Классификация и оценка эффективности электронных устройств

В составе электронного аппарата (рис. 6.1) выделяют две основные части: электронное исполнительное устройство (ИУ) и электронное устройство управления (УУ).

Электронное ИУ непосредственно воздействует на электрическую цепь ЭЦ, по которой передается энергия от источника к приемнику. Оно может быть подключено к электрической цепи по одной из схем, показанных на рис. 6.2.

В схемотехнике исполнительные устройства рассматриваются как усилители электрических сигналов. Действие усилителя заключается в том, что он модулирует энергию источника входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого элемента, вносящего сопротивление Z_И в цепь нагрузки Z_Н и источника питания Е. Сопротивление Z_И определяется величиной и знаком входного (управляющего) электрического сигнала, поступающего от электронного устройства управления УУ (рис. 6.1). Наибольшее распространение получила последовательная схема, показанная на рис. 6.2а, наименьшее – последовательно-параллельная схема рис. 6.2в. В последовательной схеме удается получить наименьшие потери энергии в ИУ. Теоретически они могут быть сведены к нулю.

Оценим потери энергии в электрической цепи для схемы на рис. 6.2а, полагая активными сопротивления Z_И =R, Z_Н=R_Н,и считая, что приложенное напряжение U=Е.

При номинальной мощности приемника электрической энергии, равной

,

потери энергии в единицу времени составят:

,

где к_Р - коэффициент передачи энергии

, 0 ≤ к_Р ≤1,

Р_Н - энергия, передаваемая нагрузке в единицу времени.

Потери в относительных единицах:

.

График зависимости Δ Р/Р_ном от к_Р показан на рис 6.3.

Из графика видно, что максимальные потери энергии возникают, когда к_Р =0,25 (когда R = R_Н). В этом случае в единицу времени теряется энергия, равная четвертой части от номинальной мощности электроприемника. Потери энергии равны нулю, когда к_Р =0 или к_Р =1. Поэтому, если при управлении передачей энергии к_Р попеременно принимает значения 0 и 1, то потерь энергии не возникает. Энергия передается импульсами.

На рис. 6.4 приведены диаграммы, характеризующие изменение во времени t падения напряжения u на нагрузке R_Н при передаче энергии импульсами по цепи постоянного тока (рис. 6.4а) и по цепи переменного тока (рис. 6.4б) частотой ω.

Осредненные по времени значения коэффициентов передачи энергии для рис. 6.4а и рис. 6.4б соответственно:

.

В импульсном ИЭУ управляемые элементы (тиристоры, транзисторы) используют в специфическом режиме ключа (включено – выключено).

Электронное УУ преобразует входное управляющее воздействие x (t) в электрический сигнал y (t).

Аналоговые УУ используют для приема, преобразования и формирования на выходе электрического сигнала, изменяющегося по закону непрерывной функции времени. Характеристику управления обычно стремятся получить линейной, обеспечивающей пропорциональную зависимость выходной переменной y от входной переменной x. Если входная переменная не является электрической величиной, то используется датчик, преобразующий входную переменную в электрический сигнал. Достоинствами аналоговых УУ являются: высокое быстродействие и простота устройства. Недостатки: низкая помехоустойчивость, нестабильность параметров, низкая энергетическая эффективность.

Релейные УУ осуществляют преобразование входного сигнала x (t) в ступенчатую (кусочно-постоянную) функцию y (t) путем квантования исходного сигнала по уровню. Высота каждой из ступеней кратна заданному шагу квантования h. Изменение уровня квантованного сигнала y (t) происходит в отдельные моменты времени, когда x (t) = h ּ n, где n - натуральное число: 0, 1, 2, … Частным случаем является двухуровневый (логический) сигнал, значениям которого приписывают 0 и 1.

Импульсные УУ реализуют квантование исходного сигнала x (t) по времени и преобразование его в последовательность импульсов (см. рис. 6.4а), как правило, неизменной частоты (f= 1 /T). В импульсных УУ нарушается непрерывность представления сигнала (информации) во времени. Однако, значения квантованного сигнала y (t) для выбранных моментов времени точно соответствуют значениям исходного сигнала x (t) в эти моменты. Процесс преобразования аналогового сигнала x (t) в последовательность импульсов называют импульсной модуляцией. Например, при широтно-импульсной модуляции длительность импульса τ (см. рис. 6.4а) пропорциональна величине x (t) в момент, соответствующий переднему фронту импульса.

Дискретные УУ используют для приема, преобразования и передачи сигналов, полученных путем квантования по времени или/и по уровню исходного сигнала в виде непрерывной функции времени. Информация передается через амплитуду, широту, фазу либо частоту импульсов напряжения или тока или же через перепады напряжения или тока ступенчатого сигнала. Дискретные УУ уступают аналоговым УУ в точности и быстродействии. К достоинствам следует отнести помехоустойчивость.

К дискретным УУ относятся цифровые УУ, в которых процесс непосредственного преобразования и передачи сигналов заменен процессом преобразования и передачи кодов, поставленных в соответствие исходным сигналам. Передача кодов часто осуществляется по нескольким электрическим связям, количество которых определяется числом разрядов закодированной величины в двоичной системе счисления. Кроме высокой помехоустойчивости цифровые УУ имеют высокую надежность и возможность длительного хранения информации без потерь.