Учебнометодический комплекс дисциплины преподавателя по дисциплине Средства электроавтоматики (код и наименование дисциплины) для студентов специальности
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Тема 4 Технические средства управления электроавтоматики План лекции 1. Пассивные элементы 2. Полупроводниковые приборы – диоды, тиристоры, транзисторы 3. Выпрямители. Стабилизаторы постоянного и переменного напряжения. Электрические усилители 4. Микросхемы и принципы их построения 5. Общая характеристика аналоговых интегральных микросхем. Операционные усилители. Компараторы 6. Основные понятия цифровой техники. Основные логические операции и элементы. Общая характеристика цифровых интегральных микросхем 1. К наиболее простым по выполняемым функциям элементам электронных устройств автоматики относят резисторы, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, коммутирующие устройства. Каждый из элементов характеризуется определенными количественными показателями, которые называются функциональными параметрами. Значения функциональных параметров, предусмотренные техническими условиями на данный элемент, называются номинальными или просто номиналами. Допустимые отклонения от номиналов зависят от класса точности деталей. Цена однотипных деталей различного класса точности может отличаться на 50 % и более. Электронные элементы обеспечивают нормальное функционирование аппаратуры при соблюдении определенных условий их эксплуатации, т. е. определенного рабочего режима. Режим может определять допустимые рабочие температуры, токи, напряжения, выделяемую мощность и т. д. Согласно ГОСТ 16962-71 влияние на элементы внешней среды (температуры, влажности, пыли, радиоактивного облучения) оцениваются двумя показателями: прочностью (способностью элементов выдерживать без существенного изменения их параметров длительные механические нагрузки) и устойчивостью (способностью элементов сохранять параметры в условиях климатических воздействий и после них). Устойчивость того или иного функционального параметра к изменениям температуры оценивается температурным коэффициентом 2 1 2 1 1 - ТКФ = (t - t ) ϕ ϕ ϕ , где 1 ϕ и 2 ϕ — значения параметра при температурах 1 t и 2 t . Резисторы предназначены для образования на участке электрической цепи определенного активного сопротивления. Резисторы подразделяются на постоянные и переменные. По используемому резистивному материалу различают проволочные и непроволочные резисторы (пленочные и объемные). Основными параметрами резисторов являются: номинальное значение сопротивления; допустимые отклонения сопротивления от номинала; номинальная мощность рассеивания; температурный коэффициент сопротивления (обычно указывается среднее значение этого коэффициента для определенного диапазона температур t 1 —t 2 ); частотный диапазон (этот параметр ограничен в связи с тем, что на высоких частотах приходится считаться с наличием собственной емкости и индуктивности резистора); коэффициент собственных шумов, под которым понимается отношение ЭДС шумов, возникающей в резисторе при подведении к нему постоянного напряжения 1 В. По особенностям применения постоянные резисторы можно разделить на четыре группы: А. Резисторы общего применения (выпускаются в номиналах от 10 Ом до 10 МОм с допустимым отклонением от номинала 5, 10 и 20 % при номинальной мощности рассеивания от 0,125 до 2 Вт); к этой же группе принадлежат высокоомные резисторы (номиналы от 10 МОм до 10 ТОм). В. Высокостабильные резисторы (выпускаются в номиналах 0,1 Ом— 1 МОм при допустимом отклонении от номинала 2—0,05 %). С. Мощные резисторы (выпускаются на допустимые мощности рас- сеивания до сотен ватт при напряжении до 100 кВ). D . Ультравысокочастотные резисторы (выпускаются в номиналах до 1 кОм при допустимой мощности рассеивания до 100 Вт и пренебрежимо малых емкости н индуктивности). Переменные резисторы выпускаются с различным характером функциональной зависимости значения сопротивления от угла поворота движка а относительно его исходного положения. В