Полевой МОП-транзистор (MOSFET)

 

Транзистор MOSFET (металл-оксидный полевой транзистор) имеет совершенно другую конструкцию по сравнению с традиционными транзисторами, но его основное назначение то же самое. MOSFET состоит из слоев кремния с разными типами легирования. Выводы транзистора такого типа называются истоком, стоком и затвором. Ток, протекающий от истока к стоку, регулируется зарядом на затворе, который изготовлен из материала с высокой проводимостью. Для обеспечения работоспособности затвор должен быть изолирован от остальной части транзистора. Изоляция представляет собой оксид кремния, окружающий затвор. В качестве примера приведен n-канальный транзистор MOSFET. Если изменить тип легирования истока и стока с n на p, а подложку p-типа на подложку n-типа, получится p-канальный транзистор. Его принцип работы сохраняется, изменяется только полярность. При изменении напряжения (заряда) на затворе, из подложки p-типа притягивается больше или меньше электронов. (Хотя в подложке p-типа содержится большое количество дырок, в ней присутствует и некоторое количество электронов.) Если определенное количество электронов собирается в области затвора, транзистор переходит в проводящее состояние. Чем больше ток затвора, тем выше проводимость. Подавая входной сигнал на затвор, можно увеличивать силу тока от истока к стоку (выходной сигнал) или уменьшать ее. В качестве типового применения MOSFET можно указать, например, регулирование скорости вентилятора.

 

Тиристор

 

Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводник со структурой PNPN. Основные выводы подсоединены к аноду (P-слой) и к катоду (N-слой). Управляющий электрод подсоединен к P-слою, ближнему к катоду. Если анод подключен к плюсу, а катод к минусу, дырки движутся от анода, а электроны от катода в тиристор. За счет этого запирающие слои 1 и 3 устраняются, но слой 2 сохраняет изолирующие свойства. Ток не проходит. Если на управляющий электрод подается ток, запирающий слой 2 также исключается (как в транзисторе) и начинает проходить ток. Если через тиристор начал проходить ток, тиристор сохраняет проводящее состояние, даже если прекратить подачу тока на управляющий электрод. Ток продолжает проходить до тех пор, пока он не будет выключен. После выключения тока тиристор снова переходит в непроводящее состояние до тех пор, пока на управляющий электрод не начнет поступать ток. Тиристоры используются как выключатели или как управляемые выпрямители. По сравнению с транзисторами они могут коммутировать ток гораздо большей силы, а также выдерживают гораздо более высокое напряжение в направлении запирания.

 

 Светодиод

 

Специальные диоды, так называемые светодиоды, излучают свет при прохождении через них электрического тока. Светодиоды используются, например, в дисплеях. Следует отметить, что светодиоды имеют определенное рабочее направление, как и обычные диоды. Еще одним свойством светодиодов является очень низкое внутреннее сопротивление. Поэтому для защиты от перегорания к ним следует подключать внешний резистор. В целом, светодиоды похожи на лампы накаливания, которые можно легко впаять в электрическую схему. Но в отличие от обычных ламп в них отсутствует нить, которая может перегореть. Кроме того, они не нагреваются. Они светятся исключительно за счет движения электронов в полупроводниковом материале, а по долговечности они соответствуют обычным транзисторам. Свет является формой энергии. Он состоит из множества маленьких элементов, похожих на частицы и обладающих энергией и моментом, но не имеющих массы. Эти частицы, называемые фотонами, являются минимальными элементами света. Фотоны образуются в результате движения электронов. Как вам уже известно из теории атома, электроны движутся по орбитам вокруг ядра. Электроны на разных орбитах обладают разным количеством энергии. Как правило, электроны с большей энергией движутся по орбитам, наиболее удаленным от ядра. Чтобы электрон мог перейти с ближней орбиты на дальнюю, необходимо увеличить уровень его энергии. И наоборот, если электрон переходит с дальней орбиты на ближнюю, энергия высвобождается. Эта энергия высвобождается в виде фотона. Если высвобождается много энергии, образуется высокоэнергетичный фотон, обладающий более высокой частотой. Свободные электроны, движущиеся в диоде, могут попадать в дырки в слое P-типа. При этом электроны переходят на ближние орбиты, что приводит к высвобождению энергии в виде фотонов. Это происходит в любых диодах, однако увидеть фотоны в виде света можно, только если диод изготовлен из определенного материала.

Еще одним специальным типом диодов, чувствительным к свету, являются фоторезисторы — полупроводниковые материалы, которые реагируют на свет по-иному, нежели светодиоды. Их сопротивление изменяется в зависимости от освещенности. Поэтому их и называют фоторезисторами. Их можно использовать в качестве датчиков для управления устройствами в зависимости от яркости, например в системах автоматического управления освещением. Кроме того, они используются в сочетании с источниками света, например со светодиодами. В такой конфигурации их можно использовать для обнаружения вращения и перемещения деталей, например за счет прорезей, через которые может проходить свет. Узел, объединяющий эти два элемента, можно использовать для определения скорости движения или положения механических деталей, например в распределителе. Очень похожими по конструкции и по назначению являются фотодиоды. Фотодиод формирует напряжение при падении на него света. Его можно использовать так же, как и фоторезистор.

 

 

ЖКИ

 

Помимо светодиодов для отображения информации, такой как скорость автомобиля, время и т. д., используются жидкокристаллические индикаторы или ЖКИ. Они изготовлены из специальных кристаллов, отражающие свойства которых изменяются при пропускании электрического тока. ЖКИ представляют собой пассивные устройства отображения информации. Это означает, что они не излучают света, а вместо этого используют окружающий свет. За счет использования окружающего света для отображения информации они потребляют очень мало энергии. Поэтому ЖКИ активно используются там, где требуется обеспечить малое потребление энергии и где важны небольшие габариты. Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой органические вещества, которые обладают как жидкой, так и кристаллической молекулярной структурой. В этой жидкости молекулы в виде стержней обычно составляют параллельный массив, поэтому свет может проходить через них и отражаться от серебристой подложки дисплея. Положение кристаллов можно изменить за счет электрического поля. Если на электроды ячеек подается соответствующий сигнал управления, поперек ячейки формируется электрическое поле, и молекулы жидких кристаллов разворачиваются вдоль силовых линий электрического поля. Падающий свет теперь поглощается в задней стороне индикатора. Снаружи виден черный символ на серосеребристом фоне. Если выключить электрическое поле, молекулы разворачиваются обратно на угол 90 градусов, и снаружи снова виден серый фон. Обычно в ЖКИ имеется множество электродов, и избирательно подавая на электроды напряжение, можно получить огромное количество разнообразных изображений.

 

Термистор

 

Вообще говоря, любой проводник в определенных пределах изменяет свое сопротивление под воздействием температуры. Величина изменений зависит от фактически используемого материала. Изменение сопротивления используется во многих датчиках и исполнительных устройствах в автомобиле. Существует два типа изменений. Сопротивление может увеличиваться с увеличением температуры; это называется положительным температурным коэффициентом и является естественным поведением для большинства материалов. Или сопротивление может уменьшаться с увеличением температуры; это называется отрицательным температурным коэффициентом. Такое свойство достигается за счет использования полупроводника, так называемого термистора. Разница этих двух характеристик приводит к разному использованию. Приборы с ПТК обычно используются для нагревательных устройств, а приборы с ОТК используются в качестве датчиков температуры. В случае ПТК ток уменьшается с увеличением температуры, а в случае ОТК — увеличивается.

 

Пьезоэффект

 

Еще одним уникальным свойством является пьезоэффект. Существуют некоторые материалы, на поверхности которых создается напряжение при приложении механической силы. Это явление называют пьезоэффектом. Оно основано на разделении зарядов (несколько напоминает конденсатор, но под воздействием давления) при некотором изменении формы, вызванном внешней силой. Если приложена сила, на одной поверхности увеличивается отрицательный заряд, и одновременно на другой поверхности увеличивается положительный заряд: образуется разность потенциалов, и через подключенную к пьезоэлементу нагрузку начинает проходить электрический ток. Этот ток можно измерить и использовать для определения давления или вибрации. Типовым применением является датчик детонации, используемый для определения детонации двигателя. Кроме того, пьезоэффект работает и в обратном направлении, т. е. если подать на пьезоэлемент напряжение, его форма изменится. Например, высота увеличивается/уменьшается в зависимости от направления тока. Это явление используется, например, для управления форсунками в системах с общей топливораспределительной рампой.

 

Мост Уитстона

 

Мост Уитстона представляет собой электрическую схему для прецизионного сравнения сопротивлений. Он используется во многих приборах для измерения изменяющихся/ неизвестных параметров. Мост Уитстона состоит из источника питания и из измерительного прибора, соединяющего два параллельных плеча, содержащих четыре резистора. В одном плече содержится один резистор с известным сопротивлением и один резистор с неизвестным сопротивлением (R_Х в приведенном примере); во втором плече включены 2 резистора с известным сопротивлением. Чтобы определить сопротивление неизвестного резистора, сопротивления остальных резисторов регулируются и уравновешиваются до тех пор, пока ток через вольтметр (напряжение моста) не упадет до нуля. Если напряжение на обоих плечах одинаково, напряжение моста равно нулю. В этом случае говорят, что мост сбалансирован. В этом состоянии сопротивление R_Х можно определить по формуле: R_Х = R_N × R₃/R₄. Мост Уитстона также хорошо подходит для измерения небольших изменений сопротивления, и поэтому его применяют для измерения изменения сопротивления в тензометрических датчиках. Известно, что тензометрический датчик преобразует приложенное к нему натяжение в пропорциональное изменение сопротивления.

Тензометрический датчик

 

Тензометрический датчик используется уже много лет и является основным чувствительным элементом для многих типов датчиков, включая датчики давления, датчики нагрузки, датчики крутящего момента, датчики положения и т. д. Принцип работы заключается в следующем: при натягивании полоски проводящего металла она становится тоньше и длиннее, в результате чего сопротивление между ее концами увеличивается. И наоборот, если на полоску действует сила сжатия, она становится шире и короче, при этом ее сопротивление уменьшается. Если действующие нагрузки не превышают предела упругости металлической полоски, ее можно использовать в качестве чувствительного элемента для измерения отклонения и/или силы, при этом величину приложенной силы можно вычислить, измерив сопротивление полоски. В большинстве тензометрических датчиков используется фольга из металла с высоким удельным сопротивлением, наклеенная на подложку. Тензодатчик включается в мост Уитстона как четыре активных датчика (мостовая схема), два датчика (полумостовая схема) и реже как один датчик (четвертьмостовая схема). В случае полумостовой и четвертьмостовой схем мост дополняется прецизионными резисторами. К мостовой схеме подключаются стабилизированный источник постоянного тока и дополнительная электроника, которую можно обнулить в точке измерения. Как только к тензодатчику прикладывается нагрузка, сопротивление изменяется, что приводит к разбалансировке моста Уитстона. В результате на выходе образуется сигнал, величина которого зависит от приложенной нагрузки. Если сопротивления всех четырех резисторов (R1-R4) и напряжение источника питания (V) известны, напряжение на мосте (V моста) можно найти, вычислив напряжение на каждом из делителей напряжения и вычтя одно из другого.

Эффект Холла

 

Если подать напряжение на полупроводник, находящийся в магнитном поле, силовые линии которого расположены поперечно (под углом 90°) к приложенному напряжению, формируется новое напряжение. Это напряжение перпендикулярно магнитному полю и приложенному напряжению. Причина этого напряжения заключается в том, что магнитное поле отклоняет часть электронов, в результате чего образуется разность потенциалов. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла, а явление называется эффектом Холла. Эффект Холла широко используется при разработке различных датчиков. На рисунке показано типовое применение в системе управления двигателем (распределитель зажигания). В данном случае датчик Холла используется для определения положения и частоты вращения коленчатого вала. Элемент Холла расположен напротив постоянного магнита. Между ним и полюсом магнита имеется воздушный зазор, в котором может вращаться ротор. Этот ротор механически связан с коленчатым валом. При вращении коленчатого вала ротор также вращается и проходит через зазор. Как видно на рисунке, на роторе имеются четыре шторки (экраны) и четыре зазора. Если перед элементом Холла расположен зазор, магнитное поле попадает в полупроводниковый элемент и образуется напряжение Холла. Но если перед элементом Холла расположена шторка, магнитное поле экранировано и напряжения Холла не образуется. По количеству изменений напряжения можно определить частоту вращения коленчатого вала. Так как ротор связан с коленчатым валом, положение коленчатого вала можно определить по моменту, когда шторка только начинает закрывать (или открывать) магнитное поле. Существует множество вариантов конструктивного исполнения датчиков Холла, но общий принцип сохраняется.