Электронные компоненты и схемы
Введение
Этот раздел, описывающий принципы и применение различных электронных схем, не содержит детального объяснения их функционирования — для этого есть немало книг по электронике. Его назначение в том, чтобы кратко описать, как схемы
работают и, что более важно, каким образом они могут быть использованы применительно к автомобилю.
Схемы приведены с упрощениями, но их изучение позволит понять основные принципы работы электронных блоков управления, начиная с простого блока задержки включения внутреннего освещения до самой сложной системы управления
двигателем.
Компоненты
Большинство описанных в этом разделе компонентов
являются дискретными элементами. На рис. 2.13 приведены графические символы, используемые для начертания схем. Для большинства компонентов приведены краткие описании.
Наиболее широко в электронных схемах используются резисторы. Необходимо учитывать два фактора для выбора подходящего резистора: значение сопротивления и мощность рассеяния. Резисторы используются для ограничения величины тока и обеспечения фиксированного падения напряжения.
Часть резисторов, используемых в электронных схемах, изготовлены из небольшого угольного стержня, и размеры этого стержня определяют ело сопротивление.
Углеродные резисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления (negative temperature coefficient - NTC), и это должно учитываться для ряда их применений. Тонкопленочные резисторы имеют боя се стабильные температурные свойства, они изготавливаются нанесением
угольного слоя на стержень из изолятора, например, стекла. Значение сопротивления может быть выдержано очень точно благодаря нарезке спиральной дорожки в проводящем слое.
Резисторы с большой мощностью рассеяния, как правило, изготавливаются из спирально намотанной проволоки. Такой способ, однако, вносит в схему индуктивность. Существуют резисторы с переменным сопротивлением. Наиболее распространены линейная и экспоненциальная зависимости
сопротивления от угла поворота или линейного перемещения
регулирующего контакта. Сопротивление цепи характеризует степень его противодействия протекающему току.
Конденсатор — это прибор для сохранения электрического
заряда. В автомобилях конденсаторы применяются для уменьшения искрообразования на контактах и в схемах подавления радиопомех, а также а электронных узлах управления. Самый простейший конденсатор состоит из двух пластик, разделенных слоем изолятора. Одна пластина может иметь избыток электронов относительно другой пластины. Площадь пластин А, расстояние
между ними d, диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε определяют значение его емкости:
С = εA/d.
Для изготовления конденсаторов часто используют полоски металлической фольги (обкладки), разделенные слоем бумаги. Свернутые полоски вставляют я жестяную форму. Чтобы получить более высокие значения емкости при приемлемых внешних размерах прибора, надо уменьшать расстояние между его обкладками. Это достигается помещением обкладки я электролит, при этом на ее поверхности возникает тонкий слой окиси, что обеспечивает высокие значения емкости. Второй обкладкой служит сам электролит. Однако проблема заключается я том, что этот способ требует определенной полярности включения конденсатора. Конденсаторы переменкой емкости имеют различную конструкцию, обеспечивающую изменение одного из параметров
вышеуказанной формулы.
Единицей емкости является фарада (F). Цепь имеет емкость в 1Ф, если сохраняемый заряд тлеет величину один кулон (1 Кл) при разности напряжений на обкладках в один вольт (I В). На рис. 2.14 показан конденсатор, заряженный от батареи.
Диоды часто рассматривают как односторонний вентиль, и для большинства применений это вполне приемлемое описание. Любой диод имеет полупроводниковый P-N переход, позволяющий
электронному потоку двигаться из материала N-типп (с избытком электронов) в материал Р-тппа (с недостатком электронов). Как правило, области с проводимостью разного типа выполнены в объеме кристалла кремния. Диоды - неидеальные приборы, и для смешения в прямом направлении им требуется напряжение около 0,6 В. Диоды Зенера очень похожи по принципу действия на обычные диоды, за исключением того, что они предназначены для работы в режиме управляемого пробоя и пропускают ток в обратном направлении при определенном напряжении. Можно
сравнить их с предохранительным клапаном парового котла.
Появление транзисторов сделало возможным разработку современных сложных и малогабаритных электронных систем. Транзисторы заменили собой электронные лампы с подогревным катодом. Транзистор используется либо как твердотельный электронный ключ, либо как усилитель. Транзисторы изготавливаются из тех же самых полупроводниковых материалов, что и диоды, и они могут быть выполнены в виде NPN или PNP
структур. Три вывода транзистора известны как база, коллектор и эмиттер. Когда на базу подается смешение нужной полярности, между коллектором и эмиттером проходит электрический ток.
Мо базовый ток может быть примерно в 200 раз меньше тока эмиттера. Отношение тока, текущего через базу, к току, проходящему через эмиттер, называется коэффициентом усиления прибора и, какпривило, обозначается символом b.
