Зміст:
Електронні гаджети стали невіддільною частиною нашого життя. Вони зробили наше життя комфортнішим і зручнішим. Від авіації до медичної промисловості та галузі охорони здоров’я, електронні гаджети мають широкий спектр застосування в сучасному світі. Насправді революція в електроніці та революція комп’ютерів йдуть рука об руку.
ЯК ВОНИ ТОЧНО ПРАЦЮЮТЬ?
Більшість гаджетів мають крихітні електронні схеми, які можуть керувати машинами та обробляти інформацію. Простіше кажучи, електронні схеми – це рятівні кола різних електроприладів.
У цьому посібнику детально пояснюється про поширені електронні компоненти, що використовуються в електронних схемах, і як вони працюють.
ЩО ТАКЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО?
Електричне коло — це структура, яка спрямовує та керує електричним струмом для виконання різних функцій, включаючи посилення сигналу, обчислення та передачу даних.
Він містить кілька різних компонентів, таких як резистори, транзистори, конденсатори, індуктивності та діоди. Для з’єднання компонентів один з одним використовуються струмопровідні дроти або сліди. Однак ланцюг є повним, лише якщо він починається і закінчується в одній точці, утворюючи петлю.
Складність і кількість компонентів в електричній схемі може змінюватися в залежності від її застосування. Однак найпростіша схема складається з трьох елементів, включаючи провідник струму, джерело напруги та навантаження.
ЕЛЕМЕНТ 1. Провідник
Електричний струм протікає по провіднику. Хоча мідні дроти використовуються в простих ланцюгах, їх швидко замінюють струмопровідні сліди. Струмопровідні сліди — це не що інше, як мідні листи, наклеєні на непровідну підкладку. Вони часто використовуються в невеликих і складних схемах, таких як друковані плати.
ЕЛЕМЕНТ 2. Джерело напруги
Основна функція ланцюга — забезпечити безпечне проходження електричного струму через нього. Отже, першим ключовим елементом є джерело напруги. Це пристрій з двома полюсами, наприклад батарея, генератор або системи живлення, які забезпечують різницю потенціалів (напругу) між двома точками ланцюга, щоб струм міг протікати через нього.
ФАКТ 1. Розімкнутий електричний ланцюг
Як згадувалося раніше, ланцюг завжди повинен утворювати петлю, щоб через неї протікав струм. Однак, іноді стається розрив ланцюга, струм не може протікати, оскільки один або кілька компонентів відключаються навмисно (за допомогою перемикача), або випадково (поламані частини). Іншими словами, будь-який ланцюг, який не утворює петлю, є розімкнутим, тобто розриває електричне коло.
ФАКТ 2. Замкнуте електричне коло
Замкнений ланцюг - це ланцюг, який утворює петлю без будь-яких переривань. Таким чином, це повна протилежність розімкнутого ланцюга. Однак повна схема, яка не виконує жодної функції, все одно залишається замкненою. Наприклад, ланцюг, підключений до розрядженої батареї, може не виконувати ніякої роботи, але все ж таки це замкнутий ланцюг.
ФАКТ 3. Коротке замикання
У разі короткого замикання між двома точками електричного кола утворюється з’єднання з низьким опором. В результаті струм має тенденцію протікати через це новоутворене з'єднання, а не вздовж наміченого шляху. Наприклад, якщо є прямий зв’язок між негативним і позитивним полюсами батареї, струм буде протікати через нього, а не проходить через ланцюг.
Однак коротке замикання зазвичай призводить до серйозних аварій, оскільки струм може протікати на небезпечно високих рівнях. Таким чином, коротке замикання може призвести до пошкодження електронного обладнання, вибуху батарей і навіть виникнення пожежі в комерційних і житлових будівлях.
ФАКТ 4. Друковані плати ( PCBs)
Більшість електронних приладів потребують складних електронних схем. Ось чому дизайнерам доводиться розташовувати крихітні електронні компоненти на друкованій платі. Вона складається з пластикової панелі зі з’єднувальними мідними доріжками з одного боку та безліччю отворів для кріплення компонентів. Коли макет друкованої плати надруковано хімічно на пластиковій платі, її називають друкованою платою або PCB.
ФАКТ 5. Інтегральні схеми (ІС)
Хоча друковані плати можуть запропонувати багато переваг, більшість сучасних інструментів, таких як комп’ютери та мобільні телефони, вимагають складних схем, що містять тисячі й навіть мільйони компонентів. Ось тут на допомогу приходять інтегральні схеми. Це крихітні електронні схеми, які можуть поміститися в невеликому кремнієвому чіпі. Джек Кілбі винайшов першу інтегральну схему в 1958 році в Texas Instruments. Єдина мета інтегральних мікросхем — підвищити ефективність електронних пристроїв, зменшуючи при цьому їх розмір і вартість виробництва. З роками інтегральні схеми ставали складнішими, оскільки технології продовжують розвиватися.
