Самодельный транзистор из диодов. Транзисторный эффект

Альтернативные источники электроэнергии набирают популярность с каждым годом. Постоянные повышения тарифов на электроэнергию способствуют этой тенденции. Одна из причин, заставляющая людей искать нетрадиционные источники питания - это полное отсутствие возможности подключения к сетям общего пользования.

Наиболее востребованными на рынке альтернативных источников питания являются . Эти источники используют эффект получения электрического тока при воздействии солнечной энергии на полупроводниковые структуры, изготовленные из чистого кремния.

Первые солнечные фотопластины были слишком дорогими, их использование для получения электроэнергии не было рентабельным. Технологии производства кремниевых солнечных батарей постоянно совершенствуются и сейчас можно приобрести по доступной цене.

Энергия света бесплатна, и если мини-электростанции на кремниевых элементах будут достаточно дешевы, то такие альтернативные источники питания станут рентабельными и получат очень широкое распространение.

Подходящие подручные материалы

Схема солнечной батареи на диодах Многие горячие головы задают себе вопрос: а можно ли из подручных материалов. Конечно же, можно! У многих со времен СССР сохранилось большое количество старых транзисторов. Это наиболее подходящий материал для создания мини-электростанции собственными руками.

Также можно изготовить солнечную батарею из кремниевых диодов. Еще одним материалом для изготовления солнечных батарей является медная фольга. При применении фольги для получения разницы потенциалов используется фотоэлектрохимическая реакция.

Этапы изготовления транзисторной модели

Подбор деталей

Наиболее подходящими, для изготовления солнечных батарей, являются мощные кремниевые транзисторы с буквенной маркировкой КТ или П. Внутри они имеют большую полупроводниковую пластину, способную генерировать электрический ток под воздействием солнечных лучей.

Совет специалистов: подбирайте транзисторы одного наименования, так как у них одинаковые технические характеристики и ваша солнечная батарея будет стабильнее в работе.

Транзисторы должны быть в рабочем состоянии, в противном случае толку от них не будет. На фото представлен образец такого полупроводникового прибора, но можно взять транзистор и другой формы, главное, он должен быть кремниевым.

Следующий этап – это механическая подготовка ваших транзисторов. Необходимо, механическим путем, удалить верхнюю часть корпуса. Проще всего произвести эту операцию с помощью небольшой ножовки по металлу.

Подготовка

Зажмите транзистор в тисках и аккуратно сделайте пропил по контуру корпуса. Вы видите кремниевую пластину, которая будет выполнять роль фотоэлемента. Транзисторы имеют три вывода – базу, коллектор и эмиттер.

В зависимости от структуры транзистора (p-n-p или n-p-n), будет определена полярность нашей батареи. Для транзистора КТ819 база будет плюсом, эмиттер и коллектор минусом.

Наибольшая разница потенциалов, при подаче света на пластину, создается между базой и коллектором. Поэтому в нашей солнечной батарее будем использовать коллекторный переход транзистора.

Проверка

После спиливания корпуса транзисторов их необходимо проверить на работоспособность. Для этого нам необходим цифровой мультиметр и источник света.

Базу транзистора подключаем к плюсовому проводу мультиметра, а коллектор к минусовому. Измерительный прибор включаем в режим контроля напряжения с диапазоном 1В.

Направляем источник света на кремниевую пластину и контролируем уровень напряжения. Оно должно быть в пределах от 0.3В до 0.7В. В большинстве случаев один транзистор создает разницу потенциалов 0.35В и силу тока 0.25 мкА.

Для подзарядки сотового телефона нам необходимо создать солнечную панель примерно из 1000-ти транзисторов, которая будет выдавать ток в 200-ти мА.

Сборка

Собирать солнечную батарею из транзисторов можно на любой плоской пластине из материала, не проводящего электричество. Все зависит от вашей фантазии.

При параллельном соединении транзисторов увеличивается сила тока, а при последовательном повышается напряжение источника.

Кроме транзисторов, диодов и медной фольги для изготовления солнечных батарей можно использовать алюминиевые банки, например, пивные, но это будут батареи нагревающие воду, а не вырабатывающие электроэнергию.

Смотрите видео, в котором специалист подробно объясняет, как сделать солнечную батарею из транзисторов своими руками:

Количество областей применения устройств, называемых солнечными батареями, увеличивается с каждым днем. Они находят все более широкое применение в военно-космических отраслях, промышленности, сельском хозяйстве, в быту. Несмотря на то что приобрести такую батарею по разумной цене становится все проще, интересно изготовить ее своими руками.

В этой статье даются практические советы по изготовлению своими руками солнечной батареи, которая может использоваться как источник тока для маломощных радиолюбительских конструкций.

Самодельная солнечная батарея из диодов или транзисторов - устройство, интересное не только с точки зрения практического применения, но и для понимания принципа ее работы. Причем для ее изготовления лучше использовать полупроводниковые приборы, выпущенные 30-40 лет назад.

Как работает солнечная батарея?

Солнечная батарея как устройство, преобразующее энергию света в электрическую энергию, известно уже достаточно давно. Ее работа основана на явлении внутреннего фотоэффекта в p-n переходе. Внутренний фотоэффект - явление возникновения в полупроводнике дополнительных носителей тока (электронов или дырок) при поглощении света.

Электроны и дырки разделяются p-n переходом так, что электроны концентрируются в n-области, а дырки - в p-области, в результате между этими областями возникает ЭДС. Если к ним подключить внешнюю нагрузку, то при освещении p-n перехода в ней возникнет ток. Энергия солнца превращается в электрическую энергию.

ЭДС и сила тока в таком полупроводнике определяется следующими факторами:

• материалом полупроводника (германий, кремний и т.д.);
• площадью поверхности р-n перехода;
• освещенностью этого перехода.

Сила тока, создаваемая одним элементом, очень мала, и для достижения желаемого результата нужно собирать модули из большого числа таких элементов. Такой источник тока не боится коротких замечаний, поскольку величина силы тока, создаваемого им, ограничена некоторым максимальным значением - обычно несколько миллиампер.

Самодельная солнечная батарея из полупроводниковых диодов или транзисторов

Необходимые для создания солнечной батареи р-n переходы есть и у полупроводниковых диодов, и у транзисторов. У диода 1 р-n переход, а транзистор имеет 2 таких перехода - между базой и коллектором, между базой и эмиттером. Возможность использования полупроводникового прибора в этом качестве определяется 2-мя условиями:

• должна существовать возможность открыть р-n переход;
• площадь р-n перехода должна быть достаточно большой.

Самодельная транзисторная солнечная батарея

Второе условие обычно выполняется для мощных плоскостных транзисторов. Кремниевый n-р-n транзистор КТ801 (а) интересен тем, что у него легко открыть переход. Достаточно надавить плоскогубцами крышку и аккуратно снять ее. У мощных германиевых транзисторов П210-П217 (б) нужно аккуратно разрезать крышку по линии АА и снять ее.

Подготовленные транзисторы, прежде чем использовать их в качестве элементов солнечной батареи, следует проверить. Для этого можно использовать обычный мультиметр. Переключив прибор в режим измерения тока (предел несколько миллиампер), включить его между базой и коллектором или эмиттером транзистора, переход которого хорошо освещен. Прибор должен показать небольшой ток - обычно доли миллиампера, реже чуть больше 1 мА. Переключив мультиметр в режим измерения напряжения (предел 1-3 В), мы должны получить значение выходного напряжения порядка нескольких десятых долей вольта. Желательно рассортировать их по группам с близкими значениями выходных напряжений.

Для увеличения выходного тока и рабочего напряжения применяется смешанное соединение элементов. Внутри групп элементы с близкими значениями выходных напряжений соединяются параллельно. Общий выходной ток группы равен сумме токов отдельных элементов. Группы между собой включаются последовательно. Их выходные напряжения складываются. Для транзисторов со структурой n-р-n полярность выходного напряжения будет противоположной.

Для сборки источника тока лучше разработать монтажную плату из фольгированного стеклотекстолита. После распайки элементов, плату лучше поместить в корпус подходящих размеров и закрыть сверху пластиной из оргстекла. Источник тока из нескольких десятков транзисторов генерирует напряжение в несколько вольт при выходном токе в несколько миллиампер. Ее можно использовать для подзарядки маломощных аккумуляторов, для питания маломощного радиоприемника и других маломощных электронных устройств.

