ВСР. Внеаудиторная самостоятельная работа
 Скачать 1.26 Mb.
|
|
Тема 9.2 Полупроводниковые приборы Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия. Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки. В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники. Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение. Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов. На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы: Линейный резистор – удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах. Варистор – сопротивление зависит от приложенного напряжения. Терморезистор – сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает). Фоторезистор – сопротивление зависит от освещенности (излучения). Тензорезистор – сопротивление зависит от механических деформаций. Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода. Полупроводниковые диоды Это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, работа которого основана на свойствах p-n - перехода. Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор. Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод. Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду. Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U). Односторонняя проводимость диода видна из его ВАХ (рис. 1).  Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды. Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток. Транзистор – это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей. Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток – действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины. Тиристор – это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода. Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим. Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами. Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке. Самостоятельная работа №19 Тема 10.1 Электронные выпрямители и стабилизаторы Выпрямителем называется устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.  Обобщенная структурная схема выпрямителя Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом. Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов — транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вентильный блок. Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В. Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др. По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными. Они делятся: а) на однополупериодные, в которых ток через вентиль проходит в течение одного полупериода переменного напряжения сети; б) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих полупериодов; в) схемы с умножением напряжения. Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды. В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Изменение напряжения на нагрузке может быть вызвано рядом причин: колебаниями напряжения первичного источника питания (сети переменного напряжения, аккумулятора, гальванического элемента), изменением нагрузки, изменением температуры окружающей среды и др. По принципу работы стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. В свою очередь параметрические стабилизаторы бывают однокаскадными, многокаскадными и мостовыми. Компенсационные стабилизаторы могут быть с непрерывным или импульсным регулированием; и те и другие могут быть последовательного или параллельного типа. Параметрические стабилизаторы осуществляют стабилизацию напряжения за счет изменения параметров полупроводниковых приборов: стабилитронов, стабисторов, транзисторов и др. Изменяемым параметром полупроводниковых стабилизаторов напряжения является их сопротивление или проводимость. Компенсационные стабилизаторы представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования напряжения на нагрузке, выполненные на полупроводниковых приборах. Выходное напряжение в этих стабилизаторах поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, которое обычно создается одним из типов параметрических стабилизаторов. Компенсационные стабилизаторы содержат регулирующий элемент (обычно транзистор), который может включаться последовательно или параллельно нагрузке. Регулирующий элемент может работать в непрерывном или ключевом режимах. В импульсных стабилизаторах используется ключевой режим работы регулирующего элемента. В стабилизаторах с непрерывным регулированием регулирующий элемент работает в непрерывном режиме. По выходной мощности стабилизаторы можно разделить на маломощные (до 1Вт), средней мощности (до 250 Вт) и большой мощности (свыше 250 Вт). Маломощные стабилизаторы используются в измерительной технике, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях. Стабилизаторы средней мощности используются для питания маломощных электронных устройств. Мощные стабилизаторы применяют для питания лазерных установок, электронных микроскопов и др. По точности поддержания выходного напряжения на нагрузке стабилизаторы делят на прецизионные (изменение напряжения не более 0,005%), точные (изменение напряжения от 0,01 до 0,005%), средней точности (изменение напряжения от 0,1 до 0,01%) и низкой точности (изменение напряжения от 1 до 0,1%). В прецизионных стабилизаторах для получения наивысшей точности поддержания выходного напряжения используются специальные устройства, исключающие влияние изменения температуры окружающей среды (термостаты или криостаты). Самостоятельная работа №20 Тема 11.1 Типовые элементы систем автоматики Рассмотрим некоторые основные элементы, наиболее часто применяемые в автоматике, разделяя их по выполняемым функциям. 1. Датчики. В системах автоматики датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) – устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую на его вход в виде некоторой физической величины, функционально преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную для воздействия на последующие элементы (блоки). Большинство датчиков преобразуют неэлектрическую контролируемую величину х в электрическую (например, температура преобразуется при помощи термопары в электродвижущую силу (ЭДС); механическое перемещение, связанное с изменением положения якоря электромагнита, изменяет индуктивность его обмотки и т.д.). Поэтому датчики нередко называют первичными преобразователями. Датчики являются наиболее широко распространенными элементами любой системы автоматики. Условия работы датчиков, как правило, более тяжелые, чем у остальных элементов, т.к. они расположены непосредственно на объекте управления и подвергаются воздействию агрессивных сред, ударов, вибрации и т.п. В этих условиях к датчикам предъявляются жесткие требования по точности и стабильности преобразования. Основной характеристикой датчика является зависимость его выходной величины у от входной х, т.е. у =f(x). Классификация датчиков В зависимости от принципа действия датчики делятся на: параметрические (модуляторы); генераторные По виду входного сигнала различают датчики: уровня; давления; температуры; скорости и т.п. По виду входного сигнала датчики могут быть: аналоговыми; дискретными; линейными; нелинейными В зависимости от вида контролируемой неэлектрической величины: механические; тепловые; оптические и т.д. Параметрические (модуляторы) – это такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает изменение какого – либо параметра самого датчика (к ним относятся: контактные, реостатные, тензодатчики, потенциометрические, терморезисторы, емкостные, индуктивные, электронные, фоторезисторные и др.). Генераторными называются такие датчики, у которых изменение входной величины датчика вызывает генерацию (появление, создание) электрического сигнала на его выходе. Эти датчики не требуют вспомогательного источника энергии. К ним относят: термоэлектрические (термопары), индукционные, пъезоэлектрические, вентильные фотоэлементы. Аналоговые датчики – это такие датчики, у которых либо входной сигнал, либо сигнал на выходе, либо оба сигнала являются аналоговым. У дискретных датчиков оба сигнала, или хотя бы один сигнал на входе или на выходе является дискретным (импульсным, цифровым и т.п.) Линейные датчики – выходная величина изменяется пропорционально изменению входной величины. Нелинейные датчики – выходная величина изменяется нелинейно относительно изменению входной величины. Часто применяются электрические датчики с промежуточным преобразованием, т.е. механический датчик объединяют с электрическим. Преобразование контролируемой величины в таких датчиках происходит по схеме: измеряемая величина — механическое перемещение — электрическая величина. Элемент, преобразующий измеряемую величину в перемещение, называется первичным преобразователем или первичным измерителем (ПИ). Например, давление преобразуется в перемещение стрелки манометра ПИ, которое затем преобразуется в изменение активного сопротивления (проволочный, резистивный (или реостатный) датчики и др.). 2. Усилитель – элемент автоматики, осуществляющий количественное преобразование (чаще всего усиление) поступающей на его вход физической величины (тока, мощности, напряжения, давления и т.п.). Усилитель обязательно должен иметь дополнительный источник энергии. Основной характеристикой усилителя является зависимость y = f(x); при этом обычно стремятся к получению линейной или близкой к ней характеристики на рабочем участке. Величины на входе и выходе усилителя имеют одинаковую физическую природу. По принципу действия усилители разделяются на: электронные, полупроводниковые, магнитные, электромашинные, пневматические, гидравлические. 3. Стабилизатор – элемент автоматики, обеспечивающий постоянство выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных пределах. Эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров элементов, входящих в схему стабилизатора; при этом вид энергии на его входе и выходе должен быть один и тот же. В зависимости от вида стабилизируемой величины различают стабилизаторы напряжения и тока, обеспечивающие постоянство напряжения или тока в нагрузке при колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки. 4. Реле – элемент автоматики, в котором при достижении входной величины х определенного значения выходная величина у изменяется скачком. Зависимость у = f(x) реле неоднозначна и имеет форму петли. При изменении входной величины от 0 до х2 выходная величина у изменяется незначительно (или остается постоянной и равной у1). При достижении входной величины х значения х2, т.е. х = х2, выходная величина изменяется скачком от значения у1 до у2. Впоследствии при увеличении х выходная величина изменяется незначительно или остается постоянной (имеет установившееся значение). Когда входная величина уменьшается до значения х1 выходная величина сначала остается также неизменной и почти равной у2. В тот момент, когда х = х1 выходная величина скачком уменьшается до значения ух и сохраняется приблизительно неизменной при уменьшении х до нуля. Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = х2, называется величиной срабатывания (например, ток срабатывания, напряжение срабатывания для электрических реле). Скачкообразное изменение выходной величины у в момент, когда х = х1 называется величиной отпускания (ток отпускания, напряжение отпускания). Отношение величины хх к величине срабатывания х2 называется коэффициентом возврата, т.е. Kв = х1/х2. Так как обычно х1 < х2, то Kв < 1. Существуют различные типы реле, но основными являются электромеханические реле (электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические и др.), в которых изменение входной электрической величины вызывает замыкание или размыкание контактов. Бывают бесконтактные магнитные реле и бесконтактные реле электронного типа. 5. Распределитель (шаговый искатель) – элемент автоматики, осуществляющий поочередное подключение одной величины к ряду цепей. При этом подключаемые цепи обычно электрические. Распределители используются при необходимости управления несколькими объектами от одного и того же управляющего органа и по способу передачи импульсов в управляемые цепи делятся на электромеханические (контактные), электронные и ионные (бесконтактные). 6. Исполнительные устройства – электромагниты с втяжным и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также электродвигатели, относящиеся к электромеханическим исполнительным элементам автоматических устройств. Электромагниты преобразуют электрический сигнал в механическое движение; их применяют для перемещения рабочих органов, например, клапанов, вентилей, золотников и т. п. Электромагнитные муфты используются в электроприводах и устройствах управления для быстрого включения и выключения приводимого механизма, а также для его реверса, т.е. изменения направления движения управляемого устройства. В некоторых случаях электромагнитные муфты применяют для регулирования скорости и ограничения передаваемого момента. Электродвигатель – это устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии в механическую и преодолевающее при этом значительное механическое сопротивление со стороны перемещаемых устройств. Одним из главных требований, предъявляемых к электродвигателям, является их способность развивать требуемую механическую мощность. Кроме того, электродвигатель должен обеспечивать реверс, а также движение объекта с заданными скоростями и ускорениями. |