Электродвигатель не должен создавать помехи. Притормозив слегка пальцем работающий, несильно нагруженный двигатель, можно заметить, что между коллектором и угольными щетками появляются крохотные искорки. Это явление называют искрением щеток. Искрению щеток сопутствует целый спектр помех, излучаемый подводящими ток проводами. Помехи, создаваемые злектродвигателем, отрицательно влияют на работу приемных устройств, поэтому сформулируем следующее важное правило: помехи передаются неослабленными через общие цепи питания, в связи с чем в первую очередь следует предусмотреть раздельные источники питания для приемного устройства (приемник и рулевые машинки) и для ходового двигателя. Все приемное устройство в целом (антенну, приемник, рулевые машинки и источник питания) следует располагать на модели как можно дальше от приводного устройства (ходового двигателя, его проводов и источника питания). Кроме того, для всевозможных приводов необходимо выбирать только двигатели высокого класса. Двигатели более низкого класса характеризуются сильным искрением щеток и создают значительные помехи.

Если все указанные меры не помогают, следует применить помехо-защиту иного типа. Заметим, что на двигателях с металлическим кожухом устранять помехи легче, чем на таких же двигателях в сплошном пластмассовом корпусе. В большинстве случаев хорошие результаты дает следующая схема (рис. 36, а): коллекторные выводы двигателя

ДВагатт

Корпус Двигатель

ЮмпГн

Ходовой аикумулятор

Пвремь/чка/

Двигатель'

о - сверление ф 1мм

в - отверстие, положение и +

диаметр которого зависят Ходовой

от типа двигателя аккумулятор

Перемычка

Двигатель

Рис 36. Фильтр подавления помех: а - лринципиальная схема; б печатная плата; в - схема расположения элементов на плате.

Рис. 37. Вариант конструкции фильтра подавления помех.

шунтируются керамическим конденсатором (емкостью 47 нФ) и одновременно с помощью двух керамических конденсаторов (емкостью 10 нФ) соединяются с корпусом (металлическим кожухом). Таким образом, источник паразитного излучения как бы замыкается накоротко. Для подавления остатков помех, излучаемых проводами, напряжение питания следует подавать через

дроссели, которые должны представлять собой допустимую нагрузку для номинального тока. Все йровода, идущие к двигателю, должны быть по возможности короткими. Вся эта схема подавления паразитных излучений носит название фильтра помех. Фильтр помех монтируется на отдельной плате (рис. 36, б, в) и припаивается к выводам двигателя

Плату для фильтра помех будем изготовлять опять-таки способом срезания с пластинки медной фольги. Длина токопровода получается при этом минимальной, чю способствует повышению эффективности подавления помех. Для малых двигателей с номинальным током до 1 А в качестве дросселей можно использовать имеющиеся в продаже УКВ-дроссели (10 или 20 мкГн). При номинальных токах, превышающих 1 А, дроссели изготовляются самими моделистами из. ферриювого сердечника с четырьмя или шестью продольными высверленными отверстиями; через,- которые многократно продевается медный лакированный провод (0,5-0,7 мм). Вариант конструкщ^и фильтра помех представлен на рис. 37.

Если несмотря на все меры устройство дистанщюнного управления все же продолжает создавать помехи, то при определенных условиях.их м[ожно ослабить путем уменьшения нагрузки (замены судового винта на другой, меньшего диаметра или с меньшим шагом) и выбора соответствующего режима работы двигателя (напряжение питания не должно превышать номинальное).

Мы знакомимся с первым полупроводниковым элементом - диодом-выпрямителем

В последние годы достигнуты колоссальные успехи в развитии полупроводниковой техники. Использование полупроводниковых элементов позволяет нам самостоятельно мастерить весьма экономичные, надежные в работе модели с дистанщюнным управлением. В рамках этой книги из всего множества полупроводниковых элементов мы познакомимся поближе лишь с двумя: диодом и транзистором.

