1

Гл. 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Прежде чем заняться изучением структурного построения САУ, повторим, или изучим сначала, отдельные электронные компоненты, из которых строится система управления. Только знание работы этих компонентов позволит нам усвоить правила по- строения систем и понять, из каких предпосылок она строится, постичь гармонию аппа- ратного и программного обеспечения САУ. Изучение начнем с самого нижнего уровня иерархии, с полупроводникового диода и закончим микроконтроллерами. При этом физи- ку работы компонента будем изучать лишь на том уровне, чтобы понять формирование его основных свойств.

1. Дискретные электронные компоненты сау

Основными электронными компонентами современных САУ являются интеграль- ные схемы малой, большой и сверхбольшой степени интеграции (ИС, БИС, СБИС). Дис- кретные электронные компоненты применяют в основном на периферии, в линияхсвязи с объектом управления, в устройствах формирования требуемых энергетических потоков (электронных ключах) и, как вспомогательные элементы для подключения различных ин- тегральных схем.

А. Полупроводниковый диод

Основу полупроводникового диода составляет p-n переход, пропускающий ток в одном направлении и не пропускающий в другом. Диод – это двухвыводной прибор, его вольтамперная характеристика и обозначение на принципиальных электрических схемах представлены на рис. 2.1. Имеется две ветви вольтамперной характеристики, прямая, ко-

гда положительное напряжение подано на вывод, помеченный знаком «+» (на р-вывод p-n перехода

VD1

₊ -

^Uобр

Прямая ветвь

или анод) и обратная.

На прямом участке зависимость представ- ляет из себя экспоненту и ток, начиная с некото- рого значения U_д резко возрастает. Это напряже- ние называют прямым падением или «пяточкой» диода, для кремниевых диодов оно составляет около 0,6…0,7 вольта. Оно существенно зависит от температуры перехода и падает примерно на

-U U_д +U

Обратная ветвь

Рис. 2.1.

0,2 вольта при повышении температуры на 100

градусов. При чем , характеристика достаточно линейна. При такой высокой чувствительности диод мог бы послужить отличным датчиком тем- пературы и часто используется для этих целей. Вся беда в нестабильности чувствительности. В

экспоненциальной характеристике p-n перехода присутствует резистивная составляющая, обусловленная резистивным сопротивлением выводов и кремния. Причем, температурный коэффициент сопротивления обычно положителен. Это приводит к разбросу чувствитель- ности от прибора к прибору, поэтому диод в качестве температурного датчика должен быть предварительно протаррирован.

Стандартными характеристиками выпрямительных диодов, применяемых в САУ является номинальное и предельное значение прямого тока диода I_пр, иногда в зависимо- сти от температуры корпуса. Важным также является и предельное значение обратного напряжения U_обр.

У диодов Шоттки в основе переход металл-полупроводник. Прямое падение на- пряжения на них ниже и составляет 0,25…0,4 В, однако диоды Шоттки отличаются мень- шими предельными значениями обратного напряжения по сравнению с типовыми крем- ниевыми диодами.

Применяют диоды, как элементы САУ очень широко. Прежде всего – диод, это вы- прямитель переменного тока. На рис. 2.2. приведены наиболее типовые примеры приме- нения диодов в качестве защиты от индуктивности нагрузки при ее включении и выклю- чении (рис. 2.2а), для защиты линий связи вычислительного ядра САУ с элементами кон- троля и управления (рис. 2.2б), для автоматического подключения резервного питания (рис. 2.2в).

+ Uн

^R н ^VD1

К датчику

+ Uн

А

VD1

Примерами индуктивных нагрузок являются все двигатели, электромагнитные клапаны, си- ловые электромагниты и т.п. При

^U А - +

_SA VD2

К вычислительному ядру

а) б) в)

Рис. 2.2.

ки в ней появляется напряжение самоиндукции, препятствующее нарастанию тока, т.е. направлен- ное против основного питания U_н (рис. 2а). Таким образом, напря- жение U_А на выводе нагрузки оказывается больше, чемноми- нальное напряжение питания. Диод VD1 шунтирует это напря-

жение. При выключении питания ток через нагрузку падает. ЭДС самоиндукции, препят- ствуя падению тока, создает на выводе А нагрузки отрицательный потенциал U_А. Диод VD2 отводит этот потенциал на землю.

На рис. 2б) диод предохраняет от ошибок при коммутации витой пары, ведущей к какому-либо датчику на объекте управления. Если неправильно скоммутировать разъем Х, диод не позволит протекать току датчика в противоположном направлении и, тем са- мым повредить какие-либо компоненты вычислительного ядра, куда поступает сигнал от датчика, либо повредить датчик, если он питается от вычислительного ядра.

Нарис. 2.2в) диод VD1 автоматически подключит резервную батарею U_б, если вне- запно пропадет основное номинальное питающее напряжение U_н (U_б+0,5…0,7В= U_н).

На обратной ветви вольтамперной характеристики ток сначала очень мал и состав- ляет доли микроампера. Однако, при приближении к предельному обратному напряже- нию, которое называют напряжением пробоя он резко возрастает, и, если его не ограни- чить, прибор выйдет из строя. На обратной ветви вольтамперной характеристики работа- ют полупроводниковые стабилитроны, используемые для получения стабильного опорно- го напряжения. Схема включения стабилитрона представлена на рис. 2.3.

Стабилитрон характеризуется напряжением стабилизации U_ст, номиналь-

+ U

R_б

^Uст VD

ным током стабилизации I_н и рассеиваемой мощностью, которая равна произведению напряжения стабилизации на ток, протекающий через ста- билитрон. Номинального тока стабилизации добиваются соответствую- щим выбором резистора R_б. Ток, протекающий через этот резистор дол- жен обеспечивать падение напряжение на нем, равное разности +U и U_ст, при этом отбор тока с вывода U_ст должен быть на порядок меньше тока стабилизации.

Рис. 2.3.

I_н I_Rб

_U U_{ст .}

R_б

Нос построением качественных источников опорного напряжения не все так просто. Во первых, напряжение стабилизации зависит от тока, во-вторых, от темпера-

туры. Ток в обратной ветви вольтамперной характеристики и напряжение стабилизации определяется тремя факторами, током насыщения p-n перехода или его часто называют обратнымтоком перехода, эффектомЗенера или зенеровскимтоком и лавинным пробоем. Все процессы, определяемые этими факторами, очень существенно зависят от температу- ры. Так, доля напряжения стабилизации, определяемая эффектом Зенера, имеет отрица- тельный температурный коэффициент, т.е. отрицательно зависит от температуры, напря- жение лавинного пробоя, наоборот, от температуры повышается. Стабилитроны, имею- щие напряжение стабилизации около шести вольт имеют минимальную температурную нестабильность. Если Вам потребуется стабильный источник опорного напряжения, реко- мендую не использовать для этой цели стабилитрон, а воспользоваться специализирован- ными компонентами – источниками опорного напряжения, если ток мал или интеграль- ными трех – четырех выводными стабилизаторами. Еще лучше использовать интеграль- ные компоненты САУ, не требующие внешних источников опорного напряжения. Кроме температурной стабильности и согласованности и с помехами проблем будет меньше.