Элементная база автоматики

Глава 7. Элементная база устройств автоматики

Часть 2. Технические средства автоматики

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

Современные электронные устройства выполняются в основном на базе полупроводниковых прибо­ров: дискретных элементов - диодов, транзисторов-микросхем, стабилитронов, тиристоров и т.д. и в интегральном исполнении.

Основой большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный р - n переход, возникающий на границе раздела двух полупроводников с разны­ми типами электропроводности. Вольт - амперная характеристика р -n перехода представ­лена на рис.7.1.

Рисунок 7.1 – Вольт - амперная

характеристика р -n перехода.

P-n переходы изготавливаются 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 p-n переходом и двумя выводами. Один из них, соединенный с p- областью называется анодом, другой, соединенный с n- областью, – катодом. Диод проводит электрический ток только в одном направлении, поэтому он находит применение для выпрямления переменного тока в однополярный. Он представляет из себя нелинейный пассивный элемент, вольтамперная характеристика которого аналогична вольт-амперной характеристики p-n перехода (рис.7.1). Изображается диод на схемах в виде стрелы.

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

Биполярный транзистор. Он представляет из себя полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n переходами и тремя выводами.

Транзистор имеет три области: эмиттер, базу и коллектор. Переход, который обра­зуется на границе областей эмиттер - база, называется эмиттерным, а на границе база - кол­лектор – коллекторным. Электропроводность базы может быть как электронной, так и дырочной; соответственно различают транзисторы со структурами p-n-р и n-p-n (рис.7.2.).

Рисунок 7.2 – Схематическое и условное графическое изображение транзисторов типа n-p-n и р-n-р:

э- эмиттер, б- база, к- коллектор.

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

В усилитель­ном режиме работы транзистора эмиттерный 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.7.3): с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

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

Рисунок 7.3 – Схемы включения транзисторов: а) с общей базой, б) с общим эмиттером, в) с общим коллектором; T-транзистор; Е_п- напряжение питания транзистора; U_вх- входной сигнал; U_вых – выходной сигнал (усиленный); R_н- сопротивление нагрузки.

Полевой транзистор. Это прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающих через проводящий канал и управляемых электрическим полем. Полевой транзистор имеет три вывода – исток, сток и затвор. 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. Тиристор – это четырехслойный кремниевый прибор. Он имеет три электрода: анод А, катод К и управляющий электрод У. Его можно представить двумя транзисторами с тремя p-n переходами (рис.7.4)._. Тиристоры служат для прерывания токов и напряжений, регулирования мощности постоянного и переменного тока. Запуск тиристора осуществляется путем подачи с блока управления БУ тока на управляющий электрод У. После того как тиристор открывается, управляющий электрод перестает оказывать воздействие на протекание тока I. 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_вх напряжения между анодом и катодом.

	а)
		б)

Рисунок 7.4 – Тиристор- структура (а) и схема включения (б): А- анод, К- катод, У- управляющий электрод, БУ- блок управления, U_вх- входное напряжение, I- ток тиристора, R_н- сопротивление нагрузки.

Операционный усилитель (ОУ) - многокаскадный усилитель с дифференциальным входом и коэффициентом усиления, стремящимся к бесконечности, с высоким входным сопротивлением и электрическим потенциалом смещением входа, близким нулю. Операционный усилитель имеет два входа- прямой и инверсный, которые позволяют на выходе усилителя иметь сигнал, пропорциональный разности двух входных сигналов. Операционный усилитель – интегральная микросхема, выполненная из множества транзисторов, диодов, резисторов. К основным параметрам ОУ, которые характеризуют его качество, относят:

- 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 10⁷ Ом и более;

- выходное сопротивление ОУ - внутреннее сопротивление усилителя со стороны выхода. Составляет обычно величину от десятков до нескольких сотен Ом.