IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ИНДИКАТОР СКРЫТОЙ ПРОВОДКИ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ СО СВЕТОДИОДОМ
Позднякова Е.В.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Случайно я стала свидетелем того, как при установлении рекламного щита повредили электрическую проводку. Проблема поисков проводов, спрятанных под слоем штукатурки или обоев, заинтересовала меня. Промышленность выпускает множество таких заводских приборов, но я решила самостоятельно сделать индикатор скрытой проводки.

Цель: изготовить индикатор скрытой проводки для регистрации электрического поля, создаваемого переменным электрическим током в осветительной сети.

  • Объект: индикатор скрытой проводки на основе полевого транзистора со светодиодом.

  • Гипотеза: возможность использования полевого транзистора для обнаружения скрытой проводки.

  • Практическая значимость: определение места прохождения скрытой электрической проводки индикатором собственного изготовления.

Существует множество причин для того, чтобы самому искать скрытую электропроводку в бетонной стене.

Чаще всего проблема возникает в таких случаях:

  • Перепланировка квартиры. К примеру, Вы решили вырезать дверной проем в другом месте, но не знаете, где именно проходят токоведущие жилы.

  • Необходимость просверлить перегородку. Вдруг придется подключить настенное бра либо повесить телевизор на стену.

  • Интерес к существующим коммуникациям. Если Вы только купили новое жилье и не имеете представления о том, какой кабель и как именно проходит по стенам и потолку, где установлена распределительная коробка и т.д.

I. Основная часть

1.Теоретическая база для создания транзисторов

Трудно найти такую отрасль науки и техники, которая так же стремительно развивалась и оказала такое - же огромное влияние на все стороны жизнедеятельности человека, каждого отдельного и общества в целом, как электроника.

Как самостоятельное направление науки и техники электроника сформировалась благодаря электронной лампе. Сначала появились радиосвязь, радиовещание, радиолокация, телевидение, затем электронные системы управления, вычислительная техника и т.п. Но электронная лампа имеет неустранимые недостатки: большие габариты, высокое энергопотребление, большое время вхождения в рабочий режим, низкую надежность. В результате через 2-3 десятка лет существования ламповая электроника во многих применениях подошла к пределу своих возможностей.

Электронной лампе требовалась более компактная, экономичная и надежная замена. И она нашлась в виде полупроводникового транзистора. Его создание справедливо считают одним из величайших достижений научно-технической мысли двадцатого столетия, коренным образом изменившим мир. Оно было отмечено Нобелевской премией по физике, присужденной в 1956 г. американцам Джону Бардину, Уолтеру Браттейну и Уильяму Шокли. Но у нобелевской тройки в разных странах были предшественники. И это понятно. Появление транзисторов – результат многолетней работы многих выдающихся ученых и специалистов, которые в течении предшествующих десятилетий развивали науку о полупроводниках.

Советские ученые внесли в это общее дело огромный вклад. Очень много было сделано школой физики полупроводников академика А.Ф. Иоффе – пионера мировых исследований по физике полупроводников. Еще в 1931 году он опубликовал статью с пророческим названием: «Полупроводники – новые материалы электроники». Немалую заслугу в исследование полупроводников внесли Б.В. Курчатов и В.П. Жузе. В своей работе – «К вопросу об электропроводности закиси меди» в 1932 году они показали, что величина и тип электрической проводимости определяется концентрацией и природой примеси. Советский физик Я.Н. Френкель создал теорию возбуждения в полупроводниках парных носителей заряда: электронов и дырок. В 1931 г. англичанину Уилсону удалось создать теоретическую модель полупроводника, сформулировав при этом основы «зонной теории полупроводников». В 1938 г. Мотт в Англии, Б.Давыдов в СССР, Вальтер Шоттки в Германии независимо друг от друга предложили теорию выпрямляющего действия контакта металл-полупроводник. В 1939 году Б.Давыдов опубликовал работу «Диффузионная теория выпрямления в полупроводниках». В 1941 г. В. Е. Лашкарев опубликовал статью «Исследование запирающих слоев методом термозонда» и в соавторстве с К. М. Косоноговой - статью «Влияние примесей на вентильный фотоэффект в закиси меди». Он описал физику «запорного слоя» на границе раздела «медь - закись меди», впоследствии названного «p-n» переходом. В 1946 г. В. Лошкарев открыл биполярную диффузию неравновесных носителей тока в полупроводниках. Им же был раскрыт механизм инжекции – важнейшего явления, на основе которого действуют полупроводниковые диоды и транзисторы. Большой вклад в исследование свойств полупроводников внесли И.В.Курчатов, Ю.М.Кушнир, Л.Д.Ландау, В.М.Тучкевича, Ж.И.Алферов и др. Таким образом, к концу сороковых годов двадцатого века основы теоретической базы для создания транзисторов были проработаны достаточно глубоко, чтобы приступать к практическим работам.

  1. ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Первой известной попыткой создания кристаллического усилителя в США предпринял немецкий физик Юлиус Лилиенфельд, запатентовавший в 1930, 1932 и 1933 гг. три варианта усилителя на основе сульфида меди. В 1935 г. немецкий ученый Оскар Хейл получил британский патент на усилитель на основе пятиокиси ванадия. В 1938 г. немецкий физик Поль создал действующий образец кристаллического усилителя на нагретом кристалле бромида калия. В довоенные годы в Германии и Англии было выдано еще несколько аналогичных патентов. Эти усилители можно считать прообразом современных полевых транзисторов. Однако построить устойчиво работающие приборы не удавалось, т.к. в то время еще не было достаточно чистых материалов и технологий их обработки. В первой половине тридцатых годов точечные триоды изготовили двое радиолюбителей – канадец Ларри Кайзер и тринадцатилетний новозеландский школьник Роберт Адамс. В июне 1948 г. (до обнародования транзистора) изготовили свой вариант точечного германиевого триода, названный ими транзитроном, жившие тогда во Франции немецкие физики Роберт Поль и Рудольф Хилш. В начале 1949 г. было организовано производство транзитронов, применялись они в телефонном оборудовании, причем работали лучше и дольше американских транзисторов. В России в 20-х годах в Нижнем Новгороде О.В.Лосев наблюдал транзисторный эффект в системе из трех - четырех контактов на поверхности кремния и корборунда. В середине 1939 г. он писал: «…с полупроводниками может быть построена трехэлектродная система, аналогичная триоду», но увлекся открытым им светодиодным эффектом и не реализовал эту идею. К транзистору вело множество дорог.

Выше описанные примеры проектов и образцов транзисторов были результатами локальных всплесков мысли талантливых или удачливых людей, не подкрепленные достаточной экономической и организационной поддержкой и не сыгравшие серьезной роли в развитии электроники.

Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли оказались в лучших условиях. Они работали по единственной в мире целенаправленной долговременной (более 5 лет) программе с достаточным финансовым и материальным обеспечением в фирме Bell Telephone Laboratories, тогда одной из самых мощных и наукоемких в США. Их работы были начаты еще во второй половине тридцатых годов, работу возглавил Джозеф Бекер, который привлек к ней высококлассного теоретика У. Шокли и блестящего экспериментатора У. Браттейна. В 1939 г. Шокли выдвинул идею изменять проводимость тонкой пластины полупроводника (оксида меди), воздействуя на нее внешним электрическим полем. Это было нечто, напоминающее и патент Ю. Лилиенфельда, и позже сделанный и ставший массовым полевой транзистор.

В 1940 г. Шокли и Браттейн приняли удачное решение ограничить исследования только простыми элементами – германием и кремнием. Однако все попытки построить твердотельный усилитель ни к чему не привели, и после Пирл-Харбора (практическое начало Второй мировой войны для США) были положены в долгий ящик. Шоккли и Браттейн были направлены в исследовательский центр, работавший над созданием радаров. В 1945 г. оба возвратились в Bell Labs. Там под руководством Шокли была создана сильная команда из физиков, химиков и инженеров для работы над твердотельными приборами. В нее вошли У. Браттейн и физик-теоретик Дж. Бардин.

