Электронные усилители и генераторы

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронные усилители и генераторы

1. Электронные усилители

1.1 Транзисторные усилители

Назначением усилителя как электронного устройства является увеличение мощности сигнала за счет энергии источника питания.

В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усилители непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усилители сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилителями переменного тока; усилители импульсных сигналов - импульсные усилители. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или избирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.

В электронных устройствах применяют также усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.

В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

, (14.1)

где , - мощность выходного и входного сигналов соответственно.

Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Соответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэффициенты усиления напряжения и тока

; . (14.2)

Очевидно, что .

Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выходного сопротивлений и сопротивлений источника сигнала и нагрузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотношения , дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью работают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сигнала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при и .

Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из нескольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточным каскадами.

Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информационные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проходной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармонических составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свойства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспечивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной обратной связью - операционные усилители.

Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).

Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размыкаются и к ним подключается нагрузка с сопротивлением , а к входным зажимам подключается источник сигнала с сопротивлением и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом источником питания и источником смещения .

Резистор уменьшает коэффициент усиления по току биполярного транзистора и крутизну характеристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивления конечны.

Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиления. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выполняются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями (рис. 14.2 а, б).

В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наибольшие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц.

В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение цепей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный режим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достигается путем использования реактивных сопротивлений - кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конденсаторными (RC-связями) и трансформаторными связями.

Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их относительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов.

Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному режиму усиления мощности вплоть до согласования транзистора с источником сигнала и нагрузкой.

Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выполняют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).

Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлектрических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот ().

В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диапазоне от до . Так как использование конденсаторов и трансформаторов в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представляет параллельно-балансная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплечего моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзисторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых транзисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических операций.

2. Усилители на микросхемах

В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC-связью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилителей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц. Особенностью интегральных усилителей являются непосредственные (гальванические) связи между каскадами. Связь с источником сигнала и нагрузкой конденсаторная. Так как конденсаторы большой емкости трудно выполнить в интегральном исполнении, то в микросхемах предусматривают специальные выводы для подключения внешних конденсаторов и резисторов. На рис. 14.4 показаны схема интегрального усилителя (обведена пунктиром) и схема его включения.

Рис. 14.4

При выведенных отрицательных обратных связях коэффициент усиления напряжения в зависимости от модификации усилителей составляет 250…800. При входном сопротивлении = 1,5 кОм и сопротивлении нагрузки = 5 кОм коэффициент усиления мощности может составлять (2…20)·10⁴. Такое усиление позволяет за счет сильных общих отрицательных обратных связей обеспечить высокую стабильность коэффициента усиления мощности. При этом наибольшая выходная мощность может достигать 1 мВт.

Усилитель на рис. 14.4 трехкаскадный, причем третий каскад выполнен на основе включения транзисторов Т3 и Т4 по схеме составного транзистора, поэтому в нем возможны общие отрицательные обратные связи.

3. Операционные усилители

С развитием интегральной технологии производства наиболее распространенным элементом для построения электронных устройств стал операционный усилитель. Он представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, обладающий высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями.

На принципиальных схемах в самом общем виде операционный усилитель обычно изображают в виде прямоугольника с двумя входными и одним выходным выводами (рис. 14.5). Один из входов усилителя, напряжение на котором усиливается с тем же знаком, называется неинвертирующим и обозначается «+». Напряжение на другом входе - инвертирующем («-») - усиливается с изменением знака на обратный. Коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью одинаков для обоих входов операционного усилителя, причем во всем рабочем температурном диапазоне. Этого достигают выполнением всех элементов усилителя, в том числе и входных транзисторов, на одной кремниевой пластине.

Основные параметры схем, выполняемых на операционном усилителе (ОУ), удобно рассматривать, считая его идеальным, с параметрами:

1) коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью бесконечно большой;

2) напряжение на выходе равно нулю при нулевой разности входных напряжений;

3) входное сопротивление бесконечно большое;

4) выходное сопротивление равно нулю;

5) полоса пропускания частот бесконечна (усилитель не вносит задержки).

Схема операционного усилителя, изображенная на рис. 14.6 называется инвертирующей схемой ОУ. Характерной особенностью ее является то, что неинвертирующий вход заземлен, а инвертирующий вход связан с выходом через сопротивление обратной связи Для инвертирующего включения ОУ характерны перемена знака входного сигнала, а также зависимость коэффициента усиления (коэффициента передачи) только от параметров цепи обратной связи. При достаточно большом значении коэффициента усиления, даже в случае его изменения от экземпляра к экземпляру ОУ или от температуры, параметры усилителя практически не меняются. Такая схема, называемая инвертирующим повторителем входного сигнала, используется как промежуточное звено при связи источника сигнала, имеющего относительно большое внутреннее сопротивление (но меньшее, чем входное сопротивление ОУ), с низкоомным приемником.

Определим с учетом знака выходного напряжения значение входного тока

. (14.3)

Из этого следует, что напряжение на инвертирующем входе для данной схемы стремится к нулю. Поэтому здесь инвертирующий вход может рассматриваться как точка «кажущейся» земли.