Механизм проводимости в полупроводниках

Прежде всего поясним само понятие - полупроводник. Нам знакомы уже материалы, резко отличающиеся друг от друга по проводимости: медь (как проводник с весьма незначительным электрическим сопротивлением), уголь или высокоомный провод (как материал для изготовления резисторов) и различные пластмассы (как изолящюнный материал, обладающий очень высоким электрическим сопротивлением). Полупроводник занимает место между проводником и изолятором (диэлектриком). В некоторых условиях он ведет себя как проводник, при других обстоятельствах - как диэлектрик. Чем же это объясняется? Ис ходным материалом для полупроводниковых диодов служат почти исключительно германий (Ge) и кремний (Si). Из курсов физики и химии нам знакомо строение атома. Мы знаем, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по стабильным орбитам. Электронная оболочка атома германия состоит из 32 электронов, четыре из которых вращаются по его внешней орбите (рис. 38, а). Именно эти четыре электрона, называемые валентными, существенным образом определяют его свойства. Атом германия стремится приобрести устойчивую структуру, присущую атомам инертных .газов и отличающуюся тем, что на внешней их орбите находится всегда строго определенное число электронов (например, 2, 8, 18 и т. д.). Таким образом, для приобретения подобной структуры атому германия потребовалось бы принять на внешнюю орбиту еще четыре электрона. Практически это осуществляется за счет того, что каждый валентный электрон объединяется в электронную пару с валентным электроном соседнего атома. Орбита каждого из валентных электронов становится общей для двух соседшх атомов, а сами атомы германия приобретают устойчивую структуру, характерную ддя атомов инертных газов. Связи, возникающие при этом в кристалле германия, называют парно-электронными или ковалентными.

Электронная пара

Рис. 38. Германий: а - роение атома; б - строение кристаллической решетки (к пояснению механизма собственной проводимости).

у Дополнительный.

-а. электрон проОодимости

Рис. 39. К возникновению примесных центров в кристаллической решетке германия: а - п-германий, легированный сурьмой (Sb) ; б - р-герма-ний, легированный индием (In).

Нас в основном, интересуют электрические свойства полупроводников. Как видно из рис. 38, б, все электроны на внешних орбитах атомов связаны со своими ядрами; свободных электронов нет. Такой кристалл ведет себя электрически как изолятор (диэлектрик) . Под воздействием окружающей температ)фы атомы в узлах кристаллической решетки будут колебаться относительно положения покоя. В силу различных обстоятельств отдельные электроны время от времени мог)т: Отрываться от своего атома и свободно перемещаться в кристалле. В том месте, откуда ушел валентный, электрон и где, следовательно, теперь недостает отрицательного заряда, образуется положительный пространственный заряд, именуемый дыркой. Такая дырка может быть заполнена электроном с внешней орбиты соседнего атома, в результате чего этот атом также при-

Граничный слой

п-германаа

!. jl

А

J Потенциал ]относительно = 0

Рис. 40. К рассмотрению физических процессов в р-п-переходе: а - положение граничного слоя; б - изменение плотности носителей заряда; в - изменение пространственного заряда и потенциала.

обретает положительный заряд. Так эстафетным порядком дырка может хаотично перемещаться по всему кристаллу. Если к кристаллу приложить электрическое напряжение, то свйбоднь£е электроны потекут к положительному полюсу, а дырки (в таком же количестве) - к отрицательному. Для нас важно знать, что электрическая проводимость полупроводника в равной мере определяется как электронами (носителями отрицательного заряда), так и дырками (носителями положительного заряда). С ростом температуры собственная проводимость кристалла (электрическая проводимость беспримесного вещества) все более возрастает. При низких температурах германий ведет себя как диэлектрик, при высоких - как электрический проводник.

Однако на электропроводность германия можно влиять и иным путем. В узлы кристаллической решетки внедряют в качестве примесных посторонние атомы (этот процесс носит название легирования), имеющие пять или три валентных электрона.. Примеси с тремя валентными электронами называют акцепторами, с пятью - донорами. Но ведь для образования ковалентных связей требуются, как указывалось выше, четыре валентных электрона. Поэтому в зависимости от типа примесей в кристалле образуются либо дополнительные электроны проводимости, либо дырки (рис. 39), число и подвижность которых уже при комнатной температуре весьма значительны. Таким образом, электрическая проводимость германия в результате легирования существенно возрастает. Германий с избыточными электронами проводимости называют и-герма-нием, с избыточными дырками - р-германием. Электрическая проводимость р-германия определяется дырками, поэтому их называют здесь основными носителями заряда, а электроны проводимости - неосновными. В п-германии - наоборот.

Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как-говорят, в /)-п-переходе (рис. 40).

При контакте плоских шлифов р- и п-германия образуется граничный слой, в котором носители отрицательного и положительного зарядов оказывают взаимное влияние друг на друга. Вследствие диффузии нос№ телей заряда в п-области возникает положительный, а в р-области - отрицательный пространственный заряд (рис. 40, е). Разность потенциалов между п- и рюбластями носит название контактной разности потенциалов (у германия ~0,25 В).

Стоит приложить к переходу электрическое напряжение, как равновесие в граничном слое сразу нарушается. На рис. 41, а приложенное напряжение направлено навстречу контактной разности потенциалов. Оно способствует притеканию основных носителей заряда в граничный слой. Благодаря этому контактная разность потенциалов уменьшается и граничный слой становится очень узким (незначительное электрическое сопротивление). Переход оказывается включенным в пропускном направлении; через него протекает большой ток.

При изменении полярности приложенного напряжения (рис. 41, б) основные носители начинают отсасываться из контактного слоя. Возникает высокий потенциальный барьер, преодолеть который основные

Ший граничный слои

п-германии

р-германии

Расширенный граничный слои

п-германаа

р-германии

.Обратный ток I ! I

Повышение потенциаль-.ного Барьера

Рис. 41. К рассмотрению физических процессов в р-п-переходе при приложении напряжения: а - в пропускном направлении; б - в запорном направлении.

носители практически не в состоянии (высокое электрическое сопротивление). Переход оказывается включенным в запорном направлении. К неосновным носителям (электроны проводимости в р-области и дырки в п-области) сказанное не относится. Их прохождению через граничный слой приложенное напряжение не препятствует. Возникает ток неосновных носителей, называемый обратным током. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно ниже, чем основных, обратный ток существенно меньше прямого. Поэтому говорят, что р-п-перехоц обладает выпрямляющим эффектом.

Теперь дадим определение, что же такое полупроводниковый диод.

Полупроводниковыми диодами называются приборы, основанные на использовании выпрямительного эффекта германиевого (или кремниевого) />-п-перехода и включающие в себя один такой переход или целую их комбинацию.

Мы снимаем хгирактеристики диодов

Как уже говорилось выше, диоды ведут себя гю-разному в зависимости от того, в пропускном или запорном направлении включен р-п-переход. Поэтому для исследования их свойств будем пользоваться двумя различными схемами. Прежде всего остановимся на особенностях самих измерительных схем. В схеме для снятия характеристики в пропускном направлении (его называют также прямым) , приведенной на рис. 42, а, амперметр измеряет с)му прямого тока и тока, протекающего через вольтметр. Будем называть эду схему схелой с погрешностью по току, поскольку при измерении тока в данном случае заведомо будет допущена ошибка. Неточность измерения, правда, весьма незначительна, так как ток через вольтметр очень мал, около 50 мкА, тогда как измеряемый ток составляет от 1 до 10 мА. Если вольтметр включить до ампер-

25мА JDO Ом

т

2,5В

0 57 v:

250шА

1кОм

Рис. 42. Схемы для снятия вольт-амперных характеристик диодов: с - в пропускном направлении; б - в запорном направлении.