Самодельная диодная солнечная батарея

Может быть изготовлена своими руками и солнечная батарея на диодах. В качестве примера опишем изготовление батарей на плоскостных кремниевых диодах КД202. . Вместо них можно использовать другие полупроводниковые выпрямители: Д242, Д237, Д226 и т.д.

Чтобы открыть р-n переход диода КД202, нужно проделать следующие операции:

1. Зажав диод в тисках за фланец, отрезать, а затем аккуратно расправить вывод анода, чтобы потом можно было легко освободить припаянный к р-n переходу медный провод.
2. Приложив к сварному соединению нож или другой острый предмет, легкими ударами, поворачивая в тисках диод, отделить защитный фланец.

Примерно так же можно отделить защитный фланец и других диодов.

В солнечной батарее подготовленные диоды, как и транзисторы в приведенной выше схеме, соединяются смешанно. В каждой группе элементы также соединяются параллельно: с одной стороны между собой соединяются аноды диодов, а с другой - катоды. Отбирать элементы по группам можно так же, как и транзисторы. Чем больше в таком источнике тока отдельных элементов, тем больше его мощность.

Источник тока из 5 групп по 10 диодов генерирует напряжение порядка 2,5 В при силе тока 20-25 мА. Для изготовления самодельного источника тока допустимо использование выпрямительных диодов малой мощности типа Д223. Они удобны тем, что у них легко открыть для света р-n переход. Для этого достаточно подержать их некоторое время в ацетоне, после чего защитная краска легко очищается со стеклянного корпуса.

Не забывайте, что при работе с полупроводниковыми приборами, не следует забывать, что они легко выходят из строя при перегреве. Для пайки следует применять легкоплавкий припой и маломощный паяльник, стараясь не прогревать слишком долго место спайки.

Нетрудно заметить, что изготовление и сборка самодельной полупроводниковой солнечной батареи - задача не очень сложная для человека, знакомого с азами конструирования электронных устройств. Попробуйте - у вас все получится!

Чистые полупроводники имеют одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такие полупроводники для изготовления полупроводниковых приборов не используются, о чем было сказано .

Для производства транзисторов (под ними в данном случае подразумеваются также диоды, микросхемы и собственно все полупроводниковые приборы) применяются полупроводники n и p типов: с электронной и дырочной проводимостью. В полупроводниках типа n основными носителями зарядов являются электроны, а в полупроводниках типа p - дырки.

Полупроводники с требуемым типом проводимости получаются путем легирования (добавления примесей) к чистым полупроводникам. Количество этих примесей невелико, но свойства полупроводника меняются до неузнаваемости.

Легирующие примеси

Транзисторы не были бы транзисторами, если бы в их производстве не применялись трех и пятивалентные элементы, которые используются в качестве легирующих примесей. Без этих элементов просто невозможно было бы создание полупроводников различной проводимости, создание p-n (читается пэ - эн) перехода и транзистора в целом.

В качестве трехвалентных примесей с одной стороны используются индий, галлий, алюминий. Их внешняя оболочка содержит всего 3 электрона. Такие примеси отбирают электроны у атомов полупроводника, в результате чего проводимость полупроводника становится дырочной. Такие элементы называются акцепторами - «берущий».

С другой стороны это сурьма и мышьяк, - пятивалентные элементы. На внешней орбите у них по 5 электронов. Вступая в стройные ряды кристаллической решетки, они не могут найти места для пятого электрона, он остается свободным, а проводимость полупроводника становится электронной или типа n. Такие примеси называются донорами - «дающий».

На рисунке 1 показана таблица химических элементов, которые находят применение в производстве транзисторов.

Рисунок 1. Влияние примесей на свойства полупроводников

Даже в химически чистом кристалле полупроводника, например, германия, содержатся примеси. Количество их невелико - один атом примеси на один миллиард атомов собственно германия. А в одном кубическом сантиметре получается примерно пятьдесят тысяч миллиардов чужеродных тел, которые называются примесными атомами. Вроде очень много?

Вот тут самое время вспомнить, что при токе в 1 A через проводник проходит заряд в 1 Кулон, или 6*10^18 (шесть миллиардов миллиардов) электронов в секунду. Другими словами примесных атомов «не так уж и много» и они придают полупроводнику совсем незначительную проводимость. Получается то ли плохой проводник, то ли не очень хороший изолятор. В общем, полупроводник.