Другой тип транзистора - транзистор с палевым эффектом (пашен транзистора field effect transistor — FET). Этот прибор имеет значительно большее входное сопротивление, нежели транзисторы биполярного типа, описанные выше. Полевые транзисторы выполняются как приборы с n-каналом и р-каналом. Три вывода такого прибора известны как затвор, исток и сток. Напряжение на затворе контролирует проводимость цепи между стоком и истоком.
Индуктивность чаше всего используется как элемент генератора колебаний пли усилителя. В таких схемах важна стабильность параметров индуктивности при приемлемых размерах. Индуктивность обычно выполняется в виде катушки проволоки, намотанной на каркас. Свойства магнитного поля при изменении, протекающего через индуктивность электрического тока определяют применение индуктивности в схемах. Индуктивность очень трудно изменять, особенно если индуктивность увеличивается за счет магнитной связи с другими приборами.
Экранирование катушки может уменьшить вредное воздействие магнитного поля на другие летали схемы, но тогда в оболочке экрана наводится вихревые токи, и они снижают индуктивность. Для увеличения индуктивности принято использовать железные
сердечники, так как это увеличивает магнитную проницаемость пространств внутри катушки. Эго также позволяет осуществлять регулировку индуктивности за счет изменения положения сердечника. Изменение значения индуктивности таким
способом обычно не превышает нескольких процентов.
но эго может быть полезно для застройки схем. Катушки большой индуктивности «дроссели) используются в цепях постоянного тока для сглаживания колебаний напряжении. Значение индуктивности
измеряется в генри (Гн). Цепь имеет индуктивность в 1 Гн, если ток, меняющийся со скоростью 1 А в секунду, наводит электродвижущую силу в I В.
Интегральные схемы
Интегральные схемы (ЙС) изготавливаются на одном кристалле кремния, обычно называемом подложкой. В одной ИС некоторые из вышеупомянутых элементов могут быть скомбинированы таким образом, чтобы выполнять различные задачи, например: коммутацию, усиление или логические
функции. Фактически, компоненты, требуемые для указанных задач, могут быть выполнены непосредственно на том же кристалле. Огромное преимущество такой технологии даже не в размерах ИС, а в скорости, с которой их можно заставить
функционировать по причине кратчайших расстояний между компонентами. Типичные рабочие частоты ИС свыше I МГН.
Процесс создания ИС протекает в четыре основные
стадии. Первая из этих стадий – окисление кремниевой подложки в потоке кислорода при высокой температуре. Образуемая пленка окиси — великолепный изолятор. Далее стихия процесса— фототравление, в котором часть окисной пленки удаляется. Предварительно кремниевая подложка покрывается слоем материала называемого фоторезистом, который под воздействием
света становится твердым. Затем на пластину накладывается фототрафарет, на котором нанесена необходимая структура. Далее пластика протравливается в кислоте, чтобы убрать окисел с поверхности кремния на тех участках, которые не были защищены
от воздействия света. Далее стадия — процесс диффузии, при котором кристаллическая подложка нагревается в атмосфере примесей бора или фосфора (или подобных), что создаст условия
для возникновения областей кремния с р- и n-типом примесей. Финальная стадия —этитаксия, которая названа так потому, что происходит наращивание кристалла. Новые слои кремния становятся зонами р- и n-проводимости. Подобным образом можно сформировать резисторы и конденсаторы с малы ни значениями емкости. Но невозможно сформировать на кристалле какую- либо практически пригодную индуктивность. На рис. 2.15 показан примерный внешний вид «корпуса », в котором монтируется готовый кристалл ИС.
Диапазон и типы доступных сегодня ИС столь огромны, что ИС присутствуют почти в любом блоке. Уровень нитрации кристаллов в наши дни достиг, а во многих случаях и превзошел, уровень больших интегральных схем (БИС). Этот термин означает, что на одном кристалле может быть размещено более 100 0)0 активных элементов. Развитие этой сферы технологий столь стремительно, что электроника теперь занимается главным образом
выбором топологии ИС, а дискретные компоненты используются при окончательном монтаже или в мощных выходных каскадах.
Усилители
Простейшая схема усилителя содержит только один резистор и один транзистор, как показано на рис. 2.16. Малое изменение тока на входном выводе вызовет аналогичное изменение тока через транзистор и, очевидно, на выходе появится усиленный сигнал. Отметим, однако, что выходной сигнал будет инвертирован по сравнению со входным. Эта очень простая схема имеет множество применений и чаще используется о качестве переключателя, нежели усилители. Например, очень малый ток на входе может быть использован для возбуждения, скажем, обмотки реле, включенного вместо резистора.
Одна из главных проблем, связанных с этим типом транзисторного усилителя, заключается в том, что коэффициент усиления транзистора (β) может меняться, причем нелинейно. Чтобы преодолеть этот недостаток, для получения схемы с более
подходящими характеристиками используют ряд цепей обратной связи. На рис. 2.17 показан более удачный усилитель переменного тока.