Шокли сориентировал группу на реализацию своей довоенной идеи. Но устройство упорно отказывалось работать, и Шокли, поручив Бардину и Браттейну довести его до ума, сам практически устранился от этой темы. Два года упорного труда принесли лишь отрицательные результаты. Бардин предположил, что избыточные электроны прочно оседали в приповерхностных областях и экранировали внешнее поле. Эта гипотеза подсказала дальнейшие действия. Плоский управляющий электрод заменили острием, пытаясь локально воздействовать на тонкий приповерхностный слой полупроводника.

Однажды Браттейн нечаянно почти вплотную сблизил два игольчатых электрода на поверхности германия, да еще перепутал полярность напряжений питания, и вдруг заметил влияние тока одного электрода на ток другого. Бардин мгновенно оценил ошибку. А 16 декабря 1947 г. у них заработал твердотельный усилитель, который и считают первым в мире транзистором.

Устроен он был очень просто – на металлической подложке-электроде лежала пластинка германия, в которую упирались два близко расположенных (10-15 мкм) контакта. Оригинально были сделаны эти контакты. Треугольный пластмассовый нож, обернутый золотой фольгой, разрезанной надвое бритвой по вершине треугольника. Треугольник прижимался к германиевой пластинке специальной пружиной, изготовленной из изогнутой канцелярской скрепки. Через неделю, 23 декабря 1947 г. прибор был продемонстрирован руководству фирмы, этот день и считается датой рождения транзистора. Все были рады результатом, кроме Шокли: получилось, что он, раньше всех задумавший полупроводниковый усилитель, руководивший группой специалистов, читавший им лекции по квантовой теории полупроводников – не участвовал в его создании. Да и транзистор получился не такой, как Шокли задумывал: биполярный, а не полевой. Следовательно на соавторство в «звездном» патенте он претендовать не мог. Прибор работал, но широкой публике эту внешне несуразную конструкцию показывать было нельзя. Изготовили несколько транзисторов в виде металлических цилиндриков диаметром около 13 мм. и собрали на них «безламповый» радиоприемник.

30 июня 1948 г. в Нью-Йорке состоялась официальная презентация нового прибора – транзистора (от англ. Transver Resistor – трансформатор сопротивлений). Но специалисты не сразу оценили его возможности. Эксперты из Пентагона «приговорили» транзистор к использованию лишь в слуховых аппаратах для старичков. Так близорукость военных спасла транзистор от засекречивания. Презентация осталась почти незамеченной, лишь пара абзацев о транзисторе появилась в «Нью-Йорк Тайме» на 46 странице в разделе «Новости радио». Таким было явление миру одного из величайших открытий XX века. Даже изготовители электронных ламп, вложившие многие миллионы в свои заводы, в появлении транзистора угрозы не увидели. Позже, в июле 1948 года, информация об этом изобретении появилась в журнале «The Physical Review». Но только через некоторое в время специалисты поняли, что произошло грандиозное событие, определившее дальнейшее развитие прогресса в мире. Bell Labs сразу оформила патент на это революционное изобретение, но с технологией было масса проблем.

Первые транзисторы, поступившие в продажу в 1948 году, не внушали оптимизма – стоило их потрясти, и коэффициент усиления менялся в несколько раз, а при нагревании они и вовсе переставали работать. Но зато им не было равных в миниатюрности. Аппараты для людей с пониженным слухом можно было поместить в оправе очков! Поняв, что вряд ли она сама сможет справиться со всеми технологическими проблемами, Bell Labs решилась на необычный шаг. В начале 1952 года она объявила, что полностью передаст права на изготовление транзистора всем компаниям, готовым выложить довольно скромную сумму в 25 000 долларов вместо регулярных выплат за пользование патентом, и предложила обучающие курсы по транзисторной технологии, помогая распространению технологии по всему миру. Постепенно росла очевидность важности этого миниатюрного устройства.