Как получается полупроводник с проводимостью n

Давайте, посмотрим, что произойдет, если в кристалл германия ввести пятивалентный атом сурьмы или мышьяка. Достаточно наглядно это показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Введение в полупроводник 5-ти валентной примеси.

Небольшой комментарий к рисунку 2, который следовало бы сделать раньше. Каждая прямая между соседними атомами полупроводника на рисунке должна быть двойной, показывая, что в связи участвуют два электрона. Такая связь называется ковалентной и показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Ковалентная связь в кристалле кремния.

Для германия рисунок был бы абсолютно такой же.

Пятивалентный примесный атом внедряется в кристаллическую решетку, поскольку деваться ему просто некуда. Четыре валентных электрона из своих пяти он использует для создания ковалентных связей с соседними атомами, происходит внедрение в кристаллическую решетку. А вот пятый электрон останется свободным. Самое интересное в том, что атом самой примеси в этом случае становится положительным ионом.

Примесь в этом случае называют донором, она дает полупроводнику дополнительные электроны, которые будут основными носителями заряда в полупроводнике. Сам полупроводник, получивший дополнительные электроны от донора, будет полупроводником с электронной проводимостью или типа n - negative.

Примеси вводятся в полупроводники в небольших количествах, всего один атом на десять миллионов атомов германия или кремния. Но это в сто с лишним раз больше, чем содержание собственных примесей в самом чистом кристалле, о чем было написано чуть выше.

Если теперь к получившемуся полупроводнику типа n присоединить гальванический элемент, как показано на рисунке 4, то электроны (кружки с минусом внутри) под действием электрического поля батарейки устремятся к ее положительному выводу. Отрицательный полюс источника тока отдаст в кристалл столько же электронов. Поэтому через полупроводник потечет электрический ток.

Рисунок 4.

Шестиугольники, у которых внутри знак плюс, есть не что иное, как атомы примеси, отдавшие электроны. Теперь это положительные ионы. Итог выше сказанного таков: введение в полупроводник примеси - донора обеспечивает впрыск свободных электронов. В результате получается полупроводник с электронной проводимостью или типа n.

Если в полупроводник, германий или кремний, добавить атомы вещества с тремя электронами на внешней орбите, например индия, то результат будет, прямо сказать, противоположный. Это объединение показано на рисунке 5.

Рисунок 5. Введение в полупроводник 3-х валентной примеси.

Если теперь к такому кристаллу присоединить источник тока, то перемещение дырок примет упорядоченный характер. Фазы перемещения показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Фазы дырочной проводимости

Дырка, находящаяся в первом атоме справа, это как раз трехвалентный атом примеси, захватывает электрон у соседа слева, в результате чего в нем остается дырка. Эта дырка в свою очередь заполняется электроном, оторванным от соседа (на рисунке он опять слева).

Таким способом создается перемещение положительно заряженных дырок от положительного к отрицательному полюсу батареи. Так продолжается до тех пор, пока дырка не подойдет вплотную к отрицательному полюсу источника тока, и заполнится от него электроном. В то же время электрон из ближайшего к плюсовому выводу источника покидает свой атом, получается новая дырка и процесс повторяется сначала.

Чтобы не запутаться, какого типа получается полупроводник при введении примеси, достаточно запомнить, что в слове «донор» есть буква эн (negative) - получается полупроводник типа n. А в слове акцептор присутствует буква пэ (positive) - полупроводник с проводимостью p.

Обычные кристаллы, например, германия, в том виде, в котором они существуют в природе, для производства полупроводниковых приборов непригодны. Дело в том, что обычный природный кристалл германия состоит из сросшихся между собой маленьких кристаллов.

Сначала исходный материал очищался от примесей, после чего германий расплавляли и в полученный расплав опускали затравку, - маленький кристалл с правильной решеткой. Затравка медленно вращалась в расплаве и постепенно поднималась вверх. Расплав обволакивал затравку и остывая формировал монокристаллический стержень больших размеров с правильной кристаллической решеткой. Внешний вид полученного монокристалла показан на рисунке 7.

