Электроника - краткая теория
Электроника
- Электроника - краткая теория
- Screenshot_1.jpg (146.21 КБ) 118 просмотров
Мост Уитстона
- Мост Уитстона
- Screenshot_2.jpg (136.55 КБ) 117 просмотров
Мост Уитстона представляет собой электрическую схему для прецизионного сравнения сопротивлений. Он используется во многих приборах для измерения изменяющихся/ неизвестных параметров. Мост Уитстона состоит из источника питания и из измерительного прибора, соединяющего два параллельных плеча, содержащих четыре резистора. В одном плече содержится один резистор с известным сопротивлением и один резистор с неизвестным сопротивлением (RХ в приведенном примере); во втором плече включены 2 резистора с известным сопротивлением. Чтобы определить сопротивление неизвестного резистора, сопротивления остальных резисторов регулируются и уравновешиваются до тех пор, пока ток через вольтметр (напряжение моста) не упадет до нуля. Если напряжение на обоих плечах одинаково, напряжение моста равно нулю. В этом случае говорят, что мост сбалансирован. В этом состоянии сопротивление RХ можно определить по формуле: RХ = RN × R3/R4. Мост Уитстона также хорошо подходит для измерения небольших изменений сопротивления, и поэтому его применяют для измерения изменения сопротивления в тензометрических датчиках. Известно, что тензометрический датчик преобразует приложенное к нему натяжение в пропорциональное изменение сопротивления.
Тензометрический датчик
- Тензометрический датчик
- Screenshot_3.jpg (173.59 КБ) 117 просмотров
Тензометрический датчик используется уже много лет и является основным чувствительным элементом для многих типов датчиков, включая датчики давления, датчики нагрузки, датчики крутящего момента, датчики положения и т. д. Принцип работы заключается в следующем: при натягивании полоски проводящего металла она становится тоньше и длиннее, в результате чего сопротивление между ее концами увеличивается. И наоборот, если на полоску действует сила сжатия, она становится шире и короче, при этом ее сопротивление уменьшается. Если действующие нагрузки не превышают предела упругости металлической полоски, ее можно использовать в качестве чувствительного элемента для измерения отклонения и/или силы, при этом величину приложенной силы можно вычислить, измерив сопротивление полоски. В большинстве тензометрических датчиков используется фольга из металла с высоким удельным сопротивлением, наклеенная на подложку. Тензодатчик включается в мост Уитстона как четыре активных датчика (мостовая схема), два датчика (полу мостовая схема) и реже как один датчик (четверть мостовая схема). В случае полу мостовой и четверть мостовой схем мост дополняется прецизионными резисторами. К мостовой схеме подключаются стабилизированный источник постоянного тока и дополнительная электроника, которую можно обнулить в точке измерения. Как только к тензодатчику прикладывается нагрузка, сопротивление изменяется, что приводит к разбалансировке моста Уитстона. В результате на выходе образуется сигнал, величина которого зависит от приложенной нагрузки. Если сопротивления всех четырех резисторов (R1-R4) и напряжение источника питания (V) известны, напряжение на мосте (V моста) можно найти, вычислив напряжение на каждом из делителей напряжения и вычтя одно из другого.
Диод
- Диод теория
- Screenshot_4.jpg (286.82 КБ) 114 просмотров
Помимо проводников и изоляторов существует еще и третья группа — полупроводники. Полупроводники проводят электрический ток не постоянно, а только при определенных условиях. Из-за этого они занимают место между проводниками и изоляторами. Цифровые сигналы, формируемые датчиками, и системы управления, используемые в современных автомобилях, в большинстве случаев используют полупроводниковую технологию. Поэтому рассмотрим полупроводники подробнее. Способность полупроводников проводить электрический ток сильно зависит от таких параметров, как давление, температура, освещенность и т. д. Наиболее сильно влияющий фактор определяется конструкцией полупроводникового прибора. Существуют как собственные (чистые), так и легированные полупроводники. В случае собственных полупроводников в электронных устройствах может применяться чистый необработанный материал. Для большинства материалов требуется специальная обработка, так называемое легирование. Легирование означает ввод постороннего материала для придания полупроводниковых свойств. При легировании количество свободных электронов уменьшается или увеличивается. Если количество электронов увеличивается, это N-легирование, а если уменьшается, т. е. образуются так называемые дырки, это Р-легирование. В технике применяется сочетание N- и P легированных материалов. Прибор, в котором имеется лишь одна P легированная и одна N легированная зоны, называется диодом. Так как на PN переходе проводимость сильно уменьшается, избыточные электроны из N зоны заполняют дырки в P зоне. При этом создается нейтральная зона, которая увеличивается при подаче напряжения обратной полярности (минус к P зоне, а плюс к N зоне). Поэтому ток в этом случае не протекает. Это продолжается, пока напряжение не увеличится до определенного предела. Если напряжение слишком высокое, наступает пробой и через диод внезапно начинает протекать ток большой силы. Диод в этом случае повреждается. Однако если напряжение приложено в прямом направлении, полупроводник (диод) обретает свойство проводимости и через него начинает проходить электрический ток, не повреждая диод.