Транзистор оказался привлекательным по следующим причинам: был дешев, миниатюрен, прочен, потреблял мало мощности и мгновенно включался (лампы долго нагревались). В 1953 г. на рынке появилось первое коммерческое транзисторное изделие – слуховой аппарат (пионером в этом деле выступил Джон Килби из ф. Centralab , который через несколько лет сделает первую в мире полупроводниковую микросхему), а в октябре 1954 г. – первый транзисторный радиоприемник Regency TR1, в нем использовалось всего четыре германиевых транзистора. Немедленно принялась осваивать новые приборы и индустрия вычислительной техники, первой была фирма IBM . Доступность технологии дала свои плоды - мир начал стремительно меняться.

  1. ВИДЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Дж. Бардин и У.Браттейн нечаянно получили не полевой транзистор, как планировал Шокли, а биполярный, он быстро разобрался в сделанном. Позднее Шокли вспоминал о своей «страстной неделе», в течение которой он создал теорию инжекции, а в новогоднюю ночь изобрел плоскостной биполярный транзистор без экзотических иголочек. Что бы создать что-то новое, Шокли по-новому взглянул на давно известное – на точечный и плоскостный полупроводниковые диоды, на физику работы плоскостного «p - n» перехода, легко поддающуюся теоретическому анализу. Поскольку точечный транзистор представляет собой два очень сближенные диода, Шокли провел теоретическое исследования пары аналогично сближенных плоскостных диодов и создал основы теории плоскостного биполярного транзистора в кристалле полупроводника, содержащего два «p - n» перехода.

Плоскостные транзисторы обладают рядом преимуществ перед точечными: они более доступны теоретическому анализу, обладают более низким уровнем шумов, обеспечивают большую мощность и, главное, более высокие повторяемость параметров и надежность. Но, пожалуй, главным их преимуществом была легко автоматизируемая технология, исключающая сложные операции изготовления, установки и позиционирования подпружиненных иголочек, а также обеспечивавшая дальнейшую миниатюризацию приборов. 30 июня 1948 г. в нью-йоркском офисе Bell Labs изобретение было впервые продемонстрировано руководству компании. Но оказалось, что создать серийно способный плоскостной транзистор гораздо труднее, чем точечный. Транзистор Браттейна и Бардина - чрезвычайно простое устройство. Его единственным полупроводниковым компонентом был кусочек относительно чистого и вполне тогда доступного германия. А вот техника легирования полупроводников в конце сороковых годов, необходимая для изготовления плоскостного транзистора, еще находилась в младенчестве, поэтому изготовление серийно способного транзистора «по Шокли» удалось только в 1951 г. В 1954 году Bell Labs разработала процессы окисления, фотолитографии, диффузии, которые на многие годы стали основой производства полупроводниковых приборов.

Точечный транзистор Бардина и Браттейна - безусловно, огромный прогресс по сравнению с электронными лампами. Но не он стал основой микроэлектроники, век его оказался короток, около 10 лет. Шокли быстро понял сделанное коллегами и создал плоскостной вариант биполярного транзистора, который жив и сегодня и будет жить, пока существует микроэлектроника. Патент на него он получил в 1951 г. А в 1952 г. У. Шокли создал и поле вой транзистор, так же им запатентованный. Так что свое участие в Нобелевской премии он заработал честно.

Первый полевой транзистор был запатентован в США в 1926/30гг., 1928/32гг. и 1928/33гг. Лилиенфельд - автор этих патентов. Он родился в 1882 году в Польше. С 1910 по 1926 г. был профессором Лейпцигского университета. В 1926 г. иммигрировал в США и подал заявку на патент. Предложенные Лилиенфельдом транзисторы не были внедрены в производство. Наиболее важная особенность изобретения Лилиенфельда заключается в том, что он понимал работу транзистора на принципе модуляции проводимости исходя из электростатики. В описании к патенту формулируется, что проводимость тонкой области полупроводникового канала модулируется входным сигналом, поступающим на затвор через входной трансформатор. В 1935 году в Англии получил патент на полевой транзистор немецкий изобретатель О.Хейл

  1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Первыми транзисторами выпущенными отечественной промышленностью были точечные транзисторы, которые предназначались для усиления и генерирования колебаний частотой до 5 МГц. В процессе производства первых в мире транзисторов были отработаны отдельные технологические процессы и разработаны методы контроля параметров. Накопленный опыт позволил перейти к выпуску более совершенных приборов, которые уже могли работать на частотах до 10 МГц. В дальнейшем на смену точечным транзисторам пришли плоскостные, обладающие более высокими электрическими и эксплуатационными качествами. Первые транзисторы типа П1 и П2 предназначались для усиления и генерирования электрических колебаний с частотой до 100 кГц.

