Гл2_06 (Старые лекции)

58Гл. 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГОУПРАВЛЕНИЯПрежде чем заняться изучением структурного построения САУ, повторим, илиизучим сначала, отдельные электронные компоненты, из которых строится системауправления. Только знание работы этих компонентов позволит нам усвоить правила построения систем и понять, из каких предпосылок она строится, постичь гармонию аппаратного и программного обеспечения САУ. Изучение начнем с самого нижнего уровняиерархии, с полупроводникового диода и закончим микроконтроллерами. При этом физику работы компонента будем изучать лишь на том уровне, чтобы понять формированиеего основных свойств.2.1.

Дискретные электронные компоненты САУОсновными электронными компонентами современных САУ являются интегральные схемы малой, большой и сверхбольшой степени интеграции (ИС, БИС, СБИС). Дискретные электронные компоненты применяют в основном на периферии, в линиях связи собъектом управления, в устройствах формирования требуемых энергетических потоков(электронных ключах) и, как вспомогательные элементы для подключения различных интегральных схем.А. Полупроводниковый диодОснову полупроводникового диода составляет p-n переход, пропускающий ток водном направлении и не пропускающий в другом. Диод – это двухвыводной прибор, еговольтамперная характеристика и обозначение на принципиальных электрических схемахпредставлены на рис. 2.1. Имеется две ветви вольтамперной характеристики, прямая, когда положительное напряжение подано на вывод,помеченный знаком «+» (на р-вывод p-n переходаVD1или анод) и обратная.+ПрямаяНа прямом участке зависимость представветвьляет из себя экспоненту и ток, начиная с некоторого значения Uд резко возрастает.

Это напряжение называют прямым падением или «пяточкой»диода, для кремниевых диодов оно составляетоколо 0,6…0,7 вольта. Оно существенно зависитот температуры перехода и падает примерно наUобр0,2 вольта при повышении температуры на 100-UUд +Uградусов. При чем , характеристика достаточноОбратнаялинейна. При такой высокой чувствительностиветвьдиод мог бы послужить отличным датчиком температуры и часто используется для этих целей.Рис. 2.1.Вся беда в нестабильности чувствительности. Вэкспоненциальной характеристике p-n перехода присутствует резистивная составляющая,обусловленная резистивным сопротивлением выводов и кремния.

Причем, температурныйкоэффициент сопротивления обычно положителен. Это приводит к разбросу чувствительности от прибора к прибору, поэтому диод в качестве температурного датчика долженбыть предварительно протаррирован.Стандартными характеристиками выпрямительных диодов, применяемых в САУявляется номинальное и предельное значение прямого тока диода Iпр, иногда в зависимости от температуры корпуса. Важным также является и предельное значение обратногонапряжения Uобр.Рябов Владимир Тимофеевич. Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru59У диодов Шоттки в основе переход металл-полупроводник.

Прямое падение напряжения на них ниже и составляет 0,25…0,4 В, однако диоды Шоттки отличаются меньшими предельными значениями обратного напряжения по сравнению с типовыми кремниевыми диодами.Применяют диоды, как элементы САУ очень широко. Прежде всего – диод, это выпрямитель переменного тока. На рис. 2.2. приведены наиболее типовые примеры применения диодов в качестве защиты от индуктивности нагрузки при ее включении и выключении (рис. 2.2а), для защиты линий связи вычислительного ядра САУ с элементами контроля и управления (рис. 2.2б), для автоматического подключения резервного питания(рис.

2.2в).Примерами индуктивныхнагрузокявляются все двигатели,К датчику+ Uн+ UнАэлектромагнитные клапаны, сиVD1ловые электромагниты и т.п. ПриRнVD1включении индуктивной нагруз+ UбХUА- +ки в ней появляется напряжениесамоиндукции, препятствующееVD2SAнарастанию тока, т.е. направленное против основного питания UнК вычислительному(рис. 2а). Таким образом, напряядрув)а)б)жение UА на выводе нагрузкиоказывается больше, чем номиРис. 2.2.нальное напряжение питания.Диод VD1 шунтирует это напряжение. При выключении питания ток через нагрузку падает. ЭДС самоиндукции, препятствуя падению тока, создает на выводе А нагрузки отрицательный потенциал UА.

ДиодVD2 отводит этот потенциал на землю.На рис. 2б) диод предохраняет от ошибок при коммутации витой пары, ведущей ккакому-либо датчику на объекте управления. Если неправильно скоммутировать разъемХ, диод не позволит протекать току датчика в противоположном направлении и, тем самым повредить какие-либо компоненты вычислительного ядра, куда поступает сигнал отдатчика, либо повредить датчик, если он питается от вычислительного ядра.На рис. 2.2в) диод VD1 автоматически подключит резервную батарею Uб, если внезапно пропадет основное номинальное питающее напряжение Uн (Uб+0,5…0,7В= Uн).На обратной ветви вольтамперной характеристики ток сначала очень мал и составляет доли микроампера.

