Модели транзисторов и эквивалентные схемы
→ Основная статья : Математическое описание биполярного транзистора и схем замещения биполярного транзистора.
Биполярный транзистор — очень хорошо изученный компонент. Существует множество моделей для описания его поведения, которые облегчают анализ и проектирование схем. Поскольку подробные описания очень обширны, здесь затрагиваются только основы, а более подробная информация разбита на подстатьи. См. Также математическое описание биполярного транзистора и эквивалентных схем биполярного транзистора , а также шум транзистора в виде шума Джонсона при реальных сопротивлениях и дробового шума из-за тока утечки .
Упрощенная модель npn-транзистора
Простая модель состоит из базовых излучающего диода, и ток базы I Б контролируемой источник тока (более конкретно, на , так как не создается никакой энергии) от коллектора к эмиттеру I C . Транзистор усиливает ток базы в B раз. Требования для достоверности модели следующие: диод база-эмиттер должен быть поляризован в прямом направлении, а диод база-коллектор — в обратном.
Этот тип описания называется моделью большого сигнала и подразделяется на модель Эберса-Молла, модель переноса и модель Гаммеля-Пуна.
Модель слабого сигнала
Недостатком упомянутых методов является использование нелинейных функций в виде экспоненциальной функции для характеристики диода, что затрудняет математический анализ. Модель слабого сигнала обеспечивает лекарство . Его можно использовать для применения теорий, применимых к линейным цепям.
Параметры определяются в рабочей точке, то есть при определенных граничных условиях. Дифференциальное сопротивление база-эмиттер путь г BE соответствует касательной к характеристике диода для рабочей точки. Дифференциальное сопротивление коллектор-эмиттер r CE соответствует наклону выходной характеристики из-за эффекта Раннего . Коэффициент усиления дифференциального тока β завершает описание электрических характеристик. ( Значение h FE соответствует β.)
напрямую связаны с малосигнальной .
Модель большого сигнала охватывает весь допустимый для рассматриваемого компонента диапазон напряжений. Модель слабого сигнала действительна только в узко ограниченной области вокруг рабочей точки. Дальнейшее подразделение делится на статические и динамические модели. Последние являются более сложными, поскольку они учитывают емкостные свойства барьерных слоев и поэтому подходят для средних и высоких частот.
Лидирующие в сегменте производители
Выпускают такие датчики многие фирмы. В их ряду есть признанные лидеры. Среди них немецкая компания Sick, как основной производитель подобной продукции высокого качества. Компания Autonics поставляет на рынок концевые бесконтактные выключатели индуктивного и емкостного типов.
Бесконтактные датчики высокого качества выпускает российская . Они отличаются сверхвысокой герметичностью (IP 68). Работают эти концевики в самых опасных средах, включая взрывоопасные, доступны разные методы монтажа.
Популярностью пользуются конечные выключатели украинского . Здесь выпускают выключатели и переключатели концевые ВП, ПП, ВУ. Гарантия, при условии соблюдения всех эксплуатационных правил, составляет 3 года.
Общее описание и назначение
Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.
По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.
Одинарные
Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.
Дифференциальные
Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.
Конструкционная особенность биполярного транзистора
Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.
Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):
Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.
Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)
Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.
Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок , ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)
А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру?
Подписывайся, и читай статью дальше:
Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.
Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.
Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?
Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.
В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.
Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.
Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.
Как проверить индуктивный датчик — проверка индукционного датчика
Индуктивный датчик – специальное семейство бесконтактных датчиков, предназначенных в автомобиле для того, чтобы следить, в частности, за положением коленвала. Особенностью датчика является высокая надежность и отсутствие необходимости в дополнительных усилителях сигнала. Принцип работы индукционного датчика заключается в том, что при прохождении металла мимо катушки индуктивности в последней вырабатывается электрическое напряжение, которое может достигать 1,5 вольта.
Зачем в автомобиле индукционный датчик коленвала
Схема устройства
Из всех датчиков автомобиля наиболее важным считается датчик положения коленчатого вала двигателя. Он отвечает за впрыск топлива во впускной цилиндр двигателя и, в зависимости от датчика положения коленвала и показаний лямбда-зонда, выставляется угол опережения зажигания для максимального сгорания воздушно-бензиновой смеси.
