6. Электронные элементы систем автоматики

1 Электронные компоненты

2 Резисторы

3 Конденсаторы

4 Катушки индуктивности

5 Полупроводниковые диоды

6 Биполярные транзисторы

7 Полупроводниковые тиристоры

8 Программируемые логические контроллеры

9 Краткий обзор зарубежных ПЛК

Электронные компоненты

К наиболее простым по выполняемым функциям элементам электронных средств автоматизации относятся резисторы, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, коммутирующие устройства.

Каждый из элементов характеризуется определенными количественными показателями, которые называются функциональными параметрами. Значения функциональных параметров, предусмотренные техническими условиями на данный элемент, называются номинальными или просто номиналами. Допустимые отклонения от номиналов зависят от класса точности деталей. Цена однотипных деталей различного класса точности может отличаться на 50 % и более.

Электронные элементы обеспечивают нормальное функционирование аппаратуры при соблюдении определенных условий их эксплуатации, т. е. определенного рабочего режима. Режим может определять до­пустимые рабочие температуры, токи, напряжения, выделяемую мощность и т. д.

Согласно ГОСТ 16962—71 влияние на элементы внешней среды (температуры, влажности, пыли, радиоактивного облучения) оцениваются двумя показателями: прочностью (способностью элементов выдерживать без существенного изменения их параметров длительные механические нагрузки) и устойчивостью (способностью элементов сохранять параметры в условиях климатических воздействий и после них). Устойчивость того или иного функционального параметра к изменениям температуры оценивается температурным коэффициентом:

Резисторы

Резисторы предназначены для образования на участке электрической цепи определенного активного сопротивления. Резисторы подразделяются на постоянные и переменные. По используемому резистивному материалу различают проволочные и непроволочные резисторы (пленочные и объемные).

Основными параметрами резисторов являются: номинальное значение сопротивления; допустимые отклонения сопротивления от номинала; номинальная мощность рассеивания; температурный коэффициент сопротивления (обычно указывается среднее значение этого коэффициента для определенного диапазона температур t₁—t₂); частотный диапазон (этот параметр ограничен в связи с тем, что на высоких частотах приходится считаться с наличием собственной емкости и индуктивности резистора); коэффициент собственных шумов, под которым понимается отношение ЭДС шумов, возникающей в резисторе при подведении к нему постоянного напряжения 1 В.

По особенностям применения постоянные резисторы можно разделить на четыре группы:

1. Резисторы общего применения (выпускаются в номиналах от 10 Ом до 10 МОм с допустимым отклонением от номинала 5, 10 и 20 % при номинальной мощности рассеивания от 0,125 до 2 Вт); к этой же группе принадлежат высокоомные резисторы (номиналы от 10 Мом до 10 ТОм).

2. Высокостабильные резисторы (выпускаются в  номиналах 0,1 Ом…1 МОм при допустимом отклонении от номинала 2…0,05 %).

3. Мощные резисторы (выпускаются на допустимые мощности  рассеивания до сотен Вт при напряжении до 100 кВ).

4. Ультравысокочастотные резисторы (выпускаются в номиналах до 1 кОм при допустимой мощности рассеивания до 100 Вт и пренебрежимо малых емкости н индуктивности).

Переменные резисторы выпускаются с различным характером функциональной зависимости значения сопротивления от угла поворота движка а относительно его исходного положения. В резисторах типа А эта зависимость является линейной. Такие резисто­ры служат для регулировки режимов в различных цепях. В резисто­рах типа Б, применяемых в регуляторах громкости, эта зависимость подчинена логарифмическому закону, что соответствует физиологическому свойству человеческого уха воспринимать увеличение громко­сти звука пропорционально логарифму увеличения его силы. В резисторах типа В значение сопротивления при повороте движка изменяется по обратному логарифмическому закону. Эти резисторы используются в качестве регуляторов тембра звука.

Конденсаторы

Электрические конденсаторы предназначены для образования на участке электрической цепи определенной емкости.

Конденсаторы, емкость которых не зависит от значения приложенного напряжения, называются линейными. Емкость нелинейных конденсаторов, например, варикапов, зависит от значения приложенного напряжения.

Линейные конденсаторы подразделяются на конденсаторы постоянной емкости (С = const) и конденсаторы переменной емкости, в которых значение емкости при повороте подвижных пластин (ротора) изменяется в определенных пределах.

Кроме емкости, конденсаторы характеризуются еще рядом параметров:

1. Сопротивление изоляции. Ввиду несовершенства изоляции активное сопротивление конденсатора не бесконечно. Поэтому через него протекает ток, который называется током утечки. Если конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, то сопротивление изоляции можно определить по формуле:

Rиз = U/Iут,

(10.2)

где U — напряжение источника; I_ут — ток утечки.