На основе инвертирующего усилителя выполняют сумматоры, у которых с инвертирующим входом связано несколько источников сигналов со своими входными сопротивлениями (рис. 14.7).

Поскольку инвертирующий вход, называемый в данном случае «суммирующей точкой», сохраняет потенциал земли, входные токи каждого из источников не зависят друг от друга. Через элемент обратной связи протекает сумма этих токов.

При малом переменном напряжении входного сигнала, соизмеримом с падением напряжения на открытом диоде, для его выпрямления могут применяться схемы на основе ОУ. В них практически исключается влияние падения напряжения на диоде. На рис. 14.8 представлена схема однополупериодного выпрямителя, где диод VD1 включен в цепь обратной связи.

Для схемы, показанной на рис. 14.9 а с учетом того, что потенциал точки суммирования токов за счет обратной связи совпадает с потенциалом земли, имеют место следующие зависимости

;

. (14.4)

Таким образом, посредством этой схемы осуществляется интегрирование входного сигнала с изменением знака. Такой интегратор может применяться, для сглаживания выпрямленного напряжения. Например, подключив в схеме (рис. 14.8) параллельно резистору конденсатор, получим выпрямитель.

Схему дифференциатора, выполняющего операцию, обратную интегрированию, т.е. дифференцирование, можно получить из предыдущей схемы, поменяв местами конденсатор и резистор (рис. 14.9 б). Для этой схемы характерны следующие соотношения

; . (14.5)

В схеме неинвертирующего усилителя (рис. 14.10) источник входного сигнала с внутренним сопротивлением связан с неинвертирующим входом, а инвертирующий заземлен через резистор и имеет обратную связь через резистор .

Этот усилитель в определенном масштабе воспроизводит на выходе входное напряжение. Достоинством его является большое входное и малое внутреннее выходное сопротивления. При = 0 усилитель превращается в повторитель входного напряжения.

Для сравнения двух сигналов используют схемы ОУ в режиме компаратора. В этих схемах для получения максимальной точности, определяемой чувствительностью схемы, петля обратной связи обычно не замыкается.

На рис. 14.11 показан компаратор, применяемый для сравнения разнополярных входных сигналов - сигнала и опорного . Если одно напряжение превышает другое, то выходная часть ОУ за счет большого коэффициента усиления переходит из одного состояния насыщения в другое. Таким образом, компараор служит для преобразования разности аналоговых входных сигналов в дискретный выходной.

Реальный ОУ отличается от рассмотренного ранее идеального наличием входных токов и выходного сопротивления, несбалансированностью обоих плеч входного дифференциального усилителя и конечным значением коэффициента усиления . Поэтому выбор параметров элементов внешних связей ОУ с другими узлами схемы связан с его электрическими параметрами. Для этого в справочной литературе приводится около 20 параметров.

4. Электронные генераторы

Электронным генератором называют устройство, создающее электрические колебания определенной частоты и формы и использующее для этого энергию источника постоянного тока (напряжения).

По принципу действия генераторы бывают с внешним в настоящей книге не рассматривается и внутренним возбуждением. Генераторы с внутренним возбуждением (автогенераторы) возбуждаются самостоятельно (без внешнего источника). Основными характеристиками генераторов являются форма, частота и амплитуда создаваемых колебаний.

По форме колебаний генераторы подразделяются на генераторы синусоидальных колебаний и генераторы несинусоидальных (релаксационных) колебаний.

По частоте колебаний генераторы подразделяются на низкочастотные (от долей герц до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц … 10 мГц) и сверхвысокочастотные (более 10 мГц).

Важными характеристиками являются мощность выходного сигнала, стабильность частоты и коэффициент полезного действия.

Генераторы синусоидальных колебаний

Любой генератор состоит из усилителя и цепи положительной обратной связи. Структурная схема генератора представлена на рис. 14.12.

Рис. 14.12

За счет влияния цепи обратной связи на делитель на его выходе появляется напряжение даже при отсутствии напряжения на входе, т.е. происходит самовозбуждение делителя и превращение его в генератор.

Чтобы на выходе генератора получить периодические колебания заданной частоты, в цепь его обратной связи необходимо включить колебательный контур, настроенный на данную частоту. В зависимости от состава элементов контура автогенераторы бывают LC и RC-типов (рис. 14.13).

а) б)

Рис. 14.13

Схема LC -генератора (рис.14.13 а) объединяет однокаскадный делитель на транзисторе VT и колебательный контур LC, включенный в цепь положительной обратной связи генератора. Подбором L и C устанавливают требуемую частоту колебаний .

После включения источника питания в контуре LC возникают колебания и переменный ток базы усиливается транзистором. Протекающий через катушку ток коллектора создает на ней падение напряжения, которое в противофазе (вследствие встречного включения катушек и ) за счет индуктивной связи между катушками подается в колебательный контур. Амплитуда колебаний постепенно возрастает до определенного значения (насыщения транзистора) и в дальнейшем не изменяется.

Недостатком рассмотренной схемы генератора является большое влияние температуры на амплитуду и частоту вырабатываемых напряжений. Поэтому часто эти схемы дополняют элементами, стабилизирующими параметры генерируемых напряжений.

Для получения периодических напряжений низкой частоты (от долей герца до нескольких килогерц) целесообразно в генераторе вместо LC контура использовать RC-цепь (рис. 14.13 б).

Эта замена упрощает конструкцию и снижает массу генератора. В отличие от LC-генератора в этой схеме положительная обратная связь образована частотно-зависимой RC-цепью. Если выходное напряжение генератора, снимаемое с коллектора транзистора, подать непосредственно на вход усилителя (на базу транзистора), то создается отрицательная обратная связь.

Чтобы получить одинаковые фазы выходного и входного напряжений, необходимо напряжение на RC-цепи сдвинуть на 180°. Это осуществляют тремя RC-элементами, каждый из которых позволяет получить фазовый сдвиг на 60°. Несмотря на усложнение схемы генератора, она проста в реализации, особенно для низких частот, так как не требует индуктивных катушек, имеющих большие габариты и массу.

Мультивибраторы

Генератор, представляющий собой двухэлементный усилитель с емкостной связью, выход которого соединен с входом, называют мультивибратором.

Мультивибраторы бывают симметричные, если транзисторы VT1 и VT2 (рис. 14.14) и аналогичные элементы схемы каждого усилителя одинаковы, и несимметричным, если эти условия не выполняются.



Рис. 14.15

Транзисторы в данной схеме работают в ключевом режиме. Мультивибратор может иметь два состояния равновесия. В одном из них транзистор VT1 полностью открыт, а транзистор VT2 закрыт (состояние отсечки). В другом -наоборот, транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт (режим насыщения). Каждое из этих состояний неустойчиво Когда отрицательный потенциал базы закрытого транзистора при зарядке соответствующего конденсатора достигает потенциала источника питания, равновесие нарушается, закрытый транзистор открывается, а открытый, наоборот, закрывается. Мультивибратор переходит в новое состояние равновесия. Временная диаграмма работы мультивибратора показана на рис. 14.15.

Мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, используют в электронных устройствах в качестве задающих генераторов и делителей частоты.

Широкое распространение получили мультивибраторы, построенные на основе интегральных операционных усилителей и компараторов. Они характеризуются сравнительно высокой стабильностью работы.

Простейшая схема мультивибратора на основе ОУ показана на рис. 14.16.



Рис. 14.16

Мультивибратор охвачен обратной связью через делитель R₁, R₂, а времязадающая RC-цепь подключена к инвертирующему вводу. Амплитуда выходного сигнала и длительность импульсов данной схемы зависит от напряжения источника питания и температуры. Эти недостатки можно исключить, дополнив схему диодным ограничителем на стабилитронах.

5. Электронные коммутирующие элементы и устройства

Электронные ключи

Для выполнения различных коммутаций в устройствах автоматики и вычислительной техники, включения и выключения элементов, источников питания используют электронные ключи.

В статическом режиме ключ может находиться либо в замкнутом состоянии (включенном), либо в разомкнутом (выключенном). Основу любого ключа составляет активный элемент (диод, транзистор, тиристор), работающий в ключевом режиме.

Электронные ключи характеризуют следующими параметрами: переключательной характеристикой, представляющей собой зависимость ; нагрузочной характеристикой, определяемой зависимостью выходного параметра от нагрузки; помехоустойчивостью и мощностью, потребляемой от источника питания.



Простейшая схема ключа может быть реализована на основе диода (рис. 15.1). Замкнутому положению такого ключа соответствует наличие на его входе напряжения положительной полярности. Если на входе действует сигнал полярности, то ключ открыт - разомкнут.

Диодные ключи применяют в основном для ограничения амплитуд напряжения. Их недостатками являются невозможность усиления входного напряжения и наличие непосредственной связи между выходной и входной цепями.

Такие недостатки отсутствуют у транзисторных ключей (рис. 15.2), так как закрытый биполярный транзистор имеет очень большое сопротивление, а открытый - очень малое. Кроме того, транзисторный ключ позволяет усиливать входной сигнал по мощности и разделять выходную и входную цепи. При отсутствии входного сигнала транзистор закрыт и ток его коллектора очень мал. При поступлении на вход импульса прямоугольной формы транзистор открывается и в цепи коллектора протекает максимальный ток, зависящий от крутизны его выходной характеристики. Особенностью такого ключа является сохранение напряжения в течение некоторого времени на его выходе после исчезновения входного импульса.



Это явление обусловлено временем жизни неосновных носителей зарядов в области базы транзистора. Для уменьшения времени нарастания (фронта) и спада (среза) выходного импульса применяют различные способы. Один из них - использование RC-цепи на входе схемы. В момент нарастания импульса конденсатор заряжается, в момент спада - разряжается через резистор. При этом на резисторе, значит, и на базе транзистора создается положительный потенциал, запирающий транзистор, и вследствие этого ток коллектора быстро уменьшается.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах, а также входное сопротивление можно увеличить, используя вместо биполярных транзисторов полевые (рис. 15.3).

