Элементы систем управления. Логические элементы (И, ИЛИ, НЕ). Логические схемы на диодах и транзисторах

По назначению элементы систем управления можно разделить на следующие группы: логические (И, ИЛИ, НЕ, Память); функциональные (синхронизирующие устройства, датчики параметров); усилительные (промежуточные усилители, выходное устройство); временные (фазосдвигающее устройство, задающие генераторы, распределители импульсов); специальные схемы (схемы пуска, реверса).

Логические элементы используют сигналы двух различных значений (высокий и низкий потенциалы). Один из сигналов обозначают единицей (1), другой — нулем (0). Потенциалы, соответствующие сигналам 1 и 0, могут быть положительными, иметь разные знаки и быть отрицательным. Если 1 соответствует высокому потенциалу е_в, а 0 — низкому е_н, то логика называют положительной (рис. 1, а). При противоположном соответствии сигналов логику называют отрицательной (рис. 1, б).

Рис. 1. Уровни сигналов положительной и отрицательной логики

Наибольшее распространение получили логические схемы на диодах и транзисторах с потенциальной формой представления 1 и 0. С помощью логических схем решаются задачи, которые имеют логическое содержание. Самое сложное логическое устройство может быть составлено из трех логических схем: И, ИЛИ, НЕ, которые являются основными.

Схемы управления тиристорами. Фазосдвигающее устройство

На рис. 1 показаны простейшие экономичные схемы управления тиристорами. Наиболее простой метод включения тиристора представлен на рис. 1, а, где в качестве необходимого для включения управляющего тока используется часть тока, проходящего через тиристор. В разомкнутом состоянии контакта К тиристор не может открыться, так как на управляющий электрод не подается положительный потенциал. 

При замыкании контакта К в положительный полупериод анодного напряжения через резисторы R1 и R2 и диод Д протекает ток управления. Сила этого тока зависит от мгновенного значения анодного напряжения, которое увеличивается от нуля до максимального значения. Ток управления достигнет необходимого для включения тиристора значения при определенном угле а. Если уменьшить сопротивление реостата R2, угол управления а станет меньше, так как ток управления достигнет необходимого значения при меньшем анодном напряжении. 

При полностью введенном реостате R угол управления а достигнет максимального значения, которое не может превысить 90°, так как максимальное анодное напряжение обеспечивает максимальный ток управления. Приведенная схема может работать на постоянном токе. 

Тиристор может открыться при подаче на анод положительного полюса напряжения. Реостатом R2 устанавливается ток управления необходимой силы. Однако для закрывания тиристора необходимо шунтировать перемычкой или прервать цепь анодного тока.

Как проверить резистор, конденсатор, диод и транзистор на исправность?

Эксплуатация полупроводниковых устройств

Проверка состояния и качества изготовления полупроводниковых систем автоматического управления и контроля выполняется электрогруппой судна или при ее участии. Наиболее полные проверки производятся при приемке судна после постройки или заводского ремонта. 

В процессе приемо-сдаточных испытаний проверяют конструктивное выполнение, состояние монтажа и функционирование систем. Проверка конструктивного выполнения и монтажа должна охватывать все части автоматической системы: блоки системы управления, которые монтируются в щите или панели, датчики и кабельные соединения. Проверка производится при полностью обесточенной системе.

Защита тиристоров от повреждений (охлаждение, групповое включение, шунтирование)

Вследствие аварийных колебаний напряжения питания или переходных процессов и возникновения кратковременных всплесков э. д. с. амплитуды прямого и обратного напряжений, приложенных между анодом и катодом тиристора, могут оказаться выше допустимых. В тиристорных схемах максимальные (амплитудные) значения напряжений между анодом и катодом не должны превышать половины их максимально допустимых значений, указанных в технических условиях. 

В некоторых случаях для предохранения тиристоров от пробоя в обратном направлении рекомендуется последовательно с ними включать обычный диод рассчитанный на такой же прямой ток, но с большим допустимым обратным напряжением. Для этих же целей можно использовать последовательное соединение тиристоров.

Схемы защиты тиристоров (рис. 1) дают возможность защитить переход между катодом и управляющим электродом от пробоя или превышения допустимого тока управления, что приводит к перегреву перехода. Переход между катодом и управляющим электродом тиристора имеет небольшое напряжение пробоя (для маломощных тиристоров — единицы вольт). При подаче на управляющий электрод отрицательного напряжения по отношению к катоду переход может оказаться пробитым. 