Произведение сопротивления изоляции на емкость конденсатора называется постоянной времени конденсатора:

(10.3)

Постоянная времени измеряется в секундах и характеризует скорость саморазряда конденсатора. За время ? напряжение на обкладках отключенного от источника конденсатора уменьшается в 2,72 раза (2,72—приближенное значение числа е).

В различных конденсаторах значение ? бывает очень разным (от 20 до 5000 с), а в некоторых типах (например, в конденсаторах с диэлектриком из полистирола или из фторопласта) достигает 10 суток.

2. Максимальное напряжение. Во избежание электрического пробоя напряжение, подводимое к конденсатору, должно быть ограничено. Напряжение, при котором в течение 1-5 с возникает пробой конденсатора, называется пробивным.

Рабочее напряжение, т.е. максимальное напряжение,  под которым конденсатор может работать в течение всего срока службы,   выбирается в три — десять раз меньшим, чем пробивное. Иногда в паспорте указывают также испытательное  напряжение, под которым понимается напряжение, выдерживаемое конденсатором в течение установленного для него времени (от 5 до 60 с).

3. Добротность. Поскольку сопротивление диэлектрика  между обкладками конденсатора не бесконечно,  при работе конденсатора в цепи переменного тока на нем выделяется не только реактивная мощность Q=U²/X_c, но и активная мощность Р=U²/R_из. Резистор R_из соответствует сопротивлению изоляции. Отношение реактивной мощности Р_р к мощности потерь Р_п  называется добротностью конденсатора Q; следовательно:

Q =Рр/Рп

(10.4)

Если действующее значение напряжения равно U, то:

(10.5)

где ?— круговая частота.

Добротность современных высококачественных конденсаторов в рабочем диапазоне частот составляет 1?10³. Величина, обратная добротности, называется тангенсом угла потерь (tg?= 1/Q).

4.Температурный коэффициент емкости (ТКЕ). Значение ТКЕ для разных типов конденсаторов существенно разное. Некоторые типы конденсаторов имеют отрицательный ТКЕ.

5. Частотный диапазон (ограничен собственной индуктивностью конденсатора).

Конденсаторы постоянной емкости (их называют также постоянными конденсаторами) классифицируются обычно по виду используемого диэлектрика.

Керамические конденсаторы выпускаются с различными видами керамического диэлектрика: высокочастотная керамика имеет малые потери (tg??6•10^-4 при частоте 1 МГц), низкочастотная — значительно большие потери (tg??2•10^-2 при частоте 1 кГц). Номинальные емкости керамических конденсаторов от 1 пФ до 2,2 мкФ, предельная рабочая частота 10 МГц. ТКЕ керамических конденсаторов лежит в пределах от 1,2•10^-6 до 2,2•10^-4 °С^-1. Рабочее напряжение до 500 В.

Керамические конденсаторы с различными ТКЕ широко применя­ются в качестве высокостабильиых, компенсационных, контурных, блокировочных, разделительных и других элементов.

Слюдяные конденсаторы обладают рядом ценных качеств, но относительно дороги. Они выпускаются в номиналах от 10 пФ до 1 мкФ и имеют очень малые потери (tg?<0,0015 при частоте 1 МГц) и ТКЕ (в лучших образцах =0,5•10^-4 °С^-1). Предельная рабочая частота 10 МГц. Рабочее напряжение до 1500 В. Слюдяные конденсаторы при­меняются в качестве контурных элементов, а также в различной изме­рительной аппаратуре.

Стеклянные и стеклокерамические конденсаторы выпускаются в номиналах 10—15 000 пФ. Они имеют tg??2•10^-3, максимальное рабочее напряжение 500 В.

Бумажные конденсаторы выпускаются в номиналах от 50 пФ до 30 мкФ при рабочих напряжениях до 40 кВ, однако у них большие потери и ТКЕ. Бумажные конденсаторы используются как разделитель­ные и блокировочные, а также в электрических фильтрах.

В пленочных конденсаторах в качестве диэлектрика используются тонкие пленки из высокомолекулярных соединений — полимеров (полистирол, фторопласт, лавсан и др.). Конденсаторы с полистироловым и фторопластовым диэлектриками выпускаются в номиналах 100 пФ—10 мкФ, они имеют малые потери на высоких частотах (tg?<<10^-3), однако допустимая рабочая температура полистироловых конденсаторов ограничена + 40 °С.

