Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

51

здесь Nm – мощность, выделяемая в нагрузке при подключении к сети либо источнику по-стоянного напряжения. Таким образом, аналоговое управление реализуется через выдачу дискретного управления в заданные периоды времени.

Свето и фотодиоды, фототранзисторы, оптопары. При определенных условиях энергия рекомбинации электронов и дырок в p-n переходе выделяется в виде света, а не теп-ла, как в обычных диодах. Для этих целей используются не монокристаллы кремния, а слож-ные композитные полупроводники на основе соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфо-ра (Р), индия (In), алюминия (Al) и других элементов.

Вольтамперная характеристика светодиода напоминает приведенную на рис2.1 харак-теристику кремниевого диода. Напряжение прямого падения составляет от 1,6В до 2,4В (мень-шие значения у красных светодиодов). Номинальный ток от нескольких миллиампер. Безинер-ционность и хорошая светоотдача обеспечили современным светодиодам широкое примене-ние в качестве различных индикаторов (начиная от простейших точечных и семисегментных символьных индикаторов и заканчивая цветными дисплеями).

Но основное применение этих приборов в САУ - оптронные развязки в линиях связи с объектом вычислительного ядра и плат УСО. При облучении p-n перехода светом в нем об-разуются пары носителей зарядов и вырабатывается ЭДС (вспомните солнечную батарею). Так устроен фотодиод. Если облучать базовую область транзистора, он может быть переве-ден в открытое состояние – это фототранзистор. Сочетание светодиода и какого либо фото-прибора называют оптопарой.

На рис.2.12 приведены различные типы оптопар. Диодная оптопара (рис.2.12, а) отли-чается наибольшим быстродействием, но выходной сигнал ее слаб и требует усиления для дальнейшего использования в качестве дискретного сигнала. Наибольшее распространение в качестве оптронных развязок получили транзисторные оптопары. На рис.2.12, б) приведена транзисторная оптопара без базового отвода. Типовыми параметрами тран-зисторной оптопары является ток за-жигания светодиода (около 10мА), предельное значение коллекторного напряжения и тока фототранзистора

(около 30В и 30мА) и значение темно-

вого тока фототранзистора, т.е. кол-

Рис.2.12. Типы оптопар: а) диодная; б) транзистор-

лекторного тока, когда светодиод вы-

ная без базового вывода; в) транзисторная с выво-

ключен. Для компенсации темнового

дом от базы фототранзистора; г) симисторная.

тока, когда его наличие критично,

применяют оптопары с выводом от ба-

зы фототранзистора (рис .2.12, в). Подключение базового вывода к земле дополнительно за-пирает фототранзистор и ограничивает темновой ток. Симисторные оптопары (рис.2.12, г) на выходе имеют фотосимистор.

В оптопарах источник и приемник сигнала гальванически развязаны и могут питаться разными уровнями напряжения. Типовое напряжение, которое способна выдержать изоляция между входными и выходными линиями оптопары составляет до 1.5 и более кВ. Кроме того, оптопара является хорошей защитой от помех, возникающих от внешних электромагнитных полей. Для зажигания светодиода требуется достаточно высокая мощность (несколько мил-ливатт) и не всякая помеха в состоянии обеспечить это. Кроме того, использование в качест-ве линий связи симметричных витых пар, приводит к взаимному уничтожению ЭДС, инду-цированных внешней электромагнитной волной (помехой).

Следует помнить, что светодиод, стоящий на входе оптопары является токовым при-бором, т.е. питается током, а не напряжением и требует при своем подключении к источнику напряжения балластного резистора (R1 на рис.2.7). Сопротивление этого резистора рассчи-тывается исходя из напряжения питания цепи U_П, падения напряжения на светодиоде U_СД и номинального тока светодиода I_СД:

52

_{R =} ^U П ^−UСД _.

Б

^IСД

Силовые приборы с оптронной развязкой широко используют в качестве перифе-

рийных компонентов САУ для управления энергетическими потоками. Явно выраженная тенденция интеграции электронных компонентов привела к созданию интегральных ключей на биполярных и униполярных транзисторах, IGBT-транзисторах. Это законченные ключи, схемотехнически аналогичные рассмотренным на рис.2.5 и 2.7, со встроенной защитой от индуктивности нагрузок.

