Элементная база автоматики

Рассмотренные выше регуляторы и другие элементы САР ализуются специальными устройствами на электронных, электромеханических и иных элементах. Рассмотрим электронную элементную базу 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.

Р-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 р-n переходом и двумя выводами. Один них, соединенный с р-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, вольт-амперная характеристика которого аналогична вольт-амперной характеристики р-n перехода (рис.7.1).

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-п (рис.7.2.).

Рисунок 7.2 - Схематическое и условное графическое изо­бражение транзисторов типа n-p-п 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-р ос­новной ток, текущий через базу, создается дырками, пришедши­ми из эмиттера, а в транзисторе n-p-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; Т-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 р-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_BX напряжения между анодом и катодом

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

7.2. Аналоговые схемы устройств автоматики

Электронные схемы могут выполнять непосредственно функциональные преобразования сигнала - усиление, сложение, умножение, деление, возведение в квадрат, суммирование, интег­рирование, дифференцирование и другие. 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.

Инвертирующий усилитель. Схема включения инвертирую­щего ОУ представлена на рис.7.5а. Входной сигнал U_BX подается на инвертирующий вход ОУ, при этом с выхода ОУ на инверти­рующий вход организована отрицательная обратная связь R_2. Выходной сигнал U_вых связан с входным сигналом U_вх соотноше­нием:

U _вых /R₂=-U _вх /R₁

а коэффициент усиления по напряжению равен:

K= -U _вых/ U _вх= -R₂/R₁

Не инвертирующий усилитель показан на рис. 10.5б. Входной сигнал U_вх подается на не инвертирующий вход, а инвертирую­щий соединен с общим проводом через сопротивление R₃. Отри­цательная обратная связь через сопротивление R₂ обеспечивает стабильную работу усилителя. Выходное напряжение определя­ется в соответствии с выражением:

U_вых= U_вхR₄ (1 + R₂/R₁)/(R₃ + R₄₎

Рисунок 7.5 - Функциональные элементы автоматики на операционном усилителе.

На рис.7.5в. представлена схема дифференциального включе­ния операционного усилителя, выходное напряжение которого пропорционально разности входных сигналов, поданных на ин­вертирующий и на не инвертирующий входы:

u_вых = U₂R₄ (I + R₂/R₁)/(R₃ + R₄) – U₁ (R₂/R₁).

Схема дифференциального включения операционного усили­теля имеет большие функциональные возможности по сравнению с другими, рассмотренными выше.

На рис.7.6. показан масштабирующий усилитель, который может применяться в качестве входного звена для ступенчатого регулирования, например, в регуляторе (путем ступенчатого ре­гулирования коэффициента усиления).

Широко применяется суммирующий усилитель. Он может использоваться в качестве элемента-формирователя, реализую­щего геометрическое суммирование нескольких переменных на­пряжений.

Наиболее часто при реализации суммирующего усилителя используется инвертирующее включение ОУ, когда несколько входных напряжений U₁, U₂, U₃, каждое через индивидуальный входной резистор R₁, R₂, R₃, подаются на инвертирующий вход (рис.7.7).

Рисунок 7.6 - Масштабирующий усилитель.

В ОУ через резистор обратной связи протекает суммарный ток входов и с учетом нулевого напряжения на инвертирующем входе выходное напряжение равно

U_вых= R₄ (U_{1 +} U₂+ U₃)/(R, + R₂ +R₃)

Рисунок 7.7 - Суммирующий усилитель

Рисунок 7.8 - Интегрирующий элемент

Интегрирующий элемент используется для интегрирования сигналов во времени в схемах вычислений, а также в качестве фильтров сигналов (рис.7.8). Его основной характеристикой яв­ляется постоянная времени интегрирования τ =R₁C₁. Интегриро­вание входного сигнала во времени осуществляется на емкости С₁ включенную в обратную связь ОУ.

Часто используется дифференцирующий элемент - для полу­чения производной от входного сигнала (рис.7.9). На выходе это­го элемента сигнал соответствует первой производной входного сигнала.

Рисунок 7.9 - Дифференцирующий элемент.

Компараторы. Компараторы - это устройства сравнения, сопоставления сигналов для определенного момента времени (рис.7.10). 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 - логический сигнал.

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

Рисунок 7.10 - Аналоговый компаратор.

