kitayteka.ru

Тиристор

Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводник со структурой PNPN. Основные выводы подсоединены к аноду (P-слой) и к катоду (N-слой). Управляющий электрод подсоединен к P-слою, ближнему к катоду. Если анод подключен к плюсу, а катод к минусу, дырки движутся от анода, а электроны от катода в тиристор. За счет этого запирающие слои 1 и 3 устраняются, но слой 2 сохраняет изолирующие свойства. Ток не проходит. Если на управляющий электрод подается ток, запирающий слой 2 также исключается (как в транзисторе) и начинает проходить ток. Если через тиристор начал проходить ток, тиристор сохраняет проводящее состояние, даже если прекратить подачу тока на управляющий электрод. Ток продолжает проходить до тех пор, пока он не будет выключен. После выключения тока тиристор снова переходит в непроводящее состояние до тех пор, пока на управляющий электрод не начнет поступать ток. Тиристоры используются как выключатели или как управляемые выпрямители. По сравнению с транзисторами они могут коммутировать ток гораздо большей силы, а также выдерживают гораздо более высокое напряжение в направлении запирания.

Светодиод

Специальные диоды, так называемые светодиоды, излучают свет при прохождении через них электрического тока. Светодиоды используются, например, в дисплеях. Следует отметить, что светодиоды имеют определенное рабочее направление, как и обычные диоды. Еще одним свойством светодиодов является очень низкое внутреннее сопротивление. Поэтому для защиты от перегорания к ним следует подключать внешний резистор. В целом, светодиоды похожи на лампы накаливания, которые можно легко впаять в электрическую схему. Но в отличие от обычных ламп в них отсутствует нить, которая может перегореть. Кроме того, они не нагреваются. Они светятся исключительно за счет движения электронов в полупроводниковом материале, а по долговечности они соответствуют обычным транзисторам. Свет является формой энергии. Он состоит из множества маленьких элементов, похожих на частицы и обладающих энергией и моментом, но не имеющих массы. Эти частицы, называемые фотонами, являются минимальными элементами света. Фотоны образуются в результате движения электронов. Как вам уже известно из теории атома, электроны движутся по орбитам вокруг ядра. Электроны на разных орбитах обладают разным количеством энергии. Как правило, электроны с большей энергией движутся по орбитам, наиболее удаленным от ядра. Чтобы электрон мог перейти с ближней орбиты на дальнюю, необходимо увеличить уровень его энергии. И наоборот, если электрон переходит с дальней орбиты на ближнюю, энергия высвобождается. Эта энергия высвобождается в виде фотона. Если высвобождается много энергии, образуется высокоэнергичный фотон, обладающий более высокой частотой. Свободные электроны, движущиеся в диоде, могут попадать в дырки в слое P-типа. При этом электроны переходят на ближние орбиты, что приводит к высвобождению энергии в виде фотонов. Это происходит в любых диодах, однако увидеть фотоны в виде света можно, только если диод изготовлен из определенного материала.

Фоторезистор

Еще одним специальным типом диодов, чувствительным к свету, являются фоторезисторы — полупроводниковые материалы, которые реагируют на свет по-иному, нежели светодиоды. Их сопротивление изменяется в зависимости от освещенности. Поэтому их и называют фоторезисторами. Их можно использовать в качестве датчиков для управления устройствами в зависимости от яркости, например в системах автоматического управления освещением. Кроме того, они используются в сочетании с источниками света, например со светодиодами. В такой конфигурации их можно использовать для обнаружения вращения и перемещения деталей, например за счет прорезей, через которые может проходить свет. Узел, объединяющий эти два элемента, можно использовать для определения скорости движения или положения механических деталей, например в распределителе. Очень похожими по конструкции и по назначению являются фотодиоды. Фотодиод формирует напряжение при падении на него света. Его можно использовать так же, как и фоторезистор.

ЖКИ

Помимо светодиодов для отображения информации, такой как скорость автомобиля, время и т. д., используются жидкокристаллические индикаторы или ЖКИ. Они изготовлены из специальных кристаллов, отражающие свойства которых изменяются при пропускании электрического тока. ЖКИ представляют собой пассивные устройства отображения информации. Это означает, что они не излучают света, а вместо этого используют окружающий свет. За счет использования окружающего света для отображения информации они потребляют очень мало энергии. Поэтому ЖКИ активно используются там, где требуется обеспечить малое потребление энергии и где важны небольшие габариты. Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой органические вещества, которые обладают как жидкой, так и кристаллической молекулярной структурой. В этой жидкости молекулы в виде стержней обычно составляют параллельный массив, поэтому свет может проходить через них и отражаться от серебристой подложки дисплея. Положение кристаллов можно изменить за счет электрического поля. Если на электроды ячеек подается соответствующий сигнал управления, поперек ячейки формируется электрическое поле, и молекулы жидких кристаллов разворачиваются вдоль силовых линий электрического поля. Падающий свет теперь поглощается в задней стороне индикатора. Снаружи виден черный символ на серо-серебристом фоне. Если выключить электрическое поле, молекулы разворачиваются обратно на угол 90 градусов, и снаружи снова виден серый фон. Обычно в ЖКИ имеется множество электродов, и избирательно подавая на электроды напряжение, можно получить огромное количество разнообразных изображений.

