Элементы электроники
Электронные компоненты можно разделить на две большие группы - активные и пассивные. В чем их отличие? Активные компоненты дозировано вносят энергию в электрическую цепь от внешнего источника питания, а пассивные ее потребляют. Активный элемент электроники это любой компонент с возможностью электрического управления потоков электронов. На практике управление потоком электронов может быть не только электрического происхождения, но и теплового или с помощью света. Компоненты же не способные управлять током с помощью другого электрического сигнала называют пассивными. Таким образом, если на какой-нибудь элемент можно подать один сигнал, и таким образом управлять другим - то он активный.
Пассивные элементы
Начнем с того, что такое резистор, например речь будет идти об идеальном резисторе. Идеальным в электронике называется такой компонент, который обладает каким-то одним конкретным параметром, без паразитных или побочных состовляющих. То есть, для резистора это сопротивление, для конденсатора - емкость, а для катушек индуктивности - индуктивность. В реальности дела обстоят сложнее - у любого резистора есть паразитные индуктивность и емкость, а у любой катушки есть активное сопротивление, которое измеряется мультиметром.
Резисторы
Самый распространенный элемент в электронике - это резистор. Они применяются везде, от электронных устройств, до использования совместно с электроприводом - синхронными и асинхронными двигателями с фазным ротором. Резистор это пассивный элемент электрических цепей, обладающий активным электрическим сопротивлением. Резистор используется для преобразования тока в напряжение, ограничения тока, но фактически он преобразует электрическую энергию в тепло. Оснавная характеристика резисторов это сопротивление. Измеряется в Омах (Ом), характеризует способность проводника препятствовать (сопротивляться) протеканию электрического тока. Сопротивление вычисляется по закону Ома: R = U/I
Обратная сопротивлению велечина - проводимость, которая измеряется в сименсах. Т.е. 1 См = 1/Ом. В общем случает элемент сосотит из проводника с высоким удельным сопротилвением. Различают проволочные, непроволочные и металофольговые резисторы. В качестве проводника для резисторов обычно используются такие материалы, как манганин, константан, нихром, никелин и прочее. У переменных резисторов в конструкцию добавлен бегунок-токосъемник, который перемещается по резистивному слою. УГО резистора на схеме по ГОСТ 2.728-74 выглядит как прямоугольник размером 10*4 мм. Дополнительно в прямоугольнике могут добавляться знаки, указывающие на мощность элемента, который необходимо использовать в схеме, эта же информация приводится в перечне элементов.
Конденсаторы
Конденсатор - это прибор, предназначенный для накопления заряда и энергии электрического поля. В простейшем случае состоит из двух обкладок из проводника, разделенных диэлектриком. Согласно законам коммутации напряжение на обкладках конденсатора не может измениться мгновенно. Конденсатор накапливает энергию источника питания, и после его отключения "держит" ее на себе, до тех пор, пока не разрядится на нагрузку, либо не разрядится сам по себе (утечка паразитное свойство реальных конденсатор).
Это свойство широко используется в различных сглаживающих фильтрах питания, частотных фильтрах при обработке различных сигналов, фильтрах помех, для защиты полупроводниковых ключей от всплесков ЭДС самоиндукции при коммутации, аналогичное решение используется и для защиты контактов реле, а также во многих других решениях. Различают полярные и не полярные конденсаторы. В принципе большая часть конденсаторов не имеет полярности. А электролитические конденсаторы имеют полярность.
Емкость это основная характеристика конденсатора. Измеряется в фарадах. 1 фарад равен емкости конденсатора, при которой заряд в 1 кулон создает между его обмотками напряжение 1 вольт. Однако у этой физической величины выбрана очень большая размерность. На практике придется работать с емкостью в микрофарадах (мкФ), это равно 0.000001Ф или 10-6Ф, а также нано - 10-9 или пикофарадах 10-12. На схеме конденсаторы обозначаются в виде двух паралельных друг другу линий длиной 8 мм с расстоянием между ними 1.5 мм.