А - анод; К- катод,

метра, то он будет показывать сумму падений напряжений на диоде и на амперметре. В этом случае мы имеем дело со схемой с погрешностью по напряжению. При напряжениях 0,2-0,7 В погрешность измерения окажется значительно больше (на амперметре падает ~0,2 В), чем в случае схемы с погрешностью по току. Таким образом, перед каждым измерением необходимо сперва выбрать способ измерения. При снятии характеристики в запорном направлении (его называют также обратным) выгоднее применять схему с погрешностью по напряжению (рис. 42, б): ток через диод будет в этом случае того же порядка, что и ток через вольтметр.

Снимем сначала характеристику в прямом направлении. Подводимое напряжение будем изменять с таким расчетом, чтобы измеряемые значения тока укладывались в диапазон от О до 10 мА. В соответствии с результатами измерений построим график. Во втором опыте снимем характеристику в обратном направлении. Оказывается, что даже если напряжение в обратном направлении будет во много раз превышать напряжение в прямом направлении, ток через диод будет сущестеенно меньше. У германиевых диодов он составляет несколько микроампер, а у кремниевых настолько мал (наноамперы), что измерить его нашим авометром просто невозможно. С целью наглядного графического представления прямого и обратного токов выберем для них разные масштабы.

Характеристика (рис. 43) подтверждает наши соображения о принципе действия диода. В пропускном направлении уже при сравнительно небольших напряжениях (/ р через диод течет весь прямой ток 1 р, в запорном же направлении даже при значительно более высоких напряжениях (Уобр - лишь едва заметный обратный ток / обр. сила которого зависит исключительно от собственной проводимости кристалла. Стоит коснуться диода пальцем, как тепло руки вызовет уже заметное приращение обратного тока. Повышая обратное напряжение до значений, превосходящих указанное в паспорте максимально допустимое (у диода GA 100 (7обр = 20 В), замечаем, что ток в запорном направлении резко возрастает (штриховая часть характеристики). Это происходит из-за того, что под действием сильного электрического поля носители зарядов вырываются в запорном слое из кристаллических связей. Собственная проводимость растет при этом лавинообразно. Данное явление называют электрическим пробоем; оно используется в специальных диодах (стабилитронах) .

-ID -8 -6 -Ч -Г 05У7ОС/П6

Рис. 43. Вольт-амперная характеристика германиевого диода GA 100.

-2S -SO

0,5 1,0

V p,B

Зависимость токов от температуры и электрический пробой - в диодах явления нежелательные, поскольку ток должен по возможности протекать только в одном направлении. По сравнению с германиевыми диодами в кремниевых оба эти явления выражены существенно слабее (меньше обратный ток и слабее зависимость его от температуры, более высокие напряжения пробоя). Это объясняется специфическими свойствами кремния как полупроводникового вещества. Для сравнения диодов, изготовленных из германия и кремния, снимем вольг-амперную характеристику кремниевого диода в пропускном направлении. Для получения характеристики этого диода в запорном направлении у нас нет измерительного прибора (амперметра с наноамперной шкалой).

В процессе опытов мы видим, что у различных диодов одного и того же типе численные значения измеренных величин различаются между собой. Это типичное свойство полупроводниковых элементов, параметры и характеристики которых имеют разброс в пределах некоторого определенного диапазона. Для наших целей важно знать лишь то, что характеристики всех экземпляров диодов какого-либо определенного типа однородны и что разброс их параметров не выходит за допустимые пределы.

Что еще мы должны Из предьщущего изложения мы уже знаем,

знать о диодах какие из параметров важны для эксплуатации

диодов. В паспортных данных в качестве важнейших приводятся следующие параметры: Lnp - падение напряжения в прямом направлении для определенного значения прямого тока;

/пр - прямой ток при напряжении 1 В;

4бр - обратное напряжение для определенного значения обратного тока;

/обр - обратный ток при обратном напряжении 50 В.

