|
| |
  |
Главная » Книги и журналы 1 ... 25 26 27 28 29 30 Эта зависимость напряжения С/к-э от тока изображена на рис. 22-7,6 в виде прямой линии CD, которая называется нагрузочной характеристикой. С помощью этой характеристики и семейства характеристик может быть определена рабочая точка транзистора, т. е. его коллекторный ток и напряжение на нем при заданном токе базы. Например, при токе базы Ii рабочая точка определится как тоКа А пересечения соответствующей характеристики  Рис. 22-7. Схема включения с общим эмиттером (а) и характеристики (б) транзистора транзистора с нагрузочной характеристикой. При изменении управляющего тока базы 1, например, от значения Ix до /бз ток коллектора изменяется в соответствии с нагрузочной характеристикой от значения, соответствующего точке А, до значения в точке В. Такая работа транзистора на нагрузочной характеристике называется работой в активной зоне и принципиально ничем не отличается от работы электронной лампы. Усилительные свойства /л Рис. 22-8. Диаграмма токов усилителя, работающего в режиме переключения транзистора в этом режиме характеризуются коэффициентом усиления по току BAIJAIe, (22-11) где Д/, - приращение тока коллектора при изменении тока базы на значение AI. Отечественная промышленность выпускает большое число самых разнообразных транзисторов на напряжения до 200 В и токи до нескольких десятков ампер. Так как при работе в активной зоне напряжения и токи транзистора значительны, то в нем выделяется большая мощность, что приводит к сниженик5 КПД и нагреву транзистора. Поэтому транзисторы, работающие в активной зоне, используются, как и электронные лампы, лишь в маломощных усилителях. Однако если воспользоваться свойством транзистора проводить большой ток при малом падении напряжения на нем, то можно создать схемы усиления, обладающие высоким КПД. Действительно, при достаточно большом токе базы (/5 1) рабочей точкой транзистора будет точка D (рис. 22-7, б), где ток коллектора близок к максимальному /ктах а напряжение на транзисторе незначительно. Следовательно, в этом режиме потери в транзисторе малы, хотя в нагрузке и выделяется большая мощность. Такой режим носит название режима насыщенна, и для обеспечения его необходимо только создать большой Ток в базе согласно условию /б >/к шах/В. (22-12) Другой режим работы транзистора с малыми потерями характеризуется точкой С. В этом режиме запертого транзистора, так называемом режиме отсечки, потери в Нем также невелики, так как, несмотря на большое коллекторное напряжение, близкое к U , ток коллектора мал и равен так называемому нулевому току коллектора 1ф В этом режиме ток базы щшшшшшшшшт Должен быть равен нулю, точнее, должен быть небольшим отрицательным током, равным 4о, что обеспечивается подачей небольшого положи- тельного смещения на базу. Из сказанного следует, что транзистор может работать с малыми потерями и высоким КПД только при условии, если он длительно находится либо в режиме отсечки, Рис. 22-9. Транзисторы режиме насыщения, а переход из одного режима в другой проис-ходит* достаточно быстро. На этом основан принцип действия мощных усилителей, работающих в так называемом режиме переключения. На рис. 22-8 приведена диаграмма токов, поясняющая работу такого усилителя. Управляющий ток Jg подается на базу импульсами, относительная длительность которых характеризуется коэффициентом заполнения К = Ш (22-13) где Т„ - длительность импульса; Г- период импульса. В соответствии с характером тока базы ток коллектора тоже имеет форму прямоугольных импульсов. Среднее зна- чение тока коллектора 1, обозначен- . С , . ..-V-i**/;: 1; ное на рис. 22-8 штриховой линией, зависит от максимального тока /кmax = , -->:. = U IR и от коэффициента заполнения .адх' .СГ- --..А^ fe, согласно выражению -->-.%v4jv!l-: i;V .V .л'-У- /ер = -fe,. (22-14) . : Среднее значеш1е тока в нагрузке 22-10. Примеры конструктивного можно регулировать измевднием отно- исполнения микросхем сительной длительности управляющего тока базы. Формирование импульсов тока базы и регулирование их относительной длительности производятся с помощью специальных схем, построенных на тех же транзисторах, работающих в релейном режиме. Внешний вид транзисторов показан на рис. 22-9. Схемы усиления на транзисторах, работающих в режиме переключения, широко применяются в качестве силовых усилителей в различных системах автоматики, например, для регулирования частоты вращения двигателей, напряжения генераторов, а также в силовых переключающих устройствах - в выключателях защиты сетей, пускателях и т. п. Быстрое расширение областей и объема применения