ДЕТАЛІ ДЛЯ ПОБУДОВИ ЕЛЕКТРОННИХ СХЕМ
Завдяки сучасним технологіям процес створення електронних схем був повністю автоматизований, особливо для створення мікросхем і друкованих плат. Кількість і розташування компонентів у схемі може змінюватися в залежності від її складності. Однак він побудований з використанням невеликої кількості стандартних компонентів.
Для побудови електронних схем використовуються наступні компоненти.
КОМПОНЕНТ 1. Конденсатор
Конденсатори широко застосовуються для створення різних типів електронних схем. Конденсатор — це пасивний двополюсний електричний компонент, який може зберігати енергію в електричному полі електростатично. Простіше кажучи, працює як невеликий акумулятор, що накопичує електроенергію. Однак, на відміну від акумулятора, може заряджатися і розряджатися за частки секунди.
А. Будова
Конденсатори бувають будь-яких форм і розмірів, але зазвичай вони мають однакові первинні компоненти. Існують два електричних провідники або пластини, розділені між собою діелектриком або ізолятором. Пластини складаються з провідного матеріалу, такого як тонкі плівки металу або алюмінієвої фольги. На звороті, діелектрик — це непровідний матеріал, такий як скло, кераміка, пластикова плівка, повітря, папір або слюда. Ви можете вставити два електричних з’єднання, що виступають з пластин, щоб закріпити конденсатор в ланцюзі.
B. Як це працює?
Коли ви прикладаєте напругу до двох пластин або під’єднуєте їх до джерела, через ізолятор розвивається електричне поле, через що одна пластина накопичує позитивний заряд, а негативний заряд збирається на іншій. Конденсатор продовжує утримувати свій заряд, навіть якщо ви від’єднаєте його від джерела. У момент, коли ви під’єднаєте його до навантаження, накопичена енергія потече від конденсатора до навантаження.
Ємність - це кількість енергії, що накопичується в конденсаторі. Чим вища ємність, тим більше енергії вона може зберігати. Збільшити ємність можна, переміщаючи пластини ближче один до одного або збільшуючи їх розмір. В якості альтернативи ви також можете підвищити ізоляційні якості, щоб збільшити ємність.
C. Функція та значення
Хоча конденсатори виглядають як батареї, вони можуть виконувати різні типи функцій у ланцюзі, наприклад блокувати постійний струм, дозволяючи змінному струму пропускати або згладжувати вихід від джерела живлення. Вони також використовуються в системах передачі електроенергії для стабілізації напруги та потоку електроенергії. Однією з найважливіших функцій конденсатора в системах змінного струму є корекція коефіцієнта потужності, без якої неможливо забезпечити достатній пусковий момент однофазних двигунів.
● Застосування фільтрів конденсаторів
Якщо ви використовуєте мікроконтролер у схемі для запуску певної програми, ви не хочете, щоб його напруга впала, оскільки це призведе до скидання контролера. Тому дизайнери використовують конденсатор. Він може забезпечити мікроконтролер необхідною потужністю на частку секунди, щоб уникнути перезавантаження. Іншими словами, він відфільтровує шум на лінії електропередачі та стабілізує джерело живлення.
● Застосування конденсаторів утримування
На відміну від акумулятора, конденсатор швидко розряджає свій заряд. Тому він використовується для забезпечення живлення ланцюга на короткий час. Акумулятори вашої камери заряджають конденсатор, приєднаний до спалаху. Коли ви робите фотографію зі спалахом, конденсатор вивільняє свій заряд за частку секунди, щоб створити спалах світла.
● Конденсаторні програми таймера
У резонансній або залежній від часу схемі конденсатори використовуються разом з резистором або індуктивністю як синхронізуючий елемент. Час, необхідний для зарядки й розрядки конденсатора, визначає роботу ланцюга.
КОМПОНЕНТ 2. Резистор
Резистор — це пасивний двополюсний електричний пристрій, що протистоїть протіканню струму. Мабуть, це найпростіший елемент в електронній схемі. Це також один з найпоширеніших компонентів, оскільки опір є невіддільним елементом майже всіх електронних схем. Вони, як правило, позначені кольором.
A. Будова резистора
Резистор – це зовсім не химерний пристрій, оскільки опір є природною властивістю, якою володіють майже всі провідники. Отже, конденсатор складається з мідного дроту, обмотаного навколо ізоляційного матеріалу, такого як керамічний стрижень. Кількість витків і товщина мідного дроту прямо пропорційні опору. Чим більше число витків і тонший провід, тим вище опір.
Також можна зустріти резистори, виготовлені зі спірального малюнка з вуглецевої плівки. Звідси й назва вуглецеві плівкові резистори. Вони розроблені для ланцюгів меншої потужності, оскільки резистори з вуглецевої плівки не такі точні, як їхні аналоги з дротяною обмоткою. Однак вони дешевші за дротяні резистори. До обох кінців прикріплені клеми для проводів. Оскільки резистори не дотримуються полярності в ланцюзі, струм може протікати через нього в будь-якому напрямку. Таким чином, не потрібно турбуватися про те, щоб прикріпити їх у прямому чи зворотному напрямку.
