Микро-ликбез по электронике. Часть 2.

28 июня 2004, понедельник 17:18
для раздела Блоги
Микро-ликбез по электронике. Часть 2.
Часть1
Обсуждение в конференции
Дроссели, катушки индуктивности.
Дроссель (катушка индуктивности), как и конденсатор, способен накапливать энергию, правда в отличие от конденсатора, который может её хранить почти не ограничено долго, катушка индуктивности на это не способна, она отдаёт энергию срезу же после снятия питающего напряжения. Только ведут себя они с точностью до наоборот. Основная характеристика дросселя – индуктивность, измеряется в Генри (Гн).
Если на дроссель подать какое-то напряжение (замкнули KL1 на рис 6 a) ), то в точке Т1 появится ток, он будет быстро нарастать (скорость возрастания тока обратно пропорциональна индуктивности дросселя).
См. рис. 6. b)

Рис . 6.


Таким образом, если через конденсатор течёт ток только при изменяющемся напряжении, то через дроссель потечёт ток только при постоянном (или медленно меняющемся) напряжении. При быстром изменении напряжения – ток не течёт. У дросселя есть ещё одно интересное свойство – дроссель умеет практически мгновенно отдавать энергию (как и конденсатор), но в отличие от конденсатора, если с дросселя убрать питающее напряжение (разомкнуть KL1, дроссель сразу попытается отдать всю накопленную энергию (в точке Т2 будет большой кратковременный, отрицательный импульс напряжения (рис 6 с) ). В идеале, это будет бесконечно большой импульс.
Рассмотрим схему (Рис 7 b)).

Рис 7.
На входе (Vin) форма напряжения представлена на рис7 а) чёрным графиком. Vout - красный. Видно, что дроссель почти не пропускает переменную составляющую, но пропускает постоянную. Для ещё лучшей фильтрации (удаления переменной составляющей) обычно после дросселя ставят дополнительно между Vout и 0 конденсатор, который дополнительно фильтрует переменную составляющую.
Если подключить параллельно конденсатор и дроссель, получим колебательный контур.
Например, если соединить параллельно катушку и конденсатор и между ними поставить ключ (размкнут), потом зарядить конденсатор, затем замкнуть ключ - энергия запасённая в конденсаторе будет передаваться катушке (ток через катушку будет расти, напряжение на конденсаторе будет падать (за счёт уменьшения в нем энергии), потом катушка начнёт отдавать конденсатору накопленную ей энергию, при этом конденсатор начнёт заряжаться отрицательным (обратным) напряжением (уже за счёт энергии катушки) и т.д.)
При отсутствии потерь энергии, в контуре будут наблюдатся незатухающие колебания с собственной частотой w0= 1 / кв. корень( L * C). В реальности, всегда существуют потери энергии, в следствие чего будут существовать только затухающие периодические колебания с несколько меньшей частотой частотой w=кв. корень(w0^2-b^2), где b(бетта) - коэффициент затухания, т.е. всегда w0>w. Затухать они будут из-за потерь энергии в самом контуре.

Трансформатор.
Если на одном сердечнике намотать несколько независимых обмоток, то получится трансформатор. Каждая по отдельности обмотка будет вести себя как дроссель (катушка индуктивности), но между обмотками будет существовать связь. Если к выводам одной (первой) обмотки приложить напряжение, то и на всех остальных обмотках тоже появится разность напряжений, причём величина этой разности будет во столько раз больше чем на первой обмотке, во сколько раз в это обмотке больше витков, чем в первой.
Иногда играет роль направление обмотки. От него зависит полярность выходного напряжения (точнее фаза). На схемах, начало обмотки обозначается точкой. Иногда обмотки трансформатора включают последовательно, при этом, в зависимости от направления обмоток, общее напряжение складывается (если обмотки в одну сторону) и вычитается (если намотаны в противоположные).
Трансформатор можно применять как для изменения величины напряжения (изменяя соотношение количества витков), так и для гальванической развязки (обмотки электрически не связаны между собой, между ними существует только магнитная связь, т.е. только разность напряжений на одной обмотке зависит от разности напряжений на другой.) Важным свойством трансформатора является то, что мощность прилагаемая к одной обмотке, будет равна мощности на другой обмотке. Т.е. P1=P2 = U1 * I1=U2 * I2. Таким образом, если на второй обмотке напряжение меньше, то ток будет больше. На трансформатор можно подавать только переменное напряжение, т.к. на его его обмотках, как и любой катушке индуктивности, не может быть постоянного напряжения (иначе ток бы неприлично вырос).
Трансформатор в каком-то приближении можно представить в виде рычага, где одно плечо, это одна обмотка, второе плечо – вторая обмотка. Нередко встречаются трансформаторы с более чем двумя обмотками.