Конденсаторы с лавсановым диэлектриком выпускаются емкостью до 100 мкФ, в остальном они подобны полистироловым конденсаторам. Рабочее напряжение некоторых типов пленочных конденсаторов достигает 15000 В.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности предназначены для образования на участке электрической цепи определенного значения индуктивности. Они изготовляются с обмоткой из одного или нескольких слоев провода, намотанной на каркас из изолирующего материала. В зависимости от требований, предъявляемых к катушкам, по конструкции они бывают с магнитным сердечником и без него.

Конструктивные особенности катушек индуктивности во многом зависят от их конкретного назначения. Основными типами катушек индуктивности являются:

1. Контурные, т. е. катушки, входящие в состав колебательных контуров генераторов, резонансных усилителей и других узлов аппаратуры, содержащих колебательные системы.

2. Дроссели, т. е. катушки, обладающие большим индуктивным сопротивлением на частотах выше определенного значения.

3. Фильтровые, т. е. входящие в состав электрических фильтров.

4. Катушки связи, предназначенные для передачи электромагнитной энергии из одних электрических цепей в другие.

Основной параметр катушки — ее индуктивность. Значение индуктивности (мкГн) однослойной катушки можно определить по формуле:

(10.6)

где D — диаметр катушки, см;?— число витков; ?— магнитная проницаемость сердечника (при его отсутствии ?= 1); l — длина на­мотки, см; k — коэффициент, зависящий от соотношения между длиной намотки и диаметром катушки (k?1 при l/D?10).

Индуктивность многослойной катушки можно приближенно найти, подставив в формулу средний диаметр намотки катушки.

Как видно из формулы, наиболее удобным способом изменения индуктивности катушки является изменение числа ее витков или введение магнитного сердечника.

Сердечники для работы на низких частотах (до 5 кГц) изготавлива­ются из металлических магнитных материалов. На более высоких частотах для уменьшения потерь на вихревые токи используются магнитодиэлектрики — материалы, полученные путем прессования порошка из ферромагнетика на изолирующей связке. Такие материалы наряду с высокой магнитной проницаемостью имеют большое удельное сопротивление. Большую магнитную проницаемость в сочетании с высоким удельным сопротивлением имеют также и ферриты — материалы, состоящие из двуокиси железа, в кристаллической решетке которой один из атомов железа заменен двухвалентным металлом (никель, марганец, цинк и др.).

Недостатком большинства ферритов является сильная зависимость их магнитных свойств от температуры.

Для уменьшения наружной магнитной связи между катушкой индуктивности и другими близко расположенными элементами схемы катушки устанавливают в экранах, изготовленных из алюминия, меди или латуни. Возникающие в экране вихревые токи создают магнитное поле, уменьшающее взаимную индукцию между катушкой и соседними деталями.

Помимо индуктивности, катушки характеризуются еще рядом параметров.

1. Частотный диапазон. Этот параметр ограничен наличием собственной емкости катушки. Для работы на высоких частотах собственная емкость должна быть очень малой. Уменьшение емкости достигается применением однослойных обмоток, увеличением расстояния между соседними витками и рядом других конструктивных мер. Следует иметь в виду, что магнитные сердечники, а также экраны увеличивают собственную емкость катушек.

2. Добротность. Этот параметр характеризует активные потери в катушке и определяется как отношение реактивного сопротивления к активному:

Q = ?L/R

(10.7)

Увеличение добротности  катушек достигается:

а) увеличением диаметра намотки (при этом индуктивность возрастает значительно быстрее,  чем сопротивление);

б) применением провода, состоящего из множества изолированных жил  (литцендрат).  В таком проводе гораздо меньше проявляется поверхностный эффект — увеличение активного сопротивления с ростом частоты;

в) уменьшением активных потерь в сердечнике и каркасе за счет применения высококачественных материалов.

Практически добротность катушек составляет 50—400, а при использовании сердечников из ферритов — 1000 и более.

3. Температурный коэффициент индуктивности. Для однослойных катушек он лежит в пределах 1?3•10^-5 °С^-1, для многослойных катушек — 15?30•10^-5  °С^-1.

Катушки для конкретных образцов аппаратуры рассчитывают в соответствии с их схемными данными. При этом используются типо­вые конструкции каркасов, обмоток и сердечников.

Для малогабаритных унифицированных катушек имеется стандартизованная шкала номиналов. Так, например, для катушек с броневыми сердечниками из карбонильного железа предусмотрены номиналы от 0,15 до 4000 мкГн.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор, содержащий один р-n переход. Как правило, области прибора с р- и n-проводимостями имеют неодинаковые концентрации основных носителей. Область с более высокой концентрацией называется эмиттером, с более низкой — базой. В настоящее время используются два основных типа диодов: точечный (рис.10.3) и плоскостной (рис.10.2).