Триггеры

Электронное устройство, имеющее два устойчивых стационарных состояния, в котором переходы из одного состояния в другое и обратно осуществляются под действием запускающих импульсов, называется триггером. Триггер содержит два транзистора, включенных по схеме с общим эмиттером и образующих двухэлементный усилитель постоянного тока, охваченный положительной обратной связью по напряжению (рис. 15.4 а).



Рис. 15.4

Стационарные режимы триггера возможны при равенстве входного и выходного напряжений (точки 2, А, 1 на рис. 15.4 б). Стационарный режим, соответствующий точке А, неустойчивый.

При любом незначительном отклонении от этого режима триггер переходит в одно из двух устойчивых состояний: 1 или 2. В состоянии 1 транзистор VT1 открыт, VT2 закрыт. В состоянии 2 наоборот. Переход триггера из одного состояния в другое возможен, например, при подаче короткого положительного импульса на базу или короткого отрицательного импульса на коллектор закрытого транзистора.

В современной электронике триггеры выполняются на базе интегральных микросхем, построенных на основе логических элементов (см. гл. 16) и относятся к базовым элементам цифровой и электронно-вычислительной техники.

Электронные реле

Для управления различными технологическими процессами переключения (включения, выключения) в производстве и быту широко применяются бесконтактные коммутирующие устройства, называемые электронными реле.



а) б) в)

Рис. 15.5

Электронные реле в настоящее время выполняют на основе интегральных микросхем. Основной частью электронного реле является усилитель постоянного тока. На вход усилителя подается сигнал от преобразователя электрической величины, устройство которого зависит от типа реле. Это может быть фотоэлектрический преобразователь (фотоэлектронное реле), термопара или терморезистор (тепловое реле), RC-цепь для задания времени срабатывания и др. На рис. 15.5 представлена схема простейшего электронного реле, выполненного на интегральном усилителе типа К118ТЛ1Г: а - реле времени, б - фотореле, в - тепловое реле.

При подключении RС-цепи к источнику постоянного напряжения начинает заряжаться конденсатор. Как только напряжение на нем достигает значения, достаточного для срабатывания усилителя, на его выходе появляется напряжение Продолжительность выдержки реле определяется постоянной времени заряда конденсатора . По истечении времени напряжение на конденсаторе становится почти равным (), а продолжительность выдержки (с) реле

, (15.1)

где - напряжение срабатывания реле.

Продолжительность выдержки реле регулируют изменением сопротивления резистора , через который заряжается конденсатор. Для повторного срабатывания реле необходимо отключить его от источника питания для возврата реле в первоначальное состояние.

В схеме фотореле (рис. 15.5 б) чувствительным к свету элементом является фоторезистор. Принцип действия такой схемы аналогичен рассмотренной. Чувствительность фотореле устанавливают переменным резистором , при регулировании которого изменяют входное напряжение усилителя - напряжение срабатывания реле. Особенностью конструкции фотореле является необходимость защиты фоторезистора от посторонних источников света, воздействие которых может привести к ложному срабатыванию реле.

В схеме теплового реле (рис. 15.5 в) чувствительном к температуре элементом является терморезистор - резистор, сопротивление которого в большей мере зависит от температуры окружающей среды. Изменение сопротивления терморезистора под действием температуры ведет к изменению напряжения на нем. Это напряжение поступает на вход усилителя. Чувствительность теплового реле, как и фотореле, регулируют переменным резистором .

Особенностью электронных реле является необходимость их предварительной градуировки. Для градуировки фотореле применяют источник света с регулируемым световым потоком и образцовый прибор для измерения освещенности - люксметр, для градуировки теплового реле - регулируемый источник тепла и образцовый термометр; для реле времени - секундомер.

Коммутационные схемы

В сложных устройствах автоматического управления процессами для контроля большого числа параметров и различных переключений наряду с электронными ключами используют более сложные устройства, называемые коммутационными схемами. Примером такой схемы является интегральная схема управления впрыском топлива и зажигания двигателей внутреннего сгорания автомобилей (СУВЗ).

Совершенствование карбюраторных двигателей требует повышения пробивного напряжения свечей зажигания. Однако увеличение тока через катушку зажигания вызывает снижение надежности работы контактов прерывателя. Кроме того, достаточно важным является вопрос снижения расхода топлива при различных режимах работы двигателя. Для этих целей в последнее время на отечественных автомобилях используют специальную систему управления в интегральном исполнении.

Функционально СУЗВ состоит из нескольких основных узлов (рис. 15.6):

1) входное устройство, осуществляющее усиление и нормирование сигналов от входных преобразователей контролируемых сигналов;

2) электронное устройство (ЦВУ), осуществляющее обработку информации, поступающей от входного устройства;

3) запоминающее устройство (ROM, RAM), осуществляющее хранение программ и констант, необходимых для работы системы;

4) выходное устройство (интерфейса), формирующее управляющие сигналы для исполнительных механизмов и устройств коммутации, сигналы диагностики работоспособности отдельных агрегатов двигателя;

5) универсальный блок питания.

