стоку. Поскольку нет обратных клапанов, ток может течь в любом направлении. Другими словами, это устройство действует как переменный резистор. Полевик также управляет током между истоком и стоком, «перекрывая» путь (канал) между ними. Уровень напряжения на затворе управляет величиной тока, который будет течь. Поскольку ток не течёт в затвор или из него (только на мгновение будет небольшой электроток для заряда или разряда ёмкости затвора), мощность, потребляемая затвором, практически равна нулю.
Помните, мощность равна напряжению, умноженному на ток, и если последний равен нулю, мощность тоже нулевая: потери на управление полевиком ничтожны, в сравнении с мощностью, необходимой для управления биполярником. Когда между истоком и стоком добавляется вторая секция затвора (труба и резина), такой электронный прибор называется двухзатворным полевым транзистором.
В нашей гидравлической аналогии полевика резина должна быть очень тонкой и гибкой, чтобы иметь возможность полностью «отрезать» ток от истока к стоку. Это означает, что он (затвор) может быть легко повреждён небольшим «всплеском» давления. То же самое относится и к полевому транзистору.
Высоковольтный выброс (к примеру, статическое электричество; смотри статью «Электростатическая защита чувствительной электроники: оборудование и методы») может разрушить затвор и вывести компонент из строя. Чтобы защитить его от случайного пробоя, рекомендуется упаковывать их в металлическую фольгу или все выводы замыкать между собой.
Ознакомиться с принципом работы полевого транзистора вы можете с помощью интерактивной электронной модели.
Микросхема
Если бы все рассмотренные выше гидравлические «аналоги» электронных компонентов можно было изготовить в едином блоке, то мы получили бы эквивалент интегральной микросхемы. Рисунок ниже представляет такое устройство. Этот блок должен быть очень большим, чтобы включить все необходимые гидравлические и механические части.
В электронике же реальный размер диода или транзистора чрезвычайно мал. Фактически многие миллионы миниатюрных диодов и транзисторов могут быть изготовлены на пластине кремния размером не больше спичечной головки путём применения фотолитографии и её послойной засветки, травления и металлизации всех необходимых частей структуры микросхемы.
Активные электронные компоненты являются сердцем любой электронной системы, обеспечивая управление, усиление и преобразование сигналов. Диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, несмотря на различия в конструкции и принципах работы, объединены одной целью — эффективной обработкой электрических сигналов. Их взаимодействие с пассивными элементами позволяет создавать устройства, которые формируют основу современной техники.
Использование гидравлических аналогий помогает лучше понять суть работы электронных компонентов, проводя параллели между привычными физическими явлениями и электрическими процессами. Такое сравнение делает сложные принципы наглядными и понятными, формируя прочную базу для дальнейшего изучения электроники и её практического применения.