Рисунок 10.2 — Конструкция точечного полупроводникового диода:

1,3 — металлические торцы; 2 — керамическая трубка; 4 — проволочный вывод; 5 — кристаллодержатель; 6 — кристалл германия; 7 — вольфрамовая проволока

В точечном диоде к кристаллическому полупроводнику 6 с одним типом проводимости вплавляется конец вольфрамовой проволоки 7, на которую нанесен слой акцептора (если кристалл имеет n-проводимость) или донора (в случае р-проводимости). В процессе приплавки атомы примеси с поверхности проволоки диффундируют в кристалл, и в нем образуется р—n переход. В плоскостных диодах р—n переход образуется путем наплавки кусочка индия 8 на германиевый или кремниевый кристалл 9 с n-проводимостью. Детали конструкций ясны из рисунков.

Из рисунка видно, что при малых значениях напряжения (как обратного, так и прямого) сопротивление диода R = ?U/?I велико (ток нарастает полого). Когда значение прямого напряжения больше потенциального барьера, ток нарастает круто и почти по прямой; сопротивление диода резко падает и, достигнув некоторого значения R_o, остается неизменным.

Точечные диоды благодаря малой площади р—n перехода имеют очень малую емкость и поэтому широко применяются в высокочастотных схемах детектирования и преобразования сигналов, а также в различных измерительных и логических схемах.

Основными параметрами, характеризующими точечные диоды, являются: а) прямой ток, соответствующий указанному напряжению (обычно 1—2 В); б) допустимая амплитуда обратного напряжения; в) минимальное пробивное напряжение; г) обратный ток, соответствующий указанному обратному напряжению; д) проходная емкость. Обратные ток и напряжение указываются при различных температурах.

Плоскостные диоды используются главным образом в выпрямителях, а также в различных схемах, работающих в диапазоне низких частот. Основными параметрами этих диодов являются: а) максимально допустимое значение обратного напряжения; б) обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении; в) среднее значение выпрямленного тока; г) падение напряжения при прохождении прямого тока. Все указанные ве­личины приводятся для различных рабочих температур.

Рисунок 10.3 — Конструкция плоскостного полупроводникового диода:

1,6 — проволочные выводы; 2 — кристаллодержатель; 3 — корпус; 4 — токосниматель; 5 — проходной изолятор; 7 — втулка; 8 — кристалл индия; 9 — кристалл германия; 10 — подложка

Выше было сказано о том, что при пробое р—n перехода обратным напряжением лавинообразное нарастание тока обусловлено ударной ионизацией и массовым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Биполярные транзисторы

Полупроводниковый транзистор представляет собой прибор с двумя последовательно включенными р-n переходами. Он состоит из трех областей с чередующимися типами проводимостей.

Одна из крайних областей транзистора называется эмиттером, средняя область — базой и вторая крайняя область — коллектором, р-n переход со стороны эмиттера называется эмиттерным, а со стороны коллектора — коллекторным. Эмиттер, база и коллектор отличаются не только характером проводимости, но и концентрацией носителей. В базе она на несколько порядков меньше, чем в эмиттере, а в коллекторе — почти такая же, как в эмиттере.

В настоящее время подобные приборы принято называть биполярными транзи­сторами, поскольку в них используются носители обоих типов — электроны и дыр­ки. Введение этого термина связано с появлением новых типов трехэлектродных полупроводниковых приборов — униполярных (полевых) транзисторов. В зависимости от типа проводимости различают транзисторы р-n-р и n-р-n структуры.

В практических схемах транзистор используется как четырехполюсник — прибор с двумя входными и двумя выходными зажимами, поэтому один из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. Различают схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллек­тором (ОК).

Усилительные свойства транзистора основаны на резком изменении сопротивления участка эмиттер — коллектор под действием поступающего на базу управляющего сигнала.

Важной особенностью транзисторов является взаимосвязь токов базы, эмиттера и коллектора. Поэтому характер зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе зависит от того, как включены относительно друг друга источники питания эмиттерного и коллекторного переходов транзистора. Графики зависимостей между токами и напряжениями в транзисторе называются вольт-амперными характеристиками или просто характеристиками транзистора.

При включении транзистора по схеме с ОЭ, входной статической характеристикой называют зависимость тока базы от напряжения на эмиттерном переходе при постоянном напряжении на коллекторе.

Выходной статической характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, называют зависимость коллекторного тока от напряжения на коллекторе при неизменном токе базы.

Рисунок 10.4 — Выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ

На примере включения транзистора по схеме с ОЭ рассмотрим четыре характерных рабочих режима транзистора.