Конструктивно СУВЗ выполнена в виде отдельного блока (рис. 15.7), в состав которого входят операционные усилители (ОУ), используемые для усиления и нормирования входного сигнала, генераторы импульсов (ГИ), формирователи дискретных сигналов (ФДС), электронные ключи, необходимые для включения зажигания, электронный октан-корректор (ОК).

Рис. 15.7

Рассмотрим принципы работы СУВЗ на примере автоматического управления положением дроссельной заслонки при работе двигателя на холостом ходу (рис. 15.7). При уменьшении (увеличении) частоты вращения коленчатого вала двигателя сигнал от соответствующего преобразователя (Д1) поступает на входное устройство системы, нормируется и подается на электронное устройство обработки информации (ЭУ), в котором происходит сравнение входного сигнала с соответствующей константой, хранящейся в запоминающем устройстве (ЗУ). При различии частоты вращения коленчатого вала и ее нормированного значения с ЭУ поступает сигнал на интерфейс, где вырабатываются команды исполнительным механизмам подачи топлива и положения дроссельной заслонки.

Система управления впрыском и зажиганием (СУВЗ) позволяет осуществить автоматическое управление пуском и прогревом двигателя; автоматическое управление частотой вращения коленчатого валя двигателя на холостом ходу; управление топливоподачей; управление углом опережения зажигания; автоматический контроль неисправностей в двигателе; возможность ручной регулировки режима холостого хода; автоматический переход на резервный режим управления.

6. Логические элементы и цифровые устройства

Логические элементы

Логический элемент - это электронная схема, которая имеет один или больше входов X, реализующая на каждом выходе соответствующую логическую функцию Y от входных переменных. Логические элементы являются важнейшей составной частью устройств цифровой (дискретной) обработки информации - цифровых измерительных приборов, устройств автоматики и ЭВМ. Логические элементы, как правило, выполняют на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. В связи с этим цифровая информация представляется в виде логической переменной, принимающей всего два различных значения: логическая 1 - истинно и логический 0 - ложно.

Логические преобразования включают в себя три основные элементарные операции. Тип операции и соответствующий ей логический элемент, а также правила выполнения логических операций над двоичными переменными представлены в таблице 16.1.

Таблица 16.1

Тип элемента	Логическая операция	Таблица истинности	Условное обозначение
ИЛИ	Логическое сложение (дизъюнкция)	Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
И	Логическое умножение (конъюнкция)	Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
НЕ	Логическое отрицание (инверсия)	Х Y 0 1 1 0

Тип логических элементов определяется совокупностью схемных и технологических признаков, характеризующих интегральные микросхемы логических элементов. Простейшие логические элементы И и ИЛИ могут быть реализованы на основе диодных ключей. Элемент НЕ обычно представляет собой транзисторный ключ с инвертирующими свойствами. Кроме рассмотренных основных логических элементов, используют комбинированные логические элементы, реализующие две (или более) логические операции, например, элементы ИЛИ - НЕ, И - НЕ. Чтобы реализовать элемент И - НЕ, к диодному ключу добавляют инвертор на транзисторе. Такая схема называется диодно-транзисторной логикой (ДТЛ), а логический элемент - ДТЛ - элементом И - НЕ. Использование различных элементов в схемах существенно расширяет ряд логических операций. Наиболее широко используемые схемы логических элементов представлены в таблице 16.2.

Таблица 16.2

Тип логического элемента	Схема	Условное обозначение
Диодная логика
Резистивная транзисторная логика (РТЛ)
Диодно- транзисторная логика (ДТЛ)
Транзисторно- транзисторная логика (ТТЛ)
Логика на МДП-транзисторах с p- или n-каналом (p-МДПТЛ) (n-МДПТЛ)
Интегральная инжекционная логика (И2Л)

Наиболее сложные логические операции реализуют в виде комбинаторных или последовательных схем. Комбинаторные схемы (КС) собирают из отдельных ИМС логических элементов (малой степени интеграции) или изготавливают в виде ИМС среднего уровня интеграции. Они также могут входить в состав больших интегральных схем (БИС). На рис. 16.1 приведена комбинационная схема, реализующая логическую операцию «Исключительное ИЛИ» (неравнозначность), и ее условное обозначение.



а) б)

Рис. 16.1

Последовательная схема (конечный автомат) состоит из комбинационных схем и запоминающего устройства (ЗУ). Значения выходных сигналов таких схем определяется не только значением входных сигналов, но и состоянием запоминающего устройства в каждый момент времени.

Простейший конечный автомат - триггер (рис. 16.2), имеет один основной выход Q и один или несколько управляющих входов (R, S) и может иметь дополнительный (инверсионный) выход .

Последовательная схема на основе триггеров, представляющая собой параллельный регистр (регистр памяти) и ее условные обозначения показаны на рис. 16.3.



Интегральные микросхемы, на которых выполняются логические элементы, должны удовлетворять ряду требований: по быстродействию (интервал времени между сменой состояний входного и выходного сигналов); нагрузочной способности (число однотипных микросхем, подключенных к одному выходу); помехоустойчивости (допустимый уровень напряжения помехи, не вызывающий ложного срабатывания); мощности рассеяния (мощность, потребляемая от источника питания).