устройств на полупроводниковых элементах вызвало изменение технологии х изготовления. Переход к так называемой микроэлектронике позволил резко повысить надежность, уменьшить габариты, массу и снизить стоимость изготовления электронных устройств. Следует заметить, что микроэлектроника заключается не просто в уменьшении габаритов элементов, а в принципиально новом способе их изготовления. Микрозлектронное изделие - это электронное устройство, способное выполнять определенную функцию, например усиление электрического сигнала, представляющее собой полупроводниковую пластинку, в объеме и на поверхности которой сформированы методами диффузии и напыления элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки с выводами. На принципах микроэлектроники разработаны и выпускаются промышленностью многочисленнь1е серии усилителей различного назначения. На рис. 22-10 представлен внешний вид таких усилителей различного конструктивного исполнения В настоящее время подавляющее большинство устройств автоматики, радиоэлектронных устройств, приборов разрабатывается с применением микросхем. Из них в сочетании t 1ругими активными и пассивными элементами собирается изделие 22-4. ТИРИСТОРЫ Тиристоры - управляемые полупроводниковые приборы - предназначены для бесконтактной коммутации электрических цепей. Принцип действия тиристоров, как и транзисторов, основан на физических явлениях в кристалле полупроводника (кремния), состоящем из слоев с разными типами проводимости. Конструктивно тиристор состоит из четырехслойного кристалла кремния, помещенного в гфметизированный металлический корпус. Внешние выводы от крайних слоев кристалла служат анодом и катодом, а вывод от среднего слоя является управляющим электродом. В отличие от транзистора тиристор может находиться только в двух крайних состояниях проводимости. Либо он полностью проводит, т. е. при любом токе радение напряжения на тиристоре не превышает 1 - 1,5 В, либо тиристор заперт, тогда при любом напряжении ток через тиристор очень мал. Переход в эти состояния обеспечивается соответствующими токами управления. Если ток управления отсутствует или слишком мал, то тиристор заперт; если ток управления хотя бы кратковременно превысит некоторое критическое значение, то тиристор откроется. Зависимость состояния проводимости тиристора от тока управления удобно анализировать, пользуясь вольт-амперной характеристикой тиристора (рис. 22-11). При токе управления /у = О тиристор заперт, т е. его проводимость ничтожно мала и не изменяется с ростом прямого анодного напряжения вплоть до напряжения переключения [/ ер (точка А на рис 22-11). Если прямое анодное напряжение превысит напряжение переключения, то тиристор перейдет в состояние проводимости. Это сопровождается лавинообразным увеличением  Рис 22-11 Вольт-амперная характеристика тиристора тока, который ограничивается только внешним сопротивлением цепи, так как падение напряжения на тиристоре становится очень малым. Режиму проводимости на рис. 22-11 соответствует точка С. При снижении тока / через тиристор последний остается в состоянии проводимости вплоть до точки В, характеризуемой током удержания тиристора /уд. Если ток / становится меньше /уд, то электрическая прочность тиристора восстанавливается и он опять запирается. Роль тока управления заключается в том, что он уменьшает напряжение переключения тиристора. Если /у становится достаточно большим, то напряжение переключения снижается до нескольких вольт. Поэтому при подаче импульса тока управления тиристор, находящийся под анодным напряжением, мгновенно переключается, т. е. из запертого состояния переходит в состояние полной прово- Рис. 22-12. Тиристоры на токи 63 и 50 А Димосга и остается в нем и после снятия импульса тока управления. Если к тиристору приложить обратное напряжение, то он останется в запертом состоянии до тех пор, пока приложенное напряжение не превысит напряжение пробоя U p. Ток управления в обычных тиристорах не влияет на значение U p. Однако существуют специальные тиристоры, управляемые в обоих направлениях, так называемые симметричные тиристоры. У них обратная ветвь воЛьт-амперной характеристики подобна прямой ветви. Из сказанного выше следует, что гиристор является прибором, управляемым неполностью, так как подачей импульса тока управления можно только открыть тиристор, а запереть его током управления нельзя. Для запирания тиристора нужно снизить анодный ток до значения, меньшего тока удержания, т. е. воздействовать не на управление, а на силовую цепь. В этом отношении свойства тиристора подобны свойствам ионных приборов, например