B. Як працює резистор?
Резистор може виглядати непотрібним елементом. Хтось може подумати, що він нічого не робить, крім споживання енергії. Проте, він виконує життєво важливу функцію: контролює напругу та струм у вашому ланцюзі. Іншими словами, резистори дають вам контроль над проєктуванням вашої схеми.
Коли по дроту починає проходити електричний струм, усі електрони починають рухатися в одному напрямку. Це, так само як вода що тече по трубі. Через тонку трубу протікатиме менша кількість води, оскільки залишається менше місця для її руху.
Аналогічно, коли струм проходить через тонкий дріт в резисторі, електронам стає все важче рухатися крізь нього. (Одним) словом, кількість електронів, що протікають через резистор, зменшується в міру збільшення довжини та тонкості дроту.
C. Функція та значення резисторів
Резистори мають багато застосувань, але три найпоширеніших з них — це керування потоком струму, роздільна напруга та мережа резистор-конденсатор.
● Обмеження струму
Якщо ви не додасте резистори в ланцюг, струм буде протікати на небезпечно високих рівнях. Це може перегріти інші компоненти та, можливо, пошкодити їх. Наприклад, якщо увімкнути світлодіод безпосередньо до акумулятора, він все одно працюватиме. Однак через деякий час світлодіод нагріється, як вогняна куля. Згодом він згорить, оскільки світлодіоди менш стійкі до нагрівання.
Але, якщо ввести в ланцюг резистор, це зменшить потік струму до оптимального рівня. Таким чином, ви можете довше тримати світлодіод увімкненим, не перегріваючи його.
● Роздільна напруга
Резистори також використовуються для зниження напруги до потрібного рівня. Іноді певній частині схеми, наприклад мікроконтролеру, може знадобитися нижча напруга, ніж сама схема. Тут на допомогу приходить резистор.
Скажімо, ваша схема працює від батареї на 12 В. Однак мікроконтролер потребує лише живлення 6 В. Отже, щоб розділити напругу навпіл, все, що вам потрібно зробити, це розмістити два резистори однакового опору послідовно. Провід між двома резисторами вдвічі зменшить напругу вашої схеми, до якої можна під'єднати мікроконтролер. Використовуючи відповідні резистори, ви можете знизити напругу в ланцюзі до будь-якого рівня.
● Резисторно-конденсаторні мережі
Резистори також використовуються в поєднанні з конденсаторами для створення мікросхем, які містять масиви резистор-конденсатор в одній мікросхемі. Їх також називають RC фільтрами або RC мережами. Вони часто використовуються для придушення електромагнітних перешкод (EMI) або радіочастотних перешкод (RFI) в різних приладах, включаючи порти введення/виводу комп’ютерів і ноутбуків, локальні мережі (LAN) і глобальні мережі (WAN), серед інших. Вони також використовуються в верстатах, розподільних пристроях, контролерах двигунів, автоматизованому обладнанні, промислових приладах, ліфтах та ескалаторах.
КОМПОНЕНТ 3. Діод
Діод — це пристрій з двома полюсами, що дозволяє електричному струму протікати тільки в одному напрямку. Таким чином, він є електронним еквівалентом зворотного клапана чи вулиці з одностороннім рухом. Він зазвичай використовується для перетворення змінного струму (AC) в постійний (постійний). Він виготовляється або з напівпровідникового матеріалу (напівпровідниковий діод), або з вакуумної трубки (діод з вакуумною лампою). Однак сьогодні більшість діодів виготовляються з напівпровідникових матеріалів, зокрема кремнію.
А. Будова діода
Як згадувалося раніше, існує два типи діодів: вакуумні діоди та напівпровідникові діоди. Вакуумний діод складається з двох електродів (катода й анода), розміщених всередині герметичної вакуумної скляної трубки. Напівпровідниковий діод складається з напівпровідників p-типу та n-типу. Тому він відомий як діод із p-n переходом. Зазвичай він виготовляється з кремнію, але можна також використовувати германій або селен.
B. Як працює діод?
● Вакуумний діод
Коли катод нагрівається ниткою розжарювання, у вакуумі утворюється невидима хмара електронів, яка називається просторовим зарядом. Хоча електрони випускаються з катода, негативний просторовий заряд відштовхує їх. Оскільки електрони не можуть досягти анода, струм через ланцюг не проходить. Однак, коли анод стає позитивним, просторовий заряд зникає. В результаті від катода до анода починає текти струм. Таким чином, електричний струм всередині діода тече лише від катода до анода і ніколи від анода до катода.
● Діод P-N переходу
Діод із p-n переходом містить кремнієві напівпровідники p-типу та n-типу. Напівпровідник p-типу зазвичай легують бором, залишаючи в ньому дірки (позитивний заряд). Напівпровідник n-типу, з іншого боку, легований сурмою, додаючи в нього кілька додаткових електронів (негативний заряд). Отже, електричний струм може протікати через обидва напівпровідники.