Режим насыщения (1) имеет место при напряжении U_K = 0, а также при |U_к| < |U_Б|. В этом режиме оба перехода включены в прямом направлении и обе крайние области транзистора служат одновременно эмиттерами и коллекторами (инжектируют и собирают носители). При данном режиме база насыщена носителями, инжектируемыми через оба перехода. Поэтому сопротивление между двумя любыми выводами транзистора очень мало. При U_K=0 результирующий ток коллектора равен нулю. По мере увеличения напряжения U_к коллекторный переход хотя по-прежнему и смещен в прямом направлении, но прямое напряжение на участке база — коллектор транзистора уменьшается. Инжекция носителей из коллектора в базу значительно слабее, чем из эмиттера, что приводит к резкому росту коллекторного тока с увеличением U_К. Начиная с |U_к|=|U_Б|, коллектор уже не инжектирует дырки в базу, транзистор переходит в активный режим (2), который характеризуется плавным ростом коллекторного тока с увеличением U_K, что обусловлено главным образом сужением базы. При больших напряжениях на коллекторе возникает пробой коллекторного перехода (режим лавинного пробоя 4). Режим отсечки (3) имеет место при U_ЭБ < 0. В этом режиме ток эмиттера отсутствует, а коллекторный ток равен току базы и представляет собой обратный ток коллекторного перехода I_ко.

При расчете усилительных схем на транзисторах (при условии, что напряжение сигнала намного меньше напряжения питания) транзистор представляют в виде четырехполюсника; соотношения между токами и напряжениями на входе и выходе его (I_вх, U_ВX, I_вых, U_вых) при этом могут выражаться тремя различными системами уравнений. Коэффициенты, входящие в состав этих уравнений, называются пер­вичными параметрами транзистора, поскольку они характеризуют основные электрические свойства транзистора как линейного четырехполюсника.

Наибольшее распространение получила система уравнений с так называемыми гибридными параметрами (их называют еще h-napaметрами), которая имеет вид:

(10.9)

Здесь под U_BX, I_вх, U_ВЫХ, I_вых понимаются переменные напряжения и токи на входе и выходе транзистора.

По физическому смыслу h-параметры представляют собой следующие величины:

h₁₁ — входное сопротивление при короткозамкнутом по переменному току выходе, т. е. при U_вых = 0. Так, например, для схемы с ОБ h₁₁ = U_Э/I_Э при U_к = 0.

h₁₂ — отношение напряжения на входе к напряжению на выходе (коэффициент обратной связи) при разомкнутом по переменному току входе, т. е. при I_вх = 0. Так, например, для схемы с ОБ h₁₂ = U_Э/U_K при I_э = 0;

h₂₁ — отношение тока на выходе к току на входе (коэффициент передачи тока) при U_вых = 0. Так, например, для схемы с ОБ h₂₁ = I_к/I_э при U_K = 0;

h₂₂ — выходная проводимость, т. е, отношение I_ВЫX/U_вых при I_вх = 0.

Помимо рассмотренных, транзисторы характеризует еще ряд параметров:

1. Предельно допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, P_кmах. Определяется она предельно допустимой температурой нагрева полупроводникового прибора (около 100 °С для германиевых  и 150 °С для кремниевых транзисторов). Для улучшения теплоотдачи в мощных транзисторах корпус их закрепляют на ребристом радиаторе. Допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе различных типов транзисторов, находится в пределах от единиц милливатт до десятков ватт.

2. Предельно допустимое обратное напряжение коллекторного перехода U_Kmax, т. е. напряжение, при котором еще не наступает пробой  коллекторного перехода. Практически  U_kmax = 10…50 В.

3. Обратный ток коллекторного перехода (подобен обратному току диода) I_к0. В обычных условиях I_ко не превышает единиц микроампер.

4. Предельно допустимая частота. Принято считать, что транзистор работоспособен, если коэффициент усиления по току уменьшается не более чем в v2 раз по сравнению с рассчитанным для низкой частоты. В зависимости от типа транзистора предельная частота его может изменяться в широких пределах (от сотен килогерц до единиц гигагерц).

5. Диапазон рабочих температур. Транзисторы, как и все полупроводниковые приборы, в большой степени подвержены влияниям температуры. С повышением температуры резко увеличивается количество основных и неосновных носителей в полупроводнике, что приводит к увеличению токов транзистора. Особенно сильно влияет на работу транзистора температурное изменение обратного тока коллекторного перехода, которое происходит по экспоненциальному закону. Можно приближенно считать, что при повышении температуры на 10°С обратный ток коллектора возрастает вдвое.