Резисторы Rb1 и Rb2 устанавливают базовое напряжение транзистора, и поскольку напряжение на участке база-эмиттер сохраняется постоянным на уровне 0,6 В, это, в свою очередь, зафиксирует напряжение эмиттера. Соответственно через резисторы коллектора и эмиттера будет течь постоянный ток, а малые изменения напряжения на входе будут отражены в усиленной форме си шала на выходе, хотя и в инвертированном виде. Приближенное значение коэффициента усиления по напряжению для этой схемы может быть оценено как Rt/Rc.
Конденсатор С1 предотвращает изменение напряжения смешения, а С2 служит для уменьшения импеданса в эмиттерной цепи. Это гарантирует, что Re не оказывает влияния на коэффициент усиления и несколько повышает его.
Для усиления сигналов постоянного тока часто используется дифференциальный усилитель. Он усиливает разность напряжений между двумя входами. Схема на рис. 2.18 (дифференциальный усилитель) применяется в усилителях постоянного тока
практически повсеместно.
Рис. 2.18. Усилитель постоянного тока, пара с общим
сопротивлением в цепи эмиттера
Транзисторы пары выбираются так, чтобы их характеристики были максимально близкими. В интегральном исполнении стабильность обеспечивается конструктивно - дискретные элементы, в частности, транзисторы, крепятся к одному и
тому же теплоотвода и имеют одинаковую температуру. Изменения на входе будут действовать на напряжение базо-эмиттерного перехода каждого из транзисторов одинаковым образом, так что ток, текущий через Re, будет оставаться постоянным. Любое изменение (например, температуры), будет воздействовать на оба транзистора идентично и, следовательно, разностное выходное напряжение будет сохраняться неизменным. Главное свойство
дифференциального усилителя — его способность усиливать разность между сигналами, но не сами сигналы.
Интегральные схемы типа дифференциального усилителя очень распространены, одна из наиболее известных схем — операционный усилитель (ОУ) серии 741. Этот тип ОУ имеет коэффициент усиления по постоянному току порядка 100 000. Сфера применения ОУ очень широка, в частности, их можно использовать как усилители сигналов. Такие усилители в основном используются в качестве буфера между датчиком и нагрузкой (например, дисплеем).
Рис. 2.19. Схемы ОУ с обратной связью
Внутренняя схема этого класса приборов может быть очень сложной, но внешние соединения и количество дополнительных компонентов могут быть сведены к минимуму. Нечасто требуется такой коэффициент усиления, как 100 000, но посредством подсоединения нескольких резисторов характеристики схемы с ОУ можно изменить так, что они будут удовлетворять поставленным требованиям. Для получения точно заданного коэффициент
усиления используют две разновидности отрицательной обратной связи. Они показаны на рис. 2.19 и называются схемами ОУ, соответственно, с шунтирующей обратной связью и с пропорциональной обратной связью.
Коэффициент усиления в инвертирующем включении
равен:
Коэффициент усиления в неинвертируюшем включении равен:
Очень важный момент, который следует отметить в связи с данным типом усилителя, это зависимость коэффициента усиления от частоты. Конечно, это замечание уместно только в случае
усиления сигналов переменного тока. На рис. 2.20 показана частотная характеристика усилителя серии 741. ОУ являются основными «кирпичиками» многих типов схем, и некоторые на них будут вкратце упомянуты позже в данном разделе.
Мостовые схемы
Имеется множество типов мостовых схем, но все они базируются на принципе моста Уитстона, изображенного на рис. 2.21,
На схеме изображен чувствительный гальванометр. Простой расчет покажет, что он даст нулевые показания, когда выполняется отношение:
Чтобы использовать схему данного типа для измерения
неизвестного сопротивления R, с очень большой точностью, используют точные резисторы заранее известного номинала R3 и R4, а в качестве R, — магазин точных сопротивлений. Индикатор
покажет нулевое значение, когда сопротивление наборного магазина, а точности равно сопротивлению неизвестного резистора. Этот же простой принцип может быть применен и к схемам переменного тока для определения неизвестной индуктивности или
неизвестной емкости.
Типичное применение мостовой схемы в автомобиле показано на рис. 2.22. В этой схеме R1 заменен термистором для измерения температуры.
Выходной сигнал моста усиливается дифференциальным операционным усилителем с обратной связью, определяющей коэффициент усиления.
Триггер Шмидта
Триггер Шмидта применяется для преобразования изменяющихся сигналов в сигналы прямоугольной формы с крутыми фронтами для использования в цифровых и переключающих схемах. Например, синусоидальный сигнал, подаваемый на триггер Шмидта, появится на выходе как прямоугольный сигнал той же частоты, что и входной сигнал. На рис. 2,23 показана простая схема триггера Шмидта, использующая операционный усилитель.
