Учебный Центр Your Company
Курс:  Электротехника
28 ноября 2006 18:40  CDExportPublisher  
Содержание
Перейти на предыдущую страницу Урок 10.1 Основы промышленой электроники
( Занятие 19 из 19 )

Общие сведения 

Промышленная электроника – наука о применении электронных приборов и устройств в промышленности.

В промышленной электронике можно выделить три области:

- информационную электронику (ИЭ);

- энергетическую электронику (ЭЭ);

- электронную технологию (ЭТ).

 

Информационная электроника является основой электронно-вычислительной, информационно-измерительной техники и автоматизации производства.

Энергетическая электроника является основой устройств и систем преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и др.

Электронная технология включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанные на действии электрического тока и электромагнитных волн различной длины (высокочастотный нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т.д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка, сварка и т.д.).

Главные свойства электронных устройств (ЭУ):

- высокая чувствительность;

- быстродействие;

- универсальность.

 

Чувствительность электронных устройств – это абсолютное значение входной величины, при котором электронное устройство начинает работать. Чувствительность современных электронных устройств составляет 10-17А по току, 10-13 В по напряжению, 10-24 Вт по мощности .

Быстродействие электронных устройств обусловливает их широкое применение в автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающими долей микросекунды.

Универсальность заключается в том, что в электронных устройствах используется электрическая энергия, которая сравнительно легко получается из различных видов энергии и легко преобразуется в другие виды энергии, что очень важно, т.к. в промышленности используются все виды энергии.

В настоящее время широкое применение в промышленной электронике находят полупроводниковые приборы, т.к. они имеют важные достоинства:

- высокий КПД;

- долговечность;

надежность;

- малые масса и габариты.

 

Одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия являлись интегральная микроэлектроника.

В последние годы широкое применение получили полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС).

Микросхема – микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные провода изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводника и имеют общую герметическую оболочку.

В больших интегральных схемах (БИС) количество элементов (резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов и т.д.) достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2…3 мкм. Быстродействие БИС привело к созданию микропроцессоров и микрокомпьютеров.

В последнее время широкое развитие получил новый раздел науки и техники – оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения в различных средах.

Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления противоречия между интегральной полупроводниковой электроникой и традиционными электрорадиокомпонентами (резисторы переменные, кабели, разъемы, ЭЛТ, лампы накаливания и т.д.).

Преимуществом оптоэлектроники являются неисчерпаемые возможности повышения рабочих частот и использование принципа параллельной обработки информации.


 

Следующий кадр







Полупроводниковые диоды 

Полупроводниковый диод (ПД) – прибор с одним p-n  переходом и двумя выводами.

Он хорошо пропускает ток одного направления и плохо пропускает ток противоположного направления.

Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полупроводникового диода называются прямыми Iпр и обратными токами Iобр, прямыми Uпр и обратными Uобр напряжениями.

На рисунке 8.1 приведено условное изображение полупроводникового диода в схемах электрических цепей и его идеализированная вольтам-перная характеристика (ВАХ).

Прямой ток Iпр в ПД направлен от одного вывода (анода) к другому (катоду).

 

Анализ ВАХ ПД позволяет сделать вывод, что ПД – нелинейный элемент и сопротивление его зависит от величины и направления тока.

Так прямое сопротивление ПД составляет обычно не выше нескольких десятков Ом, а обратное сопротивление не ниже нескольких сотен кОм.

Вольтамперная характеристика ПД имеет ярко выраженные три участка, которые называются прямой (I), обратной (II) ветвями и ветвью стабилизации (III).

Полупроводниковые диоды, у которых рабочим участком является участок стабилизации III, называются стабилитронами. Они имеют значительное обратное сопротивление и применяются в схемах стабилизации

                                                           

Рисунок 8.1 – Вольтамперная характеристика ПД и его условное обозначение.

 

 

Следующий кадр







Выпрямители на полупроводниковых диодах 

Наиболее часто источники постоянного напряжения получают путем преобразования синусоидального (переменного) напряжения в постоянное напряжение.

Устройства, осуществляющие такое преобразование, называются выпрямителями.

В большинстве случаев для выпрямления переменного напряжения применяются выпрямители на ПД, поскольку они хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Простейшая схема выпрямителя показана на рисунке 8.2,а.

В ней последовательно соединены источник переменной ЭДС (е), диод Д и нагрузочный резистор Rн. Эта схема называется однополупериодной. Часто ее называют однофазной однотактной, т.к. источник переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него в одном направлении один раз за период (один такт за период).

В качестве источника синусоидальной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть (рисунок 8.2,б).

                         

                                                             Рисунок 8.2 – Схемы выпрямителей на ПД

Графики на рисунке 8.3 иллюстрируют процессы в выпрямителе. ЭДС генератора изображена синусоидой с амплитудой Em (рисунок 8.3,а).

В течение положительного полупериода ЭДС e напряжение для диода является прямым, сопротивление его мало, и проходит ток i, создающий на резисторе Rн падение напряжения uR=uвых .

В течение следующего полупериода напряжение является обратным, тока практически нет из-за большого сопротивления диода (RД>>Rн) и uR=uвых=0.

Таким образом, через диод Д, нагрузочный резистор Rн и генератор проходит пульсирующий ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода. Этот ток называют выпрямленным током.

Он создает на резисторе Rн пульсирующее выпрямленное напряжение, полярность которого: со стороны катода получается плюс, а со стороны анода – минус.

                                       

             Рисунок 8.3 – Графики напряжений выпрямителя, поясняющие его работу

Полезной частью выпрямленного напряжения является его постоянная составляющая, или среднее значение, Uср, которое равно

                                         

Вычитая из пульсирующего напряжения его среднее значение, получим переменную составляющую , которая имеет несинусоидальную форму. Для нее нулевой осью является прямая линия, изображающая постоянную составляющую. Полуволны переменной составляющей заштрихованы (рисунок 8.3,б). Переменная составляющая является «вредной» частью выпрямленного напряжения. Для ее уменьшения в нагрузочном резисторе и в выходном напряжении, т.е. для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры (СФ). Простейшим СФ является конденсатор большой емкости, через который ответвляется переменная составляющая тока, чтобы возможно меньшая часть ее проходила в нагрузку.

Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость Сф такова, что выполняется условие:

                                                                                                

При наличии конденсатора большой емкости Uср приближается к Um и может быть равным (0,8-0,95)Um и даже выше.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для питания высокоомных нагрузочных устройств малой мощности (электронно-лучевых трубок и др.) допускающих повышенную пульсацию.

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рисунок 8.4).

Он состоит из трансформатора Тр и четырех диодов Д1,Д2,Д3,Д4, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется обмотка , а к другой – нагрузочный резистор Rн . Каждая пара диодов Д1,Д3  Д2,Д4 работает поочередно.

Рисунок 8.4 – Схема (а) и временные диаграммы напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя

 Диоды Д1,Д3 открыты в I полупериод напряжения U2  когда потенциал точки a выше потенциала точки b.

В следующий полупериод напряжения U2  потенциал точки b выше потенциала точки a, диоды Д2,Д4 открыты, а диоды Д1,Д3 закрыты.

В оба полупериода, как видно из рисунка 8.4 ток через нагрузочный резистор Rн  имеет одно и то же направление.

Выражения для средних значений выпрямленных напряжения и тока имеют  вид

                                                                                  

Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивлений Rн мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества:

- средние значения выпрямленных тока и напряжения в два раза больше;

- пульсации значительно меньше;

 - частота пульсаций в два раза выше, что уменьшает габариты фильтра.


 

 


 

 

 

 

 

 

 

Следующий кадр







Общие сведения о транзисторах 


Транзисторы (Т) – полупроводниковые приборы, служащие для усиления мощности электрических сигналов. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые (униполярные).

                                          

Рисунок 8.5 – Структура биполярного транзистора типов p-n-p(а), n-p-n−− (б) и их условное обозначение.

 

Биполярный транзистор (БТ) – представляет собой трехслойную структуру (рисунок 8.5) В зависимости от способа чередования слоев БТ

называются транзисторами типа p- n-p  или типа n-p-n (рисунок 8.5,а, б).   

Транзистор называется биполярным, если физические процессы в нем связаны с движением носителей обоих знаков (свободных электронов и дырок).

 В биполярном транзисторе средний слой называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет свой вывод, с помощью которых биполярный транзистор подключается в цепь.

Структура и условное обозначение одного из видов полевых транзисторов показана на рисунке 8.6. У полевых транзисторов так же, как и у биполярных – три электрода, называемые истоком, стоком и затвором.

Истоком (И) называется электрод, из которого в центральную область ПТ (канал) входят основные носители заряда или np-типов.

Сток (С) – электрод, через который основные носители уходят из канала.

Затвор (З) – электрод, управляющий потоком носителей заряда.

Поскольку в полевом транзисторе ток определяется движением носителей только одного знака p или n-типов, эти транзисторы называют также униполярными.

                                   

                     Рисунок 8.6 – Структура (а) и условное обозначение полевого транзистора с каналом p-типа.

 

 

 

 

Следующий кадр







Усилители на транзисторах 

Усиление электрических сигналов необходимо при приеме радиосигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, при измерении электрических и неэлектрических величин и т.д.

Простейшим усилителем является усилительный каскад (рисунок 8.7), содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электрической энергии E.

Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение Uвх (усиливаемый сигнал) и выходную цепь, с которой снимается выходное напряжение Uвых (усиленный сигнал).


Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по сравнению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления управляемого элемента, а, следовательно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока.

                                             

Рисунок 8.7 – Структурная схема усилительного каскада  

Выходное напряжение снимается с управляемого элемента или резистора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной ЭДС E в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, задаваемому входным сигналом.

Основными параметрами усилительного каскада являются:

- коэффициент усиления по напряжению Ku=Uвых/Uвх;

- коэффициент усиления по току Кi=Iвых/Iвх;

- коэффициент усиления по мощности Kp=Pвых/Pвх=Ku*Ki

Усилительный каскад имеет коэффициент усиления по напряжению Ku, равный нескольким десяткам. Для получения больших значений , достигающих многих тысяч и более, используют многокаскадные усилители, в которых каждый последующий каскад подсоединен к выходу предыдущего (рисунок 8.8).

                          

                                      Рисунок 8.8 – Структурная схема многокаскадного усилителя 

                            Ku=Uвыхn/Uвх112*…Кn

где – K1,K2,…Kn коэффициенты усиления первого, второго и n-го каскадов.