тиратронов. Это обстоятельство несколько снижает возможности применения тиристоров в схемах коммутации цепей. Поэтому ведутся разработки полностью управляемых тиристоров, которые могли бы запираться путем воздействия на цепь управления. Уже созданы образцы полностью управляемых кремниевых тиристоров на токи до 10 А и напряжения сотни вольт. Отечественная промышленность выпускает силовые тиристоры различных серий на токи до 500 А и напряжения до 2000 В, которые могут применяться для коммутации цепей большой мощности. На рис. 22-12 показаны тиристоры на токи 63 и 50 А. Хорошо видны аноды с резьбой, катодный и управляющий электроды. Достоинства тиристоров: малые габариты, простота конструкции, отсутствие подвижных частей, неограниченное число допустимых включений и др.- делают весьма перспективным использование их в качестве бесконтактных аппаратов. Особенно целесообразно применение их в качестве коммутационных аппаратов переменного тока. Включение в однофазную цепь показано на рис. 22-13. Два тиристора включаются встречно-параллельно, один проводит первук? половину периода, а другой - вторую. Включение цепи производится подачей импульсов управления, синхронных с анодным напряжением и посту- пающих непрерывно в течение всего времени, пока цепь включена При снятии управляющих импульсов тиристоры запираются при переходе переменного тока через нуль. Следовательно, при частоте 50 Гц максимальное время запаздывания отключения составляет 0,01 с, т. е. полпериода, тогда как полное время отключения, например, масляных выключателей равно приблизительно 0,2 с. Сокращение времени отключения в 20 раз очень выгодно, так как резко уменьшается степень вредных последствий аварийных коротких замыканий. Вместо двух встречно-параллельно включенных тиристоров можно включить один симметричный тиристор. В этом случае упростится схема управления. Л2 Z,
Рис. 22-13. Схема бесконтактного регулятора переменного тока Рис. 22-14. Кривые напряжения и тока тиристорного регулятора переменного тока при активной нагрузке Рассмотренная схема может быть использована также для плавной регулировки тока нагрузки. Для этого нужно смещать импульсы тока управления iy по фазе относительно переменного анодного напряжения. На рис. 22-14 показано, что увеличение этого фазового сдвига от oti до 2 изменяет длительность полуволны напряжения и„ и тока ( на нагрузке, уменьшая тем самым их средние значения за половину периода. Если один тиристор отключить, то о(Тавщийс будет проводить ток только в одном направлении, т. е. превратится в управляемый выпрямитель. Управляемые выпрямители, особенно многофазные, находят очень широкое применение в электроприводе, электротехнологии, автоматике и т. д. Использование тиристоров в качестве бесконтактных аппаратов на постоянном токе затруднительно из-за проблемы отключения. Если в цепях переменного тока тиристоры выключаются автоматически при прохождении тока через нуль, то в цепях постоянного тока приходится применять специальные меры по принудительному снижению тока тиристора до нуля, т. е. производить так называемую искусственную коммутацию тока тиристора. Существует много разнообразных схем искусственной коммутации. Большинство из них содержит коммутирующие конденсаторы, которые в нужный момент с помощью вспомогательных тиристоров вводятся в цепь основного тирис-ора и выключают его. На рис. 22-15 изображена одна из схем искусственной коммутации. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор Д включается цепь нагрузки R (ток через тиристор равен сумме токов нагрузки i и через конденсатор ic), а коммутирующий конденсатор С заряжается до напряжения источника Е. Полярность напряжения Uc указана на рис. 22-15, а. Схема готова к отключению, и если в момент tj подать управляющий импульс на вспомогательный тиристор Дв, то конденсатор С окажется включенным параллельно + 0- л  Рис. 22-15. Схема тиристорного выкдючателя постоянного тока (а) и диаграмма его работы (б) тиристору Д, ток нагрузки перейдет с тиристора Д на конденсатор С и тиристор Д выключится. Под действием ЭДС источника конденсатор будет перезаряжаться. Напряжение конденсатора uq изменится в процессе перезарядки от -£ до -{-Е (рис. 22-15,6), а ток ic постепенно спадет до нуля. Нагрузка R окажется отключенной от источника. Если теперь снова в момент включить нагрузку R , открыв тиристор Д, то опять конденсатор С зарядится до напряжения - £ и схема будет готова к повторному отключению. Таким образом, задача отключения тиристора на постоянном токе оказывается сложнее, чем на переменном. Это проблема решится окончательно лишь после создания