Диоды, диоды Шоттки, стабилитроны.
Диод, это прибор, ток через который не линейно зависит от приложенного напряжения.
Рассмотрим вольтамперную характеристику (ВАХ) диода (зависимость тока от напряжения), включенного в прямом направлении (рис 8 a)).

Рис. 8.
При увеличении напряжения от 0 до u1, ток совсем небольшой, но при увеличении напряжения до u2 и u3 ток значительно возрастает (пропорционально квадрату напряжения). При достаточно больших токах, диод можно рассматривать как проводник, т.к. падение напряжения на диоде, даже при большом токе будет небольшим. В диодах Шоттки ток ещё быстрее растёт, следовательно падение напряжение на диодах Шоттки ещё меньше, это позволяет использовать их в устройствах с большими токами.
Затем подадим на диод отрицательное напряжение (Рис8 b)). Вплоть до напряжения u1 ток через диод будет практически отсутствовать. Но при отрицательном напряжении ниже u1, наступает пробой диода, при этом ток быстро увеличивается. Этот эффект используют диоды Зенера (в простонародье – стабилитроны (рис8 с)). Т.е. если в обратно включённом диоде Зенера увеличить напряжение >u2, то ток будет быстро расти. Таким образом, даже при небольшом изменении напряжения (u1 – u2) ток будет меняться значительно. Если последовательно включить резистор и стабилитрон (рис 8 с)), и на Vin подать напряжение (больше u4), через стабилитрон потечёт ток, что вызовет падение напряжения на резисторе, и чем больше напряжение на Vin, тем больший будет ток и большее падение. В итоге, независимо от напряжения на резисторе, напряжение на диоде почти не изменится (на Vout будет меняться в диапазоне u2 – u4).
Таким образом, диод – это устройство, через которое ток в прямом направлении значительно больше тока в обратном направлении.

Биполярный транзистор.
Биполярный транзистор – это прибор, способный усиливать ток.
В каком-то приближении транзистор можно рассматривать как 2 последовательно включённых диода (база-эмиттер и база-коллектор) и возможностью включения связи (канала) эмиттер-коллектор (нарисован красным цветом).
Рассмотрим работу биполярного n-p-n транзистора (рис 9).

Рис 9.
Подключим эмиттер на землю (0В), коллектор - к источнику положительно питания +12В.
В таком подключении условный диод d2 получается включён в обратном направлении, ток через него не течёт, следовательно через d1 ток тоже не течёт. При этом транзистор закрыт (закрыт канал эмиттер-коллектор) и через него не течёт ток. Для того чтобы открыть канал эмиттер-коллектор, нужно чтобы через d1 потёк ток. При этом, ток через канал будет прямо пропорционален току базы (току через d1), но в k раз больше. k – это коэффициент усиления транзистора (обычно от 50 до 300), т.е. даже небольшой ток в базе может вызвать большой ток (более чем в сто раз больший) в канале эмиттер-коллектор, главное чтобы источник энергии этот ток вы держал (ну и транзистор мог). Ток через d1 (он же ток базы) подчиняется тем же законам, что и обычный диод (см. рис. 8a). Если на базе линейно изменять напряжение, то ток будет изменяться нелинейно (рис. 8a), следовательно ток через канал эмиттер-база тоже будет нелинейно меняться. Т.е. транзистор усиливает не напряжение, а ток.
Отличие p-n-p транзистора от рассматриваемого – это обратное включение d1 и d2, как следствие – нужно подавать отрицательное напряжение питания на коллектор. На схеме стрелочка в эмиттере направлена в обратную сторону.

Полевые транзисторы, MOSFETы.
Отличие полевых транзисторов от биполярных – канал управляется не током, а напряжением. Его можно представить как резистор переменного сопротивления, сопротивление которого зависит от напряжения на затворе. Существует огромное множество разновидностей полевых транзисторов.
Рис 10.

Рассмотрим работу полевого транзистора (рис 10 а)). Сопротивление канала сток – исток (нарисован красным, он же R1) задаётся напряжением между затвором и истоком. Причём, ток через затвор практически равен нулю. Таким образом, можно даже при помощи очень малых токов, менять сопротивление, что может вызвать управление очень большими токами.
Там где требуются большие токи, применяют мощные полевые транзисторы (MOSFETы).
На рис 10 b) изображён N-канальный MOSFET.
В нём так же, сопротивление сток-исток зависит от напряжения между затвором и истоком. Если это напряжение мало, то сопротивление канала (R1) очень велико, ток через него не течёт. Но стоит увеличить управляющее напряжение (напряжение затвор- исток), как сопротивление R1 значительно падает, при этом может течь значительный ток.
Конструктивно эти транзисторы выполнены со встроенным диодом (d1), включённом в обратном направлении. Отличие P-канального от рассмотренного выше – диод d1 включён в противоположном направлении, схематически рисуют стрелку в обратную сторону.

Продолжение
Оценитe материал

Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают