эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
5.5. Понятие о цифровых и электронных измерительных приборах Цифровые приборыработают по принципу преобразования измеряемого напряжения в электрический код, отображенный в цифровой форме. Цифровые приборы применяются для измерения частоты, напряжения, интервалов времени, разности фаз и т. д. Структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока рис. 48). На данной схеме U X – неизвестное измеряемое напряжение ВхУ – входное устройство, предназначенное для создания большого входного сопротивления, изменения пределов измерения и определения полярности входного сигнала АЦП – аналого-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорционального измеряемой величине ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, регистрирующее результат измерения. В цифровом вольтметре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональный интервал времени t = U X /S, где S называется крутизной преобразования, а затем этот интервал вре- ВхУ АЦП ЦОУ U X Рис. 48 70 мени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов n = t f = f U X которое фиксируется цифровым индикатором. Так как частота f велика, а крутизна преобразования S мала, то даже малым значениям измеряемого напряжения U X соответствует большое число импульсов n, что обеспечивает высокую чувствительность и точность прибора. Цифровая индикация результатов измерения обеспечивает объективность отсчета показаний. Преимущества цифровых приборов – малые погрешности измерения (0,1– 0,01 %) в широком диапазоне измеряемых напряжений (1 мкВ до 1000 В – высокое быстродействие, чувствительность и точность – объективность отсчета показаний – выдача результатов измерений в цифровом виде и возможность регистрации их с помощью цифропечатающих устройств – возможность ввода измерительной информации в ЭВМ и ин- формационно-измерительные системы. Недостатки цифровых приборов – сложность изготовления и ремонта – высокая стоимость – утомление оператора при длительном наблюдении за цифровым индикатором. Однако с дальнейшим развитием микроэлектроники эти недостатки устраняются. Электронные приборы – это сочетание электронного преобразователя и электромеханического измерительного механизма. Существует много разновидностей этих приборов.Электронные приборы кратко рассмотрим на примере электронного вольтметра. У электронных вольтметров большие входные сопротивления до 10 Мом), что существенно расширяет область их применения по сравнению с электромеханическими вольтметрами, у которых сопротивление цепи вольтметра всего 5–10 кОм. Кроме того, электронные вольтметры могут иметь очень высокую чувствительность, что весьма важно приточных измерениях. Структурная схема электронного вольтметра показана на рис. 49. 71 На схеме ВхУ – входное устройство (высокоомный резистивный делитель напряжения УПН – усилитель постоянного напряжения, который служит для увеличения чувствительности и усиления мощности измеряемого сигнала с целью приведения в действие магнитоэлектрического измерительного механизма МП – магнитоэлектрический измерительный прибор, отклонение стрелки которого пропорционально значению измеряемого напряжения ПР – преобразователь переменного напряжения в постоянное (могут быть среднего, действующего и амплитудного значения. Преимущества электронных вольтметров по сравнению с электромеханическими большое входное сопротивление (до 10 МОм – высокая чувствительность – диапазон измерений – от десятых до сотен вольт. Точность электронного вольтметра не может быть выше точности индикатора, которым служит показывающий прибор с электромеханическим измерительным механизмом. 5.6. Понятие об измерении неэлектрических величин электрическими методами При контроле производственных процессов имеют дело с измерениями неэлектрических величин, например, механических (сила, ВхУ УПН МП X U U ВХ U ВЫХ ВхУ Пр УПН МП X U ВХ U ВХ U = U ВЫХ Рис. 49 Для измерений в цепях постоянного тока Для измерений в цепях переменного тока 72 давление, скорость, перемещение тепловых (температура, теплоемкость световых (освещенность, световой потоки т. д. Для контроля неэлектрических величин и управления ими применяются электрические методы и электроизмерительные приборы. Они позволяют получать данные с высокой степенью точности, определять характеристики объектов, находящихся на