резисторах типа А эта зависимость является линейной. Такие резисторы служат для регулировки режимов в различных цепях. В резисторах типа Б, применяемых в регуляторах громкости, эта зависимость подчинена логарифмическому закону, что соответствует физиологическому свойству человеческого уха воспринимать увеличение громкости звука пропорционально логарифму увеличения его силы. В резисторах типа В значение сопротивления при повороте движка изменяется по обратному логарифмическому закону. Эти резисторы использу- ются в качестве регуляторов тембра звука. Электрические конденсаторы предназначены для образования на участке электрической цепи определенной емкости. Конденсаторы, емкость которых не зависит от значения приложенного напряжения, называются линейными. Емкость нелинейных конденсаторов, например, варикапов, зависит от значения приложенного напряжения. Линейные конденсаторы подразделяются на конденсаторы постоянной емкости (С = const) и конденсаторы переменной емкости, в которых значение емкости при повороте подвижных пластин (ротора) изменяется в определенных пределах. Кроме емкости, конденсаторы характеризуются еще рядом параметров: 1. Сопротивление изоляции. Ввиду несовершенства изоляции активное сопротивление конденсатора не бесконечно. Поэтому через него протекает ток, который называется током утечки. Если конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, то сопротивление изоляции можно определить по формуле R из = U/I ут , где U — напряжение источника; I ут — ток утечки. Произведение сопротивления изоляции на емкость конденсатора называется постоянной времени конденсатора: из ф= R C . Постоянная времени измеряется в секундах и характеризует скорость саморазряда конденсатора. За время τ напряжение на обкладках отключенного от источника конденсатора уменьшается в 2,72 раза (2,72—приближенное значение числа е). В различных конденсаторах значение τ бывает очень разным (от 20 до 5000 с), а в некоторых типах (например, в конденсаторах с диэлектриком из полистирола или из фторопласта) достигает 10 суток. 2. Максимальное напряжение. Во избежание электрического пробоя напряжение, подводимое к конденсатору, должно быть ограничено. Напряже- ние, при котором в течение 1-5 с возникает пробой конденсатора, называется пробивным. Рабочее напряжение, т.е. максимальное напряжение, под которым конденсатор может работать в течение всего срока службы, выбирается в три — десять раз меньшим, чем пробивное. Иногда в паспорте указывают также испытательное напряжение, под которым понимается напряжение, выдерживаемое конденсатором в течение установленного для него времени (от 5 до 60 с). 3. Добротность. Поскольку сопротивление диэлектрика между обкладками конденсатора не бесконечно, при работе конденсатора в цепи переменного тока на нем выделяется не только реактивная мощность Q=U 2 /X c , но и активная мощность Р=U 2 /R из . Резистор R из соответствует сопротивлению изоляции. Отношение реактивной мощности Р р к мощности потерь Р п называется добротностью конденсатора Q; следовательно, Q =Р р /Р п Если действующее значение напряжения равно U, то 2 c из 2 из U /X Q = = щCR U /R , где щ — круговая частота. Добротность современных высококачественных конденсаторов в рабочем диапазоне частот составляет 1 ч 10 3 . Величина, обратная добротности, называется тангенсом угла потерь (tg д = 1/Q). 4.Температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Значение ТКЕ для разных типов конденсаторов существенно разное. Некоторые типы конденсаторов имеют отрицательный ТКЕ. 5. Частотный диапазон (ограничен собственной индуктивностью конденсатора). Конденсаторы постоянной емкости (их называют также постоянными конденсаторами) классифицируются обычно по виду используемого диэлектрика. Керамические конденсаторы выпускаются с различными видами керамического диэлектрика: высокочастотная керамика имеет малые потери (tg д ≈ 6 ⋅ 10 -4 при частоте 1 МГц), низкочастотная — значительно большие потери (tg д ≈ 2 ⋅ 10 -2 при частоте 1 кГц). Номинальные емкости