Элементная база устройств автоматики

Рассмотренные выше регуляторы и другие элементы САР реализуются специальными устройствами на электронных, электромеханических и иных элементах. В данном разделе рассмотрена электронная элементная база устройств автоматики.

Современные электронные устройства выполняют в основном на базе полупроводниковых приборов: дискретных элементов — диодов, транзисторов, стабилитронов, тиристоров и т. д. — и в интегральном исполнении. Основой большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный р—«-переход, возникающий на границе раздела двух полупроводников с разными типами электропроводности (рис. 12.31).

При соединении двух полупроводников с разными типами электропроводности на границе раздела возникает зона, обедненная основными носителями заряда, и за счет этого контактная разность потенциалов (потенциальный барьер), препятствующая переходу основных носителей заряда через границу раздела. В то.

Рис. 12.31. Схема р—л-перехода полупроводника же время потенциальный барьер не является препятствием для неосновных носителей заряда, число которых, однако, гораздо меньше, чем число основных носителей заряда. Ток через переход определяется количеством основных и неосновных (движущихся в противоположном направлении) зарядов, перемещающихся через границу раздела.

Если к р—"-переходу подать внешнее электрическое напряжение в обратном направлении, то увеличится потенциальный барьер и снизится диффузия основных носителей через переход. При этом возникает ток, определяемый неосновными носителями заряда.

В случае прямого смешения р—"-перехода потенциальный барьер на границе двух областей уменьшается, что вызывает дополнительную инжекцию (введение) основных носителей и резкое возрастание тока во внешней цепи по экспоненциальной зависимости. Вольт-амперная характеристика р—"-перехода представлена на рис. 12.32.

Я—"-переходы изготовляют из кремния, германия с добавками различных материалов (индий, галлий, селен и других), которые придают им необходимые свойства.

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним электронно-дырочным р— «-переходом и двумя выводами. Один из них, соединенный с p-областью, называется анодом, другой, соединенный с «-областью, — катодом. Диод проводит электрический ток только в одном направлении, поэтому его применяют для выпрямления переменного тока в однополярный. Он представляет собой нелинейный пассивный элемент, вольт-амперная характеристика которого аналогична вольт-амперной характеристике р—пперехода (см. рис. 12.32). Для изготовления диодов применяют кремний и германий с примесями других металлов.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором при обратном смещении не зависит от его тока, предназначенный для стабилизации напряжения. Изготовляют диоды с заранее заданным уровнем стабилизации напряжения до 15 В.

Рис. 12.32. Вольт-амперная характеристика р—п перехода Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р—"-переходами и тремя выводами.

Транзистор имеет три области: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К).

Переход, который образуется на границе областей эмиттер-база, называется эмиттерным, а на границе база — коллектор — коллекторным. ЭлектропроРис. 12.33. Схематическое и условное графическое изображение транзисторов типа п—р—п и р—п—р:

Э — эмиттер; Б — база; К — коллектор водность базы может быть как электронной, так и дырочной; соответственно различают транзисторы со структурами р—п—р и п— р—п (рис. 12.33).

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается в том, что в транзисторе со структурой р—п—р основной ток, текущий через базу, создается дырками, пришедшими из эмиттера, а в транзисторе п—р—п — электронами.

В усилительном режиме работы транзистора эмиггерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Если изменять ток базы из внешней цепи, например подачей на электрод базы напряжения, то в зависимости от последнего будет изменяться ток коллектора, причем это изменение будет больше, чем изменение тока базы. Таким образом, транзистор будет усиливать входной сигнал, подаваемый на базу.

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора (рис. 12.34): с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Транзистор характеризуют коэффициентом усиления по току — отношением приращения выходного тока к вызывающему его.

Рис. 12.34. Схемы включения транзисторов:

а — с обшей базой; б— с общим эмиттером; в —с общим коллектором. Т — транзистор; Еп — напряжение питания транзистора; U_M — входной сигнал; U_%ux — выходной сигнал (усиленный);

— сопротивление нагрузки приращению входного тока. К другим характеристикам транзистора относятся его частотные свойства — зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала и температуры. Биполярный транзистор имеет малое входное сопротивление, а выходное — в зависимости от схемы включения.

Транзисторы служат для усиления тока базы и в качестве переключающего элемента. На них выполняют усилители электрических сигналов, генераторы электрических сигналов разной формы, цифровые логические элементы и многие другие электронные схемы. Они лежат в основе построения интегральных аналоговых и цифровых микросхем.

Полевой транзистор — это прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал и управляемых электрическим полем. Электрическое поле создается входным управляющим током, подаваемым на затвор. Это поле управляет проводимостью между стоком и истоком транзистора. Входное сопротивление полевого транзистора велико, поэтому управление осуществляется малыми токами на частотах до 1 ГГц.