Затем появились более мощные низкочастотные транзисторы П3 и П4 применение которых в 2-х тактных усилителях позволяло получить выходную мощность до нескольких десятков ватт. По мере развития полупроводниковой промышленности происходило освоение новых типов транзисторов, в том числе П5 и П6, которые по сравнению со своими предшественниками обладали улучшенными характеристиками.

Шло время, осваивались новые методы изготовления транзисторов, и транзисторы П1- П6 уже не удовлетворяли действующим требованиям и были сняты с производства. Вместо них появились транзисторы типа П13 – П16, П201 – П203, которые тоже относились к низкочастотным не превышающим 100 кГц. Столь низкий частотный предел объясняется способом изготовления этих транзисторов, осуществляемым методом сплавления.

Поэтому транзисторы П1-П6, П13-П16, П201- П203 называют сплавными. Транзисторы способные генерировать и усиливать электрические колебания с частотой в десятки и сотни МГц появились значительно позже – это были транзисторы типа П401 - П403, которые положили начало применению нового диффузионного метода изготовления полупроводниковых приборов. Такие транзисторы называют диффузионными. Дальнейшее развитие шло по пути совершенствования как сплавных, так и диффузионных транзисторов, а так же созданию и освоению новых методов их изготовления.

С появлением биполярных полевых транзисторов начали воплощаться идеи разработки малогабаритных ЭВМ. На их основе стали создавать бортовые электронные системы для авиационной и космической техники.

II. Практическая часть.

Существует множество разнообразных вариантов индикатора скрытой проводки заводского изготовления. В зависимости от принципов работы, такие детекторы принято разделять по физическим характеристикам электропроводки:

  • электростатические - осуществляющие свою функции по определению электрического поля, образуемого напряжением при подключении электричества. Это самая простая конструкция, которую легче всего изготовить своими руками;

  • электромагнитные – работающие за счет обнаружения электромагнитного поля, создаваемого электрическим током в проводах;

  • индуктивные детекторы металла – работающие подобно металлоискателю. Обнаружение металла проводников обесточенной

  • проводки происходит за счет появления изменений в электромагнитном поле, создаваемом самим детектором;

  • комбинированные приборы заводского изготовления, имеющие повышенную точность и чувствительность, но более дорогие по сравнению с остальными. Используются профессиональными строителями для работы в больших масштабах, где необходима высокая точность и производительность.

Наиболее простым по конструкции и легким в изготовлении индикатором скрытой проводки, является детектор, работающий по принципу регистрации электрического поля.

 

Рис.1 Индикатор скрытой проводки выполнен из корпуса старого зарядного устройства

Для изготовления простейшего индикатора скрытой проводки (Рис. 1) схема которого основана на использовании полевого транзистора, понадобятся такиедетали и инструменты:

  • паяльник, канифоль, припой;

  • канцелярский нож, пинцет, кусачки, отвёртка;

  • собственно сам полевой транзистор (любой из КП303);

  • элемент питания (батарейка от 1,5-4,5 В);

  • б/у корпус зарядного устройства;

  • светодиод;

  • изолента;

  • провода.

   

Рис.2 Полевой транзистор

Рис. 3 Схема индикатора скрытой проводки основана на использовании полевого транзистора

Транзистор используют для усиления слабых электрических сигналов или в качестве безинерциального ключа (Рис.2). У полевого транзистора, как и у обычного транзистора 3 электрода, но называют их иначе: затвор (аналогичен базе), сток (коллектор), исток (эмиттер).

Основой полевого транзистора служит пластина кремния (затвор), в которой имеется такая тонкая область, называемая каналом. По одну сторону канала расположен сток, по другую – исток. При подключении к истоку транзистора « - » полюса батареи, а к стоку «+» полюса в канале возникает электрический ток. При таком подключении проводимость максимальная.

