АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ

Развитие электроники и микроэлектроники идет по пути создания интегрированных элементов и устройств, что привело к созданию интегральных схем (ИС) и устройств управления на их основе. Интегральными называются микросхемы, элементы которых: транзисторы, диоды, резисторы и др. — неразрывно соединены электрически, конструктивно и технологически. Количество элементов в современных ИС может достигать нескольких тысяч и более на одном полупроводниковом кристалле, а сами ИС могут содержать один или более таких кристаллов.

Интегральные схемы классифицируются по нескольким признакам: виду электрических сигналов (аналоговые и цифровые), функциональному назначению, степени интеграции, быстродействию, потребляемой мощности и др. Отдельную группу полупроводниковых устройств образуют оптоэлектронные приборы.

Оптоэлектронные приборы являются приборами, чувствительными к электромагнитному излучению в спектральном диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового, или излучают электромагнитную энергию в том же диапазоне. Оптоэлектронные приборы широко используются для передачи, обработки и отображения информации, а также в различных устройствах при необходимости гальванической развязки между электрическими цепями, например между схемой управления и силовой частью силового преобразователя электроэнергии. Применение находят следующие виды оптоэлектронных приборов.

  • 1. Светоизлучающий диод (СИД) — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию светового излучения. Они в основном применяются для индикации готовности электротехнических устройств к работе, сигнализации о наличии на нем напряжения, аварийных ситуаций и других состояний различных объектов.
  • 2. Инфракрасный излучающий диод (ИК-диод) — это полупроводниковый диод, который при протекании по нему прямого тока излучает электромагнитную энергию в инфракрасном диапазоне. Это излучение не воспринимается человеческим глазом и может регистрироваться лишь фотоприемником, чувствительным к соответствующей полосе спектра.

Принцип работы, исполнение и основные области применения у ИК-диодов аналогичны СИД. Кроме того, они применяются в устройствах и линиях, требующих оптической связи или гальванической развязки, а также в различных датчиках контроля и автоматики технологических процессов.

  • 3. Фоторезистор — полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется в зависимости от его освещенности.
  • 4. Фотодиод — диод, проводимость которого возникает при воздействии на него излучения в оптическом диапазоне.
  • 5. Фототиристор — прибор, который переходит из одного устойчивого состояния в другое в результате воздействия на него светового потока.
  • 6. Фототранзистор — полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании явления внутреннего эффекта.
  • 7. Оптопара — это оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми есть оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция (гальваническая развязка). Излучателем в оптопаре может служить СИД, ИК-диод или сверхминиатюрная лампочка накаливания. В зависимости от вида фотоприемного элемента различают резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные оптопары.

Аналоговые элементы и устройства оперируют с непрерывными (аналоговыми) электрическими сигналами. Основным элементом аналоговых устройств управления является операционный усилитель ОУ, на базе которого создаются различные регуляторы и функциональные преобразователи электрических сигналов.

Схема операционного усилителя

Рис. 2.10. Схема операционного усилителя

Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления (до тысячи и более), охваченный отрицательной обратной связью. Схема ОУ приведена на рис. 2.10, где через ZBXl,..., ZBXi обозначены комплексные в общем случае активно-емкостные входные сопротивления ОУ, a Zoc — комплексное сопротивление цепи обратной связи. Операционный усилитель в этом случае осуществляет преобразование входных сигналов UBXi в соответствии с выражением

где т — количество входных сигналов.

В простейшем случае, когда на вход ОУ поступает один входной сигнал UBX, a Zoc=^,c и ZBxX=Rx, имеет место следующее преобразование сигнала:

т.е. осуществляется его умножение на коэффициент и

изменение знака на противоположный. При имеет

место так называемое инвертирование входного сигнала по знаку.

Если то ОУ суммирует подаваемые на него

электрические входные сигналы с одновременным умножением их

на соответствующий коэффициент , тогда

При включении во входные цепи и цепи обратных связей наряду с резисторами также и конденсаторов ОУ позволяют осуществлять и другие преобразования входных сигналов, необходимые для получения нужных управляющих воздействий в схемах управления и автоматики. Такие схемы получили название регуляторов. В табл. 2.2 приведены некоторые распространенные схемы и характеристики регуляторов с использованием ОУ.

Пропорциональный П-регулятор (см. первую строку табл. 2.2) осуществляет пропорциональное преобразование входного сигнала

с коэффициентом и инвертированием знака входного

сигнала. В столбце 5 табл. 2.2 показана зависимость изменения во времени выходного сигнала П-регулятора при подаче на него ступенчатого входного сигнала в момент времени t0, называемая переходной функцией.

Схемы и характеристики интегрального И-регулятора, дифференциального Д-регулятора, апериодического А-регулятора, пропорционально-интегрального (ПИ), пропорционально-дифференциального (ПД) и пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регуляторов также приведены в табл. 2.2.

Операционные усилители широко используются также в схемах компараторов, формирователей импульсов, генераторов электрических сигналов, ограничителей, усилителей и во многих других устройствах.

Примером реализации серийных аналоговых средств управления и их функций явилась разработка унифицированной блочной системы регулирования (УБСР) в виде серии УБСР-А (на обычных элементах электроники) и затем серии УБСР-АИ (на интегральных микросхемах), которая предназначалась главным образом для применения в схемах автоматики. Функциональные преобразователи, входящие в состав УБСР-АИ, позволяют возводить в квадрат и извлекать квадратный корень из входного сигнала, умножать и делить входные аналоговые сигналы, выделять модуль сигнала, формировать различные нелинейные зависимости межСхемы регуляторов

Тип

регулятора

Схема

Вид

преобразования

Параметры

регулятора

Переходная

функция

П

И

Д

А

ПИ

пд

пид

ду входным и выходным сигналами. Эти преобразователи также реализованы на базе одного или нескольких ОУ.

Помимо этого, в состав УБСР-АИ входят командные (задающие) устройства, задатчики интенсивности скорости, датчики тока и напряжения, устройства согласования, ячейки гальванической развязки и фильтров.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >