Оценка риска и его уменьшение

Основы теории электричества

И электроники

Практика безопасной работы

Введение

Навыки безопасной работы с электрическими и электронными системами весьма важны как для вашей собственной безопасности, так и для безопасности окружающих. Для обеспечения безопасности достаточно следовать всего двум правилам:

♦ используйте ваш здравый смысл - не дурите;

♦ если сомневаетесь — шлите помощи.

В следующем разделе перечислен ряд отдельных рискованных моментов при работе с электричеством и электрическими системами вместе с мерами по уменьшению степени риска. Это называется оценка риска.

Таблица 2.1. Риски и уменьшение степени риска

Оценка риска и его уменьшение

В табл. 2.1 перечисляются некоторые из рисков, связанных с работой с электрическими и электронными системами. Эта таблица не является исчерпывающей, но служит хорошим путеводителем.

Основные законы электричества

Введение

Чтобы ясно понимать суть электричества, мы должны начать с ответа на вопрос «Что это такое?». Для этого нужно кое-что вспомнить (но рис. 2.1 показано схематическое строение атома). Молекула— это мельчайшая частица вещества, которую можно считать его частью. Разбиение молекул приводят к атомам, которые являются мельчайшими частицами материи. Химический элемент -

это вещество, которое включает атомы только одного определенного рола.

Атом состоит из центрального ядра, образованного из протонов и нейтронов. Вокруг ядра расположены орбиты электронов, которые напоминают орбиты планет, вращающихся вокруг Солнца.

Атом имеет равное количество положительных и отрицательных зарядов и, следовательно, электрически нейтрален. Нейтрон — частица ядра, не имеющая заряда. Протон — другая частица ядра, и он заряжен положительно. Нейтрон электрически нейтрален, а протон положителен, из чего следует, что ядро атома заряжено положительно. Электрон - мелкая частица, заряженная отрицательно. Он движется по орбите вокруг ядра и удерживается на орбите благодаря притяжению положительного заряда

ядра. Все электроны в любом атоме одинаковы.

Когда атомы находятся в равновесном электрическом состоянии, число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно числу протонов в ядре. Атомы некоторых веществ имеют электроны, легко покидающие «родительское» ядро, что, таким образом, делает ил способными присоединяться к другим смежным атомам. В этом процессе смежные атомы за счет отталкивания зарядов перемещают электроны от одного атома к другому, и в результате электроны движутся через вещество. Движение это стохастическое (случайное), а такие «сорванные» электроны называются свободными электронами.

Вещество называется проводником, если его электроны могут перемешаться. В некоторых веществах оторвать электроны от родных атомов крайне затруднительно. Такие вещества называют

изоляторами.

Фундаментальные зависимости

Количество электронов, протекающих через лампу каждую секунду, определяется как сила тока (см. рис. 2.4). Причина потока электронов — электрическое напряжение. Лампа создает сопротивление движению электрического тока, вызванного

электрическим напряжением. Мощность – это скорость совершения работы или перевода энергии из одной формы в другую. Эти зависимости, как и некоторые другие, показаны в табл. 2.2.

Рис. 2.4. Электрическая схема, демонстрирующая связь между напряжением, током, сопротивлением и мощностью

Если напряжение, приложенное к сети, увеличится, а сопротивление лампы остается тем же самым, тогда ток также увеличится. Если напряжение сохраняется неизменным, а лампа заменяется на другую с более высоким сопротивлением,

ток уменьшается. Это соотношение описывает закон Ома.

Закон Ома гласит, что в замкнутой цепи ток пропорционален

напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Когда напряжение в 1 вольт вызывает -ток в 1 ампер, это означает, что в цепи развивается мощность о 1 ватт. Математическая запись этого соотношения выглядит следующим образом:

Напряжение = Ток * Сопротивление,

V - IR, ми R « V/1, или / = V/R,

Мощность = Напряжение * Ток,

Р = VI, или I = Р/V, или V-P/L

Таблица 2.2. Электрические величины, обозначения и единицы измерения

Электромагнитная индукция

Основные законы электромагнитной индукции:

♦ когда проводник пересекает линии магнитного поля, в нем возникает электрическое напряжение;

♦ направление наводимого напряжения зависит от направления магнитного поля и от направления, в котором движется поле относительно проводника;

♦ величина напряжения пропорциональна скорости, с которой проводник пересекает магнитное поле.

На эффекте индукции (наведения) напряжения в проводнике основана робота генераторов (в том числе и генератора переменного тока а автомобиле). Генератор — это машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую. На рис, 2.10 показан проводник, движущийся в магнитном поле.

Взаимоиндукция

Если две катушки (известные как первичная и вторичная обмотки) намотаны на одном и том же сердечнике из железа, любое изменение магнитного поля одной из катушек будет наводить напряжение в другой. Это происходит, когда ток в первичной обмотке включается или выключается. Если число витков провода во вторичной обмотке больше, чем в первичной, наводимое напряжение будет более высоким. Если число витков по вторичной обмотке меньше, чем в первичной, тогда напряжение окажется меньшим. Это явление называется «трансформацией», и на нем основана работа катушки зажигания. На рис. 2.11 показан

принцип взаимной индукции.

Значение «взаимно наведенного» напряжения зависит от следующих факторов:

♦ тока первичной обмотки;

♦ соотношения между числом витков первичной и вторичной обмоток;

♦ скорости изменения магнитного поля.

Определения и законы

Рассмотрим основные законы электричества.

Закон Ома

Для большинства проводников так, который течет через них, прямо пропорционален приложенному напряжению.

Отношение напряжения к току характеризует электрическое сопротивление проводника. Если это отношение остается постоянным в широком диапазоне напряжений, материал проводника принята называть «омическим».

где:

I - величина тока в амперах,

V— напряжение в вольтах,

Н — сопротивление в омах.

Георг Симон Ом — немецкий физик, знаменитый исследованиями в области электрического тока.

Закон Ленца

Электродвижущая сила (э.д.с), наведенная в проводнике с током, всегда действует в таком направлении, что ток, который она вызывает в проводнике, всегда будет противодействовать изменению магнитного потока, создающего э.д.с.

Закон Ленца определяет направление наведенной электродвижущей силы, являющейся результатом электромагнитной индукции, - «э.д.с. с обратным знаком» часто пишется как «противо- э.д.с.».

Закон получил название по имени эстонского физика Генриха Ленца.

Законы Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа.

Сумма токов, втекающих в узел схемы, равна сумме токов, вытекающих из этого узле.

Этот закон — прямой результат сохранения заряда. Никакая доля заряда не может быть потеряна в узле схемы, поэтому величина втекающего заряда должна быть равна вытекающему заряду.

Второй закон Кирхгофа.

Для любой замкнутой цепи с током сумма падений напряжения всегда остается равной нулю.

Для последовательной цепи этот закон можно сформулировать следующим образом: сумма всех падений напряжения в цепи будет равна напряжению источника тока.

Густав Роберт Кирхгоф — немецкий физик, он также открыл элементы цезий и рубидий.

Закон Фарадея

Любое изменение магнитного поля вблизи проводника

наводит в нем э.д.с.

Отметим, что напряжение появится независимо от того, каким образом происходит изменение магнитного поля. Другими словами, это может быть изменение напряженности магнитного паля,

движение поля относительно проводника, движение проводника относительно поля и т. п. Закон не ограничивает способы получения напряжения путем изменения магнитного поля, равно как и конфигурацию, и количество проводников.

где:

V — генерируемое напряжение, В,

N — число витков катушки,

В — напряженность магнитного поля, Вб/м* (Тл),

А — площадь сечения, перпендикулярного полю, мг,

t — время, с.

Майкл Фарадей — английский физик и химик, знаменитый открытиями электромагнитной индукции и законов электролиза.

Правила Флеминга

В электрической машине указательный палец направлен вдоль линий магнитного поля, средний палец направлен по направлению электрического тока, большой палец показывает направление движения.

Правила Флеминга соотносят между собой направление

линий магнитного поля, направление электрическою тока и направление движения в электрической машине. Левая рука применяется для электродвигателей, а правая для генераторов.

Эти два правила сформулировал английский физик

Джон Флеминг (рис. 2.12).

Закон Ампера

Сила, действующая со стороны магнитного паля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции.

Сила магнитного поля вокруг прямолинейного провода может быть вычислена следующим образом:

где:

В — напряженность магнитного поля, Вб/мг (Т ),

μ0 — магнитная проницаемость в вакууме, Гн/м (для воздуха равна около 4x10Л Гн/м),

I- протекающий ток. А,

r - радиус проводника, м.

Андре Мари Ампер - французский ученый, внесший значительный вклад в электродинамику.

Выводы

Попытаемся завершить этот раздел положениями законов Мерфи, например:

♦ если что-то может пойти не так, оно обязательно пойдет не так....

♦ вы всегда будете искать что-то в том месте, куда только что смотрели...

♦ в дорожной пробке соседний ряд всегда едет быстрее...

...но и решил быть против всего этого!

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. Следующая 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. Следующая 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)

Преобразование цифровых сигналов в аналоговые

Преобразование цифровых сигналов, а аналоговую форму является относительно простим процессом. Когда операционный усилитель в инвертирующем включении охвачен обратной связью, входной резистор и резисторы обратной связи определяют

его коэффициент усиления G:

Если схема цифро-аналогового преобразователя выполнена так, как показано на рис. 2.29, тогда «вес» каждого входа может быть задан выбором соответствующею сопротивления резистора. В случае 4-разрядного цифрового сигнала, как показано на рисунке, сигнал наиболее значимого бита будет усиливаться с коэффициентом «единица». Сигнал следующего бита будет передан с коэффициентом 1/2, следующий - как 1/4 и, наконец,

сигнал самого малого разряда будет передан с коэффициентом 1/8. Схему подобною типа часто называют сумматорам. Выходной сигнал, таким образом, пропорционален значению цифрового

кода на входе схемы.

Главная проблема такой схемы заключается в том, что точность выходного сигнала зависит от разброса сопротивления резисторов. Имеются и другие типы цифро-аналогового преобразователя,

например, матрицы R-2R, но принцип их действия похож на описанный выше.

Рис. 2.29. Схема цифро-аналогового преобразователя

Аналого-цифровое преобразование

Эта схема служит для преобразования аналогового сигнала, например, сигнала от термистора, в цифровой сигнал для обработки компьютером или логической схемой.

Рис. 2.30. АЦП с последовательным счетчиком

Большинство схем работают по принципу сравнения выходного сигнала цифро-аналогового преобразователя (ЦДЛ) с входным

напряжением. На рис. 2.30 схематически изображен аналого-цифроасй преобразователь (АЦП) линейноготипа. АЦП этого типа действуют медленнее, чем другие, но зато у них очень простая логика работы.

Выход двоичного счетчика соединен с входом ЦАП, выход которою служит эталоном. Это напряжение сравнивается с входным напряжением, и как только оба напряжения будут равны, счетчик останавливается. Значение кода счетчика, таким

образом, является цифровым представлением входного напряжения. Действие других цифровых компонентов данной схемы будет объяснено в следующем разделе.

АЦП доступны в виде интегральных схем и могут работать с очень высокой скоростью при типовых разрешениях до 1/4096 (12 разрядов). Скорость работы АЦП критична при преобразовании

переменных или осциллирующих входных сигналов. Как правило, скорость считывания кода должна быть по крайней мере вдвое больше частоты вх