- •В.О. Тырва электрические и электронные аппараты
- •Часть 1
- •Рецензенты:
- •Введение
- •1. Устройство и назначение электроаппаратов
- •1.1. Основные понятия и определения
- •1.2. Классификация электроаппаратов
- •1.3. Представление электроаппаратов и их частей в виде изобразительных моделей и схем
- •2.1. Виды и типы электрических контактов
- •2.2. Основные параметры коммутирующих контактов
- •2.3. Конструктивные особенности коммутирующих контактов
- •2.4. Переходное сопротивление контакта
- •2.5. Особенности контактной коммутации
- •2.6. Условия и способы гашения дуги постоянного тока
- •2.7. Особенности горения и гашения дуги переменного тока
- •2.8. Устройства гашения электрической дуги
- •2.9. Достоинства и недостатки контактной коммутации
- •3. Приводные устройства
- •3.1. Назначение и функциональные части привода
- •3.2. Механические передачи
- •3.3. Особенности механических передач с переключающей пружиной
- •3.4. Преобразовательные устройства
- •4. Электромагнитные преобразовательные устройства
- •4.1. Электромагнитные механизмы
- •4.2. Магнитные цепи электромагнитных систем
- •4.3. Особенности электромагнитных систем переменного тока
- •4.4. Статические характеристики электромагнитных систем
- •4.5. Вибрация якоря и устранение ее короткозамкнутым витком
- •4.6. Механическая характеристика электромагнитного привода
- •4.7. Динамические характеристики электромагнитного привода
- •4.8. Замедление и ускорение действия электромагнитного привода
- •4.9. Поляризованные электромагнитные механизмы
- •4.10. Электромагниты тормозных устройств
- •5. Управляемые дроссели
- •5.1. Управление передачей энергии изменением индуктивности электрической цепи
- •5.2. Дроссель с подмагничиванием
- •Исходя из закона электромагнитной индукции, представим
- •5.3. Магнитный усилитель
- •6. Электронные элементы и устройства
- •6.1. Классификация и оценка эффективности электронных устройств
- •6.2. Транзисторные исполнительные устройства
- •6.3. Силовые транзисторные ключи
- •6.4. Тиристорные ключи
- •6.5. Безопасная работа и защита полупроводниковых ключей
- •6.6. Сравнительная характеристика силовых ключей
- •6.7. Электронные устройства управления
- •6.8. Формирователи импульсов управления
- •6.9. Интегрированные функциональные элементы
- •Содержание Введение 3
- •Литература 129
6. Электронные элементы и устройства
6.1. 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 ZИ в цепь нагрузки ZН и источника питания Е. Сопротивление ZИ 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 ZИ =R, ZН=RН, и считая, что приложенное напряжение U=Е.
При номинальной мощности приемника электрической энергии, равной
,
потери энергии в единицу времени составят:
,
где кР - коэффициент передачи энергии
, 0 ≤ кР ≤1 ,
РН - энергия, передаваемая нагрузке в единицу времени.
Потери в относительных единицах:
.
График зависимости ΔР/Рном от кР показан на рис 6.3.
Из графика видно, что максимальные потери энергии возникают, когда кР=0,25 (когда R=RН) . В этом случае в единицу времени теряется энергия, равная четвертой части от номинальной мощности электроприемника. Потери энергии равны нулю, когда кР=0 или кР=1. Поэтому, если при управлении передачей энергии кР 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 RН 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) = hּn , 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.