Из сказанного следует, что при эксплуатации транзисторов нужно по возможности добиваться того, чтобы они работали в относительно узком диапазоне температур, или принимать специальные меры для компенсации влияния изменений температуры.

Только при этих условиях схемы на транзисторах работают стабильно. Диапазон допустимых температур окружающей среды для различных образцов транзисторов неодинаков, однако максималь­но допустимая температура в лучшем случае не превышает +125 °С, а минимальная — не ниже -30 °С.

Полупроводниковые тиристоры

Со второй половины прошлого века используются полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой. В зависимости от характера вольтамперной характеристики и способа управления их подразделяют на:

динисторы — имеют два вывода и переключаются в открытое состояние импульсами напряжения заданной  амплитуды;

тиристоры (однооперационные) — не проводящие в обратном направлении, включаются импульсами тока управления, а выключаются либо подачей обратного напряжения, либо прерыванием тока в открытом состоянии. Тиристоры в зависимости от коммутационных параметров подразделяют на низкочастотные, высокочастотные, быстродействующие, импульсные (специальные тиристоры для импульсных режимов работы);

запираемые тиристоры (двухоперационые) — выключаются с помощью импульсов тока управления (отличаются малыми значениями времени выключения при равной энергетике с однооперационными тиристорами);

комбинированно-выключаемые тиристоры — выключаются с помощью импульса тока управления при одновременном воздействии обратного анодного напряжения. У этих тиристоров время выключения несколько превышает время выключения  запираемых;

симметричные тиристоры (симисторы) — являются эквивалентом встречно-параллельного соединения двух тиристоров и способны пропускать ток в открытом состоянии, как в прямом, так и в обратном направлениях. Включается симистор однополярными и разнополярными импульсами тока управления;

лавинные тиристоры — имеют лавинную вольт-амперную характеристику и обладают повышенной устойчивостью к перенапряжениям;

оптронные тиристоры (оптотиристоры) — управляются с помощью светового сигнала от светодиода, расположенного внутри корпуса прибора. Оптотиристоры обладают повышенной помехоустойчивостью, так как их цепь управления гальванически развязана с сильноточной анодной цепью.

Рисунок 10.5 — Схема включения тиристора

Чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n₁ и положительный в базе р₂ (рис.10.5). Это осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П₁ и П₃ при увеличении напряжения на тиристоре до U_{перекл.}

На управляющий электрод подается напряжение такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении. Это приводит к росту тока через эмиттерный переход и снижению U перекл. На рисунке 10.6 приведено семейство ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока.

При достаточно больших значениях тока Iупр ВАХ тиристора вырождается в прямую ветвь ВАХ диода. Критическое значение тока I_упр, при котором на ВАХ тиристора исчезает участок с отрицательным диффиренциальным сопротивлением и тринистор включается, минуя запертое состояние, называется током спрямления.

Таким образом, наличие I_упр принципиально не меняет существа процессов, определяющих вид ВАХ тиристора, но меняет значения параметров: напряжение переключения и ток переключения.

Рисунок 10.6 — ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока базы I_упр

На рисунке 10.7 приведены параметры, характеризующие различного типа тиристоры в зависимости от выбора рабочей точки. К наиболее важным параметрам тиристоров относят: максимально допустимый средний прямой ток (в современных мощных тиристорах может достигать 1000…2000 А), импульсное прямое напряжение, максимальный обратный ток, ток удержания (определяется при I_у=0),  время выключения (у быстродействующих тиристоров составляет 5…100 мкс), управляющий ток отпирания и управляющее напряжение отпирания (при таких значениях тока и напряжения в управляющей цепи обеспечивается надежное отпирание тиристора даже при малых значениях напряжения — 5…10 В).

Рисунок 10.7 — Примеры характеристик кремниевых тиристоров КУ104

Четырехслойные приборы используются в качестве выпрямителей, а также переключающих устройств. Основная область применения тиристоров — энергетическая (силовая) электроника.

Ввиду несложной технологии изготовления, большого срока службы четырехслойные полупроводниковые приборы очень перспективны. Разработаны конструкции тиристоров на рабочие напряжения до 2000 В и токи 1000 А и более.

Программируемые логические контроллеры

В настоящее время широкое распространение на производстве получают промышленные контроллеры и ПЛК (программируемые логические контроллеры, на Западе называемые «программируемыми реле»), предназначенные для применения в системах автоматизации там, где использование других средств автоматики не удовлетворяет современным требованиям.