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

При использовании логических и цифровых устройств в системах автоматизированного управления возникает проблема связи их с различными электронными преобразователями входных сигналов и исполнительными механизмами, у которых в большинстве случаев информация представлена в аналоговой форме в виде различных уровней напряжения и тока. В этом случае для преобразования цифрового сигнала в аналоговый используют так называемый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а для обратного преобразования - аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ЦАП и АЦП выполняют в виде больших интегральных схем. Конструктивно ЦАП состоит из операционного усилителя (рис. 16.4 а), на вход которого с помощью электронных ключей (например, ключи на МОП-транзисторах), управляемых двоичным кодом, подключается матрица резисторов.

Рис. 16.4

Коэффициент передачи определяется по отношению . По входам 0, 1, 2, 3 коэффициенты передачи будут соответственно

, (16.1)

где - - числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положения соответствующего ключа. Выходное напряжение ЦАП определяется по формуле

. (16.2)

Таким образом, двоичный код на входе ЦАП преобразуется на выходе в уровень напряжения .

Недостатками этой схемы ЦАП являются необходимость жестких требований к точности и стабильности сопротивлений матрицы, особенно старших разрядов, а также к качеству опорного напряжения источника питания при различных нагрузках. Условное обозначение ЦАП показано на рис. 16.4 б.

Аналого-цифровой преобразователь состоит из цифрового автомата (ЦА) (рис. 16.5), который по сигналу, поступающему на его вход, вырабатывает последовательность соответствующих чисел в двоичном коде. Этот код подается на вход ЦАП, где формируется выходное напряжение , определяемое входными числами. Напряжение подается на вход компаратора, где сравнивается с входным напряжением Если напряжения и равны, то компаратор выдает сигнал, останавливающий работу цифрового автомата, и на его выходе в запоминающих буферных устройствах фиксируется соответствующий двоичный код.

Цифровой автомат представляет собой двоичный регистр (РГ), основное назначение которого - запись и хранение информации в двоичном коде. Основными элементами регистра являются триггеры. Их число определяется числом двоичных разрядов, на которое рассчитан регистр. Регистр суммирует импульсы от тактового генератора (ТГ). В выходном буферном устройстве (БУ) хранятся числа в двоичном коде, поступающие от регистра. Вся схема питается от источника стабилизированного напряжения (ИсН).



Рис. 16.5

Импульсы, поступающие от тактового генератора на вход регистра, переводят его разряды в код 1, начиная со старшего разряда. Если старший разряд имеет код 1, ЦАП выдает на выходе соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе с входным напряжением. Если и больше , то старший регистр получает код 0, в противном случае остается 1. Далее код 1 появляется в следующем разряде и цикл повторяется до младшего разряда регистра. После этого АЦП готов к выдаче кода из регистра.

Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие, погрешность и динамический диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного для ЦАП.

ЦАП и АЦП являются основным связующим звеном между ЭВМ и различными периферийными устройствами автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Микропроцессоры

Микропроцессор (МП) - программируемое электронное устройство, которое предназначено для обработки информации, представленной в цифровом коде, и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры изготовляют по интегральной технологии. Они представляют собой одну или несколько БИС (рис. 16.6).



Рис. 16.6

Микропроцессор обрабатывает входные данные с помощью команд, представленных в двоичном коде. Двоичная система исчисления (с основанием 2) использует только две цифры (1 и 2) для записи чисел. Эти цифры называются битами. Цифровые электронные устройства представляют биты в виде определенных уровней напряжения: 0 - низкое напряжение, 1 - высокое. Например, число 13 в двоичной системе представляется следующим образом: 13=1·2³+1·2²+0·2¹+1·2⁰=1101. Крайний правый бит двоичного числа называется младшим битом, крайний слева - старший. Микропроцессор работает с битами, объединенными в слова. Слово из восьми битов называется байтом.

Архитектура микропроцессора отражает структуру его строения. Микропроцессор состоит из следующих основных блоков (рис. 16.7):

Рис. 16.7

- арифметико-логическое устройство (АЛУ) - реализует арифметические (сложение и вычитание) и логические (И, ИЛИ, сравнение) операции;

- регистр временного хранения данных (РГ) - на вход его поступают результаты операций;

- регистр команд (РК) - 8-разрядный регистр, содержащий первый байт команды;

- дешифратор команд (Д) - устройство расшифровки содержимого регистра команд (Д определяет, что следует выполнить в данный момент);

- счетчик команд (СЧ) - устройство, содержащее 16-разрядный адрес очередной команды;

- аккумулятор (АК) - 8-разрядный регистр, используемый для выполнения и хранения промежуточных результатов арифметических и логических операций;

- регистр слова состояния процессора или файловый регистр (РФ) - группа триггеров, состояние которых зависит от результатов последней операции АЛУ - является индикатором состояния МП в данный момент времени;

- логический блок управления и синхронизации (ЛБУС) - передает сигналы управления и синхронизации во все остальные устройства МП и внешние устройства.

