Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и наноэлектроника введение в направление. Хрестоматия
.pdf
разработка и последующее совершенствование силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров и транзисторов).
Применение транзисторов позволило на определенном этапе значительно повысить надежность, уменьшить потребление мощности,
габариты, а также затраты на производство и эксплуатацию электронной аппаратуры. Однако общая тенденция улучшения указанных показателей в условиях возрастающей сложности электронной аппаратуры,
связанной с
усложнением возлагаемых на нее задач, вызвала необходимость перехода от аппаратуры на дискретных компонентах к ее интегральному исполнению. Начиная с 1970-х годов все большая часть
электронной аппаратуры стала производиться на интегральных микросхемах. Современный этап развития информационной электроники
характеризуется широким использованием компонентов микроэлектроники, включая большие интегральные схемы.
Развитие энергетической электроники стимулируется всевозрастающим требованием повышения удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном токе и на переменном токе нестандартной
частоты, а также непрерывным совершенствованием элементной базы
(увеличением единичной мощности силовых полупроводниковых приборов, улучшением их динамических показателей, появлением приборов новых типов). Все это позволяет создавать более эффективные
условия генерирования, передачи и распределения электроэнергии,
повышать электровооруженность труда, а также использовать более
производительную технологию в различных отраслях промышленности. <…>
Забродин Ю.С. Промышленная электроника: учебник для вузов. –
М.: Высшая школа, 1982. – 496 с.
191
И.Л. Каганов
ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Классификация электронных систем и их элементов
Электроникой называют раздел пауки и техники, изучающий:
1) физические явления в приборах, действие которых основано на
изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в вакууме, газе или твердых кристаллических телах;
2) электрические свойства, характеристики и параметры названных
видов приборов, а также режимы работы электрических цепей, кото
рые содержат эти приборы;
3) свойства комплексных электронных систем.
Первое направление, дифференцированное по видам исследуемых
явлений, составляет область, называемую физической электроникой.
Второе и третье направления, дифференцированные по видам при-
боров и областям применения, составляют область технической элек-
троники.
Так как во всех проводящих средах (кроме электролитов) токи создаются электронами, или
щем определении перечисленных приборов все они могут быть названы электронными. Однако в связи с разными средами, в которых происходит перемещение электронов, и влиянием среды на их движение
различают следующие основные классы приборов: высоковакуумные
(электронные), газоразрядные (ионные) и полупроводниковые.
В высоковакуумных (электронных) приборах ток
электронами, проходящими через вакуум, при почти полном отсутствии в междуэлектродном промежутке других заряженных частиц.
Большую группу таких приборов образуют электронные лампы, применяемые в технике усиления и генерирования электрических сигналов, преобразователи лучистой энергии в электрическую (фотоэлектронные приборы) и преобразователи электрических сигналов в световые (электроннолучевые
В газоразрядных (ионных) приборах ток создается преимущественно электронами, проходящими в окружении положительных
ионов через разреженный газ. Ионы возникают непосредственно в
преимущественно электронами, то при об-
создается только
приборы).
-
192
межэлектродном промежутке прибора благодаря процессу ионизации атомов газа, которым заполнен внутренний объем прибора,
быстрыми электронами. Процесс ионизации заключается в освобождении электронов от их структурной связи с атомами или молекулами газа. Освободившиеся электроны обеспечивают главным
образом проводимость газовой среды, и в меньшей степени это относится к ионам.
Полупроводниковые
приборы представляют собой сочетание однородных либо неоднородных полупроводящих сред. Такие среды образуют кристаллические тела, электроны которых освобождаются от валентных связей с атомами решетки под действием квантов тепловой
(фононов) или световой (фотонов) энергии, а также с помощью достаточно сильных электрических полей.
Для освобождения электронов, обеспечивающих проводимость в
металлических средах, требуются кванты весьма малых энергий. У полупроводников энергия квантов, освобождающих электроны, должна
быть больше, а у диэлектриков еще больше.
Названные классы приборов широко применяются в технической
электронике.
Главными областями современного развития технической электроники являются:
1) радиоэлектроника, обслуживающая все виды связи (радиовещание, телевидение, радиолокацию, радионавигацию, радиоастрономию
и
др.);
2) промышленная электроника, обслуживающая различные виды
техники электронными устройствами измерения, контроля, регулирования, защиты и других видов управления; к промышленной электронике относятся также электронные системы преобразования тока, широко применяемые в энергетических установках и электрическом
транспорте;
3) ядерная электроника, охватывающая область, связанную с изучением процессов получения и использования
ядерных частиц и радиоактивных излучений, которые возникают при перестройке или распаде ядра;
4) биологическая электроника, использующая электронные явления
и электронную аппаратуру для проведения биологических исследова-
193
ний и особенно широко развивающаяся в настоящее время в медицине
(медицинская электроника).
Можно назвать и ряд других областей (геология, химия и др.), в ко-
торых широко применяются электронные устройства и системы.