Катушки индуктивности
Индуктивность, катушка индуктивности, дроссель - это все названия одного и того же элемента. Катушка индуктивности накапливает энергию при протекании тока в магнитном поле. Если в конденсаторе решающую роль играло напряжение, то в катушке индуктивности - ток. Согласно законам коммутации, ток в катушках индуктивности не может изменяться мгновенно, силы магнитного поля стремятся поддерживать его протекание в том же направлении. Если говорить простым языком, то при размыкании цепи с индуктивностью, напряжение на ее выводах начинает возврастать до тех пор, пока накопленная энергия не сможет израсходоваться. Это явление нашло множество применений в технике. Пример - дроссель и стартер в ЭмПра люминисцентных ламп, система зажигания автомобиля, различные безтрансформаторные преобразователи напряжения, фильтры электромагнитных помех и т.д.
Катушки индуктивности бывают с сердечником и без сердечника, а сам сердечник может быть как неподвижным, так и подвижным. В простейшем виде катушка без сердечника это провод, свитый в спираль, но к слову даже у прямого отрезка провода есть определенная индуктивность. Катушки с подвижным сердечником называют подстроечными или регулируемые, за счет перемещения сердечника изменяется магнитная проницаемость среды и как следствие, изменятеся индуктивность катушки. Сердечник позволяет повысить индуктивность катушки и уменьшить количество витков в ней. Основной характеристикой катушки индуктивности выступает индуктивность. Единица измерения Генри (Гн). На схеме катушки индуктивности обозначаются в виде волнистой линии.
Это далеко не все пассивные элементы, есть еще и ряд элементов, которые относятся к тем же нелинейным резисторам или являются подвидами каких-либо конденсаторов. Здесь перечислены лишь три базовых вида элементов, о которых знать обязательно.
АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Активные элементы относятся делятся на две группы это вакуумные приборы (электровакуумные диоды, триоды, тетроды, пентоды, гексоды, гептоды, октоды, ноноды и комбинированные лампы) и полупроводниковые приборы.
В большинстве своем это полупроводниковые ключи или как их еще называют, полупроводниковые вентили. Делят их на три группы - полностью управляемые, полууправляемые и неуправляемые. К полупроводниковым вентилям относятся диоды, транзисторы, тиристоры, симмисторы и их разновидности.
Также к активным компонентам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, оптроны, солнечные батареи и интегральные микросхемы, состоящие из всех перечисленных выше компонентов.
Диод
Диоды или как их еще называют неуправляемые вентили - это двухэлектродные полупроводниковые приборы, способные проводить только в одном направлении. Чаще всего они используются для выпрямления переменного тока, а также для развязки цепей по постоянному току в различных схемах управления чем-либо. Диод представляет собой соединение двух полупроводников, один с р-проводимостью (анод), другой с n-проводимостью (катод). В месте их соединения образуется pn-переход, который не пропускает ток определенного уровня напряжения, приложенного в прямом направлении.
Напряжением прямого смещения называют такое напряжение на аноде и катоде, при котором через диод начинает протекать ток. Другими словами, когда к n-области приложен отрицательный потенциал, а к р-области положительный. Для каждого типов диодов это напряжение несколько отличается, например у германиевых диодов около 0.3-0.5 вольта, а у кремниевых находится на уровне 0.7-1.5 вольта, у диодов Шоттки оно низкое, ближе к германиевым в районе 0.3 В.
Таким образом, при подаче напряжения обратного смещения (плюс к n-области, а минус к р-области) диод не проводит ток, пока напряжение на его выводах не достигнет критических значений, после которых начнется обратимый электрический, а затем необратимый тепловой пробой. Например у распространенного в маломощных источниках питания выпрямительного диода 1n4007 максимальное обратное напряжение составляет 1000 вольт. Это значит, для того чтобы пробить этот диод нужно приложить больше чем +1000 вольт к катоду, а минус этого источника к аноду.
Неуправляемыми вентилями они называются, потому что вы не можете контролировать момент включения. Диод открывается сам при достижении этого самого напряжения порога проводимости (прямого напряжения). Оно не фиксировано, и может изменяться под влиянием внешних факторов, например, температуры. На схеме диоды обозначаются в виде треугольника с вертикальной полосой у его вершины. Чтобы запомнить, где анод, а где катод на УГО есть мнемоническое правило, куда смотрит стрелка туда и течет ток, то есть ток течет от плюса к минусу, значит анод - это треугольник, а вертикальная линия - это катод.