Статические преобразователи электроэнергии на судне

В судовых условиях возникает необходимость в следующих видах преобразования: выпрямление — преобразование одно-или трехфазного переменного тока в постоянный ток;

• инвертирование—преобразование постоянного тока в одно- или трехфазный ток фиксированной или меняющейся частоты;
• преобразование частоты — преобразование одно- или трехфазного тока заданной частоты соответственно в одно- или трехфазный ток другой, фиксированной или меняющейся, частоты;
• преобразование числа фаз — преобразование одно- или трехфазного тока заданной частоты соответственно в трехфазный или однофазный ток той же частоты.

В настоящее время наибольшее распространение на судах, вследствие явных преимуществ, получили полупроводниковые преобразователи.

Получение односторонней проводимости полупроводников достигается соединением кристаллов с донорной и акцепторной примесями. В кристаллах с донорной примесью образуются «лишние» свободные электроны и он обладает отрицательной (n — негативной) проводимостью, а в кристаллах с акцепторной примесью в результате «захвата» электронов атомами акцептора образуются дырки и он обладает положительной (p - позитивной) проводимостью. 

Что такое логические элементы? Понятие о логических элементах

Внедрение частичной и полной комплексной автоматизации на судах привело к широкому использованию вычислительной техники для управления энергетическими установками и судном в целом. В судовых автоматических системах в основном используют контуры дискретного действия, в которых сигналы могут принимать только два значения: максимальное и минимальное (или «включено» и «выключено»). Для цепей управления, сравнения в вычислительных устройствах и других системах автоматики широко применяют логические схемы, которые анализируются известными методами математической логики.

Логические схемы могут быть собраны на любых элементах с двумя устойчивыми состояниями: электромагнитных реле, электронных лампах, полупроводниках, диодах, транзисторах, магнитных элементах и т. д.

Фотоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы)

Работа фотоэлектронных приборов основана на явлениях, вызываемых действием лучистой энергии. По характеру действия светового потока на фотоэлектронный прибор различают приборы с фотоэффектом: внутренним — на основе полупроводников, в которых под действием фотонов происходит генерация носителей зарядов - электронов проводимости и «дырок»; внешним, у которых под действием светового потока возникает фотоэлектронная эмиссия.

К фотоэлектронным приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

К фотоэлектронным приборам с внешним фотоэффектом относятся электровакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Полупроводниковые управляемые вентили. Динисторы и тиристоры

Полупроводниковые вентили могут иметь сложную четырехслойную структуру из трех р—n-переходов (рис. 1). Напряжение внешнего источника э. д. с. включается плюсом к крайнему р-переходу, а минусом — к крайнему n-переходу. При этом крайние переходы оказываются смещенными в прямом направлении, а средний n—р-переход — в обратном направлении.

Рис.1. Тиристор

а — устройство; б — условное обозначение; в — эквивалентная схема; г — схема включения; д — вольт-амперная характеристика

Ток через прибор не протекает. Однако при повышении напряжения источника до определенной величины происходит электрический пробой среднего - n-р-перехода и через прибор начинает протекать ток.

Что такое транзистор? Усилители на транзисторах

Трехслойный прибор, состоящий из двух переходов типа р-n называется транзистором. По существу, транзистор представляет собой два последовательно и встречно включенных диода, т. е. крайние слои имеют один тип проводимости (например, n-проводимость), а средний слой имеет р-проводимость. Схематично транзистор типа р—n—р представлен на рис. 1,а.

Средний слой обозначается буквой Б и называется базой. Один из крайних слоев, эмиттирующий носители электрического ток (в транзисторах типа р—n—р — электроны, в транзисторах типа n—р—n—«дырки»), называется эмиттером и обозначается буквой Э. Другой крайний слой, обозначаемый буквой К, называется коллектором.

Полупроводниковые вентили. Схемы выпрямления переменного тока

Известно, что полупроводниковые материалы (германий, кремний) относятся к четвертой группе периодической системы Менделеева и имеют на своей внешней оболочке четыре валентных электрона. Кристаллическая решетка полупроводников построена таким образом, что каждый из атомов окружен четырьмя другими атомами. Связь между ближайшими атомами, осуществляемая валентными электронами, называется парноэлектронной.

Каждый валентный электрон имеет свое место в кристаллической решетке, но под воздействием внешних факторов любой из них может покинуть свою орбиту, превратившись в свободный электрон. Когда валентный электрон освобождается, на орбите образуется «дырка», которую можно рассматривать как положительный заряд. «Дырка» может быть занята другим свободным электроном. Движение «дырок» хаотическое. Если к полупроводнику приложить напряжение, движение электронов и «дырок» становится направленным, начинает протекать ток, обусловленный нарушением валентных связей химически чистого вещества. Величина этого тока очень маленькая из-за небольшого числа свободных электронов в полупроводнике.