Коли ви поєднуєте блоки p-типу та n-типу разом, зайві електрони n-типу об'єднуються з дірками p-типу, створюючи зону виснаження без вільних електронів чи дірок. Коротко кажучи, струм більше не може проходити через діод.
Діод із p-n переходом містить кремнієві напівпровідники p-типу та n-типу. Напівпровідник p-типу зазвичай легують бором, залишаючи в ньому дірки (позитивний заряд). Напівпровідник n-типу, з іншого боку, легований сурмою, додаючи в нього кілька додаткових електронів (негативний заряд). Отже, через обидва напівпровідники може протікати електричний струм.
Коли ви поєднуєте блоки p-типу та n-типу разом, зайві електрони n-типу з'єднуються з дірками в p-типі, створюючи зону виснаження без будь-яких вільних електронів чи дірок. Коротко кажучи, струм більше не може проходити через діод.
Коли ви підключаєте мінусову клему акумулятора до кремнію n-типу, а позитивний полюс до p-типу (зміщення вперед), струм починає текти, оскільки електрони та дірки тепер можуть рухатися через з’єднання. Однак, якщо ви перевернете клеми (зміщення у зворотному напрямку), через діод не протікає струм, тому що дірки та електрони відсуваються один від одного, розширюючи зону виснаження. Таким чином, так само як і вакуумний діод, перехідний діод також може дозволяти струму проходити тільки в одному напрямку.
C. Функція та значення діодів
Попри те, що діоди є одними з найпростіших компонентів електронної схеми, вони мають унікальне застосування в різних галузях промисловості.
● Перетворення змінного струму в постійний
Найпоширенішим і важливим застосуванням діода є ректифікація живлення змінного струму в живлення постійного струму. Зазвичай для ректифікації змінного струму в постійний використовується напівхвильовий (один діод) або повно хвильовий (чотири діоди), особливо в побутових джерелах живлення. Коли ви пропускаєте джерело живлення змінного струму через діод, через нього проходить лише половина форми змінного струму. Оскільки цей імпульс напруги використовується для зарядки конденсатора, він виробляє постійний і безперервний струм без пульсації. Різні комбінації діодів і конденсаторів також використовуються для створення різних типів помножувачів напруги для ректифікації невеликої напруги змінного струму на високі вихідні дані постійного струму.
● Діоди шунтування
Для захисту сонячних батарей часто використовують запасні діоди. Коли струм від інших елементів проходить через пошкоджену або запилену сонячну батарею, це викликає перегрів. Як наслідок, загальна вихідна потужність зменшується, утворюючи гарячі точки. Діоди підключені паралельно до сонячних елементів, щоб захистити їх від цієї проблеми перегріву. Ця проста конструкція обмежує напругу на несправному сонячному елементі, дозволяючи струму проходити через непошкоджені елементи до зовнішнього кола.
● Захист від стрибків напруги
Коли живлення раптово переривається, воно створює високу напругу в більшості індуктивних навантажень. Цей неочікуваний стрибок напруги може призвести до пошкодження навантаження. Однак можна захистити дороге обладнання, під'єднавши діод через індуктивне навантаження. Залежно від типу безпеки, ці діоди відомі під багатьма назвами, включаючи демпферний діод, діод зворотного ходу, діод для придушення перехідної напруги та діод вільного ходу, серед інших.
● Демодуляція сигналів
Вони також використовуються в процесі модуляції сигналу, оскільки діоди можуть ефективно видаляти негативний елемент сигналу змінного струму. Діод випрямляє несучу хвилю, перетворюючи її в постійний струм. Аудіосигнал витягується з несучої хвилі, процес називається аудіочастотною модуляцією. Ви можете почути звук після певної фільтрації та посилення. Отже, діоди зазвичай зустрічаються в радіоприймачах для вилучення сигналу з несучої хвилі.
● Захист проти зворотного струму
Зміна полярності джерела постійного струму або неправильне підключення батареї може призвести до протікання значного струму через ланцюг. Таке зворотне підключення може пошкодити підключене навантаження. Тому послідовно з плюсовою стороною клеми акумулятора підключається захисний діод. Діод стає зміщеним у прямому напрямку у разі правильної полярності і струм протікає через ланцюг. Однак у разі неправильного підключення він стає зворотним зміщенням, блокуючи струм. Таким чином, це може захистити ваше обладнання від потенційного пошкодження.
КОМПОНЕНТ 4. Транзистор
Один з найважливіших компонентів електронної схеми, транзистори зробили революцію в галузі електроніки. Ці крихітні напівпровідникові прилади з трьома клемами існують уже понад п'ять десятиліть. Їх часто використовують як підсилювачі та комутаційні пристрої. Ви можете думати про них як про реле без рухомих частин, тому що вони можуть щось «вмикати» або «вимкнути» без будь-якого руху.