Рисунок 7.

В процессе изготовления монокристалла в расплав добавляли легирующую примесь месь p или n типа, тем самым получая требуемую проводимость кристалла. Этот кристалл разрезали на маленькие пластинки, которые в транзисторе становились базой.

Коллектор и эмиттер изготавливали разными способами. Самый простой сводился к тому, что на противоположные стороны пластинки подкладывали маленькие кусочки индия, которые приваривали, разогревая место контакта до 600 градусов. После остывания всей конструкции, насыщенные индием участки, приобретали проводимость типа p. Полученный кристалл устанавливали в корпус и присоединяли выводы, в результате чего получались сплавные плоскостные транзисторы. Конструкция этого транзистора показана на рисунке 8.

Рисунок 8.

Такие транзисторы выпускались в шестидесятых годах двадцатого века под маркой МП39, МП40, МП42 и т.п. Сейчас это уже практически музейный экспонат. Наибольшее применение находили транзисторы структуры туры p-n-p.

В 1955 году был разработан диффузионный транзистор. По этой технологии для образования областей коллектора и эмиттера пластинку германия помещали в газовую атмосферу, содержащую пары нужной примеси. В этой атмосфере пластинку нагревали до температуры чуть ниже точки плавления и выдерживали необходимое время. В результате атомы примеси проникали в кристаллическую решетку, образовывая p-n переходы. Такой техпроцесс известен как метод диффузии, а сами транзисторы получили название диффузионных.

Частотные свойства сплавных транзисторов, надо сказать, оставляют желать лучшего: граничная частота не более нескольких десятков мегагерц, что позволяет использовать их в качестве ключа на низких и средних частотах. Такие транзисторы получили название низкочастотных, и уверенно будут усиливать лишь частоты звукового диапазона. Хотя на смену сплавным германиевым транзисторам давно уже пришли кремниевые, германиевые транзисторы производятся до сих пор для специальных применений, где требуется низкое напряжение для смещения эмиттера в прямом направлении.

Кремниевые транзисторы выпускаются по планарной технологии. Это значит, что все переходы выходят на одну поверхность. Они почти полностью вытеснили германиевые транзисторы из схем на дискретных элементах и применяются как компоненты интегральных схем, где германий никогда не использовался. В настоящее время германиевый транзистор найти очень нелегко.

Продолжение читайте в следующей статье.

Вам нужно всего два компонента, чтобы собрать простейший инвертор, преобразующий постоянный ток 12 В в 220 В переменного тока.

Абсолютно никаких дорогих или дефицитных элементов или деталей. Все можно собрать за 5 минут! Даже паять не надо! Скрутил проволокой и все.

Что понадобиться для инвертора?

• Трансформатор от приемника, магнитофона, центра и т.п. Одна обмотка сетевая на 220 В, другая на 12 В.
• Реле на 12 В. Такие много где используются.
• Провода для подключения.

Сборка инвертора

Все сводиться к тому, чтобы подключить реле и трансформатор следующим образом. Первым делом на сетевую обмотку трансформатора накидываем нагрузку в виде светодиодной лампочки - это будет выход инвертора.
Затем низковольтную обмотку подключаем параллельно реле. Теперь один контакт идет на питание к аккумулятору, а второй подключаем к другому контакту аккумулятора, но только через замкнутый контакт реле. Плюс или минус значения не имеет.

Все! Ваш инвертер готов! Супер просто!
Подключаем к аккумулятору - он у нас в роли источника на 12 В и лампа на 220 В начинает светиться. При этом вы слышите писк реле.

Как же работает этот инвертер?

Все очень просто: когда вы подключаете питание все напряжение идет через замкнутые контакты на реле. Реле срабатывает и контакты размыкаются. В результате питание реле отключается и оно приводит контакты обратно на замкнутые. В результате чего цикл повторяется. А так как параллельно реле подключен повышающий трансформатор, мощные импульсы постоянного включения-выключения подаются ему и преобразуются в переменный высоковольтный ток. Частота такого преобразователя колеблется в пределах 60-70 Гц.
Конечно, такой инвертор не долговечен - рано или поздно реле выйдет из строя, но не жалко - оно стоит копейки или вообще бесплатно, если взять старое. А выходное напряжение по роду тока и разбросу просто ужасно. Но этот простейший преобразователь может вас выручить в какой-нибудь серьезной ситуации.