Чаше всего полевые транзисторы выпускаются в металлическом корпусе.

Электрическое поле с Ѵ=50 Гц создаёт микромощную ЭДС в антенне, которая выполненная в виде вилки. На затворе VT1 появляется напряжение, что приводит к открытию транзистора с p-n переходом и n- каналом. Рассеиваемая мощность излучения полевого транзистора КП303 с любым буквенным обозначением 200 мВт (мили). Время включения нс (наносекунда)

Простой детектор скрытой проводки, выполненный на одном полевом транзисторе (КП303 с любым буквенным индексом) (Рис. 3). Электрическое поле с частотой сети 50 Гц создает микромощную ЭДС в антенне, которая выполнена в виде вилки. На затворе VT1 появляется напряжение, что приводит к открытию транзистора и возникновению тока через светодиод (Рис.4). Он загорается. Если электропроводка отсутствует, то индикатор детектора не горит (Рис. 5). Напряжение питания устройства должно быть 1,5-4,5 В.

   

Рис. 4 Индикатор загорается при обнаружении провода под штукатуркой

Рис.5 Индикатор не горит при отсутствии провода

   

Рис.6 Простой детектор скрытой проводки изнутри

Прежде чем применять самодельный прибор, рекомендуется протестировать его работоспособность. Проверка покажет правильность сборки, но прежде чем начинать тест, проводка должна получить максимальную нагрузку. Чтобы обеспечить такую нагрузку, подключаем как можно больше электроприборов к сети. В результате усиливаются магнитное и электрическое поля, на которые откликаются приборы.

Тест выполняется следующим образом:

  1. Находим участок, в котором точно есть скрытая проводка. Например, гарантировано можно говорить о наличии в стене проводов, идущих к выключателям и розеткам.

  2. Проверяем выбранный участок. Для этого подводим прибор к стене и наблюдаем за индикацией.

  3. Если сигнал поступает лишь в месте прохода кабеля, устройство исправно и им можно пользоваться.

  4. Если сигнал, то возникает, то пропадает в разных направлениях, значит, прибор неисправен.

Заключение

Перед тем как вскрывать пол или долбить стену, будет не лишним убедиться в том, что в выбранном вами месте нет скрытой электропроводки. Ведь случайно повредив электропроводку, вы можете лишить себя, весь дом или даже весь квартал электричества. Кроме того, если вы при этом будете работать металлическим инструментом, то ваша жизнь может оказаться в опасности.

Существуют различные способы обнаружения скрытой проводки:

  1. «Народные» методы (без специальных приборов). Например, можно включить на конце этой проводки большую нагрузку и искать по отклонению компаса или с помощью катушки провода с сопротивлением около 500 Ом с разомкнутым магнитопроводом подключенной на микрофонный вход любого усилителя (музыкальный центр, магнитофон и др.), сделав максимальную громкость. В последнем случае по звуку наводки 50 Гц провод в стене будет обнаружен.

  2. Купить индикатор скрытой проводки заводского изготовления.

  3. Изготовить индикатор скрытой проводки самостоятельно в домашних условиях, если следовать указанной в работе схеме. Практическая ценность - дешевизна, простота сборки.

Проблема поиска токонесущих проводов, спрятанных под слоем штукатурки или обоев, для меня решена, а также благодаря моей работе «Индикатор скрытой проводки на полевом транзисторе со светодиодом» я смогла расширить знания о вкладе ученых в развитие электроники, усовершенствование транзисторов, их видах и применении.

.

Список литературы

  1. Учебник: Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н. Н.Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2012

  2. http://www.computer-museum.ru/technlgy/tranzistor_60.htm

  3. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=450548

  4. http://infoelectrik.ru/elektrotexnicheskie-ustrojstva/iskatel-skrytoj-provodki-svoimi-rukami.html

  5. https://220.guru/electroprovodka/instrumenty/detektor-skrytoj-provodki-svoimi-rukami.html

  6. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80

  7. http://radiostorage.net/?area=news/25