Мощные симисторы с оптоизолированным входом, выключаемые снятием входного сигнала, получили название твердотельных реле и широко используются для коммутации нагрузок при частотах срабатывания ниже 1 кГц.

Контрольные вопросы.

Полупроводниковый диод и его характеристики. Диод Шоттки. Примеры применения.

Биполярные транзисторы. Составные биполярные транзисторы. Применение в САУ.

Полевые транзисторы. Применение в САУ.

IGBT транзисторы. Применение в САУ.

Тепловой пробой в биполярных транзисторах и равновесие в униполярных.

Тиристоры и симисторы. Применение в САУ.

Светодиод, назначение и типы оптопар.

2.2. Операционные усилители.

Операционный усилитель, это в настоящее время основной прибор для аналоговой обработки информации, как и в системах управления, так и во всех иных сферах.

Первый интегральный ОУ μА702, имевший рыночный успех, был разработан Р. Уид-ларом (США) в 1963 году. В настоящее время номенклатура ОУ насчитывает сотни наиме-нований. Операционные усилители выпускаются в малогабаритных корпусах и очень деше-вы, что способствует их массовому распространению. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключительно определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и отличается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме того, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ, реализация различных электронных схем на их основе оказывается значи-тельно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители почти полно-стью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих

областях аналоговой схемотехники.

О перационный усилитель (рис.2.13) имеет два входа, прямой (+in) и инверсный (-in) и выход (out). Кроме того, конечно, каждый усилитель имеет цепи питания. Питание ОУ бывает двуполярным (+Ucc, - Ucc) или однополярным (0, +Ucc). Цепи питания

Рис.2.13. Операционный усилитель: а) функциональная схема; б) схемотехническое обозначение.

обычно на схемах не показывают, чтобы не затруд-нять чтение схем. На рис.2.13, а) показано функцио-нальное обозначение, а на 2.13, б) – обозначение ОУ на принципиальных электрических схемах.

Идеальный операционный усилитель.

Для анализа существующих схем и разработки новых вводится понятие идеального ОУ, т.е. такого ОУ, параметры схемы на котором определяются только цепями обратных связей. Идеальный ОУ обладает:

1) бесконечно большим дифференциальным коэффициентом усиления по напряже-нию K_U= U_вых / (U+in – U-in) (у реальных ОУ от 10 тыс. до 100 млн.);

53

нулевым напряжением смещения нуля Uсм, т.е. при равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю (у реальных ОУ Uсм, приведенное ко входу, находится в пределах от 5 мкВ до 20 мВ);

нулевыми входными токами (у реальных ОУ от сотых долей пА до единиц мкА);

нулевым выходным сопротивлением (у реальных маломощных ОУ от десятков Ом до единиц кОм); под выходным сопротивлением здесь понимается отношение изменения вы-ходного напряжения к изменению выходного тока при изменении сопротивления нагрузки;

мгновенным откликом на изменение входных сигналов (у реальных ОУ время ус-тановления выходного напряжения от единиц наносекунд до сотен микросекунд).

Большинство современных ОУ могут считаться идеальными.

Основные правила расчета схем на идеальных ОУ.

1-е правило. Входные токи ОУ равны нулю.

2-е правило. На выходе ОУ устанавливает такое напряжение, чтобы напряжения на прямом и инверсном входах сравнялись.

Рассмотрим расчет схемы включения ОУ на примере инвертирующего усилителя (рис.2.14, а). Входной сигнал через резистор R1 поступает на инверсный вход. Туда же под-ключен сигнал отрицательной обратной связи, снимаемый с выхода через резистор R2. По-скольку на прямом входе нуль, согласно второму правилу, нуль должен быть и на инверсном

входе. Тогда, поскольку входной ток на инверс-ном входе (I-in) должен быть равен нулю. Со-гласно расчетной схеме рис.2.14, б), для узла на инверсном входе имеем:

.

I_R1 = I_{R 2} ; (0 −Uвх) R1 = (Uвых−0) R2.

Для выходного сигнала получим:

Uвых = −

R1

Uвх.

R1

Рис.2.14. Инвертирующий усилитель:

Поскольку выходной сигнал инвертиру-

а) схема включения; б) расчетная схема

Характеристики

Список файлов книги