А. Будова транзисторів
Спочатку германій використовувався для виготовлення транзисторів, які були надзвичайно чутливими до температури. Однак сьогодні вони виготовляються з кремнію, напівпровідникового матеріалу, який міститься в піску, оскільки кремнієві транзистори набагато витриваліші до температури і дешевші у виробництві. Існує два різних типи біполярних транзисторів (BJT), NPN і PNP. Кожен транзистор має три контакти, які називаються база (b), колектор (c) і емітер (e). NPN і PNP належать до шарів напівпровідникового матеріалу, використовуваного для виготовлення транзистора.
B. Як працює транзитор?
Коли ви поміщаєте кремнієву плиту p-типу між двома стержнями n-типу, ви отримуєте NPN-транзистор. Випромінювач кріпиться до одного n-типу, а колектор – до іншого. Основа кріпиться до р-типу. Надлишкові отвори в кремнії p-типу діють як бар’єри, блокуючи потік струму. Однак, якщо подати позитивну напругу на базу і колектор і зарядити емітер негативно, електрони почнуть перетікати від емітера до колектора.
Розташування і кількість блоків p-типу і n-типу залишаються інвертованими в PNP-транзисторі. У цьому типі транзистора один n-тип розташований між двома блоками p-типу. Оскільки розподіл напруги різний, PNP-транзистор працює по-різному. NPN транзистор вимагає позитивної напруги на базу, тоді як PNP вимагає негативної напруги. Коротко кажучи, струм повинен текти від бази, щоб увімкнути PNP-транзистор.
C. Функція та значення транзисторів
Транзистори функціонують і як перемикачі, і як підсилювачі в більшості електронних схем. Конструктори часто використовують транзистор як перемикач, тому що на відміну від простого перемикача він може перетворити невеликий струм в набагато більший. Хоча ви можете використовувати простий перемикач у звичайній схемі, для розширеної схеми може знадобитися різна кількість струмів на різних етапах.
● Транзистори в слухових апаратах
Одним з найбільш відомих застосувань транзисторів є слуховий апарат. Зазвичай невеликий мікрофон у слуховому апараті вловлює звукові хвилі, перетворюючи їх у коливання електричних імпульсів або струмів. При проходженні цих струмів через транзистор вони посилюються. Посилені імпульси потім проходять через динамік, знову перетворюючи їх на звукові хвилі. Таким чином, ви можете почути значно гучнішу версію навколишнього шуму.
● Транзистори в комп’ютерах і калькуляторах
Всі ми знаємо, що комп’ютери зберігають і обробляють інформацію, використовуючи двійкову мову «нуль» і «один». Однак більшість людей не знають, що транзистори відіграють важливу роль у створенні чогось, що називається логічними вентилями, які є основою комп’ютерних програм. Транзистори часто підключають до логічних елементів, щоб створити унікальний елемент аранжування, який називається тригером. У цій системі транзистор залишається «увімкненим», навіть якщо ви приберете базовий струм. Тепер він вмикається або вимикається щоразу, коли через нього проходить новий струм. Таким чином, транзистор може зберігати нуль, коли він вимкнений, або одиницю, коли він увімкнений, що є принципом роботи комп’ютерів.
● Транзистори Дарлінгтона
Транзистор Дарлінгтона складається з двох PNP або NPN транзисторів з полярним переходом, розміщених разом. Він названий на честь його винахідника Сідні Дарлінгтона. Єдиною метою транзистора Дарлінгтона є забезпечення високого посилення струму від низького базового струму. Ви можете знайти ці транзистори в приладах, які потребують високого посилення струму на низькій частоті, таких як регулятори потужності, драйвери дисплея, контролери двигунів, датчики світла та дотику, системи сигналізації та аудіопідсилювачі.
● Транзистори IGBT і MOSFET
Біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT) часто використовуються як підсилювачі та перемикачі в різних приладах, включаючи електромобілі, потяги, холодильники, кондиціонери та навіть стереосистеми. З іншого боку, польові транзистори метал-оксид-напівпровідник (MOSFET) зазвичай використовуються в інтегральних схемах для управління рівнями потужності пристрою або для зберігання даних.
КОМПОНЕНТ 5. Індуктор
Індуктор, також відомий як реактор, є пасивним компонентом ланцюга, що має два висновки. Цей пристрій зберігає енергію у своєму магнітному полі, повертаючи її в ланцюг, коли це потрібно. Було виявлено, що коли дві котушки індуктивності розміщені поруч, не торкаючись, магнітне поле, створене першою індуктивністю, впливає на другу. Це був вирішальний прорив, який призвів до винаходу перших трансформаторів.
A. Склад індукторів
Це, мабуть, найпростіший компонент, який складається лише з котушки мідного дроту. Індуктивність прямо пропорційна числу витків в котушці. Іноді, однак, котушку намотують навколо феромагнітного матеріалу, такого як залізо, багатошарове залізо та порошкове залізо, щоб збільшити індуктивність. Форма цього сердечника також може збільшити індуктивність. Тороїдальні (у формі пончиків) сердечники забезпечують кращу індуктивність у порівнянні з соленоїдними (стрижневими) жилами для тієї ж кількості витків. На жаль, об’єднати котушки індуктивності в інтегральну схему досить складно, тому їх зазвичай замінюють резисторами.