Газоразрядные приборы

Газоразрядными, или ионными, называют электронные приборы, в которых используется электрический разряд в газовой среде, сопровождающийся направленным движением электронов и ионов. Величина тока, протекающего через ионный прибор, зависит от многих факторов, а возникновение тока обусловлено столкновением свободных электронов с атомами газа и ионизацией газа. Процесс ионизации газа нарастает лавинообразно, поэтому для ограничения тока последовательно с газоразрядным прибором включают ограничительный резистор.

По способу получения положительных ионов различают разряды: самостоятельный, возникающий под действием электрического поля, и несамостоятельный, для поддержания которого, кроме электрического поля, нужен внешний источник энергии, обеспечивающий начальную ионизацию. По плотности тока в разрядном промежутке различают темный, тлеющий и дуговой разряды.

Схема включения ионного прибора и вольт-амперная характеристика электрического разряда приведены на рис. 1,а, б.

Что такое триод? Устройство и принцип действия триода. Усилители на триодах

При рассмотрении двухэлектродной лампы было установлено, что ток в ее анодной цепи зависит от электрического поля вблизи катода и управлять величиной анодного тока можно изменением либо анодного напряжения, либо напряжения (тока) накала катода. Причем для небольших изменений анодного тока необходимо в широких пределах изменять напряжение на аноде или затрачивать больше мощности на накал катода.

Что такое триод?

Трехэлектродная лампа (триод) является прибором, в котором можно управлять током анода с помощью небольших напряжений, подаваемых на управляющую сетку. У современных триодов расстояние между сеткой и катодом равно 30—60 мкм. Так как сетка С (рис. 1,а) расположена к катоду К значительно ближе, чем анод А, ее влияние на ток анода во много раз больше, чем влияние анода. Таким образом, небольшие изменения сеточного напряжения могут сильно изменять сеточный ток.

Для простоты рассуждений воспользуемся плоской конструкцией триода (рис. 1,б). Допустим, при отсутствии тока в лампе потенциал сетки равен —8 В (кривая 1 на рис. 1, в, г). Чтобы повысить потенциал сетки до —5 В, необходимо напряжение на аноде увеличить, например на 100 В (кривая 2). Чтобы еще больше увеличить ток в лампе, нужно потенциал анода увеличить еще, например, на 100 В, т. е. до значения 200 В (кривая 3). Тогда потенциал сетки будет —2 В. И, наоборот, достаточно сообщить потенциал сетке —2 В, чтобы уже при U_а = 100 В получить ток такой же величины, как и в диоде при U_а = 200 В.

Что такое диод? Устройство и принцип действия диода

Электронная лампа представляет собой прибор, состоящий из баллона, в котором создан вакуум и расположены электроды. Простейшая электронная лампа (диод) имеет два электрода: анод и катод. Работа ее основана на принципе испускания электронов катодом, которые движутся в вакууме к аноду при наличии между электродами электрического поля.

Свойство вещества излучать электроны с поверхности называется электронной эмиссией.

Согласно квантовой теории, электроны проводимости обладают энергией и могут на некоторое время выйти за пределы кристаллической решетки вещества. При этом на границе металл — вакуум образуется двойной электрический слой и каждый вылетающий электрон вынужден преодолевать тормозное действие двойного электрического поля (рис. 1, а).

Что такое полупроводниковый выпрямитель? Какие бывают полупроводниковые выпрямители?

Полупроводники и их свойства

В настоящее время подавляющее большинство судов оборудуется электрическими станциями переменного тока. Однако в некоторых случаях бывает необходим и постоянный ток.

Постоянный ток применяется для питания цепей возбуждения электрических машин, для зарядки аккумуляторов, для некоторых элементов автоматического управления (электромагнитное реле времени) и в некоторых других случаях.

Получение для указанных целей постоянного тока осуществляется, главным образом, с помощью выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

Наибольшее значение в современных судовых электрических установках имеют сухие полупроводниковые выпрямители.

Полупроводниками называется особая группа веществ, обладающих электрической проводимостью, меньшей, чем у проводников электрического тока, но большей, чем у изоляторов.

Неисправности элементов электроники (резисторы, конденсаторы, диоды, динисторы, тиристоры, транзисторы)

Резисторы

1. Обрыв выводов

Причина неисправности:

а) Некачественный резистор
б) Неудачное крепление или повышенная вибрация

Принимаемые меры:

а) Заменить
б) Заменить, изменив крепление или устранив повышенную вибрацию

2. Сгорание

Причина неисправности:

а) Перегрузка по току
б) Напряжение, прикладываемое к резистору, выше допустимого
в) Недостаточное охлаждение

Принимаемые меры:

а) Заменить на резистор большей номинальной мощности
б) Заменить на более высоковольтный резистор или включить при замене два (или более) резистора последовательно с сохранением общего сопротивления прежним
в) Заменить, улучшив условия охлаждения