Признаки неисправности индукционного датчика
Датчик углового положения коленчатого вала
Как устроен датчик
В автомобиле индукционные датчики используются давно поэтому степень их интеграции в конструкцию автомобиля высока. Правда, в последнее время используются более современные датчики Холла или пьезоэлектрические. Но индукционные датчики по-прежнему часто встречаются в системах контроля положения коленвала. Рассмотрим чем грозит автолюбителю выход из строя такого датчика.
- Значительное снижение мощности двигателя из-за неправильной подачи топлива во впускной коллектор;
- Автомобиль перестает удерживать обороты на одном уровне. Схожая неисправность наблюдается при неисправности клапана холостого хода или засоренной дроссельной заслонке.
- При обрыве индуктивного датчика двигатель автомобиля не запустится в работу.
Как проверить индукционный датчик на исправность
Установка индуктора коленчатого вала
Способов проверки существует довольно много, все зависит от навыков автомобилиста и наличия необходимых приборов.
- Наиболее примитивным способом проверки исправности индуктивного датчика является его визуальный осмотр. В процессе осмотра определяется наличие механических повреждений и нарушение изоляции и целостности проводов.
- Второй не менее простой способ заключается в банальной замене тестируемого датчика. Но скажем сразу – способ не лучший и, мало того, что он требует наличия нескольких резервных датчиков, он еще и крайне неточен.
- Если под рукой имеется тестер, то можно проверить датчик и с большой вероятностью сказать, неисправен ли он. Для этого необходимо достать индукционный датчик из посадочного гнезда, соблюдая полярность, подключить к питающим клеммам напряжение от аккумулятора автомобиля. Если длины штатных проводов достаточно, то можно использовать их и не отключать датчик от бортовой сети. Затем отключается сигнальный провод (он обычно имеет маркировку «В») и между ним и корпусом автомобиля подключается вольтметр. Далее, к датчику необходимо несколько раз поднести и убрать металлический предмет, при этом показания вольтметра должны замеряться. Если показания вольтметра не изменились, то датчик необходимо заменить на исправный.
Осциллограф
Более сложный способ проверки индукционного датчика при помощи измерительных приборов потребует от автолюбителя хорошего навыка обращения с осциллографом. Для того чтобы определить исправен датчик или нет, необходимо снять его характеристики в процессе работы и сравнить с эталонными. Образцовые характеристики можно найти на сайте производителя датчика. Для съема характеристик осциллограф подключается как и вольтметр, только датчик остается на штатном месте. Потом двигатель автомобиля заводится, и на экране осциллографа появляется искомая характеристика. Если эталонная и измеренная характеристики значительно не совпадают, то датчик необходимо заменить.
Обзор емкостных датчиков CR
CR – серия емкостных цилиндрических датчиков от Autonics (рисунок 9).
Выпускаются датчики двух типоразмеров – CR18 и CR30 с зонами чувствительности 8 и 15 мм соответственно.
Двухпроводные нормально разомкнутые версии CRxx-xAO и двухпроводные нормально замкнутые версии CRxx-xAС работают с переменным выходным напряжением 110…240 В и током 5…200 мА. Частота срабатывания – 20 Гц.
Трехпроводные версии предназначены для работы в цепях постоянного напряжения 10…30 В с выходными токами до 200 мА. Их частота срабатывания достигает 50 Гц (таблица 8).