мощных, полностью управляемых тиристоров, способных запираться при воздействии только на цепь управления. ГЛАВА Бесконтактные коммутационные устройства 23-1. ПРИНЦИП ПОСТРРЕНИЯ РЕЛЕ Бесконтактные реле являются частным видом усилителей, в которых усиление Сделано столь большим, что получается скачкообразное изменение выходной величины при достижении управляющим сигналом некоторого, порогового значения. Работа большинства бесконтактных реле основана на тех же принципал, что и работа усилителей. Бесконтактные реле обладают рядом преимуществ по сравнению с обычным реле. Большой (почти неограниченный) Срок службы, мало зависящий от частоты включения, почти полное отсутствие надобности в уходе и подрегулировке во время зксплуатации, значительно меньшая зависимость параметров срабатывания и отпускания от ударов и вибраций, пожаро- и взрывобезопас-ность, большая чувствительность и меньшая инерционность - все зти несомненные достоинства бесконтактных реле делают их использование вместо обычных реле очень заманчивым. Однако не во всех случаях бесконтактные реле могут заменить обычные. Их основной недостаток - наличие тока в цепи нагрузки в положении выключено . Правда, зтот ток очень мал, но все равно потенциальная связь нагрузки с источником остается. Позтому бесконтактные реле не могут быть использованы для полного разрыва цепи или соединения независимых электрических цепей. Наибольшее применение бесконтактные реле нашли в качестве логических элементов, с помощью которых решаются задачи автоматического или программного управления машинами, механизмами или процессами. Ввиду безусловных своих преимуществ бесконтактные реле почти полностью вытеснили обычные реле из этой области. 23-2. РЕЛЕ НА МАГНИТНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ Работа реле характеризуется скачкообразным изменением тока в рабочей цепи при подаче управляющего сигнала определенного значения. Такой режим работы может быть реализован в магнитных усилителях путем так называемой положительной обратной связи с выхода усилителя на его вход. Обратная связь осуществляется в магнитных усилителях последовательным включением в цепь нагрузки специальной обмртки обратной связи ООС (рис. 23-1, а), которая, так же как и обмотка управления ОУ, охватывает оба сф-дечника. Обратная связь называется положительной, если она действует согласно с управляющим сигналом, т. е. подмагничивание сердечников усилителя осуществляется двумя обмотками - управления и обратной связи. Обмотка обратной связи как бы помогает обмотке управления подмагничивать сердечшки, вследствие чего от обмотки управления требуется меньшая МДС. Если число витков обмотки ООС выбрать достаточно большим, то эта обмотка одна обеспечит подмагничивание сердечников даже при отсутствии тока в обмотке управления. Для размагничивания сердечников приходится подавать в обмотку управления отрицательный ток, достаточный для компенсации положительной МДС обмотки ООС. Построение характеристики магнитного усилителя для данного случая показано на рис. 23-1,6, где характеристика магнитного усилителя без обратной связи представлена кривой 1, а кривая 2 - -и   Рис. 23-1. Схема (а) и характеристики (б) магнитного усилителя с положительной обратной связью характеристика обратной связи - изображает зависимость между током нагрузки / и МДС обмотки обратной связи, выраженную уравнением -foc = 4Hoc, (23-1) где vfoc - число витков обмотки обратной связи; F- МДС обмотки обратной связи. Как видно из этого рисунка, обмотка ООС при' всех токах нагрузки создает МДС, большую, чем требуется согласно кривой L Следовательно, обмотка ОУ должна создавать МДС Fy, компенсирующую избыток МДС обмотки ООС согласно равенству Fy = Fp -Fo (23-2) где Т^рез - результирующая МДС, определяемая по кривой /. В соответствии с равенством (23-2) на рис. 23-1,6 построена характеристика магнитного усилителя 3, представляющая собой зависимость тока выхода от тока управления усилителя с сильной положительной обратной связью. Как видно из рисунка, построенная характеристика управления имеет участок АВ с отрицательным наклоном. Устойчивая работа усилителя на этом участке невозможна. При малейшем случайном изменении тока нагрузки, например при его возрастании, увеличивается МДС обмотки ООС, что вызывает дальнейшее увеличение тока, и так далее до тех пор, пока усилитель не выйдет на верхнюю (или нижнюю) пологие ветви характеристики 3. Значит, устойчивая работа усилителя возможна лишь на этих пологих ветвях, причем переход с одной ветви на другую происходит следующим образом. При отсутствии тока управления ток нагрузки максимален, что