больших расстояниях, изучать быстропротекающие процессы, запоминать результаты измерения с помощью ЭВМ и т. д. Любую неэлектрическую величину можно преобразовать в электрическую с помощью преобразователей (датчиков. Преобразователи бывают параметрические и генераторные. Параметрические преобразователи преобразуют изменение измеряемой неэлектрической величины в изменение того или иного параметра электрической цепи (R; L; С. Генераторные преобразователи преобразуют измеряемую не- электрическую величину в ЭДС. Эти преобразователи сами вырабатывают ЭДС или ток для их работы не требуется дополнительного источника питания. Структурная схема измерения неэлектрических величин приведена на рис. 50. На схеме ПП – первичный преобразователь ЭЦ – электрическая измерительная цепь. ЭЦ обычно состоит из мостов или измерительных потенциометров. В случае применения простейших генераторных преобразователей например термопары) ЭЦ, может отсутствовать, так как термоЭДС, вырабатываемая термопарой пропорциональна разности температур ее спаев и сигнал Y = f ( ) поступает непосредственно на выходной прибор. ВУ – выходное устройство (может быть различное от стрелочного МЭ прибора до самопишущего прибора с записью на магнитной ленте или ЭВМ. При большом количестве одновременно контролируемых величин сигналы со всех ВУ поступают в информационно- измерительные системы. ПП ЭЦ ВУ X Y(X) Y 1 (X) Рис. 50 73 X – измеряемая неэлектрическая величина Y(X) – электрический сигнал Y 1 – другой электрический сигнал, в который, если это необходимо, преобразуется Y(X); например, ток – в напряжение. Сигнал, снимаемый с ЭЦ воспринимается ВУ, в результате чего на выходе имеем отклонение указателя, пропорциональное измеряемой неэлектрической величине. К параметрическим преобразователям относятся – реостатный основанный на изменении сопротивления участка проводника, длину которого определяет положение подвижного контакта, зависящее от координаты X контролируемого объекта – термочувствительный, основанный на зависимости сопротивления полупроводниковых резисторов (терморезисторов) от температуры объекта – тензометрический основанный на зависимости сопротивления участка проводников и полупроводников от механических напряжений, возникающих, например, при их изгибах или скручивании – электромагнитный, объединяющий большую группу пребра- зователей, в которых параметры электромагнитного поля зависят от параметров контролируемого объекта – емкостной или индуктивный преобразователь, в котором используется зависимость емкости конденсатора или индуктивности катушки от взаимного расположения электродов конденсатора или от положения сердечника катушки (иногда взаимной индуктивности двух катушек) от координаты контролируемого объекта. К генераторным преобразователям относятся – пьезоэлектрический, представляющий собой кристалл (кварц, сегнетовая соль и др, в котором ЭДС возникает под действием внешних механических сил, например давления на поверхность кристалла – термоэлектрический, основанный на зависимости ЭДС термопары от температуры контролируемого объекта. Примером измерения неэлектрической величины электрическим методом является аналоговый автоматический мост постоянного тока, который позволяет непрерывно следить за изменением измеряемого параметра (например, температуры) и осуществлять его регулирование. Погрешность автоматических мостов не превышает 0,5–0,2 % от предела измерения. Аналоговые автоматические мосты являются неотъемлемой частью самопишущих измерительных приборов. 74 6. ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 6.1. Общие сведения о полупроводниковых приборах Зарождение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства конца I – начала века. Электрическая энергия стала проникать вовсе сферы человеческой деятельности, что требовало создания новых средств измерения, контроля и управления, более чувствительных, точных и быстродействующих по сравнению с механическими и электромеханическими устройствами. Кроме того, возникла потребность в средствах быстрой передачи на большие расстояния различной информации. Изобретение радио оказало большое влияние на становление и развитие электроники. В е годы начали применяться электронные лампы, но они были ненадежны, имели небольшой срок службы, большие габариты, потребляли большую энергию. И вскоре их заменили полупроводниковые приборы. Действие полупроводников основано на свойствах р перехода, поэтому проводимость полупроводников может меняться в широких пределах в зависимости от температуры нагрева, освещенности, воздействия электрических полей, примеси посторонних атомов и т. д. Эти особенности широко используются в технике. В последние десятилетия одним из главных направлений стало развитие интегральной микроэлектроники. 6.2. Полупроводниковые диоды Полупроводниковый диод – прибор с одним р переходом и двумя выводами, в котором используется свойство перехода. Ток, проходящий через диод в его открытом состоянии, называется прямым током, в другом направлении ток есть, но очень мал (диод заперт. Этот ток называется обратным. Соответственно напряжение, приложенное к диоду, называется – прямое и обратное (риса. На рис. 51, б показана вольт-амперная характеристика диода. Прямой ток диода направлен от анодного (А) к катодному (К) выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода характеризуют следующие параметры допустимый прямой ток при соответствующее ему прямое напряжение пр, допустимое обратное напряжение U обр и соответствующий ему обратный ток I обр , допустимая 75 мощность рассеяния рас и допустимая температура окружающей среды ос (до 50 С)для германиевых и до 140 С для кремниевых диодов. По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т. д. По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов p-n переход создается на значительной площади (до 1000 мм, они применяются в основном в автоматике и приборостроении. В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм. Они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10–20 мА. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и выполняются по сплавной или диффузионной технологии. Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока. Это – точечные диоды. Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) p-n перехода при определенных значениях обратного напряжения U обр = проб (риса. На рис. 52, б приведена простейшая схема стабилизатора напряжения на приемнике с сопротивлением нагрузки н. При изменении напряжения между входными выводами стабилизатора I I пр I обр U U пр U обр б Рис. 51 + – 76 U вх > проб (н + r) / н, напряжение между выходными выводами U вых проб изменяется незначительно. Светоизлучающие диоды и фотодиоды Электрические свойства фотодиода изменяются под действием падающего на него светового излучения – повышается его обратный ток. Светодиоды сами излучают квант света в режиме прямого тока, поэтому они находят применение для индикации режима работы узлов и блоков различных систем. Светодиод Фотодиод 6.3. Полупроводниковые триоды (транзисторы) Транзисторы служат для усиления мощности электрических сигналов. Они бывают биполярными и полевыми имеют три вывода. Биполярные – основаны на явлениях взаимодействия двух близко расположенных р переходов, физические процессы в них связаны сдвижением носителей зарядов обоих знаков. Плоскостной биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру типа p-n-p (риса) ирис, б. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны сдвижением носителей обоих знаков (свободных дырок и электронов. I U проб Рис. 52 77 Средний слой биполярного транзистора называется базой – Б, один крайний слой – коллектором Ка другой крайний слой – эмиттером Э (на электрических схемах эмиттер обозначается со стрелочкой. Каждый слой имеет вывод, при помощи которого транзистор включается в цепь. Полевые – основаны на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом и на основе конструкции металл-диэлектрик – полупроводник (МДП-транзисторы) с индуцированным каналом и со встроенным каналом. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом бывают или с каналом типа (рис. 53, вили с каналом типа (рис. 53, г. Электрод, от которого начинают движение носители заряда в данном случае электроны, называется истоком И, а электрод, к которому они движутся, – стоком С. Оба слоя электрически связаны между собой и имеют общий внешний электрод, называемый затвором З. Полевые транзисторы обладают высокой технологичностью, хорошей воспроизводимостью требуемых параметров и сравнительно небольшой стоимостью. Из электрических параметров полевые транзисторы отличает их высокое входное сопротивление. Рис. 53 Биполярные транзисторы Полевые транзисторы 78 Основное достоинство биполярных транзисторов – высокое быстродействие при достаточно больших токах коллектора. Наличие внешних теплоотводов позволяет работать биполярным транзисторам при мощности рассеяния до 50 Вт и токах до 10 А. Основной недостаток – относительно небольшое сопротивление входной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (1–10 кОм. Рассмотрим подробнее биполярные транзисторы. Различают четыре режима работы этих приборов – активный режим, в котором переход эмиттер – база включен в прямом направлении, а переход коллектор – база – в обратном – инверсный режим, в котором переход эмиттер – база включен в обратном направлении, а переход коллектор – база – в прямом – режим отсечки, в котором оба перехода включены в обратном направлении – режим насыщения, в котором оба перехода включены в прямом направлении. В схемах усилителей основным является активный режим работы биполярных транзисторов. Для усиления сигналов применяются три схемы включения биполярных транзисторов – с общей базой (ОБ) – риса с общим эмиттером (ОЭ) – рис. 54, б – с общим коллектором (ОК) – рис. 54, в. Название схемы включения транзистора совпадает с названием вывода, общего для входной и выходной цепей. Наиболее часто используются схемы с общим эмиттером. вх U вых U вх U вх U вых U вых U к I к I к I э I э I э I б I б I б I Рис. 54 ОБ ОЭ ОК а б в 79 I К, мА U КЭВ Б = 800 мкА 600 400 200 I Б 0 Рис. 56 Вольтамперные характеристики (ВАХ) биполярных транзисторов Рассмотрим ВАХ для схемы с общим эмиттером. Входная ВАХ – это зависимость между током и напряжением во входной цепи при постоянном напряжении коллектора U КЭ = const: КЭ Б БЭ const ( ) U I f Входная ВАХ практически не зависит от напряжения U КЭ рис. 55). Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора от напряжения U КЭ при постоянном входном сигнале Б = const) const кэ к Б I U f I Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне напряжения U КЭ (рис. 56). Характеристики биполярных транзисторов, а также диодов сильно зависят от температуры окружающей среды. Транзисторы являются полупроводниковыми усилительными приборами универсального назначения и широко применяются в различных типах усилителей, генераторов, в логических и измерительных устройствах. I Б, мкА U БЭ, В 0,2 0,4 0,6 800 400 0 кэВ Рис. 55 80 6.4. Полупроводниковые тиристоры Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями и тремя или более последовательно включенными p-n переходами. Наиболее распространена структура тиристора с четырьмя чередующимися слоями полупроводников и типов. Различают управляемые (триодные) и неуправляемые (диодные) тиристоры. Рассмотрим несколько подробнее триодный тиристор. Триодный тиристор называется управляемым. Он имеет три вывода анодный А, катодный К и вывод управляющего электрода УЭ, который подключается либо к ближайшей к катоду области, либо к ближайшей к аноду области (катодное и анодное управление. Тиристор может быть переключен из закрытого состояния вот- крытое и наоборот. Условное изображение управляемого тиристора и его вольт-амперные характеристики приведены на риса, б. Питающее напряжение подается на тиристор так, чтобы два перехода были открытыми, а один закрытым сопротивление закрытого перехода достаточно высокое, следовательно, ток тиристора пока мала б I пр U пр U вкл 2 U вкл 1 упр 2 > упр 1 Рис. 57 Несимметричный триодный тиристор 81 При повышении напряжения пр ток тиристора пр увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения. После этого происходит лавинообразное нарастание тока в переходе и напряжение на тиристоре снижается в соответствии ВАХ рис. 57, б). Такой пробой не вызывает разрушения перехода, сопротивление которого восстанавливается с уменьшением тока. Важным параметром тиристора является отпирающий ток напряжение) управления – ток управляющего электрода УЭ, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние. Для запирания тиристора необходимо уменьшить ток практически до нуля. Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие еще и выпрямительными свойствами, широко применяются в управляемых выпрямителях, преобразователях, инверторах, коммутационной аппаратуре. Номинальные значения токов у некоторых типов тиристоров в открытом состоянии достигают 5000 А, а номинальные значения напряжений в закрытом состоянии – до 5000 В. |