Таблица 8. Основные характеристики трехпроводных датчиков семейства CR
| Параметр | Наименование | |||
| CR18-8DN, CR18-8DP, CR18-8DN2 | CR30-15DN, CR30-15DP, CR30-15DN2 | CR18-8AO, CR18-8AC | CR30-15AO, CR30-15AC | |
| Зона чувствительности, мм | 8 | 15 | 8 | 15 |
| Гистерезис | Макс. 20% от расстояния срабатывания | |||
| Стандартный объект для обнаружения (железо), мм | 50x50x1 | |||
| Рабочий зазор, мм | 0…5,6 | 0…10,5 | 0…5,6 | 0…10,5 |
| Напряжение питания ном., В | 12/24 | 100/240 | ||
| Предельное напряжение питания, В | 0…30 | 85…264 | ||
| Ток потребления, мА | Макс. 15 | Макс. 2,2 | ||
| Частота срабатывания *, Гц | 50 | 20 | ||
| Температурный дрейф | Макс. ±10% от расстояния срабатывания при температуре окружающей среды 20°С | |||
| Номинальный ток, мА | Макс. 200 | |||
| Сопротивление изоляции | Мин. 50 МОм (500 В=) | |||
| Электрическая прочность диэлектрика | ~1500 В, 50/60 Гц в течение 1 минуты | |||
| Стойкость к вибрациям | амплитуда 1 мм при частоте 10…55 Гц по каждому из направлений X, Y, Z в течение 2 часов | |||
| Стойкость к ударным нагрузкам | 500 м/с2 (примерно 50g) направления X, Y, Z 3 раза | |||
| Индикатор | Индикатор работы (красный светодиод) | |||
| Рабочая температура, °C | -25…70 | |||
| Температура хранения, °C | -30…80 | |||
| Влажность, % | 35…95 | |||
| Встроенная защита | от перенапряжения, обратной полярности | от перенапряжения | ||
| Степень защиты (IP) | IP66 | IP65 | IP66 | IP65 |
| Масса, г | 76 | 206 | 70 | 200 |
* – Частота срабатывания представляет собой среднее значение: стандартный объект с удвоенной шириной на расстоянии 1/2 от номинального. Состояние датчика можно определить по светодиоду. Если он светится – ток поступает в нагрузку.
Код для заказа датчиков серии CR включает 5 позиций: тип датчика, форму, диаметр головки, код зоны чувствительности, код типа выходного каскада (таблица 9).
Таблица 9. Именование датчиков семейства CR
| C | R | 30 | -15 | DN | |
| Тип датчика | Форма корпуса | Диаметр головки датчика, мм | Зона чувствительности, мм | Тип выхода | |
| С – емкостной | R – цилиндр | 18 | 8 | DN | 3-проводной, NPN, нормально разомкнутый, питание 24 В DC |
| 30 | 15 | DN2 | 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC | ||
| DP | 3-проводной, PNP, нормально разомкнутый, питание 24 В DC | ||||
| DP2 | 3-проводной, NPN, нормально замкнутый, питание 24 В DC | ||||
| AO | 2-проводной, нормально разомкнутый, питание 110…240 В AC | ||||
| AС | 2-проводной, нормально замкнутый, питание 110…240 В AC |
Стоит отметить и высокую степень защиты: IP66 – для CR18, IP66 – для CR30. Изоляционные свойства также на высоте. Так как емкостные датчики способны обнаруживать не только металлические объекты, то спектр приложений серии CR еще шире, чем у индуктивных датчиков. Сфера их применения:
- концевые выключатели станков;
- детекторы автоматических линий розлива молока, пива, и тому подобное;
- датчики уровня жидкости;
- детекторы обнаружения брака в текстильном производстве.
Погрешности
Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.
Электромагнитная
Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.
От температуры
Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.
Магнитной упругости
Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.
Деформация элементов
Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.
Кабеля
Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.
Старение
Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.
Технологии
Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.
Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером
В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.
Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB.
В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий.
В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.
Проводимость кристаллической решетки с примесями
Свободных электронов в чистом полупроводнике мало, и это объясняет низкую проводимость материала.
Однако, при повышении температуры электроны на валентном уровне получают большую энергию, и могут быстрее покидать свои орбиты. Поэтому материал становится более проводимым при повышении температуры.
Донорская примесь и n-тип
Если добавить в кристаллическую решетку кремния атом, у которого 5 валентных электронов, то из-за него в кристалле появятся свободные электроны.
Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).
4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. А вот один электрон будет находится в зоне проводимости. То есть, он станет свободным электроном.
А вот атом мышьяка, который непреднамеренно отдал свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.