керамических конденсаторов от 1 пФ до 2,2 мкФ, предельная рабочая частота 10 МГц. ТКЕ керамических конденсаторов лежит в пределах от 1,2⋅10 -6 до 2,2⋅10 -4 °С -1 Рабочее напряжение до 500 В. Керамические конденсаторы с различными ТКЕ широко применяются в качестве высокостабильиых, компенсационных, контурных, блокировочных, разделительных и других элементов. Слюдяные конденсаторы обладают рядом ценных качеств, но относительно дороги. Они выпускаются в номиналах от 10 пФ до 1 мкФ и имеют очень малые потери (tgд<0,0015 при частоте 1 МГц) и ТКЕ (в лучших образцах =0,5 ⋅10 -4 °С -1 ). Предельная рабочая частота 10 МГц. Рабочее напряжение до 1500 В. Слюдяные конденсаторы применяются в качестве контурных элементов, а также в различной измерительной аппаратуре. Стеклянные и стеклокерамические конденсаторы выпускаются в номиналах 10—15 000 пФ. Они имеют tgд ≈ 2⋅10 -3 , максимальное рабочее напряжение 500 В. Бумажные конденсаторы выпускаются в номиналах от 50 пФ до 30 мкФ при рабочих напряжениях до 40 кВ, однако у них большие потери и ТКЕ. Бумажные конденсаторы используются как разделительные и блокировочные, а также в электрических фильтрах. В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используются тонкие пленки из высокомолекулярных соединений — полимеров (полистирол, фторопласт, лавсан и др.). Конденсаторы с полистироло-.вым и фторопластовым диэлектриками выпускаются в номиналах 100 пФ—10 мкФ, они имеют малые потери на высоких частотах (tgд<<10 -3 ), однако допустимая рабочая температура полистироловых конденсаторов ограничена + 40 °С. Конденсаторы с лавсановым диэлектриком выпускаются емкостью до 100 мкФ, в остальном они подобны полистироловым конденсаторам. Рабочее напряжение некоторых типов пленочных конденсаторов достигает 15000 В. В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используется тонкий слой окиси металла (оксид), нанесенный на металл путем электролиза. Благодаря малой толщине и высокой диэлектрической проницаемости слоя удается получать большие емкости при относительно малых размерах конденсатора. Особенностью этих конденсаторов является необходимость строгого соблюдения полярности при включении. Обкладки электролитических конденсаторов изготовляются из алюминия, тантала и ниобия. Алюминиевые электролитические конденсаторы выпускаются в номиналах до 5000 мкФ на рабочее напряжение до 600 В. Потери в них относительно велики (tg д = 0,1 ч 0,2), диапазон рабочих температур от -60 до +70°С. Электролитические конденсаторы с использованием тантала могут работать при очень низких температурах (до -80°С). Электролитические конденсаторы используются в фильтрах и искрогасящих цепях, а также в ка- честве блокировочных. Конденсаторы переменной емкости подразделяются по конструкции на переменные и подстроечные. Переменные конденсаторы выпускаются с различной формой под- вижных пластин, что позволяет получать различную зависимость емкости от угла поворота ротора [С = f (а)]. Потери в переменных конденсаторах очень малы (tgд = 0,1 ч 10 -4 ), ТКЕ < 2⋅10 -4 °С -1 . Рабочее напряжение переменных конденсаторов различного назначения составляет от десятков вольт до нескольких киловольт. Подстроечные конденсаторы изготавливаются главным образом на керамической основе. Они рассчитаны на рабочее напряжение до 500 В и имеют ТКЕ — (2ч 7)⋅10 -4 °С -1 . Подстроечные конденсаторы выпускаются с пределами изменения емкости, начиная от 2 до 7 пФ и кончая 350—450 пФ. Катушки индуктивности предназначены для образования на участке электрической цепи определенного значения индуктивности. Они изготовляются с обмоткой из одного или нескольких слоев провода, намотанной на каркас из изолирующего материала. В зависимости от требований, предъявляемых к катушкам, по конструкции они бывают с магнитным сердечником и без него. Конструктивные особенности катушек индуктивности во многом зависят от их конкретного назначения. Основными типами катушек индуктивности являются: 1. Контурные, т. е. катушки, входящие в состав колебательных контуров генераторов, резонансных усилителей и других узлов аппаратуры, содержащих колебательные системы. 