В аналоговом компараторе (рис.7.10а) операционный усили­тель работает без обратной связи, поэтому имеет очень большой коэффициент усиления. На инвертирующий вход подается опор­ное напряжение U_оп величина которого может изменяться (рис.7.106). На не инвертирующий вход подается анализируемый сигнал U_x. Любое изменение разности входных напряжений вы­зывает скачок выходного напряжения U_вых. Если U_x > = U_оп, то на выходе OУ появляется логическая 1, если U_x<U_oп то - логиче­ский 0.

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

Компараторы находят широкое применение в сравнивающих устройствах систем управления, цифровой технике - аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Цифро - анало­говые преобразователи имеют многочисленные применения для непосредственного преобразования цифровых сигналов в анало­говые и для образования обратных связей по напряжению в со­ставе аналого-цифровых преобразователей.

ЦАП представляет собой резистивный делитель напряжения, управляемый цифровым кодом q₁...q_n - набором логических нулей и единиц, который характеризует входную информацию. Наибо­лее часто применяется резистивная матрица R-2R (рис.7.11). 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 q₁ логической единицы ключ КЛ1 подключает к OУ1 через резистор 2R и цепочку резисторов R опорное напряжение U_on. В результате чего на выходе OУ1 воз­никает ступенька напряжения ∆u_вых. При приходе на вход ЦАП логической единицы более старшего разряда (большего числа), например на q₂, на вход OУ1 подключается еще одна резистивная ветвь с опорным напряжением и на выход OУ1 добавится еще од­на ступенька напряжения. Выходное напряжение нарастает сту­пеньками с квантом (шагом):

∆u_вых= U_on/(2^п-1)

где п - число разрядов.

Разрешающая способность ЦАП определяется числом разря­дов и точностью изготовления резисторов матрицы.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). 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- развёр­тывания во времени, поразрядного кодирования, следящего уравновешивания, считывания.

Схема АЦП считывания приведена на рис.7.12а. Строится АЦП на основе точного резистивного делителя напряжения R₁....R_N, выполненного из одинаковых по номиналу резисторов и компараторов K₁...K_N, где N-число уровней квантования входно­го сигнала U_ex.

На выходах компараторов имеет место позиционный код 0 или 1, когда количество сработавших компараторов (код 1), на­чиная с первого, соответствует уровню измеряемой величины. Быстродействие компаратора определяется временем задержки компараторов. Для случая, изображенного на рис.7.12б, входной сигнал U_вхотносится ко второму уровню - сработали два первых компаратора K₁ и К₂. Цифровой код на выходе АЦП будет 1100. АЦП считывания может иметь неограниченное количест­во разрядов.

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

Рисунок 7.12- АЦП считывания.

Для построения электронных схем, встраиваемых в системы автоматики, требуются различные функциональные преобразова­тели, а также устройства реализующие типовые нелинейности.

Функциональные преобразователи могут выполняться для реализации одной или нескольких зависимостей.

В первом случае, например, для воспроизведения только од­ной зависимости: экспоненты, степенной функции, тригономет­рической и т.д., преобразователи называют специализированными.

Во втором случае, если преобразователи могут быть пере­строены посредством изменения их параметров на воспроизведе­ние многих зависимостей, они называются универсальными.

Преобразователи, основанные на естественных нелинейностях, используют нелинейные участки вольтамперных характери­стик различных полупроводниковых приборов. Например, вольт-амперные характеристики р-п переходов, зависимость фототока от освещённости, зависимость сопротивления терморезисторов от температуры, зависимость собственной частоты колебаний различных упругих резонаторов от прилагаемых к ним усилий и т.д. Логарифмические и экспоненциальные усилители с исполь­зованием нелинейностей р-п переходов хорошо разработаны и нашли широкое применение в измерительной технике.

На рис. 7.13 приведена схема устройства для возведения аналогового сигнала U_вх в квадрат, основанная на использовании нелинейности фоторезисторного оптрона. Фоторезисторный оптрон представляет собой пару светодиод-фоторезистор D₁ - R₂, выполненных интегрально. Величина сопротивления для фоторе­зистора оптрона обратно пропорциональна напряжению, прило­женному к светодиоду R₂ = K/ U_вх. Коэффициент пропорциональ­ности К оптрона зависит от его конструктивных особенностей и в некоторых пределах может подстраиваться резистором R₁.