После того, как мы с вами стали изучать биполярные транзисторы, в личные сообщения стало приходить очень много сообщений именно про них. Самые распространенные вопросы звучат примерно так:

Если транзистор состоит из двух диодов, тогда почему бы просто не использовать два диода и не сделать из них простой транзистор?

Почему электрический ток течет от коллектора к эмиттеру (или наоборот), если транзистор состоит из двух диодов, которые соединены или катодами или анодами? Ведь ток потечет только через диод, включенный в прямом направлении, через другой он ведь течь не может?

А ведь правда ваша…Все логично… Но что-то мне кажется, что где-то есть подвох;-). А вот где эта самая “изюминка” мы и рассмотрим в этой статье…

Строение транзистора

Итак, как вы все помните из предыдущих статей, любой биполярный транзистор, скажем так, состоит из двух диодов. Для

эквивалентная схема выглядит вот так:

А для NPN транзистора

как-то вот так:

А что мудрить? Давайте проведем простой опыт!

У нас имеется всеми нами любимый советский транзистор КТ815Б. Он представляет из себя кремниевый транзистор NPN проводимости:

Собираем простую схемку с ОЭ (О бщим Э миттером), чтобы продемонстрировать его некоторые свойства. Этот опыт я показывал в предыдущих статьях. Но как говорится, повторение – мать учения.

Для демонстрации опыта нам понадобится маломощная лампочка накаливания и парочка Блоков питания . Собираем все это дело вот по такой схеме:

где у нас Bat1 – это блок питания, который у нас включается между базой и эмиттером, а Bat2 – блок питания, который у нас включается между коллектором и эмиттером, и в придачу последовательно цепляется еще лампочка.

Все это выглядит вот так:

Так как лампочка нормально светит при напряжении в 5 В, на Bat 2 я также выставил 5 В.

На Bat 1 плавно повышаем напряжение… и при напряжении в 0,6 В

у нас загорается лампочка. Следовательно, наш транзистор “открылся”

Но раз уж транзистор состоит из диодов, то почему бы нам не взять два диода и не “сделать” из них транзистор? Сказано – сделано. Собираем эквивалентную схему транзистора КТ815Б из двух диодов марки 1N4007.

На рисунке ниже я обозначил выводы диодов, как анод и катод, а также обозначил выводы “транзистора”.

Собираем все это дело по такой же схеме:

Так как наш транзистор КТ815Б были кремниевый, и диоды 1N4007 тоже кремниевые, то по идее транзистор из диодов должен открыться при напряжении 0,6-0,7 В. Добавляем напряжение на Bat1 до 0,7 В…

и…

нет, лампочка не горит ((

Если обратите внимание на блок питания Bat1, то можно увидеть, что потребление при 0,7 В составляло уже 0,14 А.

Проще говоря, если бы мы еще чуток поддали напряжение, то спалили бы диод “база-эмиттер”, если, конечно, вспомнить вольтамперная характеристику (ВАХ) диода.

Но почему, в чем дело? Почему транзистор КТ815Б, который по сути состоит из таких же кремниевых диодов пропускает через коллектор-эмиттер электрический ток, а два диода, спаянных также, не работают как транзистор? Где же зарыта собака?

А вы знаете, как в транзисторе расположены эти “диоды”? Если учесть, что N полупроводник – это хлеб, а тонкий слой ветчины – это P полупроводник, то в транзисторе они располагаются примерно вот так (на салат не смотрим):

Дело все в том, что база в транзисторе по ширине очень тонкая , как эта ветчина, а коллектор и эмиттер по ширине как эти половинки хлеба (немного преувеличиваю конечно, они чуть меньше), поэтому, транзистор, ведет себя как транзистор:-), то есть открывается и пропускает ток через коллектор-эмиттер.

Благодаря тому, что база очень тонкая по ширине, значит два P-N перехода находятся на очень маленьком расстоянии друг от друга и между ними происходит взаимодействие. Это взаимодействие называется транзисторным эффектом. А какой может быть транзисторный эффект между диодами, у которых расстояние между двумя P-N переходами как до Луны?