Однако под определением диод зачастую понимают выпрямительные диоды. На самом деле к диодам относятся множество полупроводниковых приборов, таких как стабилитроны, супрессоры и прочее.
Полууправляемые вентили тиристоры и симисторы
Для управления различной нагрузкой используются полупроводниковые ключи. Все коммутационные аппараты подобны друг другу - на них подают малый управляющий ток или напряжение, а они коммутируют цепи с большим током и напряжением. Также дело обстоит и с электронными элементами. Тиристоры это полууправляемые вентили. Вы можете управлять моментом их открытия, но не можете закрывать их. Закрывается тиристор либо когда через него перестает протекать ток либо когда к нему прикладывается обратное напряжение. Также как и диод он проводит ток в одном направлении. Структурно тиристор отличается от диода наличием уже 4-p и n-области, и соответственно 3 рn-перехода. Вывода у тиристора 3 - анод, катод и управляющий электрод. Открытие проводящего канала происходит, когда на анод и катод подано прямое напряжение, а на управляющий электрод подают импульс тока. Управляющий импульс имеет ту же полярность, что и приложена к тиристору.
Тиристоры широко применялись ранее, сейчас уже реже, но применяются и до сих пор в схемах регулирования напряжения (тока, мощности) работающих на принципе СИФУ (срез фазы как в димерах для освещения) и других. Широкое распространение получили тиристорные возбудители, которые представляли собой регулятор тока возбуждения для синхронных машин. В настоящее время тиристоры вытесняются полевыми транзисторами и биполярными транзисторами с изолированным затвором. Но если учесть, что существуют и полностью управляемые тиристоры (запираемые или GTO-тиристоры) то они все же еще используются в современной силовой электронике, особенно в области высокий мощностей и токов. В области высокого напряжения все же превалируют IGBT-транзисторы.
Кроме тиристоров можно выделить динисторы и симисторы. Динистор - полупроводниковый прибор подобный тиристору, но без управляющего электрода. Его открытие происходит в тот момоент, когда между анодом и катодом прикладывается напряжение превышающее напряжение его открытие. Ярким примером использования такого элемента являются различные ЭПРА для люминисцентных ламп, и другие источники питания, построенные по автогенераторным схемам, в них для запуска инвертора применяется динистор DB3 с напряжением открытия 30-40 вольт.
Симистор по своей структуре аналогичен двум тиристорам, включенным встречно параллельно. Так они способны проводить ток в обоих направлениях. Так как симистор - это два типа тиристора, то и управление ими аналогично: при использовании в цепи переменного тока открывается то один, то другой тиристор, синхронно с этим изменяется и полярность открывающих импульсов. Условное графическое обозначение этих элементов напоминает диоды, но с некоторыми отличиями.
Диоды и транзисторы очень важные и полезные полупроводниковые приборы, без которых не было бы телефонов, компьютеров и всего остального, но у них есть одна особенность, так как диод пропускает электричество только в одну сторону, в принципе как и транзистор, их невозможно применять в цепях переменного тока. В быту у нас многие приборы являются потребителями переменного тока, например двигатель стиральной машины, который вращается с разной скоростью, при этом работает он от тех же 220 вольт переменного тока.
Для понимания работы симистора нужно в начале поговорить о тиристоре, по сути это два транзистора p-n-p и n-p-n у которого соединены n и p переходы как показано на рисунке. Получается, что при подаче напряжения на управляющий электрод такой сборке транзисторов мы открываем npn транзистор, который своим током эмиттер-коллектор открывает уже pnp транзистор. Как очевидно из чертежа тиристор проводит электрический ток только в одном направление, но имеет управляющий контакт по мимо анода и катода. Так же из схемы соединения двух транзисторов вытекает, что для открытия тиристора нужно подать ток на управляющий контакт, а как только тиристор откроется, то можно убрать напряжение на управляющем контакте, при этом тиристор будет сам себя поддерживать в отрытом состоянии, пока протекает его ток. Если отключить тиристор от источника тока, то он закроется и повторное открытие будет только после подачи напряжения на управляющий сигнал.