В пределах каждой из названных областей определились в последнее время и более узкие направления. В промышленной электронике
такими
направлениями являются:
1) информационная электроника, к которой относятся электронные
системы, связанные с процессами измерения, контроля и управления
режимами работ промышленных объектов и технологических процессов. Наибольшее распространение электронные узлы управления получили в настоящее время в автоматически действующих устройствах,
а также в вычислительной технике;
2) энергетическая электроника, к которой относятся установки
средней
и большой мощностей, применяемые для преобразования одного вида тока в другой; удельный вес таких установок в энергетическом балансе страны очень велик, поскольку системы преобразования
тока применяются в установках электролиза цветных металлов и солей, в электрифицированном транспорте, в промышленных электроприводах, грузоподъемных устройствах, а также в системах передачи
энергии постоянным током на большие расстояния;
3) электронная технология, использующая электронные и ионные
пучки, а также электромагнитные и звуковые колебания (в первую
очередь ультразвуковые) для воздействия на вещество с целью создания пленок и совершенствования технологических процессов; это
быстро развивающееся направление.
Основными предпосылками, определяющими столь широкое при-
менение электроники в названных
областях науки и техники, являются
высокая чувствительность электронных устройств, большое их быстродействие и универсальность применения.
Чувствительность электронных приборов определяется по абсолютным значениям входной величины, при которой прибор вступает в
действие (пороговое значение).
Высокая чувствительность электронных систем обеспечивается с
помощью приборов и узлов усилительного действия. <…>
194
При автоматическом регулировании, контроле и управлении быстро протекающими процессами, кроме высокой чувствительности, существенное значение имеет также скорость реакции выходной величины усилителя на изменение его входной величины. Наибольшая скорость реакции достигается в электронных усилителях. Скорость действия самого усилительного прибора (без учета влияния инерционных
элементов, входящих в цепь
нагрузки) исчисляется долями микросе-
кунды.
Третье качество электронных устройств – универсальность их применения – базируется на том, что в электрическую энергию, на изменении которой основано действие всех видов электронных приборов,
легко переходят все другие виды энергии: механическая, тепловая,
звуковая, лучистая (в частности световая), а также энергия атомарных
частиц.
Такая универсальность
действия, достигаемая при сочетании преобразовательных элементов с электронными, особенно важна для промышленной электроники, поскольку в промышленности в наибольшей
степени используются все виды энергий.
Высокочувствительные электронные системы, в которых ничтожные изменения энергии механических перемещений преобразуются в
изменения электрических величин, используются, например, при контроле размеров различного рода микроизделий, качества
обработки
поверхностей высокого класса точности, числа оборотов при больших
скоростях вращения, уровня жидкости в удаленных и закрытых сосудах, состава и плотности сред, а также при измерении малых линейных
и угловых перемещений.
Высокочувствительные электронные измерительные системы, в
которых тепловая энергия преобразуется в электрическую, используются, например, при телеконтроле температуры нагретых
тел, а также
при теплолокации. Электронные системы, в которых звуковая энергия
превращается в электрическую, применяются в ультразвуковых дефектоскопах, а также в контрольных устройствах по испытанию дорожных
материалов.
На изменении лучистой энергии, преобразуемой в электрическую,
построена работа всех фотоэлектронных устройств.
195
Квантовые генераторы лучистой энергии (лазеры) также применяют в промышленности для проведения точных технологических операций (например, при сверлении отверстий в сверхтвердых сплавах и
при изготовлении прецизионных шаблонов). <…>
В большинстве названных устройств в качестве первичной контролируемой величины чаще всего выступает неэлектрическая величина:
длина, угол, скорость, давление, плотность, температура, звуковые ко
лебания, прозрачность и т.д. Эти неэлектрические величины необходимо предварительно преобразовать в электрические. Для этого и используется чувствительный преобразователь-датчик, о котором говорилось при рассмотрении устройства. Такой датчик преобразует неэлектрическую величину в электрическую.
В зависимости от вида контролируемого объекта и его выходной
величины применяются различные по
принципу действия и устройству
датчики.
К простейшим датчикам, используемым обычно при контроле геометрических размеров изделий и линейных перемещений, относятся
реостатный, электромагнитный и емкостный. <…>
Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа,
1968. – 560 с.
-
196
Ф.А. Кузнецов
ОЦЕНКА РЫНКА УСТРОЙСТВ
И СИСТЕМ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Основные энергопотребители и мировые тенденции
в энергосбережении
По мнению ведущих зарубежных и отечественных экспертов в области прогнозирования мировых тенденций развития техники, очередной виток научно-технической революции будет обусловлен успехами
в интеллектуальной силовой электронике. Так, можно привести высказывание известного американского специалиста в области силовой
электроники профессора J. Bose: «Двумя самыми важными
ями сверхавтоматизированного XXI века будут компьютерная (разум)
и силовая электроника (мускулы)».
В последние десятилетия человечество пришло к осознанию необходимости скорейшего решения проблемы энерго- и ресурсосбережения. В основе многих энерго- и ресурсосберегающих технологий лежат
достижения интеллектуальной силовой электроники.
В подтверждение этого тезиса приведем некоторые факты.
1. Объем годового потребления энергии
народного энергетического агентства, составляет (40–50) · 10
при этом электроэнергии потребляется (8–12) · 10
в мире, по оценкам Между-
12
кВт · ч. Ежегодные
затраты на производство электроэнергии составляют 400–500 млрд $,
из них 72–78 млрд $ приходится на прямые потери генерирующих, передающих и потребляющих объектов.
2. Основными потребителями электроэнергии в настоящее время
являются:
– электроприводы различного назначения (51 %);
– освещение (19 %);
– нагрев/охлаждение (16 %);
– телекоммуникации (14 %).
3. Менее 25 % энергии в мире используется оптимально для со-
вершения требуемой работы
в смысле минимизации потерь путем
технологи-
12
кВт · ч,
197
применения высокоэффективных методов управляемого преобразования электроэнергии сети в энергию управления объектом.
4. Ресурсы увеличения производства электроэнергии в XXI веке,
а также проблемы экологического порядка не дадут возможности
обеспечить высокие (или даже средние) жизненные стандарты для
населения.
Очевидным решением этой проблемы является внедрение энерго- и
ресурсосберегающих технологий. В основе большинства подобного рода технологий лежит использование высокоэффективных преобразователей электрической энергии (устройств силовой электроники), построенных на базе мощных полупроводниковых приборов. Такая стратегия
технического развития позволяет получить значительный экономический эффект. Управляемый с помощью полупроводникового преобразователя электрической энергии промышленный электропривод экономит
до 40 % генерируемой электроэнергии. Доля регулируемых электроприводов в мировых технологиях в
настоящее время не превышает 40 %.
Использование управляемого электропривода в тех областях, где это
возможно, приведет к ежегодной экономии 72 млрд $.
Ежегодно для целей освещения продается около 10 млрд ламп
накаливания и 500 млн люминесцентных ламп. Люминесцентная лампа
с электронным балластом в 5 раз эффективнее лампы накаливания,
служит в 10 раз дольше, экономит до $30 за время службы.
Потенциал
экономии – 119 млрд $. Натриевая лампа высокого давления (НЛВД)
с электронной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) эффективнее
ртутно-дроссельных ламп, применяемых в уличном освещении,
в 2.5 раза, что позволяет увеличить потенциал экономии до 200 млрд $.
Повышение эффективности источников вторичного электропитания за счет использования импульсных способов преобразования электрической энергии имеет потенциал экономии 2.5 млрд $.
Использование устройств
силовой электроники в автомобилестроении в таких направлениях, как системы управления двигателем, электрический усилитель руля, системы стартер-генератор, АБС, системы
электрического торможения и т.д., уже при 10 % экономии топлива
может сэкономить 29 млрд $ на парке 500 млн автомобилей.
Применение полупроводниковых преобразователей электрической
энергии для регулирования производительности технологических
198
цепей ТЭС уменьшает на 30–40 % энергопотребление на собственные
нужды, что приводит к снижению себестоимости 1кВт ч на 7–10 %.
Повышение эффективности использования электроэнергии влечет за
собой уменьшение затрат на создание и эксплуатацию инфраструктуры (электростанции, ЛЭП и т.д.), однако оценка данного экономического эффекта в настоящее время затруднена.
Массовым потребителем устройств силовой электроники
является
бытовая техника. Большой объем выпуска бытовой техники определяет большой резерв энергосбережения, несмотря на небольшой уровень
потребления мощности отдельным прибором. Наиболее энергоемкими
потребителями в быту являются кондиционеры, индукционные плиты,
стиральные машины, холодильники, светильники. Использование регулируемого электропривода компрессора холодильника приводит в
среднем к 40 % экономии электроэнергии, а также к снижению
общей
цены холодильника и экономии 70 $/год для 200-литровых холодильников. К 2003 г. ежегодная экономия может составить 1 млрд $ при
переводе 10 % холодильников на регулируемый компрессор. Стиральная машина с интеллектуальным силовым регулятором режимов работы экономит 60 % воды. Индукционная плита имеет КПД выше 90 %,
вместо 50 % у электроплит. <…>
Кузнецов Ф.А. Оценка рынка устройств и систем
силовой электро-
ники в Российской Федерации // Ф.А. Кузнецов, М.Ф. Резниченко,
Е.Б. Преображенский, С.А. Харитонов // Химия в интересах устойчивого развития. – № 9. – 2001. – С. 837–844.
199
Составители:
Букина Е.Я., Горбунов Р.Л., Севостьянов Н.А., Харитонов С.А.
ЭЛЕКТРОНИКА И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
ВВЕДЕНИЕ В НАПРАВЛЕНИЕ
Редактор Л.Н. Ветчакова
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Корректор И.Е. Семенова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка С.И. Ткачева
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)
Хрестоматия
Подписано в печать 09.09.2019. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз.
Уч.-изд. л. 11,62. Печ.
Новосибирского государственного технического университета
л. 12,5. Изд. № 13. Заказ № 1246. Цена договорная
Отпечатано в типографии
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]