Однако, при приближении к предельному обратному напряжению, которое называют напряжением пробоя он резко возрастает, и, если его не ограничить, прибор выйдет из строя. На обратной ветви вольтамперной характеристики работают полупроводниковые стабилитроны, используемые для получения стабильного опорного напряжения. Схема включения стабилитрона представлена на рис. 2.3.Стабилитрон характеризуется напряжением стабилизации Uст, номиналь+Uным током стабилизации Iн и рассеиваемой мощностью, которая равнапроизведению напряжения стабилизации на ток, протекающий через стабилитрон. Номинального тока стабилизации добиваются соответствуюRбщим выбором резистора Rб.

Ток, протекающий через этот резистор долUстжен обеспечивать падение напряжение на нем, равное разности +U и Uст,VDпри этом отбор тока с вывода Uст должен быть на порядок меньше токастабилизации.+U − U стI н ≅ I Rб =.RбРис. 2.3.Но с построением качественных источников опорного напряжения не всетак просто. Во первых, напряжение стабилизации зависит от тока, во-вторых, от темпераРябов Владимир Тимофеевич.

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»МГТУ им. Н. Э. Баумана, V_Ryabov@mail.ru60туры. Ток в обратной ветви вольтамперной характеристики и напряжение стабилизацииопределяется тремя факторами, током насыщения p-n перехода или его часто называютобратным током перехода, эффектом Зенера или зенеровским током и лавинным пробоем.Все процессы, определяемые этими факторами, очень существенно зависят от температуры. Так, доля напряжения стабилизации, определяемая эффектом Зенера, имеет отрицательный температурный коэффициент, т.е. отрицательно зависит от температуры, напряжение лавинного пробоя, наоборот, от температуры повышается.

Стабилитроны, имеющие напряжение стабилизации около шести вольт имеют минимальную температурнуюнестабильность. Если Вам потребуется стабильный источник опорного напряжения, рекомендую не использовать для этой цели стабилитрон, а воспользоваться специализированными компонентами – источниками опорного напряжения, если ток мал или интегральными трех – четырех выводными стабилизаторами. Еще лучше использовать интегральные компоненты САУ, не требующие внешних источников опорного напряжения.

Крометемпературной стабильности и согласованности и с помехами проблем будет меньше.Б. Биполярный транзисторДвойной p-n переход превратил диод из пассивного прибора в биполярный транзистор, усилитель тока. Типовая топология биполярногобэк1 2 3ккn+p p+ nтранзистора приведена наббрис. 2.4. На поверхностиnээкремниевой пластины 1сформирована n-область, являющаяся коллектором, наа)б)в)ней – р-область, являющаясяРис.

2.4.базой. Внутри базы полупроводник снова перелегирован в n-область. Это эмиттер транзистора. Пластина окислена (слой 2) и на окисел нанесены токопроводящие дорожки 3 (обычно алюминий) толщиной порядка микрометра. В зоне базы и коллектора для получения надежного омического контакта с алюминием полупроводник дополнительно подлегирован (области p+ иn+). На рис.

2.4б) приведено схемотехническое обозначение биполярного n-p-n транзистора, на рис. 2.4в) - p-n-p транзистора.При наличии на базово-эмиттерном переходе напряжения, открывающего этот переход, «неосновные» носители (заряды) поступают с эмиттера в область базы. Там они, восновном, не рекомбинируют с основными носителями базы, как в обычном диоде, авзаимодействуют с базово-коллекторным переходом. В области базы со стороны коллектора также присутствуют поступившие с коллектора носители, являющиеся для базы «неосновными».

Заряды с эмиттера, вливаясь в их число, частично сами переходят в коллектор, частично вытесняют поступившие с коллектора носители. Таким образом, возникаетток коллектора, отличающийся от тока эмиттера на число рекомбинирующих носителей,которые формируют базовый ток.Фактически, транзистор представляет из себя два встречно включенных диокда. Такое диодное представление n-p-n транзистора представлено на рис. 2.5.На коллектор подается положительный потенциал, на эмиттер – отрицательбный. Если базу подсоединить к коллектору – транзистор будет открыт, кэмиттеру – закрыт, никуда не подсоединять – обычно будет пробит – так простейшим образом можно описать работу биполярного транзистора.