Операционный усилитель ОУ преобразует U_вх в ток питания светодиода D₁ который освещает фоторезистор R₂, изменяя тем самым его сопротивление. Величина переходного напряжения пропорционально квадрата входного U_вых = U²_вх

Рисунок 7.13 - Устройство возведения в квадрат

Рисунок 7.14 - Устройство извлечения квадратного корня

В расходомерах и датчиках давления часто используется уст­ройство для извлечения квадратного корня. Схему такого устрой­ства можно получить с помощью квадратора при включении его в цепь обратной связи операционного усилителя (рис. 10.14). В точ­ке 1 алгебраическая сумма токов, поступающих по прямой цепи и по цепи обратной связи, при пренебрежении входным током опе­рационного усилителя, равна нулю. Обычно в практических схе­мах выбирают R₄ ⁼ R₅. Выходной сигнал равен U_вых =((K/R₃)U_ex)^0,5.

В реальных физических процессах и системах часто встреча­ются такие нелинейности статических характеристик, как зона нечувствительности, ограничение, релейность, гистерезис, люфт и т.д. Устройства, обладающие зоной нечувствительности, не имеют реакции на входные сигналы, величина которых находится в пределах данной зоны. Например, в электронных усилителях, если входной сигнал меньше порога чувствительности, в элек­тродвигателях отработки сигналов обратных связей, если питаю­щее напряжение меньше напряжения трогания и т.д. Нелиней­ность типа зоны нечувствительности реализуется диодно-резистивной схемой (рис.7.15а). Если входное напряжение U_вх <α U_on, то на выходе схемы сигнал равен нулю, где α- коэф­фициент определяемый потенциометром R₁ и R₂.

Зона нечувствительности может быть выполнена несиммет­ричной с помощью различных установок коэффициентов переда­чи потенциометров R₁ и R₂. Положительное напряжение нечувст­вительности U_H = - α U_on устанавливается потенциометром R₂, a отрицательное - потенциометром R₁ При положительном вход­ном сигнале (U_вх > U_H открыт диод D₂, а диод D₁ закрыт.

Рисунок 7.15 - Схема зоны нечувствительности

Наклон линейных участков (рис. 7.15 б) во втором и четвёр­том квадрантах одинаков и определяется коэффициентом переда­чи ОУ tgβ= R4/R3. Дня воспроизведения характеристики зоны не­чувствительности в первом и третьем квадрантах на выходе схе­мы следует включить дополнительный инвертор.

Рисунок 7.16 - Нелинейность типа "насыщения"

На рис. 7.16 приведена схема воспроизведения нелинейно­сти типа "насыщения". Такой тип нелинейности встречается в усилителях, генераторах и различных преобразователях физиче­ских величин в электрические сигналы. Реализуется схема на ОУ с помощью диодно-резисторных цепочек, включаемых в цепь об­ратной связи. При малых входных напряжениях диоды D₁ и D₂ заперты опорными напряжениями, снимаемыми с потенциомет­ров. Усилитель в этом случае работает в линейном режиме с пе­редаточным коэффициентом –R_ос/R. При достижении выходного напряжения значений +U_огр или -U_oгр открывается диод D₁ или D₂, а резистор R_oc шунтируется низкоомным потенциометром R₁. Дальнейшее изменение выходного напряжения прекращается, так как коэффициент передачи ОУ резко падает. На линейном участ­ке выходное напряжение схемы изменяется по закону в соответ­ствии с рис.7.17а. Ограничение выходного напряжения опреде­ляется величиной U_огр =-[a/(1-a)] U_on

где α - коэффициент, определимый R₁, R₂, R_oc.

Если из схемы (рис. 7.16) исключить резистор обратной свя­зи Roc, то будет получена характеристика идеального релейного элемента (рис.7.17).

Рисунок 7.17 - Типовые нелинейности: насыщение (а), идеальная релейность (б) и реальная релейность (в)

Последовательное соединение схемы, реализующей идеаль­ный релейный элемент, со схемой нечувствительности даёт ха­рактеристику реального релейного элемента (рис. 7.17в).

Гистерезисная характеристика соответствует процессам, имеющим неоднозначность, т.е. одному входному сигналу соот­ветствует несколько разных значений выходной величины. В практике большей частью встречаются характеристики, обла­дающие двузначностью. При возрастании входного сигнала выходной сигнал изменяется по одной кривой, а при уменьшении входного сигнала он изменяется по другой кривой, не совпадаю­щей с первой.

