Елементи електронних систем керування

Напівпровідникові елементи, такі як діоди, транзистори, тиристори і інтегральні схеми (ІС) є найважливішими складовими частинами електронних систем.

Основними матеріалами для створення напівпровідникових елементів є кристалічні структури кремнію і германію. Обидва елементи є хімічно чотиривалентні і в чистому стані проявляють незначну пpовідність. За допомогою внесення точно дозованих домішок - тривалентних елементів (домішка P), наприклад, індію, або пятивалентних (домішка N), наприклад, сурми, кремнієві і германієві елементи стають добрими провідниками.

Фізика механізму провідності базується на тому, що при N – домішках в кристалічній решітці є в надлишку електрони, які легко переміщаються, а при домішках P – є їх брак. Якщо сполучити напівпровідник N типу з напівпровідником Р типу, то таке з'єднання електрично-провідне у випадку , коли напруга прикладена таким чином, що викликає переміщення надлишкових електронів з напівпровідника N - типу до вільних місць (так званих „дірок ") в напівпровіднику P-типу (рис. 4.1 a). Електрони заповнюють порожні місця і переміщаються до правого електрода (додатній полюс). У такому випадку говорять про вмикання PN в напрямку провідності (прямому напрямку).

Після зміни полярності на протилежну, коли від'ємний полюс сполучений з напівпровідником типу Р, а додатній полюс – з N, то електрони переміщатимуться до лівого електрода (рис. 4.1 b).З області напівпровідника типу Р, в якому є недостатньо електронів, електрони не можуть витікати, а отже не може виникнути струм. Перехід PN закритий (зворотний напрям). PN з'єднання (перехід) дає можливість протікання струму в одному напрямі (пряма провідність) і забороняє - в протилежному напрямку (зворотна провідність). Напівпровідникові елементи використовують принцип дії зворотного вентиля.

Напівпровідникові діоди є елементами електронних систем, які мають дві точки сполучення (кінці) і в загальному переходи типу PN (рис. 4.2). У напрямку вістря стрілки діод пропускає струм і не пропускає його у протилежному напрямі. Діод діє подібно до зворотного вентиля. Якщо перевищити максимальну зворотну напругу U_Z, то діод буде зруйновано. Проте є діоди Z (діоди Зенера, стабілітрони), які спеціально працюють у зворотному напрямі U_Z.

Стабілітрон на зворотній (робочій) ділянці характеристики забезпечує напругу U_Z незалежну від струму. Цю особливість використовується при формуванні джерел напруги незалежних від струму навантаження. Якщо, наприклад, стабілітрон (U_z = 12 B) підімкнути до джерела змінної напруги, величиною, наприклад, від 12 В до 15 В, то спадок напруги на діоді у зворотному напрямі буде постійний і становитиме 12 В.

Діоди застосовуються для випрямленнязмінного струму, виділення значення(модуля) сигналу, розв'язкиі реалізації функцій алгебри логікиза використання електричних сигналів.

Схеми випрямлення діляться на однопівперіодні і двопівперіодні. Діод, показаний на рис. 4.3 a, проводить тільки тоді, коли прикладена додатна напруга. При від'ємній напрузі струм не протікає. Значення струму визначається середнім значенням додатного півперіоду змінного струму.

Мостова схема з чотирма діодами забезпечує протікання струму I через опір споживача R завжди в одному напрямі, незалежно від того чи змінна напруга додатна (напрям струму −>), чи від'ємна (напрям струму--->) (рис. 4.3 b).

Така схема використовується також для визначення абсолютного значенняелектричного сигналу, оскільки напруга на опорі R відповідає модулю вхідної напруги U_e (U_R =│U_e│), тобто вона завжди додатна і має те саме значення модуля, що і вхідна напруга.

За допомогою діодів можна від'єднувати електричні пристрої від струмового кола (розв'язувати),а також можна реалізувати логічні функціїза використання електричних сигналів.

Наприклад: у системі керування (рис. 4.4) вмикання вимикача S1 в положенні 1 викликає вмикання муфти Y1, а в положенні 2 – вмикання обох муфт Y1 і Y2 (кон'юнкція). Для того щоб в положенні 1 через муфту Y2 не протікав струм, муфта Y2 через діод від'єднана (розв'язана) від Y1. Натомість в положенні 2 струм протікає через Y1 і Y2, тому що діод працює у прямому напрямку.

Транзистори складаються з трьох напівпровідникових шарів з черговістю шарів: Р, N, P (транзистор p-n-p) абоN, Р, N(транзистор n-p-n).До кожного шару під'єднаний електрод (Таблиця 4.1).Електроди зовнішніх шарів називаються емітер (E) і колектор (К). Центральний шар називається базою (Б). За допомогою електрода бази можна керувати струмом , що протікає від емітера до колектора (в транзисторах p-n-p), або від колектора до емітера (в транзисторах n-p-n). Якщо між базою і емітером немає напруги керування, то з'єднання емітер - колектор не проводить електричний струм, тому що PN перехід працює у запірному напрямку. Струм бази усуває явище непровідності у PN переході і між колектором і емітером може протікати струм . Струм керування І_б є менший від керованого струму І_С приблизно у сто разів, що дозволяє при допомозі транзисторів в простий спосіб будувати електронні підсилювачі з малою вхідною потужністю і великою вихідною потужністю.

В операційному підсилювачі на малій площі об'єднується декілька транзисторів таким чином, що при малих вхідних струмах постійної або змінної напруги відбувається багатократне підсилення вихідного струму або напруги (рис. 4.5). Вихідна напруга U₂ завжди протилежного знаку щодо вхідної напруги U₁ (інверсування напруги, позначене знаком мінус перед символом). Операційні підсилювачі можуть підсилювати за напругою довільні сигнали.

Тиристор є керованим напівпровідниковим випрямлячем з декількома шарами P і N (рис. 4.6). В некерованому стані тиристор не проводить в жодному напрямку. Дія струмового імпульсу в колі керувального електрода призводить до того, що тиристор переходить у відкритий стан і коли між анодом і катодом є додатна напруга, то від анода до катода протікає струм. З моменту, коли струм спаде до нуля, тиристор закривається і залишається в непровідному стані до моменту, коли знову буде „збуджений " керувальним імпульсом. За допомогою тиристорів можна будувати керовані джерела постійного струму (перетворювачі постійного струму для електричних приводів). Шляхом відповідного підбору моментів часу, коли виникають імпульси (кут відкривання) на керувальному електроді тиристора, підімкненого до змінної напруги, можна отримувати різні середні значення напруги постійного струму (рис. 4.7).Керувальні імпульси формує електронна система керування.

За допомогою паралельного, або зустрічно-паралельного з'єднання тиристорів (протинаправлене з'єднання), при роботі одного тиристора, створюється керований постійний струм в одному напрямі, а при роботі другого тиристора постійний струм в протилежному напрямі (рис. 4.8).Таким двополярним струмом можна керувати, наприклад, двигуном постійного струму в усьому діапазоні обертання вправо і вліво. Як правило, тиристорні підсилювачі (перетворювачі) виконуються для мережі трифазного струму. В більшості випадків застосовують зустрічно-паралельне з'єднання 3 ∙ 2 = 6 тиристорів (трифазна мостова схема). Шляхом відповідного керування імпульсами, така схема може використовуватися як перетворювач постійного струму у змінний (режим інвертора).

Інтегральні схеми (ІС). Інтегральні схеми (англ. Integrated Circuit) містять в малому кремнієвому кристалі значну кількість PN переходів. Таким чином в дуже малому об'ємі містяться і з'єднані в функціонально готові системи багато діодів і транзисторів, а також резисторів і конденсаторів. Схеми різного функціонального призначення в інтегральній техніці розміщуються в корпусах різної величини, але найчастіше це корпуси типу DIL(англ. Dual in Line) з 14 або 16 виводами (ніжками). Особливо мало місця займають ІС, виконані в техніці SMD (англ. Surface Mounted Device = схема для поверхневого монтажу).Інтегральні схеми можуть містити комплектні підсилювальні системи, наприклад, операційні підсилювачі, цифрові лічильні елементи, цифрову пам'ять і елементи цифрових систем керування.

Фотоелектронні напівпровідникові елементи.Вплив світла змінює електричні властивості напівпровідникових матеріалів - змінює їх провідність. Тому напівпровідникові елементи, властивості яких мають бути незалежні від впливу світла, розміщуються в світлозахисних корпусах. Фотодіоди, фотоелементи, фототранзистори і фоторезистори, які є чутливими на світло, розміщуються (втоплюються ) в склі або в прозорій синтетиці.

Фотодіод працює у зворотному (запірному) напрямі (рис. 4.9). Запірний струм І змінюється при освітлюванні в діапазоні від декількох мкA до кількох сотень мкA. Будова фотоелементасхожа на будову діода. При освітлюванні між напівпровідником N і напівпровідником P на германієвих елементах виникає напруга до 0,3 В, а на кремнієвих елементах напруга до 0,7 В. Отже, фотоелемент під час освітлення стає джерелом напруги. Опір фоторезисторазмінюється в широкому діапазоні від декількох МОм до декількох Ом. Фототранзистори і фототиристорипри освітленні проводять струм. Перемикання (збудження) елемента відбувається внаслідок дії світлового потоку - замість імпульсу на керувальному електроді. Фотоелектронні напівпровідники знаходять використання в багатьох керувальних пристроях, наприклад, в оптичних вимикачах і при цифровому вимірюванні переміщень.