2. Дроссели, т. е. катушки, обладающие большим индуктивным сопротивлением на частотах выше определенного значения. 3. Фильтровые, т. е. входящие в состав электрических фильтров. 4. Катушки связи, предназначенные для передачи электромагнитной энергии из одних электрических цепей в другие. Основной параметр катушки — ее индуктивность. Значение ин- дуктивности (мкГн) однослойной катушки можно определить по формуле 2 2 L = k 0, 01D щ м/l ⋅ , где D — диаметр катушки, см; щ — число витков; м — магнитная проницаемость сердечника (при его отсутствии м = 1); l — длина намотки, см; k — коэффициент, зависящий от соотношения между длиной намотки и диаметром катушки (k ≈ 1 при l/D ≥ 10). Индуктивность многослойной катушки можно приближенно найти, подставив в формулу средний диаметр намотки катушки. Как видно из формулы, наиболее удобным способом изменения индуктивности катушки является изменение числа ее витков или введение магнитного сердечника. Сердечники для работы на низких частотах (до 5 кГц) изготавливаются из металлических магнитных материалов. На более высоких частотах для уменьшения потерь на вихревые токи используются магнитодиэлектрики — материалы, полученные путем прессования порошка из ферромагнетика на изолирующей связке. Такие материалы наряду с высокой магнитной проницаемостью имеют большое удельное сопротивление. Большую магнитную проницаемость в сочетании с высоким удельным сопротивлением имеют также и ферриты — материалы, состоящие из двуокиси железа, в кристаллической решетке которой один из атомов железа заменен двухвалентным металлом (никель, марганец, цинк и др.). Недостатком большинства ферритов является сильная зависимость их магнитных свойств от температуры. Для уменьшения наружной магнитной связи между катушкой ин- дуктивности и другими близко расположенными элементами схемы катушки устанавливают в экранах, изготовленных из алюминия, меди или латуни. Возникающие в экране вихревые токи создают магнитное поле, уменьшающее взаимную индукцию между катушкой и соседними деталями. Помимо индуктивности, катушки характеризуются еще рядом пара- метров. 1. Частотный диапазон. Этот параметр ограничен наличием собственной емкости катушки. Для работы на высоких частотах собственная емкость должна быть очень малой. Уменьшение емкости достигается применением однослойных обмоток, увеличением расстояния между соседними витками и рядом других конструктивных мер. Следует иметь в виду, что магнитные сердечники, а также экраны увеличивают собственную емкость катушек. 2. Добротность. Этот параметр характеризует активные потери в катушке и определяется как отношение реактивного сопротивления к активному: Q = щL/R. Увеличение добротности катушек достигается: а) увеличением диаметра намотки (при этом индуктивность возраcтает значительно быстрее, чем сопротивление); б) применением провода, состоящего из множества изолированных жил (литцендрат). В таком проводе гораздо меньше проявляется по- верхностный эффект — увеличение активного сопротивления с ростом частоты; в) уменьшением активных потерь в сердечнике и каркасе за счет применения высококачественных материалов. Практически добротность катушек составляет 50—400, а при использовании сердечников из ферритов — 1000 и более. 3. Температурный коэффициент индуктивности. Для однослойных катушек он лежит в пределах 1 ч 3 ⋅ 10 -5 °С -1 , для многослойных катушек — 15 ч 30 ⋅ 10 -5 °С -1 Катушки для конкретных образцов аппаратуры рассчитывают в соответствии с их схемными данными. При этом используются типовые конструкции каркасов, обмоток и сердечников. Для малогабаритных унифицированных катушек имеется стандар- тизованная шкала номиналов. Так, например, для катушек с броневыми сердечниками из карбонильного железа предусмотрены номиналы от 0,15 до 4000 мкГн. Катушки, конструкция которых позволяет плавно изменять ин- дуктивность, называются вариометрами. Вариометр характеризуется минимальным и