видно из рис. 23-1,6. При плавном увеличении отрицательного тока управления до значения, соответствующего МДС Fot (точка В), происходит скачкообразное уменьшение тока нагрузки до значения /о, т. е. переход в точку С. При обратном изменении МДС управления до значения Fp (точка А) происходит скачок тока в точку D. Следовательно, поведение магнитного усилителя напоминает работу реле, причем здесь также наблюдается разница в значениях МДС срабатывания и отпускания. Как видно из рис. 23-1,6, эта разница зависит от наклона участка АВ, т. е. от степени влияния обмотки обратной связи. Чем сильнее обратная связь, гсм больше наклон и больше разница в МДС срабатывания и отпускания. 1н 1н Гер +F -F 1н  Рис. 23-2. Характеристики бесконтактного реле и его контактные эквиваленты На вид релейных характеристик также влияет и постоянное смешение, создаваемое МДС Fm специальной обмотки смешения. Эта МДС смешает характеристику реле вдоль оси абсцисс, причем направление смещения зависит от полярности тока смещения. В результате могут быть получены характеристики реле с различными свойствами. На рис. 23-2 изображены три вида характеристик и соответствующие им эквиваленты контактных реле. Характеристика на рис. 23-2, а соответствует реле с замыкающим контактом, на рис. 23-2, б - реле с размыкающим контактом. Коэффициент возврата этих реле К = Vorn- (23-3) Характеристике на рис. 23-2, в соответствует реле с блокировкой, так как при снятии управляющего сигнала реле остается во включенном состоянии (точка А на рис. 23-2, в). Магнитные усилители, работающие в релейном режиме, используются в автоматике для бесконтактной коммутации электрических цепей. Отсутствие контактов повышает надежность релейного элемента, особенно при большой частоте включений. Недостатком таких схем является наличие тока /о в цепи в выключенном состоянии. Хотя этот ток и невелик, однако иногда он нежелателен и даже недопустим. Релейные магнитные усилители широко применяются в схемах автоматики также в качестве логических элементов, осуществляющих программное управление электрическими цепями. Например, бесконтактные реле серии ЛТ [24] разработаны специально для систем комплексной автоматизации прокатных станов и других объектов металлургической промышленности. В этом случае надежность, обусловленная отсутствием контактов, играет особо важную роль, так как в таких установках частота включений особенно велика. Срок же службы подобных бесконтактных элементов фактически не зависит от числа включений, а ограничивается только старением изоляции, вентилей и других элементов. 23-3. ЭЛЕКТРОННЫЕ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЛЕ Работа бесконтактных электронных и полупроводниковых реле основана на введении положительной обратной связи в соответствующие усилители. Особенно широ1со применяются подобные реле в счетно-решающей технике  R2 Ui Т1 Rr., ивш оО  Рис. 23-3. Схема (а) и диаграмма работы (б) реле на транзисторах в качестве логических элементов. В этом случае особо важную роль играет не только повышенная надежность элементов, но и их быстродействие. Число включений в секунду достигает здесь сотен тысяч, что недостижимо для обычных электромагнитных реле. В качестве примера на рис. 23-3, а приведена упрощенная схема реле на транзисторах. Реле представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока с положительной обратной связью, т. е. выходное напряжение с коллектора транзистора Т2 подается через резистор R2 на вход транзистора Т1. Реле имеет только два устойчивых состояния: либо транзистор Т1 закрыт, тогда транзистор Т2 открыт, либо наоборот. Если входной (управляющий) сигнал Uy отсутствует, то под действием напряжения смещения С/см транзистор Т1 окажется в состоянии отсечки (закрытым), а транзистор Т2 перейдет в состояние Насыщения, т. с. откроется, так как коллекторное напряжение транзистора Т1 через резистор R1 попадет на базу Т2. Напряжение на выходе C4 x будет близко к нулю. При подаче достаточного отрицательного напряжения Uy > Up на вход транзистора Т1 последний начнет открываться, его коллекторное напряжение снизится, что приведет к запиранию транзистора Т2 напряжением смещения С/см- А это повлечет за собой скачкообразное увеличение коллекторного напряжения транзистора Т2, которое через резистор R2 попадет на базу Т1 и обеспечит переход Т1 в насыщенное состояние. На выходе появится напряжение С/йх- Параметры схемы рассчитаны так, что одного только коллекторного напряжения транзистора Т2 недостаточно для удержания транзистора Т1 в насыщенном состоя- 1 ... 25 26 27 28 29 30 |
|||||||||||||||||||||||||||||