B. Як працює інуктор?
Кожен раз, коли струм проходить через дріт, він створює магнітне поле. Однак унікальна форма котушки індуктивності призводить до створення сильного магнітного поля. Це потужне магнітне поле, своєю чергою, чинить опір змінному струму, але пропускає через нього постійний струм. Це магнітне поле також зберігає енергію.
Візьміть просту схему, яка складається з батареї, вимикача та лампочки. Лампочка буде яскраво світитися в момент, коли ви увімкнете перемикач. Додайте індуктивність до цього кола. Як тільки ви вмикаєте перемикач, лампочка змінюється з яскравого на тьмяний. З іншого боку, коли перемикач вимкнено, він стає дуже яскравим, лише на частку секунди, перш ніж повністю вимкнутися.
Коли ви вмикаєте перемикач, індуктор починає використовувати електрику для створення магнітного поля, тимчасово блокуючи потік струму. Але тільки постійний струм проходить через котушку індуктивності, як тільки магнітне поле закінчується. Тому лампочка змінюється з яскравого на тьмяний. Весь цей час індуктивність накопичує деяку кількість електричної енергії у вигляді магнітного поля. Отже, коли ви вимикаєте вимикач, магнітне поле підтримує стабільний струм в котушці. Таким чином, лампочка яскраво горить деякий час, перш ніж вимкнутись.
C. Функція та значення індукторів
Попри те, що котушки індуктивності корисні, їх важко включити в електронні схеми через їх розмір. Оскільки вони об’ємніші в порівнянні з іншими компонентами, вони додають велику вагу і займають багато місця. Тому їх, як правило, замінюють резисторами в інтегральних схемах (ІМС). Однак, індуктори мають широкий спектр промислового застосування.
● Фільтри в налаштованих схемах
Одним з найпоширеніших застосувань індукторів є вибір бажаної частоти в налаштованих ланцюгах. Вони широко використовуються з конденсаторами та резисторами, паралельними або послідовними, для створення фільтрів. Опір індуктивності збільшується зі збільшенням частоти сигналу. Таким чином, автономний індуктор може виконувати роль лише фільтра нижніх частот. Однак, коли ви поєднуєте його з конденсатором, ви можете створити фільтр з зубцями, оскільки опір конденсатора зменшується зі збільшенням частоти сигналу. Таким чином, ви можете використовувати різні комбінації конденсаторів, індукторів і резисторів для створення різних типів фільтрів. Вони зустрічаються в більшості електроніки, включаючи телевізори, настільні комп’ютери та радіоприймачі.
● Дроселі індуктивності
Якщо змінний струм протікає через індуктивність, він створює протилежний струм. Таким чином, він може перетворити джерело змінного струму в постійний. Іншими словами, він глушить подачу змінного струму, але дозволяє постійному струму проходити через нього, звідси назва «дросель». Зазвичай вони зустрічаються в ланцюгах живлення, які повинні перетворити подачу змінного струму в постійний.
Для придушення високочастотного шуму в електронних схемах використовується феритова кулька або феритовий дросель. Деякі з поширених видів використання феритових кульок включають комп’ютерні кабелі, телевізійні кабелі та кабелі для зарядки мобільних пристроїв. Іноді ці кабелі можуть діяти як антени, взаємодіючи з аудіо- та відеовиходом вашого телевізора та комп’ютера. Отже, індуктори використовуються в феритових кульках для зменшення таких радіочастотних перешкод.
● Індуктори в датчиках наближення
Більшість датчиків наближення працюють за принципом індуктивності. Індуктивний датчик наближення складається з чотирьох частин, включаючи індуктивність або котушку, генератор, ланцюг детектування і вихідний ланцюг. Осцилятор створює перемінне магнітне поле. Всякий раз, коли об’єкт потрапляє в безпосередню близькість до цього магнітного поля, вихрові струми починають накопичуватися, зменшуючи магнітне поле датчика.
Схема виявлення визначає потужність датчика, тоді як вихідна схема запускає відповідну реакцію. Індуктивні датчики наближення, також звані безконтактними датчиками, цінуються за їх надійність. Вони використовуються на світлофорах для визначення щільності руху, а також як датчики паркування в легкових і вантажних автомобілях.
● Асинхронні двигуни або індукційний двигун
Асинхронний двигун є, мабуть, найпоширенішим прикладом застосування індуктивності. Зазвичай в асинхронному двигуні котушки індуктивності розміщують у фіксованому положенні. Іншими словами, їм не дозволяється вирівнюватись з довколишнім магнітним полем. Для створення обертового магнітного поля, яке потім обертає вал, використовується джерело живлення змінного струму. Швидкістю обертання управляє вхідна потужність. Таким чином, асинхронні двигуни часто використовуються в програмах з фіксованою швидкістю. Асинхронні двигуни дуже надійні та міцні, оскільки немає прямого контакту між двигуном і ротором.