За счет высокого коэффициента усиления (и положительной обратной связи - Ред.) на выходе этой схемы будет либо максимальное положительное, либо максимальное отрицательное напряжение. Точки переключения триггера называются верхним
и нижним порогом срабатывания (соответственно, UTP — upper trigger point и LTP — lower trigger point). Выходной сигнал от индукционного распределителя или датчика положения коленчатого вала на двигателе нужно пропустить через триггер Шмидта. Этот прием упростит дальнейшую обработку
сигнала ял и сделает переключение автомобильных
устройств более четким. Триггеры Шмидта могут быть приобретены как отдельные интегральные схемы либо как часть других готовых изделий.
Таймеры
В простейшем виде таймер состоит всего ни двух компонентов: резистора и конденсатора. Когда конденсатор подключается к источнику питании через резистор, считается, что он будет полностью заряжен через время 5RС секунд, где R — значение
сопротивления резистора в омах, а С — емкость конденсатора в фарадах. Постоянная времени этой цепи есть RC, часто обозначаемая как T.
Напряжение на конденсаторе (Vс) может быть вычислено следующим образом:
где:
V - напряжение источника питания, В.
t— время, с.
С — емкость конденсатора, Ф.
R — сопротивление резистора, Ом.
e — символ экспоненциальной функции.
Указанные элементы с подходящими номиналами позволяют установить практически любое разумное значение времени задержки и включить или выключить некую схему, используя транзистор как ключ. На рис. 2.24 приведен пример схемы таймера, использующей такой технический прием.
Фильтры
Представим себе фильтр, который предотвращает попадание крупных частиц грязи, например, в топливный инжектор. В электронных цепях основная идея та же, за исключением того, что размером частиц служит частота сигнала. Электронные фильтры делятся на два основных типа:
низкочастоный фильтр (ФНЧ), который блокирует высокие частоты, и высокочастотный фильтр (ФВЧ), который подавляет низкие частоты. Возможны различные варианты фильтров, позволяющие получить особую частотную характеристику, в
частности, полосовой или режекторный фильтры. Здесь будет рассмотрена только базовая конструкция фильтров. Фильтры могут быть активными, если схема включает усиление, или пассивными,
когда усиления нет. На рис. 2.25 показаны два основных типа пассивных фильтров.
Принцип действия фильтров основан на изменении реактивного сопротивления конденсаторов в зависимости от частоты. Действительно, реактивное сопротивление конденсатора Xс уменьшается с увеличением частоты. Частота среза фильтра
может быть вычислена по следующей формуле:
где:
f- частота, ни которой коэффициент передачи схемы начинает быстро спадать,
R — сопротивление резистора,
С— емкость конденсатора.
Следует отметить, что такие фильтры весьма далеки от совершенства (некоторые более качественные конструкции обсудим чуть позже), и что частота среза является не резкой границей, но только точкой, на которой коэффициент передачи
схемы начинает падать (обычно на уровне 0,707 от исходной величины).
Лора Дарлингтона
Пара Дарлингтона (в отечественной терминологии «составной транзистор*) является простой комбинацией двух транзисторов, которые обеспечивают высокий коэффициент усиления по току (типичное значение несколько тысяч). Транзисторы, как правило,
монтируются на тепловом радиаторе, и прибор имеет три вывода, маркируемых как у обычного транзистора, — база, коллектор и эмиттер. Входной импеданс этого типа схем — порядка 1 МОм, следовательно, они никоим образом не нагружают схему, подсоединяемую к их входу. На рис. 2.26 показаны два транзистора, соединенных в пару Дарлингтона.
Конфигурация составного транзистора используется во многих переключающих схемах. Обычное применение схемы Дарлингтона — коммутация тока первичной обмотки в катушке зажигания.
Привод шагового двигателя
В одном из последующих разделов подробно описано, как работает шаговый электродвигатель. В этом же разделе рассма1ривается схема, используемая: для управления электромотором, — схема привода четырехфазного униполярного мотора. Функция привода шагового электродвигателя заключается
в преобразовании маломощных цифровых управляющих сигналов в «силовые» сигналы для работы обмоток электродвигателя. Процесс управления шаговым двигателем лучше всего описывается
при помощи блок-схемы системы управления, изображенной на рис. 2.27.
Рис. 2.27. Система управления шаговым
Блок управления выдает выходной сигнал от основного блока системы управления двигателем (electronic control unit — ECU). Затем сигнал конвертируется в простой логической схеме в импульсы, подходящие для управления электромотором. Эти импульсы далее передаются на электромотор через мощный выходной каскад. На рис. 2.28 показана упрошенная схема выходного каскада, предназначенного для управления четырьмя обмотками шагового электродвигателя.
Рис. 2.28. Схема управления шаговым двигателем (каска усиления мощности)