Примеси добавляют при помощи легирования. Оно может быть, как металлургическим (повышением температуры, изготовление сплавов), так химическим (ионное и диффузное).
Если подать ток по такому материалу, то свободные электроны из примеси притягиваются положительным потенциалом. А с отрицательного потенциала приходят «новые» электроны, взамен старым, которые ушли к положительному потенциалу.
Акцепторная примесь и p-тип
А что будет, если в полупроводник добавить атом с тремя валентными электронам, например бор (B)?
Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью будет не хватать одного электрона.
Это отсутствие электрона называется дыркой. По сути, это положительный потенциал, но для простоты понимания его принято называть дыркой.
Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электрона у атомов. И тот атом, у которого будет не хватать электрона на своей орбите, будет притягивать к себе и свободные электроны, которые оказались в кристалле, и электроны от соседних атомов.
Такая примесь в кристалле также повышает его проводимость. И эта примесь называется акцепторной. То есть, примесные атомы создают дефицит электронов в кристаллической решетке.
Поэтому, такой полупроводник с акцепторной примесью называются p-типом. Его основные носители заряда – дырки. А неосновные – электроны.
Если пустить ток по такому материалу, то к отрицательному потенциалу будет притягиваться дырка к новому поступающему электрону из источника тока. А вот к положительному потенциалу будут уходить электроны, которые находились в кристалле.
Ток неосновных зарядов
Как уже было сказано выше, у p-типа основные носители заряда — это дырки, а у n-типа — это электроны. Неосновные носители соответственно, наоборот. И неосновные носители зарядов тоже участвуют при прохождении тока.
Конечно, неосновных носителей зарядов намного меньше, чем основных, но не стоит их полностью игнорировать, особенно когда речь идет о p-n переходе.
Принцип работы индуктивного датчика
В отличие от популярных в прошлом электромеханических выключателей индуктивные датчики относятся к оборудованию с бесконтактным принципом работы, т. е. для срабатывания датчику не требуется физический контакт с объектом. Это означает отсутствие механического износа, что оказывает существенное влияние на время жизни компонентов и исключает необходимость их обслуживания. В силу принципа действия индуктивные датчики используются в случаях, когда требуется определять металлический, либо изготовленный из магнитных/ферромагнитных материалов объект или предмет. Неметаллические объекты датчиком игнорируются.
В общем случае индуктивный датчик состоит из нескольких основных компонентов
— металлический (чаще всего латунный или стальной), либо пластиковый корпус, в котором помещаются все компоненты датчика;
— катушка колебательного контура, находящаяся непосредственно за пластиковой или металлической т. н. чувствительной поверхностью датчика;
— генератор, создающий электромагнитное поле;
— триггер Шмитта, преобразующий аналоговый сигнал в логический дискретный;
— усилитель, обеспечивающий достаточный уровень выходного сигнала для дальнейшей его передачи;
— один или несколько светодиодных индикаторов – чаще всего для индикации срабатывания, но в отдельных случаях также указывающий на наличие питания датчика и статус конфигурирования;
— компаунд, которым заливается всё внутреннее пространство датчика для защиты электронных компонентов от попадания влаги и мелких частиц;
— кабель, клеммная коробка, либо разъём для подключения датчика.
Принцип действия
индуктивного датчика основывается на изменении индуктивности катушки и сердечника – потому датчик и называется индуктивным. Он сводится к нескольких основным этапам:
— на датчик подаётся питание
— генератор вырабатывает магнитное поле в области катушки
— при попадании в область действия датчика металлического, магнитного или ферромагнитного объекта в нём наводятся вихревые токи, изменяющие амплитуду колебаний генератора
— изменение амплитуды обеспечивает выходной аналоговый сигнал
— триггер Шмитта преобразует аналоговый сигнал в логический дискретный
— усилитель повышает уровень сигнала до необходимого значения
Как и любое другое электронное устройство, индуктивный датчик обладает рядом основных и второстепенных параметров. Первые являются основными при подборе датчика для решения конкретной задачи, в то время как вторые позволяют установить пригодность датчика для использования в специфических условиях.