Все блоки МП связаны между собой и с внешними устройствами тремя группами параллельных проводов, называемыми шинами. Шина данных (ШД) служит для обмена исходными элементами данных (числовые данные, команды). Шина адресов (ША) служит для передачи адресов - указаний местоположения ячейки памяти в запоминающем устройстве. Шина управления (ШУ) служит для обмена сигналами управления между блоками МП и внешними устройствами.

Микропроцессор является основным элементом ЭВМ. Кроме него, в состав ЭВМ (рис. 16.8) входит запоминающее устройство (ЗУ), выполненное на основе триггеров. ЗУ бывают двух типов:

Рис. 16.8

- постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), предназначенное для хранения неизменных данных - констант, программы монитора, обеспечивающей функционирование системы, некоторых стандартных программ. Такую информацию ПЗУ может только считывать;

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - содержит изменяемые данные - программы пользователей, результаты вычислений и др. В процессе работы информация ОЗУ может удаляться и записываться в процессе выполнения программ. При отключении питания информация ПЗУ сохраняется, а в ОЗУ стирается.

В состав ЭВМ также входят различные устройства ввода - вывода УВВ информации. Для ввода информации используются клавиатура, преобразователи сигналов, датчики и т.д.

Вывод информации осуществляется с помощью индикаторов, дисплеев, печатающих устройств, средств регистрации.

Элементы ЭВМ соединяются друг с другом и с внешними устройствами при помощи специальных аппаратных средств, называемых интерфейсом. Синхронизация работы всех элементов осуществляется генератором тактовых импульсов (ГТ), задающим частоту работы ЭВМ.

7. Источники питания электронных устройств

Общие сведения

Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).

Практически все источники питания выполняют три основные функции: преобразование электрической энергии, стабилизацию и регулирование. Структурная схема источника питания представлена на рис. 17.1.

Рис. 17.1

В связи с этим источники питания электронных устройств классифицируются по виду преобразования энергии первичного источника - источники постоянного тока (инверторы) и источники переменного тока (выпрямители). Источники питания, преобразующие энергию переменного тока в энергию постоянного тока, в свою очередь делятся на выпрямители однофазного и трехфазного тока, регулируемые и нерегулируемые.

Полупроводниковые элементы, особенно интегральные микросхемы, используемые в современных электронных устройствах, предъявляют жесткие требования к качеству потребляемой энергии. Так, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, строго синусоидальную для инверторов), минимальный уровень пульсации постоянного тока (выпрямители).

Выпрямители

Однофазные выпрямители

Выпрямителем называется электронное устройство, преобразующее энергию переменного тока (обычно синусоидального) в энергию постоянного тока.

Основным элементом выпрямителя является полупроводниковый диод - вентиль.

Для преобразования однофазного переменного напряжения в источниках в основном используют три схемы: однополупериодную, двухполупериодную мостовая и двухполупериодную со средней точкой трансформатора. Схема однополупериодного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рис. 17.2.

Выпрямитель состоит из трансформатора ТV, первичная обмотка которого включена в сеть переменного тока, а последовательно со вторичной включен диод VD и сопротивление нагрузки. Трансформатор служит для получения необходимого уровня переменного напряжения и гальванической развязки цепей переменного и выпрямленного тока.

Рис. 17.2

Рассмотрим работу выпрямителя по временной диаграмме (рис. 17.2 б). При этом для простоты анализа будем считать активное сопротивление обмоток трансформатора и прямое сопротивление диода равными нулю. В первый полупериод (0 - ) напряжение положительно, диод открыт, в сопротивлении нагрузки возникает ток . Во время напряжение отрицательно - диод закрыт. Ток нагрузки равен нулю и все напряжение приложено ко второму диоду.

Достоинством такой схемы является ее простота. Недостатками - высокий коэффициент пульсации выпрямленного напряжения и наличие постоянной составляющей тока во вторичной обмотке трансформатора. Эти недостатки могут быть значительно уменьшены при использовании двухполупериодных схем выпрямления.

Двухполупериодный (мостовой) выпрямитель (рис. 17.3 а) состоит из трансформатора ТV и четырех диодов VD1 - VD4, включенных по мостовой схеме.

Рис. 17.3

К одной диагонали моста подключена обмотка трансформатора, к другой - нагрузочное сопротивление . Каждая пара диодов работает поочередно. В первый полупериод напряжения U₂ открыты диоды VD1 и VD3, а VD2 и VD4 закрыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD1, VD3 и сопротивление в направлении от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод напряжение отрицательно, диоды VD1, VD3 заперты, а диоды VD2, VD4 открыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD2, VD4 и сопротивление в направлении от точки 1 к точке 2. Временные диаграммы показаны на рис. 17.3 б.