Наиболее просто может быть реализована с помощью элек­тронных устройств прямоугольная петля гистерезиса, имеющая­ся, например, при намагничивании ферромагнитных сердечников трансформаторов. Модель составляется из последовательной це­пи сумматора и схемы ограничения, охваченных положительной обратной связью (рис. 7.18а).

Величина петли гистерезиса прямо пропорциональна величи­не сигнала положительной обратной связи. Регулирование петли гистерезиса в схеме возможно посредством изменения коэффи­циента передачи потенциометра R₇, включенного в цепь положи­тельной обратной связи. Потенциометрами R₅ и R₆ можно регули­ровать величину ограничения выходного сигнала для положи­тельных и отрицательных значений.

Принцип работы схемы, воспроизводящей гистерезисную ха­рактеристику, поясняется на рис. 7.18б. При нулевом входном сигнале выходной сигнал также равен нулю. На характеристике эта точка соответствует началу координат. При малейшем увели­чении входного сигнала выходной начинает возрастать скачком по вертикальной ветке (1-й квадрант) до момента ограничения, т.е. до момента открытия диода D₂. В дальнейшем при снижении входного сигнала изменение выходного протекает по направле­нию стрелки, отмеченной на характеристике.

Рисунок 7.18 - Схема мо­делирования гистерезиса.

Характеристикой люфта обладают различ­ные кинематические ме­ханизмы приборных уст­ройств при изменении направления относи­тельного движения его звеньев.

Связано это с нали­чием зазоров в различных соединениях. Электрическая схема, моделирующая характе­ристику люфта, показана на рис. 7.19а. Пусть в начальный мо­мент конденсаторы С₁ и С₁ разряжены. Пока входной сигнал не превысит значений + U_on или - U_on, выходной сигнал равен нулю, так как оба диода D₁ и D₂ заперты опорным напряжением. Вели­чина люфта а (рис. 10.196) моделируется схемой зоны нечувстви­тельности. При увеличении входного сигнала U_вх > U_on диод D₂ отпирается и выходное напряжение начинает изменяться по сле­дующему закону (участок характеристики 1-2):

U_вых=(C₁R₄/C₂R₃)(U_вх- U_on).

Рисунок 7.19 - Схема модели люфта (а) и ее характеристика (б).

Под действием входного напряже­ния диод D₂ закроет­ся напряжением на конденсаторе С₁. На выходе схемы на­пряжение будет сохраняться постоянным и равным напряжению на конденсаторе С₂ (участок 2-3 характеристики). Когда входное напряжение достиг­нет значения U_вх ≤ U_on + U_C1 откроется диод D₁ и начнется про­цесс перезарядки конденсаторов. При этом работа схемы будет протекать в обратной последовательности. Масштабный усили­тель ОУ₃ на выходе схемы необходим для изменения наклонов линейных участков 2-6 и 3-5.

На рис. 7.20 приведена схема перемножения-деления анало­говых сигналов, построенная на основе логарифмических преоб­разователей. Схема выполнена на счетверённых операционных усилителях. Транзисторы Т1…Т₄ дрлжны иметь идентичные па­раметры и должны быть изготовлены в одном технологическом цикле на одном кристалле. Выходное напряжение усилителя OУ1 определяется разностью базо-эмиттерных напряжений транзи сторов T₁ и Т₂. Коллекторные токи этих транзисторов задаются усилителями ОУ1 и ОУ2 на уровнях соответственно U₁/R₁ и U₂/R_2. Три операционных усилителя ОУ1…ОУ3 схемы используются в логарифмических преобразователях, а на четвёртом усилителе ОУ4 выполнен экспоненциальный преобразователь. Требование идентичности всех применённых транзисторов связано в данной схеме с необходимостью температурной стабилизации выходной характеристики перемножителя. Выходное напряжение ОУ4 можно записать в следующем виде:

Соотношение резисторов в приведённой формуле должно быть выбрано так, чтобы выходное напряжение U₃ не превысило максимального значения на линейном участке работы операци­онного усилителя. При необходимости выполнения операции де­ления U₁ на U₂ напряжения U₂ и U_on должны поменяться ролями.

Рисунок 7.20 - Схема перемножителя-делителя