Фирма Siemens была пионером в области разработки промышленных контроллеров и ПЛК, начав их массовое производство в 1996 году. Логический модуль LOGO! изначально задумывался как промежуточное звено между традиционными релейными элементами автоматики (контакторы, реле времени и т.п.) и программируемыми контроллерами. В нем вместо соединения проводов должно было использоваться логическое соединение функций, обычно реализуемых аппаратно с помощью отдельных устройств. Но в отличие от программируемых контроллеров сложность устройств должна была позволять работать с ними персоналу без специальных знаний в области программирования. С этой же целью ввод программы в LOGO! осуществляется непосредственно со встроенных индикатора и клавиатуры. Для подключения к источникам си­гналов и исполнительным устройствам модули LOGO! первых поколений имели 6 или 12 дискретных входов и 4 или 8 дискретных выходов (варианты Basic и Long соответственно). Затем к дискретным входам добавилось два анало­говых.

В 2001 году фирма Siemens выпустила модульный LOGO!, в котором увеличение числа обслуживаемых входов и выходов обеспечивается с помощью дополнительных мо­дулей расширения. Подключение разных модулей расширения к базовой модели LOGO! позволяет расширить возможности контроллера. Модуль закрепляется на стандартной профильной шине и подключается к LOGO!

В распоряжении разработчика имеются следующие типы модулей:

-     дискретный модуль LOGO!DM8;

-     аналоговый модуль LOGO!AM2;

коммуникационный модуль LOGO!CM AS-i.

В модульном варианте ПЛК LOGO! (рис.10.8) можно реализовать максимум с 24 дискретными и 8 аналого­выми входами, а также 16 дискретными выходами. Напряжение питания входных цепей в LOGO! соответствует напряжению питания модуля, которое может быть 12/24 В постоянного тока, 24 и 230 В переменного тока. Выходы могут быть транзисторными или релейными. Нагрузочная способность последних (до 10 А) обеспечивает не­посредственное подключение достаточно мощных исполнительных устройств.

Новые модули расширения делают LOGO! способным быстро реагировать на изменения и занимают в два раза меньше места, чем сам LOGO! Кроме того, к такому микроконтроллеру можно подключить ком­муникационные модули для работы в сетях AS-interface, EIB Instabus или LON. Существуют и логические моду­ли без дисплея и клавиатуры, благодаря чему они почти на 20 процентов дешевле.

Рисунок 10.8 — Модульный LOGO! фирмы Siemens

Главной особенностью ПЛК LOGO! является то, что схема релейной автоматики собирается из программно реализованных функциональных блоков. В распоряжении пользователя имеется восемь логических функций типа И, ИЛИ и т.п., большое число типов реле, в том числе, реле с задержкой включения и выключения, импульсное реле, реле с самоблокировкой, выключатель с часовым механизмом, тактовый генератор, кален­дарь, часы реального времени с возможностью автоматического перехода на летнее/зимнее время и др.

Программирование модулей LOGO! может выполняться с помощью встроенных клавиатуры и дисплея. Оно сводится к выбору необходимых функциональных блоков, соединению их между собой и заданию параметров настройки блоков (задержек включения/выключения, значений счётчиков и т.д.). Для хранения управ­ляющей программы в модуле имеется встроенное энергонезависимое запоминающее устройство. Создание резе­рвной копии программы, а также перенос ее в другие LOGO! может быть осуществлён с помощью специальных мо­дулей памяти, устанавливаемых в интерфейсное гнездо. Модули памяти так и называются по цвету корпуса — «желтый» и «красный». При использовании жёлтого модуля программа может быть свободно перенесе­на из него в LOGO! и обратно. Если же программа переносится из красного модуля, то она может исполняться только в том случае, если модуль памяти остается вставленным в LOGO! Копирование её на другой модуль памяти невозможно. Таким способом обеспечивается защита управляющей программы от несанкционированного размножения.

Однако ввод программы с панели управления может быть оправдан только для небольших по объему прог­рамм или в случае острой необходимости внесения корректив в уже работающую программу непосредственно на объекте. Для относительно сложных схем очевидна необходимость использования программного пакета LOGO! SoftComfort. Этот пакет позволяет разрабатывать в графической форме и документировать программы для LOGO! на компьютере и отлаживать их в режиме эмуляции логического модуля. Принцип работы анало­гичен используемому при ручном вво­де, но эффективность во много раз выше. Выбранные функциональ­ные блоки мышью перетаскиваются на рабочее поле, затем соединяются и параметрируются. Для каждо­го функционального блока может быть написан комментарий, который существенно облегчит понимание принципа работы программы другому пользователю или поможет самому разработчику через некоторое время вспомнить собственные замыслы. Если по результатам эмулирования корректировка программы не требуется, то ее можно загрузить в память LOGO! с помощью специального кабеля, подключаемого к тому же интерфейсному гнезду, что и модули памяти.

