Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
|
кратність пульсацій випрямленої напругиm – відношення частоти пульсацій випрямленої напруги до частоти мережі. У одно контактних випрямлячів він відповідає числу фаз мережі. Двоконтактними (двопівперіодними) називають випрямлячі, у яких по вторинній обмотці трансформатора струм за період напруги мережі протікає двічі і у різних напрямках. Кратність пульсацій у двотактних випрямлячів дорівнює подвоєному числу фаз. Робота випрямлячів фактично полягає в тому, що навантаження за допомогою ключів так підмикається до джерела енергії напруги змінного струму, щоб за час кожного півперіоду його напруги (позитивного і негативного) струм у навантаженні протікав у одному напрямку. Виходячи з цього, найважливішим вузлом випрямляча є вентильна схема–схема випрямлення. При розрахунку випрямляча відомі параметри навантаження та мережі живлення. Невідомими є параметри елементів вузлів, що до нього входять. Теорія випрямлячів зводиться до розробки аналітичних виразів, що зв’язують відомі параметри напруги мережі живлення і навантаження з невідомими параметрами, які характеризують роботу вентильної схеми. На підставі цього робиться вибір типу вентилів для конкретної схеми випрямляча та розрахунок його вузлів. 42. Фототранзистор представляет собой твердотельное полупроводниковое устройство с внутренним усилением, которое используются для обеспечения аналоговых или цифровых сигналов. Фототранзисторы используются практически во всех электронных устройствах, функционирование которых, так или иначе, зависит отсвета, например, детекторы дыма, лазерные радары, системы дистанционного управления. Фототранзисторы способны реагировать не только на обычное освещение, но и на инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Фототранзисторы более чувствительные и создают больший ток по сравнению с фотодиодами Конструкция фототранзистора Как известно, самым распространенным видом транзистора является биполярный транзистор. Фототранзисторы, как правило, биполярные устройства NPN типа. Несмотря на то, что и обычные биполярные транзисторы достаточно чувствительные к свету, фототранзисторы дополнительно оптимизированы для более четкой работы с источником света. Они имеют большую зону базы и коллектора по сравнению с обычными транзисторами. Как правило, они имеют непрозрачный темный корпус с прозрачным окошком для света. Большинство фототранзисторов производят из полупроводникового монокристалла (кремний, германий, хотя встречаются фототранзисторы, построенные и на основе сложных типов полупроводниковых материалов, например, арсенид галлия. Принцип работы фототранзистора Обычный транзистор состоит из коллектора, эмиттера и базы. В работе фототранзистора, как правило, вывод базы остается отключенным, так как свет генерирует электрический сигнал, позволяющий току протекать через фототранзистор. При отключенной базе, коллекторный переход фототранзистора смещен в обратном, а эмиттерный переход — в прямом направлении. Фототранзистор остается неактивным до тех пор, пока свет не попадает на базу. Свет активирует фототранзистор, образуя электроны и дырки проводимости — носители заряда, в результате чего через коллектор — эмиттер протекает электрический ток. Усиление фототранзистора Диапазон работы фототранзистора напрямую зависит от интенсивности его освещения, поскольку от этого зависит положительный потенциал базы. Базовый ток отпадающих фотонов усиливается с коэффициентом усиления транзистора, который варьируется от нескольких сотен до нескольких тысяч единиц. Следует отметить, что фототранзистор с коэффициентом усиления от 50 до 100 более чувствителен, чем фотодиод. Дополнительное усиление сигнала может быть обеспечено с помощью фототранзистора Дарлингтона. Фототранзистор Дарлингтона представляет собой фототранзистор, выход которого эмиттер) соединен с базой второго биполярного транзистора. Схематическое изображение фототранзистора Дарлингтона Это позволяет обеспечить высокую чувствительность при низких уровнях освещения, так как это дает фактическое усиление равное усилению двумя транзисторами. Два каскада усиления может образовать коэффициент усиления до 100 000 . Однако необходимо учесть, что фототранзистор Дарлингтона имеет более медленную реакцию, чем обычный фототранзистор. Основные схемы включения фототранзистора Схема усилителя с общим эмиттером В данном случае формируется выходной сигнал, который переходит из высокого состояния в низкое в момент освещения фототранзистора. Данная схема получается путем подключения резистора между источником питания и коллектором фототранзистора. Выходное напряжение снимается с коллектора. Схема усилителя с общим коллектором Усилитель с общим коллектором формирует выходной сигнал, который при освещении фототранзистора, переходит из низкого состояния в высокое состояние. Схема создается путем подключения резистора между эмиттером и минусом источника питания (земля. Выходной сигнал снимается с эмиттера. В обоих случаях фототранзистор может быть использован в двух режимах, в активном режиме ив режиме переключения. Работа в активном режиме означает, что фототранзистор генерирует выходной сигнал пропорциональный степени его освещенности. Когда количество света превышает определенный уровень, фототранзистор насыщается, и выходной сигнал уже не будет увеличиваться, даже при дальнейшем увеличении освещения. Этот режим работы фототранзистора полезен в устройствах, где необходимо различить для сравнения два порога освещенности. Работа в режиме переключения означает, что фототранзистор в ответ на его освещение будет либо выключен (отсечка, либо включен (насыщенные. Этот режим полезен, когда необходимо получить цифровой выходной сигнал. Изменяя сопротивление резистора нагрузки вцепи усилителя можно выбрать один из двух режимов работы. Необходимое значение резистора может быть определено с помощью следующих уравнений Активный режим Vcc> R х I Переключатель режимах Для работы в режиме переключения обычно используют резистор сопротивлением 5 кОм или выше. Выходное напряжение высокого уровня (лог) в режиме переключения будет равно напряжению питания. Выход низкого уровня (лог) должно быть не менее 0,8 вольт. 43. Важным методом, используемым для описания функционирования RS- триггера, является метод таблиц состояний (таблиц переходов. Таблица состояний (риса) триггера в сокращенной форме (эту таблицу называют также управляющей таблицей, таблицей функционирования) содержит два входных сигнала (сигналы R и S) и один выходной сигнал Q (функция. Хотя триггеры имеют два выхода - один прямой Q, а другой - инверсный `Q, в описании триггера ив таблице состояний указывают лишь состояние прямого выхода Q. Из таблицы состояний триггера видно, что при подаче на вход R уровня лог. «1» триггер принимает состояние логического «0», а при подаче управляющего сигнала «1» на вход S - состояние «1». Следует отметить также, что если до подачи управляющего сигнала, например, на вход R, триггер находился в состоянии логического «0», его состояние не изменится и после подачи сигнала «1» на вход R. Если на обоих входах триггера имеются уровни логического «0»- это состояние соответствует режиму хранения и триггер сохраняет предыдущее состояние. В таблице это состояние обозначено условно Q 0 . При подаче на входы R и S одновременно уровня «1» триггер будет находиться в неопределенном (или неправильном) состоянии, поэтому такое сочетание сигналов R и S называется запрещенной комбинацией управляющих сигналов ив таблице состояний обозначается буквой a. Сокращенная таблица состояний триггера отражает лишь динамику изменения состояния триггера и не учитывает свойство триггера запоминать единицу информации. Полная таблица состояний триггера должна учитывать влияние (на процесс управления) значения предыдущего состояния триггера Q 0 . Причем Q 0 представляется как входная переменная. Полная таблица состояний RS -триггера приведена на рис. 3.3, б. Таблицу состояний строят также, как и таблицу истинности. Анализ таблицы показывает, что только в ситуациях, описываемых строками 4 и 5, происходит изменение состояния триггера. Рис. 3.3. RS - триггера- упрощенная таблица состояний б) полная таблица переходов в) Карта Карно г) RS - триггер, управляемый сигналом низкого уровня ( триггер д) RS - триггер на элементах базиса И-НЕ Рассмотрим строку 4. После того, как подается сигнал на вход R, триггер сбрасывается, те. переходит из состояния “1” в состояние “0”. Рассмотрим строку 5. Триггер устанавливается, те. переходит из состояния “0” в состояние “1”, в результате подачи сигнала “1” на вход S. Для строки сигналы S =0 1* и R=0, и, следовательно, никаких изменений в состоянии триггера не происходит. Для строки 3 сигнал R=1, и этот сигнал в нормальных условиях должен сбросить триггер, но так как триггер уже сброшен и Q = 0, то сигнал R = 1 не изменяет его состояние. Аналогично для строки 6 сигнал S = 1, и этот сигнал в обычных условиях будет устанавливать триггер в “1”, но Q = 1, и, следовательно, состояние триггера останется без изменений до поступления следующего сигнала R. Особенность триггера заключается в том, что при подаче одновременно на входы R и S сигнала, соответствующего логической 1, состояние триггера становится неопределенным на обоих выходах Q и `Q установится уровень “1”, а после снятия со входов управляющих сигналов, в силу случайных причин, триггер может установиться в состояние “0” либо “1”. Очевидно, что для нормальной работы триггера необходимо исключить указанное сочетание входных сигналов, приводящее к неопределенному состоянию, что можно осуществить, предусмотрев выполнения запрещающего условия R × S=0. Из таблицы состояний может быть получено уравнение, описывающее поведение триггера. Это уравнение носит название характеристического уравнения триггера. Оно показывает, как меняется состояние триггера в зависимости от текущих значений состояния и входов. Для получения упрощенного аналитического выражения, описывающего поведение RS- триггера, построим карту Карно и проведем соответствующие контуры (рис. 3.3, в. Полученное характеристическое уравнение триггера имеет вид Применив закон де Моргана преобразуем полученные выражение в базис И-НЕ: Схема RS- триггера, реализованного в выбранном базисе, приведена на рис. 3.3, г. Из формулы RS - триггера видно, что при реализации его в базисе И-НЕ, триггер управляется сигналами низкого уровня, те. уровня лог. "0" (если не предусмотрены инверторы. Для приведения поведения триггера, выполненного на элементах Ив соответствие с таблицей состояний сигналы S и R необходимо инвертировать. Из анализа схемы рис. 3.3, г очевидно, что простой RS триггер можно сконструировать, соединив “крест-накрест” два элемента И-НЕ. Входные линии триггера обозначены как и , поскольку триггер устанавливается при =0 и сбрасывается при =0. Такой триггер иногда называют триггер с инверсными входами или конъюнктивной бистабильной ячейкой. Схема триггера, реализовнная в базисе И-HЕ в соответствии с таблицей состояний, приведена на рис. 3.3, д. Для построения RS -триггера на элементах ИЛИ-НЕ приведем формулу триггера в базис ИЛИ-НЕ Схема RS -триггера, выполненная на элементах базиса ИЛИ- HЕ, приведена на риса. Временные диаграммы, поясняющие работу триггера, приведены на рис. 3.4, б. Из временных диаграмм (рис. 3.4, б) следует, что рассмотренные выше триггеры опрокидываются, те. управляются сигналами R ив любой момент времени. В тех случаях, когда длительности управляющих сигналов не синхронизированы (не согласованы, триггер может находиться в неопределенном состоянии (интервалы времени t 4 , t 5 ), и поэтому такие триггеры называют асинхронными. Триггер, построенный на базе элементов ИЛИ-НЕ, называют также дизьюнктивной бистабильной ячейкой. Бистабильные ячейки, помимо самостоятельного применения, входят в качестве составного узла в триггеры других типов. Синхронный RS -триггер. Синхронные триггеры снабжаются дополнительным входом, по которому поступает синхронизирующий (тактирующий) сигнал. При этом изменение состояния триггера происходит (при наличии управляющего сигнала) только в те моменты времени, когда на специальный синхровход триггера поступает тактирующий импульс (риса. Синхронный триггер строится в соответствии с рис. 3.5, б, а его условное изображение на принципиальных и функциональных схемах приведено на рис. 3.5, в. Синхронизирующий вход обозначается буквойС. Входные сигналы S и R являются информационными, а на входе С - синхронизирующими, по ним происходит переключение триггера. Следует отметить, что для надежной работы триггера необходимо, чтобы длительность переключающего сигнала синхронизирующего сигнала) на входе Сбыла не меньше времени переключения триггера. Временем переключения (срабатывания, установки) триггера называется время, которое проходит от момента изменения входных сигналов до соответствующего изменения состояния выходов и определяющееся задержками распространения сигнала логическими элементами, входящими в состав триггера. 44. Логічний елемент - це електронний прилад, що реалізує одну з логічних функцій. В склад серій мікросхем, що розглядаються, входить велике число логічних елементів. На принциповій схемі логічний елемент зображають прямокутником, всередині якого ставиться зображення покажчика функції. Лінії з лівої сторони прямокутника показують входи, з правої - вихід елемента. На рисунку 1 зображені основні логічні елементи, що використовуються у цифрових приладах: Елемент І (кон'юктор); (a) елемент АБО (диз’юнктор) б елемент НІ (інвертор 1) в. Окрім означених існує множина логічних елементів, що виконують більш складні логічні перетворення. Ці перетворення є комбінаціями найпростіших логічних операцій. До числа таких елементів відносяться: елемент І-НІ елемент АБО-НІ елемент І-АБО елемент І-АБО-НІ суматор за модулем 2 Рисунок 1 - Графічні позначення логічних елементів Суматор за модулем 2 можна виконати на логічних елементах І, АБО, НІ (рисунок 2). Рисунок 2 - Схема суматора за модулем 2 Число входів в логічних елементах різного призначення може бути різним, але входи кожного елемента рівнозначні. Деякі з них можуть при роботі в конкретних приладах не використовуватися. Входи, які не використовуються в схемах І, І-НІ з'єднують із +Uдж., а в схемах АБО, АБО-НІ, суматора за модулем 2 - із загальним проводом (0 В. На рисунку 3 наведені приклади умовного позначення логічних елементів різних серій. Рисунок 3 - Приклади графічного позначення логічних елементів різних серій 45. Пасивні згладжуючи фільтри Активно-індуктивний (R-L) фільтр Він являє собою котушку з феромагнітним сердечником (дросель), що включається послідовно з навантаженням. Встановимо зв'язок коефіцієнта згладжування фільтра з параметрами його елементів. Для одержання досить гарного згладжування треба, щоб q >>1. Як видне з формули для цього слід збільшувати індуктивність дроселя, зменшувати опір навантаження й збільшувати число фаз випрямлення – р (пульсність). Активно-індуктивний фільтр є габаритним пристроєм, тому для зменшення його розмірів намагаються підвищити пульсність у ланці випрямляча. Даний фільтр використовується при постійному струмі навантаження в ланцюгах з підвищеним струмом. При зростанні струму навантаження (н) відбувається збільшення енергії, що накопичується в дроселі, при цьому збільшується ЭДС самоіндукції, що перешкоджає проходженню в навантаження змінної складової струму. При цьому поліпшуються властивості, що згладжують, фільтра. Таким чином, гідностями схеми є простота, невеликі втрати потужності й незначна залежність вихідної напруги від зміни опору навантаження. Недоліки фільтра: 1) перенапруги, що виникають при відключенні навантаження або при різкій зміні її величини. Тому в потужних випрямлячах рекомендується паралельно дроселям включати розрядники, що спрацьовують, коли напруга на дроселі перевищує певний рівень; 2) мінливість дії, що згладжує, фільтра при зміні опору навантаження. Активно- ємнісний (R-C) фільтр Являє собою конденсатор, що включається паралельно навантаженню. Одержимо вираження для коефіцієнта згладжування через параметри схеми заміщення: При однонапівперіодном випрямленні конденсатор Сф фільтра заряджається імпульсом струму через вентиль і розряджається на навантаження н один раз протягом періоду мережі. У багатофазному випрямлячі заряд і розряд конденсатора відбуваються із частотою пульсацій , де Тс – період сіткової напруги. Активно-ємнісний фільтр використовуються при малих струмах навантаження, тому що з ростом струму зменшується постійний ланцюги розряду τ, що збільшує пульсацію напруги ( через глибокий розряд конденсатора. До гідностей фільтра можна віднести: відсутність підвищення рівня напруги або його зниження при перехідних процесах, простота, невеликі габаритні розміри й вартість. Недоліком фільтра є вплив на випрямляч ( кут відсічення струму менше 180 градусів), тому при використанні такого фільтра з великою величиною ємності необхідно вводити в ланку випрямляча захисні елементи по струму. Індуктивно-ємнісний (L-C) фільтр При дотриманні умови Хдр > Хс реакція фільтра буде індуктивного характеру. Дросель і конденсатор, використовувані спільно, більш ефективно виконують функції згладжування, чому при їхньому роздільнім включенні, якщо виконуються нерівності: Хдр >> н і Хс << н Одержимо вираження для коефіцієнта згладжування фільтра через параметри схеми заміщення: Фільтр використовується при великій потужності навантаження. До гідностей фільтра ставиться малі габаритні розміри, мала залежність коефіцієнта згладжування від змін струму навантаження (різний характер залежності q від н для реактивних елементів взаємно компенсує вплив). Недоліки: у таких фільтрах виникають перехідні процеси, що ускладнюють роботу, як споживача, так і джерела живлення, дроселі фільтрів мають більші габаритні розміри й масу, а їх індуктивність, отже, коефіцієнти згладжування залежать від струму навантаження. При включенні й відключенні мережі, а також при різких змінах навантаження у фільтрі виникають перехідні процеси, які можуть привести до перенапруг і кидкам струму в елементах фільтра й випрямляча. З вище сказаного можна зробити кілька виводів. Що згладжують Lc-Фільтри найчастіше застосовуються у випрямлячах великої й середньої потужності. При великій потужності випрямляча величина індуктивності дроселя виходить порівняно малої, тому спадання напруги на дроселі від постійного струму незначно й КПД фільтра досить високий. До недоліком Lc- Фільтрів ставляться: 1. зміна індуктивності дроселя, а виходить, і коефіцієнта згладжування при зміні струму навантаження; 2. значна величина індуктивності дроселя для малопотужних випрямлячів. У цьому випадку габарити й маса дроселя порівнянні з габаритами й масою силового трансформатора 3. наявність магнітного поля розсіювання, створюваного дроселем фільтра, яке може бути джерелом перешкод для приймальні й вимірювальної апаратури; 4. виникнення перехідних процесів у фільтрі, які можуть бути причиною викривлення струму в навантаженні; 5. недостатнє згладжування низькочастотних пульсацій, що виникають при повільних змінах сіткової напруги. У малопотужних випрямлячах замість Lc-Фільтрів застосовуються Rc- Фільтри, але цепов язане зі зниженням КПД. |