Тиристор — это четырехслойный кремниевый прибор D, который имеет три;электрода: анод А, катод К и управляющий электрод У. Его можно представить двумя транзисторами с тремя р-ппереходами (рис. 12.35). Тиристоры служат для прерывания токов и напряжений, регулирования мощности постоянного и переменного тока. Тиристор запускается путем подачи с блока управления БУтока на управляющий электрод У. После того как тиристор открывается, управляющий электрод перестает оказывать воздействие на протекание тока 1, поэтому включение тиристора может осуществляться короткими импульсами, подаваемыми с блока БУ.

Чтобы перевести тиристор в выключенное состояние, ток через него необходимо уменьшить до нуля путем прерывания цепи нагрузки или снижения входного U_BX напряжения между анодом и катодом.

Операционный усилитель (ОУ) — многокаскадный усилитель с дифференциальным входом и коэффициентом усиления, стремящимся к бесконечности, с высоким входным сопротивлением и смещением входа, близким нулю. Дифференциальный вход операционного усилителя имеет два входа —прямой и инверсный, которые позволяют на выходе усилителя получать сигнал, пропорциональный разности двух входных сигналов.

Рис. 12.35. Структура (а) и схема включения (й) тиристора:

А —анод; К —катод; У — управляющий электрод; БУ —блок управления; — входное напряжение; /—ток тиристора; Ян — сопротивление нагрузки Микроэлектроника — направление электроники, которое возникло на основе современных достижений физики тонких пленок, твердого тела и специальных материалов. Главным ее признаком является комплексная интеграция элементов на кристалле или основе.

Интегральная микросхема (ИМС) — микроэлектронное изделие, которое выполняет определенную функцию обработки сигналов и накопления информации, имеет высокую плотность размещения нераздельно выполненных и электрически соединенных элементов. ИМС содержит элементы — транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы.

Интегральная аналоговая микросхема предназначена для обработки аналогового сигнала.

Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель электрических сигналов, предназначенный для выполнения с высокой точностью операций над аналоговыми величинами в схеме с глубокой отрицательной обратной связью (ООС). Он имеет высокое входное сопротивление и очень большой коэффициент усиления (десятки и сотни тысяч). ОУ является усилителем, усиливающим дифференциальный сигнал, т. е. разность двух сигналов, подаваемых на два раздельных входа.

Это наиболее широко применяемая универсальная аналоговая интегральная схема.

К основным параметрам ОУ, которые характеризуют его качество, относятся:

коэффициент усиления К — отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению дифференциального входного напряжения. Интегральные ОУ имеют коэффициент усиления до сотен тысяч единиц;

входное сопротивление — сопротивление со стороны одного из входов ОУ, в то время как другой заземлен. Входное сопротивление ОУ может составлять 10' Ом и более;

выходное сопротивление ОУ— внутреннее сопротивление усилителя со стороны выхода, которое обычно составляет от десятков до нескольких сотен Ом.

Электронные схемы могут выполнять непосредственно функциональные преобразования сигнала — усиление, сложение, умножение, деление, возведение в квадрат, суммирование, интегрирование, дифференцирование и др. Каждый элемент предназначен для осуществления одной из частных операций, присущих данному узлу.

К числу наиболее часто применяемых функциональных элементов следует в первую очередь отнести схемы усилителей, содержащих ОУ.

Схема включения инвертирующего ОУ представлена на рис. 12.36, а. Входной сигнал U_m подается на.

Рис. 12.36. Функциональные элементы автоматики на операционном усилителе.

инвертирующий вход ОУ, при этом с выхода ОУ на инвертирующий вход организована отрицательная обратная связь R2. Выходной сигнал и_вых связан с входным сигналом U_m соотношением.

а коэффициент усиления по напряжению.

В неинвертирующем усилителе входной сигнал (рис. 12.36, б) UBX подается на неинвертирующий вход, а инвертирующий соединен с землей через сопротивление R3. Отрицательная обратная связь через сопротивление R2 обеспечивает стабильную работу усилителя. Выходное напряжение определяется в соответствии с выражением.

На рис. 12.36, в представлена схема дифференциального включения операционного усилителя, выходное напряжение которого пропорционально разности входных сигналов, поданных и на инвертирующий, и на неинвертирующий входы.

Схема дифференциального включения операционного усилителя имеет ббльшие функциональные возможности по сравнению с другими за счет включения резисторов R3—R5 в цепи обратной связи операционного усилителя (ОУ).

На рис. 12.37 показан масштабирующий усилитель, который можно применять в качестве входного звена для ступенчатого регулирования установки, например в регуляторе (путем ступенчатого регулирования коэффициента усиления).

В схемах широко применяют суммирующий усилитель. Его можно использовать в качестве элемента-формирователя, реализующего геометрическое суммирование нескольких переменных напряжений.

Обычно при реализации суммирующего усилителя используют инвертирующее включение ОУ, когда несколько входных напряжений UI, Ul, U3, каждое через индивидуальный входной резистор Л1, R2, R3, подаются на инвертирующий вход (рис. 12.38). В ОУ через резистор обратной связи протекает суммарный ток входов и с учетом нулевого напряжения на инвертирующем входе выходное напряжение.

Интегрирующий элемент используют для интегрирования сигналов во времени в схемах вычислений, а также в качестве фильтров сигналов (рис. 12.39). Его основной характеристикой является постоянная времени интегрирования т = R C_L Интегрирование входного сигнала во времени осуществляется на емкости С_ь включенной в обратную связь ОУ.

Для получения производной от входного сигнала часто используется дифференцирующий элемент (рис. 12.40). На выходе этого элемента сигнал соответствует первой производной входного сигнала.

Рис. 12.37. Масштабирующий усилитель.

Рис. 12.38. Суммирующий усилитель.

Рис. 12.39. Интегрирующий элемент

Рис. 12.40. Дифференцирующий элемент

Компараторы — это устройства сравнения, сопоставления сигналов для определенного момента времени (рис. 12.41). При каждом равенстве нулю разности двух входных сигналов выходное напряжение изменяется от нижнего (логический 0) до верхнего (логическая 1) предельного значения. Компараторы могут быть аналоговые и цифровые.

В аналоговых компараторах на входе сравниваются два аналоговых сигнала, а на выходе вырабатывается логический сигнал.

В цифровых компараторах и на входе и на выходе присутствуют сигналы в цифровом виде.

В аналоговом компараторе (см. рис. 12.41, а) операционный усилитель работает без обратной связи, поэтому имеет очень большой коэффициент усиления. На инвертирующий вход подается опорное напряжение U_on, значение которого может изменяться (рис. 12.41, б). На неинвертирующий вход подается анализируемый сигнал U_x. Любое изменение разности входных напряжений вызывает скачок выходного напряжения и_ъых. Если U_x > = U_0i то.

Рис. 12.41. Аналоговый компаратор

Рис. 12.42. Схема ЦАП с матрицей R-2R.

на выходе ОУ1 появляется логическая 1, если U_x< U₀", то — логический 0.

Если U_on = 0, то такой компаратор называется нуль-органом.

Компараторы находят широкое применение в сравнивающих устройствах систем управления, цифровой технике — аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователях.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) находят широкое применение, во-первых, для непосредственного преобразования цифровых сигналов в аналоговые и, во-вторых, для образования обратных связей по напряжению в составе аналого-цифровых преобразователей.

ЦАП представляет собой резистивный делитель напряжения, управляемый цифровым кодом q…qn — набором логических нулей и единиц, который характеризует входную информацию. Наиболее часто применяется резистивная матрица R—2R (рис. 12.42). Матрица обслуживается двунаправленными ключами КЛ, число которых равно числу значащих двоичных разрядов. При наличии на всех входах q логических нулей ключи КЛ подсоединены к нулевой шине и на выходе усилителя ОУ имеется нулевой потенциал.

При приходе на первый разряд q логической единицы ключ КЛ подключает к ОУ через резистор 2R и цепочку резисторов R опорное напряжение U_on, в результате чего на выходе ОУ1 возникает ступенька напряжения Ди_вых. При приходе на вход ЦАП логической единицы более старшего разряда (большего числа), например на ql, на вход ОУ подключается еще одна резистивная ветвь с опорным напряжением и на выход ОУ1 добавится еще одна ступенька напряжения. Выходное напряжение нарастает ступеньками с квантом (шагом):

где я — число разрядов.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) применяются для преобразования аналоговых сигналов датчиков и источников сигналов в цифровую форму для последующей обработки в компьютере или микропроцессоре. Известно несколько принципов построения аналого-цифровых преобразователей — развертывание во времени, поразрядное кодирование, следящее уравновешивание, считывание.

Схема АЦП считывания приведена на рис. 12.43, а. Она состоит из точного резистивного делителя напряжения RI…RN, выполненного из одинаковых по номиналу резисторов и компараторов K…KN, где N— число уровней квантования входного сигнала U_m.

На выходах компараторов присутствует позиционный код О или 1, когда число сработавших компараторов (код 1), начиная с первого, соответствует уровню измеряемой величины. Разрешающая способность АЦП:

Для случая, изображенного на рис. 12.43, б, входной сигнал U_BX относится ко второму уровню — сработали два первых компаратора К1 и К2. Цифровой код на выходе АЦП будет 1100. АЦП считывания может иметь неограниченное число разрядов.

Для обработки реального сигнала используют совокупность приведенных и других звеньев. Существует множество других функциональных элементов, схемы которых определяются конкретными задачами обработки сигналов.

Рис. 12.43. АЦП считывания.