Диоды и их использование
- Диоды и их использование
- Screenshot_5.jpg (140.5 КБ) 114 просмотров
Как можно понять из предыдущего объяснения, диод можно рассматривать как однохо-довой клапан для электрического тока. Поэтому диод находит множество применений в электронных схемах и устройствах. На рисунке слева показана типовая электрическая схема управления приводом. Питание подается через контакты реле, которым управляет транзистор. В реле встроен диод, предназначенный для подавления самоиндукции, приводящей к образованию пиков напряжения (так называемое импульсное напряжение) в обмотке реле в момент выключения питания. Необходимо защитить устройство-потребитель, особенно если это электронная схема или прибор. При выключении реле за счет самоиндукции в цепи увеличивается напряжение, однако за счет диода оно направляется обратно в обмотку, где энергия преобразуется в тепло. Такое возможно из за того, что сопротивление потребителя выше сопротивления обмотки реле. Но это не единственный способ применения диода и не единственный из имеющихся типов диодов. В разных схемах диоды могут иметь различное назначение. Другой типовой задачей является развязка цепей, например в цепи управления противотуманными фарами. Свойства полупроводников таковы, что для протекания тока в прямом направлении необходимо напряжение не менее 0,7 В. Как мы узнали раньше, в обратном направлении ток не протекает до тех пор, пока напряжение не станет очень высоким и не разрушит диод, после чего ток будет проходить в обоих направлениях. Благодаря своей особенности диоды также используются для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямление тока). (Подробнее это будет рассмотрено в разделе «Электрооборудование двигателя».) На рисунке справа изображен внешний вид диода и его обозначение на электрической схеме.
Диод Зенера / проверка диодов
- Диод Зенера / проверка диодов
- Screenshot_6.jpg (128.8 КБ) 112 просмотров
Диоды Зенера представляют собой специальные диоды, предназначенные для включения в обратном направлении и работающие в области пробоя или в области Зенера. Ток начинает проходить только при достижении определенного напряжения. Это обратное напряжение пробоя называют напряжением Зенера. Оно может находиться в диапазоне от 2,4 до 200 В. В отличие от обычных диодов, диоды Зенера не повреждаются при напряжении пробоя, они рассчитаны на такой режим работы. На электрических схемах диоды Зенера или, по другому, стабилитроны, обозначаются другим символом. Благодаря своим свойствам диоды Зенера используются для стабилизации напряжения, для защиты электрических цепей и для поддержки номинального напряжения в цепи. На верхней схеме диод Зенера используется в качестве регулятора, обеспечивающего подачу определенного напряжения нагрузки. На нижней схеме он используется для стабилизации напряжения питания. Если подаваемое напряжение выше напряжения пробоя, оно не поступает в нагрузку, так как диод Зенера в этом случае не создает препятствия для прохождения тока. Обычно диоды можно проверить мультиметром, как показано на рисунках. Если диод исправен, то в прямом направлении сопротивление отсутствует, а в обратном направлении сопротивление стремится к бесконечности.
Как проверить диод цифровым мультиметром
- 1. Установите переключатель цифрового мультиметра в положение измерения сопротивления или в положение проверки диодов.
- 2. В исправном диоде сопротивление мало, если красный провод подсоединен к аноду диода (+), а черный провод подсоединен к катоду (–).
- 3. Очень хорошо, если при включении в обратном направлении сопротивление будет существенно выше.
- – Короткое замыкание: сопротивление близко к 0 при измерении как в прямом, так и в обратном направлении.
- – Обрыв: сопротивление близко к бесконечности при измерении, как в прямом, так и в обратном направлении.
- Как проверить диод цифровым мультиметром
- Screenshot_7.jpg (145.62 КБ) 112 просмотров
Как проверить диод аналоговым мультиметром
- 1. Установить переключатель аналогового мультиметра в положение измерения сопротивления в диапазоне × 100.
- 2. В исправном диоде сопротивление мало, если черный провод подсоединен к аноду диода (+), а красный провод подсоединен к катоду (–).
- 3. Очень хорошо, если при включении в обратном направлении сопротивление будет существенно выше.
- – Короткое замыкание: сопротивление близко к 0 при измерении как в прямом, так и в обратном направлении
- – Обрыв: сопротивление близко к бесконечности при измерении как в прямом, так и в обратном направлении.
Транзистор
- Транзистор теория
- Screenshot_8.jpg (178.98 КБ) 112 просмотров
Еще одним важным полупроводниковым прибором является транзистор. Транзистор состоит из трех легированных областей, поэтому существует два основных типа: NPN или PNP. Слева изображен принцип работы транзистора, напоминающий гидротехническую задвижку. Если вода не течет через малый канал, вода не течет также и по большому каналу, так как задвижка закрыта. Если вода начинает поступать в малый канал, заслонка приоткрывается и вода начинает течь по большому каналу. Таким образом, небольшой поток воды в малом канале может управлять существенно большим потоком воды (усиление сигнала). Ту же функцию выполняет и транзистор, только в роли воды в этом случае выступают электроны. У транзистора имеется три вывода: эмиттер, база и коллектор. Эмиттер обеспечивает подачу носителей заряда, база управляет потоком носителей заряда, а коллектор их собирает. В качестве примера рассмотрим NPN транзистор. В этом транзисторе имеется два PN перехода, обладающих свойством запирания, известным по диоду. Если подать напряжение между эмиттером и коллектором, ток проходить не будет, так как из-за движения электронов к положительному полюсу увеличится ширина запрещенной зоны. Но если подать напряжение около 0,7 В (или больше) на базу, электроны будут двигаться в область базы, при этом дырки в области базы будут заняты. Поэтому будет проходить небольшой ток базы, в результате которого уменьшится количество дырок. Из-за уменьшения количества дырок блокирование будет исключено, и между коллектором и эмиттером сможет проходить большое количество электронов. Сила тока между эмиттером и коллектором зависит от силы тока базы. Благодаря такой особенности транзистор можно использовать не только в качестве ключа, но и в качестве усилителя, так как большим током можно управлять с помощью маленького тока.
Ключевой режим
В ключевом режиме транзистор используется в качестве электронного ключа. Транзистор может включать и выключать электрический ток. Разница между транзистором и механи-ческим выключателем заключается в том, что в транзисторе отсутствуют движущиеся детали, и поэтому он обладает большей долговечностью. Кроме того, транзистор управляется электрическим током, а не механической силой, такой, как нажатие пальцем. Благодаря этому транзистор переключается между включенным и выключенным состоянием намного быстрее, чем механический переключатель.
Режим усиления
В режиме усиления транзистор используется для усиления сигнала. Одним из примеров сигнала может быть звук. Звук, поступающий в микрофон, преобразуется в электрический сигнал, который усиливается транзистором. После этого усиленный сигнал проходит по схеме, пока не достигнет громкоговорителя. Громкоговоритель преобразует электрический звуковой сигнал обратно в звук. Звук, выходящий из громкоговорителя, соответствует тому, который попал в микрофон, но он усилен.
Полевой МОП-транзистор (MOSFET)
- Полевой МОП-транзистор (MOSFET)
- Screenshot_9.jpg (234.82 КБ) 110 просмотров
Транзистор MOSFET (металл-оксидный полевой транзистор) имеет совершенно другую конструкцию по сравнению с традиционными транзисторами, но его основное назначение то же самое. MOSFET состоит из слоев кремния с разными типами легирования. Выводы транзистора такого типа называются истоком, стоком и затвором. Ток, протекающий от истока к стоку, регулируется зарядом на затворе, который изготовлен из материала с высокой проводимостью. Для обеспечения работоспособности затвор должен быть изолирован от остальной части транзистора. Изоляция представляет собой оксид кремния, окружающий затвор. В качестве примера приведен n-канальный транзистор MOSFET. Если изменить тип легирования истока и стока с n на p, а подложку p типа на подложку n типа, получится p канальный транзистор. Его принцип работы сохраняется, изменяется только полярность. При изменении напряжения (заряда) на затворе, из подложки p типа притягивается больше или меньше электронов. (Хотя в подложке p-типа содержится большое количество дырок, в ней присутствует и некоторое количество электронов.) Если определенное количество электронов собирается в области затвора, транзистор переходит в проводящее состояние. Чем больше ток затвора, тем выше проводимость. Подавая входной сигнал на затвор, можно увеличивать силу тока от истока к стоку (выходной сигнал) или уменьшать ее. В качестве типового применения MOSFET можно указать, например, регулирование скорости вентилятора.
Тиристор
- Тиристор теория
- Screenshot_10.jpg (153.79 КБ) 109 просмотров
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
- Светодиод теория
- Screenshot_11.jpg (283.83 КБ) 108 просмотров
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.