Весьма важны также и предельно допустимые эксплуатационные данные, которые ни в коем случае не могут быть превышены (см. приложение 4):

4)бр max - максимальное обратное напряжение (при превышении его запорный слой разрушается вследствие электрического пробоя);

пр max - максимальное значение выпрямленного тока (при превышении его диод разрушается из-за сильного перегрева);

max - полная мощность потерь.

7 /1

Рис. 44. Конструкция диодов: a - германиевого точечного; б - германиевого плоскостного; в - кремниевого планарного.

1 - цветное кольцо; 2 - кристалл германия; 3 - контактная пружина; 4 - стекло; 5 - анодный вывод; 6 - катодный вывод; 7 - анод; 8- кристалл кремния.

Все эти данные относятся к определенной температуре окружающей среды (чаще всего 25°С). Остальные параметры имеют для нас лишь второстепенное значение.

Познакомимся теперь поближе с диодами различных типов и особенностями их применения (рис. 44 и 45).

У точечных диодов острие вольфрамовой пружинки (анод) касается кристалла п-германия (катода), в результате чего в кристалле вокруг этого острия образуется запорный слой. Для защиты от механических повреждений эта система запаивается в стеклянную трубочку. Катодный вывод помечается кольцом (чаще всего цветным). Германиевые диоды, выпускаемые в ГДР, обозначаются буквами GA и числом*.

Полупроводниковые точечные диоды с успехом можно применять в высокочастотных выпрямителях (в качестве детекторов).

Рис. 45. Типы диодов: а - кремниевый переключательный диод в пластмассовом корпусе; б - кремниевый выпрямительный диод; в - кремниевый стабилитрон.

*Все диоды, выпускаемые в СССР, обозначаются буквой Д и числом, по которому можно определить тип диода и узнать, из какого материала он изготовлен. Так, точечные германиевые диоды имеют числа от О до 100, кремниевые - от 101 до 200.

13,5в-г

бал

Рис. 46. Схема для эксперимента со стабилитроном.

В тех случаях, когда требуется обеспечить протекание сильных токов, следует применять плоскостные диоды со значительно большей поверхностью запорного слоя, чем у точечных диодов (иначе они были бы разрушены от перегревания). Такие диоды изготовляют, например, путем вплавления в кристалл германия с электронной проводимостью таблетки индия. Атомы индия проникают в кристалл и образуют в нем зону с дырочной проводимостью. На границе р-п-перехода образуется запорный слой. В зависимости от мощности потерь существуют различные конструктивные варианты таких диодов в стеклянном или пластмассовом корпусе. У диодов, рассчитанных на большие мощности потерь, корпус металлический (большей частью с нарезным штифтом, на который можно навинчивать радиатор для отвода тепла).

В настоящее время плоскостные диоды все больше изготовляют из кремния путем диффузии, вследствие чего их эксплуатационные характеристики существенно вьрше, чем у германиевых, которых они постепенно вытесняют.

.Особой разновидностью кремниевых плоскостных диодов являются плашрные диоды, высоконадежные и сравнительно недорогие. На рис. 43 представлена характеристика планарного диода, демонстрирующая типичные для него свойства. Таким свойством является, например, резкий рост обратного тока при превышении допустимого значения обратного напряжения. Особенно заметно проявляется это свойство у стабилитронов, которые применяют главным образом для стабилизации напряжения, а также для получения опорных напряжений.

Принцип действия схемы стабилизации поясним с помощью несложного опыта. Соберем на экспериментальной плате схему, изображенную на рис. 46. Если входное напряжение (У^х повышать с помощью потенциометра Ri от о до 13,5 В, то выходное напряжение tbix будет повышаться в той же степени вплоть до значения 6,8 В, а дальше останется постоянным. Таким образом, мы видим, что эффект стабилизации наступает лишь при некотором пороговом напряжении t/вх = ц;т, но зато при дальнейшем достаточно значительном повышении напряжения действие стабилизации сохраняется. Для электронных приборов весьма важно, чтобы напряжение питания, (в нашем примере tbix) сохранялось постоянным даже при' подсевших батареях. Если в случае понижения входного на-