Принцип работы симистора Если соединить встречно два тиристора мы получим симметричный триодный тиристор или СИМИСТОР (от англ. TRIAC — triode for alternating current) Анод каждого симистора соединен с катодом «коллеги» и управляющие контакты также соединены друг с другом. При таком подключение мы позволяем одной полуволне переменного тока пройти через один тиристор, а второй полуволне через второй симистор. Если потребителю (например лампа накаливания или электродвигатель) приходят обе полуволны от синусоиды, то считается полная мощность. Если мы возьмем два одинаковых тиристора, то они у нас будут открыты постоянно, так как один тиристор в полуволне будет отрывать своим обратным током второй тиристор, поэтому нужно взять два разных тиристора.
Виды управления тиристором Тиристор с анодным управлением (для открытия нужно отрицательное напряжение) Тиристор с катодным управлением (для открытия нужно положительное напряжение) Для управление таким(из анодного и катодного тиристора) симистором нужно успевать подавать управляющее напряжение в каждой полуволне, но для этого можно использовать напряжение от нашего источника и подключить его к кнопке, через резистор. Тогда при прохождение верхней полуволны мы будем открывать анодный тиристор, а при прохождение нужней полуволны открывать катодный тиристор. Применение такого выключателя не совсем оправдано, так как можно использовать обычный выключатель, а использование этого эффекта лучше применить для управление мощностью. С помощью симистора можно управлять оборотами вращения коллекторного электродвигателя переменного тока (стиральная машина), управлять двигателями постоянного тока или асинхронными с помощью симистора не получится, так как для управления асинхронным двигателем нужно менять частоту, например инвертером, а для управления двигателем постоянного тока нужно менять напряжение.
Регулировка мощности Когда мы подключаем нагрузку, по умолчанию симистор закрыт, но через потенциометр(переменный резистор) и резистор R2 начинает заряжаться конденсатор, когда напряжение на конденсаторе достигает 32 вольта, он открывает динистор (тиристор без управляющего вывода, который открывается при достижение определенного напряжения) Динистор подает ток на симистор, который открывается и подает ток на нагрузку, но при этом из-за того что конденсатор какое-то время потратил на зарядку, синусоида открывается как бы в усеченном виде.
Транзисторы
Другой вид полупроводниковых полностью управляемых ключей - это транзисторы. Они бывают разных типов, выделим небольшие группы: биполярные, полевые, биполярные с изолированным затвором. При этом существуют еще и разные виды полевых транзисторов. Биполярные транзисторы состоят из трех областей полупроводников с разными примесями. В зависимости от конфигурации р- и n-областей выделяют рnр- и npn-транзисторы, прямой и обратной проводимости соответственно. У каждой из р- и n-областей есть свое название - коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э). Соответственно у транзистора есть 3 одноименных вывода. Управление таким транзистором осуществляется подачей тока в базу, при этом ток управления связан с током нагрузки (ток-коллектор-эмиттер) через коэффициент передачи h21э, то есть ток базы в h21э раз меньше тока коллектор-эмиттер. Коэффициент h21э еще называют коэффициентом усиления транзистора по току и у каждого транзистора он свой.
На условном графическом обозначении эмиттер база и коллектор отличаются. Эмиттер - со стрелкой, база посередине, а коллектор без стрелки. Обозначения NPN и PNP - транзисторов отличаются направлением стрелки, в NPN транзисторе стрелка расположена по направлении от базы, а в pnp - к базе. Коллектор - на него мы подаем сильный ток. Эмиттер - на нем мы получаем ток с коллектора если на него будет подан ток нужной величины. База - на него подается управляющий ток.
Полевые транзисторы устроены иначе, они бывают с управляющим переходом, МОП - транзисторы (они же МДП), со встроенным и индуцированным каналом. Отличие от биполярных транзисторов состоит в том, что они управляются не током, а напряжением.
Например, МОП - транзисторы (MOSFET) практически не потребляют ток управления, вернее, он потребляется в момент переключения, а после открытия или закрытия транзистора управляющий ток не потребляется. Такие транзисторы широко используются в качестве силовых в импульсных источниках питания, а главный их конкурент IGBT - транзисторы. Отличается от биполярных и название выводов, теперь здесь не коллектор, эмиттер и база, а сток (С), исток (И) и затвор (З). Управляющий электрод здесь - затвор. То есть управляющее напряжение подают на затвор относительно истока (своего рода аналог эмиттера). Также как и биполярные транзисторы бывают pnp- и npn- типа проводимости, так и полевые бывают с n и p каналом.