На рис.10.9 приведен пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort.

Рисунок 10.9 — Пример блок-схемы логического устройства, выполненного в программе LOGO! SoftComfort

Зачастую при решении задачи автоматизации возникает потребность в контроле температуры. С появлением специализированного аналогового модуля LOGO! АМ2 Pt 100, предназначенного для непосредственного подключения двух термометров сопро­тивления Pt 100, процесс контроля температуры в диапазоне от —50 до +200°С заметно упрощается. С помощью LOGO! можно обеспечить и регулирование температуры. Такая задача решается с помощью обычного двухпозиционного регулятора, реализуемого с помощью платинового термометра сопротивления, аналогового модуля АМ2 Pt 100 и функционального блока «Аналоговый триггер». Сигнал с выхода этого блока будет являться управляющим для электрического нагревателя. Конечно, качество регулирования будет далеко не идеальным, но для многих применений оно может оказаться вполне приемлемым.

Краткий обзор зарубежных ПЛК

Классические ПЛК компании Mitsubishi Electric, предлагающей широкую гамму ПЛК, представлены несколькими линейками производства, от компактных серии ALPHA до мощных многофункциональных серии Q.

Важной особенностью ПЛК фирмы Mitsubishi Electric является:

-наличие процессоров RISC-архитектуры и специализированной операционной системы;

-возможность одновременно обрабатывать несколько алгоритмов или событий со строго детерминированным временем реакции;

- масштабируемость системы;

- возможность аппаратного резервирования;

-исключительно высокая надежность;

-поддержка практически всех существующих полевых шин и коммуникационных интерфейсов.

Рисунок 10.10 — ПЛК Mitsubishi серии ALPHA

ПЛК Mitsubishi серии ALPHA (рис.10.10) представляют собой компактные, универсальные, недорогие логические модули. Они предназначены для применения в задачах автоматизации, где использование релейной автоматики не удовлетворяет современным требованиям, а использование мощных ПЛК является избыточным. Программирование ПЛК серии ALPHA осуществляется с помощью наглядного программного обеспечения, использующего готовые библиотеки функциональных блоков. Контроллеры серии ALPHA могут обрабатывать до 28 каналов ввода-вывода.

Рисунок 10.11 — ПЛК Mitsubishi серии MELSEC FX

ПЛК Mitsubishi серии MELSEC FX (рис.10.11) включают в себя целое семейство контроллеров и отличаются высокой производительностью, гибкостью, функциональностью и масштабируемостью. Это идеальный выбор вне зависимости от того, необходима ли простая система, требующая до 34 каналов ввода-вывода (FX1S), или более сложная, требующая до 256 каналов ввода-вывода (FX2N/FX2NC). Все контроллеры MELSEC FX совместимы друг с другом, а также с унифицированными функциональными модулями и модулями расширения (кроме FX1S). ПЛК серии MELSEC FX поддерживают сетевую интеграцию.

ПЛК Mitsubishi серии Q (рис.10.12) представляет многопроцессорную концепцию, сочетающую в себе традиционный контроллер, контроллер управления движением и персональный компьютер.

Рисунок 10.12 — ПЛК Mitsubishi серии Q

В одной системе может одновременно функционировать до 4-х процессоров, реализующих различные задачи управления. Высочайшая надежность, встроенная самодиагностика ЦПУ с регистрацией истории сбоев и удаленная диагностика системы позволяют использовать ПЛК Mitsubishi серии Q для решения самых ответственных задач. Расширяемая конфигурация с количеством входов-выходов от 16 до 4096, а также быстродействие до 34 наносекунд за логическую операцию, позволяют использовать эти контроллеры для управления процессами любого уровня сложности. Компактность исполнения дает возможность максимально использовать пространство в шкафах управления. В ПЛК серии Q реализована полная функциональность ПК с ОС Windows.

Контроллеры класса SoftPLC представлены несколькими линейками, в числе которых I-7188, I-8000, WinCon-8000 и Adam. РС-совместимые контроллеры отличаются от классических ПЛК тем, что в них большинство функций, которые у ПЛК решаются на аппаратном уровне, могут выполняться с помощью программного обеспечения.

Возможность применения более дешевых, отработанных и быстрее развивающихся открытых архитектур на базе РС-совместимой платформы позволяет широко использовать такие решения для задач, где раньше применялись только обычные PLC. Неоспоримыми достоинствами данных контроллеров являются:

-           невысокая цена аппаратных средств;

-           использование открытых протоколов, которое позволяет интегрировать в одну систему устройства широкого спектра производителей;