Термистор

Вообще говоря, любой проводник в определенных пределах изменяет свое сопротивление под воздействием температуры. Величина изменений зависит от фактически используемого материала. Изменение сопротивления используется во многих датчиках и исполнительных устройствах в автомобиле. Существует два типа изменений. Сопротивление может увеличиваться с увеличением температуры; это называется положительным температурным коэффициентом и является естественным поведением для большинства материалов. Или сопротивление может уменьшаться с увеличением температуры; это называется отрицательным температурным коэффициентом. Такое свойство достигается за счет использования полупроводника, так называемого термистора. Разница этих двух характеристик приводит к разному использованию. Приборы с ПТК обычно используются для нагревательных устройств, а приборы с ОТК используются в качестве датчиков температуры. В случае ПТК ток уменьшается с увеличением температуры, а в случае ОТК — увеличивается.

Пьезоэффект

Еще одним уникальным свойством является пьезоэффект. Существуют некоторые материалы, на поверхности которых создается напряжение при приложении механической силы. Это явление называют пьезоэффектом. Оно основано на разделении зарядов (несколько напоминает конденсатор, но под воздействием давления) при некотором изменении формы, вызванном внешней силой. Если приложена сила, на одной поверхности увеличивается отрицательный заряд, и одновременно на другой поверхности увеличивается положительный заряд: образуется разность потенциалов, и через подключенную к пьезоэлементу нагрузку начинает проходить электрический ток. Этот ток можно измерить и использовать для определения давления или вибрации. Типовым применением является датчик детонации, используемый для определения детонации двигателя. Кроме того, пьезоэффект работает и в обратном направлении, т. е. если подать на пьезоэлемент напряжение, его форма изменится. Например, высота увеличивается/уменьшается в зависимости от направления тока. Это явление используется, например, для управления форсунками в системах с общей топливо распределительной рампой.

Эффект Холла

Если подать напряжение на полупроводник, расположенный в магнитном поле, силовые линии которого расположены поперечно (под углом 90°) к приложенному напряжению, формируется новое напряжение. Это напряжение перпендикулярно магнитному полю и приложенному напряжению. Причина этого напряжения заключается в том, что магнитное поле отклоняет часть электронов, в результате чего образуется разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла, а явление называется эффектом Холла. Эффект Холла широко используется при разработке различных датчиков. На рисунке показано типовое применение в системе управления двигателем (распределитель зажигания). В данном случае датчик Холла используется для определения положения и частоты вращения коленчатого вала. Элемент Холла расположен напротив постоянного магнита. Между ним и полюсом магнита имеется воздушный зазор, в котором может вращаться ротор. Этот ротор механически связан с коленчатым валом. При вращении коленчатого вала ротор также вращается и проходит через зазор. Как видно на рисунке, на роторе имеются четыре шторки (экраны) и четыре зазора. Если перед элементом Холла расположен зазор, магнитное поле попадает в полупроводниковый элемент и образуется напряжение Холла. Но если перед элементом Холла расположена шторка, магнитное поле экранировано и напряжения Холла не образуется. По количеству изменений напряжения можно определить частоту вращения коленчатого вала. Так как ротор связан с коленчатым валом, положение коленчатого вала можно определить по моменту, когда шторка только начинает закрывать (или открывать) магнитное поле. Существует множество вариантов конструктивного исполнения датчиков Холла, но общий принцип сохраняется.

Электромагнитная совместимость

С увеличением количества электрических узлов в автомобиле, а также с увеличением количества электронных устройств, используемых в повседневной жизни (например, сотовых телефонов), также увеличивается количество излучаемых электромагнитных волн. Эти волны могут отрицательно влиять на электрооборудование автомобиля. Например, помехи от системы зажигания могут быть слышны в аудиосистеме. Но еще хуже то, что электромагнитное излучение высокой частоты может нарушить работоспособность блоков управления или систем, связанных с безопасностью, таких как ABS или ESP. Чтобы избежать этих проблем, необходимо принять соответствующие меры. Существуют разные способы: например, установка диода в цепь питания реле для подавления импульсного напряжения, установка конденсатора в цепь питания катушки зажигания, установка резистора в цепь питания узла, а также комбинация различных способов. Выбор способа зависит от источника помех, от типа наводок и от связи между потребителем и источником помех. В соответствии с законодательством производители электрического и электронного оборудования обязаны демонстрировать и обеспечивать соответствие производимого оборудования требованиям электромагнитной совместимости. Это сделано в следующих целях: не допустить излучения устройствами и приборами электромагнитных волн или помех, превышающих допустимый уровень, и не допустить нарушения работоспособности устройства за счет наружного электромагнитного излучения.

Смешанное напряжение и конденсатор

Помимо использования в таймерных схемах или в источниках питания конденсатор можно использовать как фильтр для подавления помех. В приведенном примере помеха (сигнал переменного тока) наложена на напряжение питания устройства, например аудио оборудования. Помеха отрицательно сказывается на аудиоустройстве, так как приводит к изменению звука громкоговорителей. Чтобы избежать этого, следует не допустить попадания помех в аудиосистему. В приведенном примере это осуществляется за счет конденсатора. Так как питание осуществляется постоянным током, сопротивление конденсатора для него после зарядки равно бесконечности. Но переменный ток проходит через конденсатор, так как при высокой частоте конденсатор не является сопротивлением для переменного тока. Так как переменный ток может проходить через конденсатор, он поступает на «массу» и таким образом исключается.