● Трансформатори
Як згадувалося раніше, відкриття індукторів призвело до винаходу трансформаторів, одного з фундаментальних компонентів систем передачі електроенергії. Ви можете створити трансформатор, об'єднавши індуктивності спільного магнітного поля. Зазвичай вони використовуються для підвищення або зниження напруги ліній електропередачі до потрібного рівня.
● Акумулятор енергії
Як і конденсатор, індуктивність може зберігати енергію. Однак, на відміну від конденсатора, він може зберігати енергію протягом обмеженого часу. Оскільки енергія зберігається в магнітному полі, вона руйнується, як тільки джерело живлення відключається. Проте, котушки індуктивності функціонують як надійний накопичувач енергії в комутаторному режимі живлення, як-от настільні комп’ютери.
КОМПОНЕНТ 6. Реле
Реле — це електромагнітний вимикач, який може розмикати та замикати ланцюги електромеханічним або електронним способом. Для роботи реле потрібен відносно невеликий струм. Зазвичай вони використовуються для регулювання малих струмів у ланцюзі керування. Однак ви також можете використовувати реле для управління високими електричними струмами. Реле є електричним еквівалентом важеля. Ви можете ввімкнути його з невеликим струмом, щоб увімкнути (або використовувати) інший ланцюг за допомогою великого струму. Реле бувають або електромеханічними, або твердотілими.
А. Будова реле
Електромеханічне реле (EMR) складається з рамки, котушки, якір, пружини та контактів. Рама підтримує різні частини реле. Якір — це рухома частина релейного вимикача. Котушка (переважно мідний дріт), намотана на металевий стрижень, створює магнітне поле, яке рухає якір. Контакти — це провідні частини, які розмикають і замикають ланцюг.
Твердотіле реле (SSR) складається з вхідного ланцюга, ланцюга управління і вихідного ланцюга. Вхідний ланцюг є еквівалентом котушці в електромеханічному реле. Схема управління діє як пристрій зв’язку між вхідними та вихідними ланцюгами, тоді як вихідна схема виконує ту ж функцію, що й контакти в ЕМВ. Твердотілі реле стають дедалі популярнішими, оскільки вони дешевші, швидші та надійні у порівнянні з електромеханічними реле.
B. Як працює реле?
Незалежно від того, чи використовуєте ви електромеханічне реле або твердотіле реле, це або нормально закрите (НЗ) реле, або нормально розімкнене (НО). У разі NC-реле контакти залишаються замкнутими, коли немає живлення. Однак у реле NO контакти залишаються розімкнутими, коли немає джерела живлення. Коротко кажучи, щоразу, коли струм протікає через реле, контакти розмикаються або замикаються.
У EMR джерело живлення подає живлення на котушку реле, створюючи магнітне поле. Магнітна котушка притягує залізну пластину, встановлену на якорі. Коли струм припиняється, якір за допомогою пружини переводиться в положення спокою. EMR також може мати один або декілька контактів у межах одного пакета. Якщо в ланцюзі використовується тільки один контакт, його називають ланцюгом з одиничним розривом (SB). З іншого боку, ланцюг подвійного розриву (DB) оснащений контактами що буксують. Зазвичай реле з одинарним розривом використовуються для управління пристроями малої потужності, такими як індикаторні лампи, тоді як подвійні розривні контакти використовуються для регулювання потужних пристроїв, таких як соленоїди.
Коли справа доходить до роботи SSR, вам потрібно подати напругу вище, ніж зазначена напруга сприйняття реле, щоб активувати вхідний ланцюг. Щоб вимкнути вхідний ланцюг, необхідно подати напругу, меншу за встановлену мінімальну напругу відключення реле. Схема управління передає сигнал з вхідного контуру на вихідний ланцюг. Вихідна схема включає навантаження або виконує потрібну дію.
C. Функція та значення реле
Оскільки вони можуть керувати ланцюгом високого струму за допомогою сигналу з низьким струмом, більшість процесів управління використовують реле як первинний захист і комутаційні пристрої. Вони також можуть виявляти несправності та порушення, що виникають у системах розподілу електроенергії. Серед типових застосувань – телекомунікації, автомобілі, системи контролю дорожнього руху, побутова техніка та комп’ютери.
● Захисні реле
Захисні реле використовуються для відключення або ізоляції ланцюга у разі виявлення будь-яких порушень. Іноді вони також можуть вмикати сигнали тривоги при виявленні несправності. Типи захисних реле залежать від їх функції. Наприклад, реле максимального струму призначене для ідентифікації струму, який перевищує задане значення. При виявленні такого струму реле спрацьовує, відключаючи вимикач, щоб захистити обладнання від потенційного пошкодження.
З іншого боку, дистанційне реле або реле імпедансу може виявляти відхилення у співвідношенні струму та напруги, а не контролювати їх величину незалежно. Він починає діяти, коли відношення V/I падає нижче заданого значення. Зазвичай захисні реле використовуються для захисту такого обладнання, як двигуни, генератори, трансформатори тощо.
● Реле автоматичного замикання
Реле автоматичного повторного включення призначене для того, щоб викликати багаторазове повторне вмикання автоматичного вимикача, який вже спрацював захисним реле. Наприклад, при раптовому падінні напруги в електричному ланцюзі вашого будинку може виникнути кілька короткочасних відключень електроенергії. Ці відключення виникають через те, що реле повторного включення намагається автоматично ввімкнути захисне реле. Якщо це вдасться, електропостачання буде відновлено. Якщо ні, буде повне вимкнення.
● Термічні реле
Тепловий ефект електричної енергії є принципом роботи теплового реле. Коротко кажучи, він може виявити підвищення температури навколишнього середовища і відповідно вмикати або вимикати ланцюг. Він складається з біметалевої стрічки, яка нагрівається, якщо через неї проходить вищий струм. Нагріта смужка згинається і замикає контакт, спрацьовує вимикач. Найпоширенішим застосуванням теплового реле є захист електродвигуна від перевантаження.
КОМПОНЕНТ 7. Кристал кварцу
Кристали кварцу мають ряд застосувань в електронній промисловості. Однак вони здебільшого використовуються як резонатори в електронних схемах. Кварц — це природна форма кремнію. Однак зараз його виробляють синтетичним шляхом, щоб задовольнити зростальний попит. Він проявляє п'єзоелектричний ефект. Якщо ви застосовуєте фізичний тиск з однієї сторони, вібрація створює на кристалі змінну напругу. Кварцові кристалічні резонатори доступні в багатьох розмірах відповідно до необхідних застосувань.
A. Будова кварцу
Як згадувалося раніше, кристали кварцу або виробляються синтетично, або зустрічаються в природі. Вони часто використовуються для виготовлення кварцевих генераторів для створення електричного сигналу з точною частотою. Зазвичай форма кристалів кварцу шестикутна з пірамідами на кінцях. Однак для практичних цілей їх розрізають на прямокутні плити. Найпоширеніші типи форматів різання включають виріз X, розріз Y та AT. Ця плита розміщена між двома металевими пластинами, які називаються пластинами, що утримують. Зовнішня форма кварцового кристала або кварцевого генератора може бути циліндричною, прямокутною або квадратною.
B. Як працює кристал кварцу?
Якщо до кристала подати змінну напругу, це викликає механічні коливання. Надріз і розмір кристала кварцу визначають резонансну частоту цих коливань або коливань. Таким чином, він створює постійний сигнал. Кварцові осцилятори дешеві та прості у виготовленні синтетичним шляхом. Вони доступні в діапазоні від декількох кГц до декількох МГц. Оскільки вони мають вищий коефіцієнт якості або добротність, кварцевий генератор надзвичайно стабільний щодо часу та температури.
C. Функція та значення кристаілів кварцу
Надзвичайно високий коефіцієнт добротності дозволяє використовувати кристали кварцу та резонансний елемент у генераторах, а також фільтри в електронних схемах. Ви можете знайти цей високонадійний компонент у радіочастотних програмах, як схеми тактових генераторів у мікропроцесорних платах, а також як елемент синхронізації в цифрових годинниках.
● Кварцові годинники
Проблема традиційних годинників зі спіральними пружинами полягає в тому, що вам доведеться періодично намотувати котушку. З іншого боку, маятникові годинники залежать від сили тяжіння. Таким чином, вони по-різному показують час на різних рівнях моря і на різних висотах через зміни сили тяжіння. Однак жоден з цих факторів не впливає на продуктивність кварцових годинників. Кварцові годинники живляться від батарейок. Зазвичай крихітний кристал кварцу регулює шестерні, які управляють секундною, хвилинною та годинною стрілками. Оскільки кварцові годинники споживають дуже мало енергії, акумулятор часто може працювати довше.
● Фільтри
Ви також можете використовувати кристали кварцу в електронній схемі як фільтри. Вони часто використовуються для фільтрації небажаних сигналів в радіоприймачах і мікроконтролерах. Більшість основних фільтрів складається з одного кристала кварцу. Однак удосконалені фільтри можуть містити більше одного кристала, щоб відповідати вимогам до продуктивності. Ці кварцові кристалічні фільтри набагато перевершують фільтри, виготовлені з використанням LC-компонентів.
Електронні гаджети торкаються майже всіх аспектів нашого життя, від спілкування з Вашими близькими, які живуть на різних континентах, до приготування чашки гарячої кави. Однак, що змушує ці електронні гаджети виконувати, здавалося б, трудомісткі завдання всього за кілька хвилин? Створені спеціалістами крихітні електронні схеми є основою всього електронного обладнання.
Для того, щоб отримати кваліфіковану консультацію про електронні компоненти, модулі і електронні радіодеталі, і купити електронні компоненти в Україні, зверніться в офіс компанії СЕА за телефоном: +38 (044) 330-00-88 або на e-mail: info@sea.com.ua.
Увійдіть або зареєструйтесь