а) б)

Рис. 17.4

В этой схеме среднее значение выпрямленных напряжения и тока, примерно, в два раза больше, а пульсации значительно меньше по сравнению с однополупериодным выпрямителем. В то же время количество диодов увеличилось в четыре раза.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 17.4 а) можно рассматривать как объединенные вместе два однополупериодных выпрямителя. В каждый полупериод напряжения работает или верхняя, или нижняя часть схемы. При положительном напряжении диод VD1 открыт, диод VD2 закрыт. Ток нагрузки протекает через диод VD1 и от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод положительно направление . Диод VD1 закрыт, VD2 - открыт. Ток нагрузки протекает через диод VD2 и также от точки 1 к точке 2 (рис. 17.4 б).

Эта схема имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовая схема. Количество диодов в два раза меньше, чем у мостового выпрямителя, но применение трансформатора увеличивает ее массу и габариты.

Трехфазные выпрямители

В трехфазных цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в основном используют две схемы выпрямителей: трехфазный выпрямитель с нейтральной точкой и трехфазный мостовой выпрямитель. Трехфазные выпрямители используют как выпрямители средней и большой мощности (средние значения выпрямленного тока достигают сотни ампер).

В состав трехфазного выпрямителя с нейтральной точкой (рис. 17.5 а) входят трехфазный трансформатор с соединением обмоток звездой, три диода, включенные в каждую фазу вторичной обмотки трансформатора, и нагрузочный резистор.

Диоды выпрямителя работают поочередно, каждый в течение трети периода. Ток нагрузки равен сумме токов каждого диода и имеет всегда одно и то же направление. Как видно из временной диаграммы (рис. 17.5 б), пульсации выпрямленного напряжения значительно ниже, чем у однофазных выпрямителей.

а) б)

Рис. 17.5

Среднее значение напряжения , где - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

К достоинствам выпрямителя с нейтральной точкой следует отнести его высокую надежность и минимальное количество диодов.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (рис. 17.6 а) содержит шесть диодов, включенных по мостовой схеме в фазы вторичной обмотки трехфазного трансформатора.

а) б)

Рис. 17.6

Общая точка первой группы диодов VD1, VD3, VD5 представляет собой положительный полюс на сопротивлении нагрузки, а второй группы VD2, VD4, VD6 - отрицательный полюс. В выпрямителе возникает ток через нагрузочное сопротивление и два соответствующих диода в каждый момент времени, когда к диодам приложено наибольшее напряжение. Причем в любой интервал времени токи всегда имеют одно и то же направление (рис. 17.6 б). Коэффициент пульсации трехфазного мостового выпрямителя на порядок ниже, чем однофазного двухполупериодного выпрямителя. Среднее значение выпрямленного напряжения .

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители, наряду с преобразованием переменного тока в постоянный, дают возможность плавно регулировать в достаточно широких пределах среднее значение выпрямленного напряжения.

Основным элементом управляемого выпрямителя является тиристор, который включается при подаче импульса на его управляющий электрод со схемы управления. Момент включения (отпирания) тиристора зависит от сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением включающего импульса. Угол сдвига фаз называется углом регулирования . Такой способ управления называется фазовым.

Управляющие импульсы формируются электронной импульсно-фазовой системой управления (ИФСУ). Регулирование угла сдвига фаз может осуществляться как вручную, так и автоматически.

Обычно управляемые выпрямители строят по тем же схемам, что и неуправляемые. Наиболее распространенные схемы регулируемых выпрямителей и их временные диаграммы приведены в таблице 17.1.

Сглаживающие фильтры

Для уменьшения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения используют специальные устройства - сглаживающие фильтры.

В схемах источников питания сглаживающие фильтры включают между диодной (тиристорной) группой и нагрузкой. Основными элементами сглаживающих фильтров являются катушки индуктивности, конденсаторы, транзисторы, сопротивления которых зависит от частоты и различны для постоянного и переменного токов. Так, для обеспечения фильтрации последовательно с приемником включают элементы, имеющие большее сопротивление для переменной составляющей выпрямленного тока и меньшее - для постоянной, а параллельно - наоборот. Элементом, включаемым параллельно нагрузке, может быть конденсатор большой емкости.

Простейшие фильтры состоят, как правило, из одного реактивного элемента - конденсатора или катушки. Сложные фильтры содержат несколько элементов (таблица 17.2). В зависимости от типа фильтрующего элемента фильтры разделяются на емкостные, индуктивные и электронные. По сложности фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

Основными параметрами, характеризующими работу фильтра, являются:

1) коэффициент сглаживания - отношение коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра;

2) коэффициент фильтрации - отношение амплитуд основных гармоник напряжения на входе и выходе фильтра;

3) коэффициент передачи постоянной составляющей - отношение постоянных составляющих на входе и выходе фильтра (таблица 17.2).

Таблица 17.1

Схема управляемого выпрямителя	Форма выходного напряжения
однофазная однополупериодная
однофазная мостовая
трехфазная с нейтральной точкой

Стабилизаторы

Электронные устройства предъявляют достаточно жесткие требования к качеству электроэнергии, потребляемой от источников питания. Колебания напряжения и частоты промышленной сети переменного тока, изменение нагрузки в широких пределах, влияние температуры окружающей среды и т.д. диктуют необходимость различных стабилизирующих устройств в схемах источников питания.

...