максимальным значениями индуктивности. Отношение L max /L min называется коэффициентом перекрытия индуктивности: k L =L max /L min На рис. 1 показаны различные типы вариометров. В вариометре с переменным числом витков (рис. 1, а) переход от L max к L min достигается путем короткого замыкания части витков с помощью скользящего контакта. Такие вариометры имеют k L =10 ч 12. В вариометре со взаимной индукцией (рис. 1, б) имеется две катушки, обмотки которых могут соединяться последовательно или параллельно. Изменение индуктивности происходит за счет поворота, подвижной катушки внутри неподвижной, а также за счет изменения способа соединения обмоток. Для вариометров этого типа k L = 18 ч 20. Наибольший коэффициент перекрытия индуктивности (k L = 25 ч 30) имеют вариометры с подвижным сердечником (рис. 1, в) Рисунок 1 – Различные типы вариометров На частотах выше 70 МГц применяются вариометры с немагнитными сердечниками, в которых изменение индуктивности происходит за счет размагничивающего действия вихревых токов, наводимых в сердечнике. Такие вариометры являются высокостабильными, но имеют небольшой коэффициент перекрытия индуктивности (k L <1,3). В современных цифровых устройствах широко используются катушки, имеющие ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (сердечники с ППГ), о которых подробнее будет сказано ниже. 2. Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор, содержащий один р-n переход. Как правило, области прибора с р- и n- проводимостями имеют неодинаковые концентрации основных носителей. Область с более высокой концентрацией называется эмиттером, с более низкой – базой. В настоящее время используются два основных типа диодов: точечный (рис. 2) и плоскостной (рис. 3). Рисунок 2 – Конструкция точечного полупроводникового диода: 1,3 – металлические торцы; 2 – керамическая трубка; 4 – проволочный вывод; 5 – кристалодержатель; 6 – кристалл германия; 7 – вольфрамовая проволка В точечном диоде к кристаллическому полупроводнику 6 с одним типом проводимости вплавляется конец вольфрамовой проволоки 7, на которую нанесен слой акцептора (если кристалл имеет n-проводимость) или донора (в случае р-проводимости). В процессе приплавки атомы примеси с поверхности проволоки диффундируют в кристалл, и в нем образуется р—n переход. В плоскостных диодах р—n переход образуется путем наплавки кусочка индия 8 на германиевый или кремниевый кристалл 9 с n- проводимостью. Детали конструкций ясны из рисунков. При малых значениях напряжения (как обратного, так и прямого) сопротивление диода R = Д U/ Д I велико (ток нарастает полого). Когда значение прямого напряжения больше потенциального барьера, ток нарастает круто и почти по прямой; сопротивление диода резко падает и, достигнув некоторого значения R o остается неизменным. Точечные диоды благодаря малой площади р—n перехода имеют очень малую емкость и поэтому широко применяются в высокочастотных схемах детектирования и преобразования сигналов, а также в различных измерительных и логических схемах. Рисунок 3 – Конструкция плоскостного полупроводникового диода: 1,6 – проволочные выводы; 2 – кристалодержатель; 3 – корпус; 4 – токосниматель; 5 – проходной изолятор; 7 – втулка; 8 – кристалл индия; 9 – кристалл германия; 10 – подложка Основными параметрами, характеризующими точечные диоды, являются: а) прямой ток, соответствующий указанному напряжению (обычно 1-2 В); б) допустимая амплитуда обратного напряжения; в) минимальное пробивное напряжение; г) обратный ток, соответствующий указанному обратному напряжению; д) проходная емкость. Плоскостные диоды используются главным образом в выпрямителях, а также в различных схемах, работающих в диапазоне низких частот. Основными параметрами этих диодов являются: а) максимально допустимое значение обратного напряжения; б) обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении; в) среднее значение выпрямленного тока; г) падение напряжения при прохождении прямого тока. Все указанные величины приводятся для различных рабочих температур. |