~~..=-~~
%»
й~ Л М 4 -~с.хФ У .Ь - - Ы- ~а.-Ы'
у
м l

У,ЦК 621.38
ББК 32.85
Б43
Издание осуществлено прн организационной н финансовой под-
держке Федерального r'осударственног'о образовательного учреждении
«Центральный учебно-методический кабинет по рыбохознйственному
образованию» (ШОУ «ЦУМК») Государственного комитета Россий-
ской Федерации по рыболовству
Рецензенты: профессор кафедры электрооборудования судов и электро-
энергетики Калининградского государственного технического уни-
верситета, доктор технических наук В.с. Богомолов.
В учебнике излагаются основы полупроводниковой электроники, микро-
электроники„теории автоматического регулирования. Описаны элементы
оптоэлектроники, магннтоэлектроннкн, тензоэлектроннкн н автоматических
систем, преобразовательная н импульсная техннка.
Даются описания дистанционных автоматических систем управления су-
довымн силовыми установками, судовыми электроэнергетическими станци-
ямн, судовыми вспомогательными механизмами на логических элементах.
Приводятся схемы автоматизированных устройств. котлоагрегата, авто-
матической швартовной лебедки, воздушного компрессора, замещения судо-
вых электроприводов машинного отделения, автоматического процесса
глазуровки рыбы, автоматической системы управления главной холоднль-
ной установкой на логических элементах н бесконтактных датчиках.
Даются описания логических элементов систем «Транслог-1» н
«Транслог-2» на основании примеров действующих судовых схем.
Учебник предназначен для курсантов электромеханической и судомеха-
ннческой специальностей морских колледжей н мореходных училищ. Он мо-
жет быть использован судовыми электриками н электромеханиками.
ISBN 978-S-10-004021-7
Ос Издательство «КОЛОС», 2008
Б 43 Белоусов В.В., Вол кого н В.А. Судовая электроника и
электроавтоматика. М.: Колос, 2008. — 64S с.
ВВЕДЕНИЕ
('инрсменный период развития морского флота характеризуется
lit ll(> ll гован ем устрой тв автоматическ го управле и и контр
блудовых энергетических установок, электроприводов, электрических
Y- i,èþâîê и различных систем Современная судовая автоматика
пн~ирусгся на применении полупроводниковой техники, логических
h1 I I ар&l ; &g ; хем и микропроцес оров, вне рении вычислит льной те
и поль ювании силовых полупроводниковых преобразователей
мигциосгью до десятков тысяч киловатт. Примерами могут служить
l рсбиая электрическая установка самого мощного в мире атомохода
россия», атомохода «Таймыр» с гребной электрической установкой
пгрсмсиного тока и преобразователем частоты, ледоколы с
(и гг нь-электрическими энергетическими установками.
I!! ирокое развитие автоматического управления техническими
~ реджинами на судах различного назначения привело к созданию ряда
~ шфицированных систем и функциональных устройств автоматизации.
I! ри комплексной автоматизации предусматривается
иоддсржание в рабочем диапазоне всех или большинства
инрлмсгров, подверженных влиянию изменяющейся нагрузки или
~ару>каю их услов й а та же автоматичес ий контр ль та
и ~рнмстров, отклонение которых от нормы приводит к появлению
м исиравностей или отказов оборудования.
')исргетическая установка судна считается комплексно-
нни>матизированн й, е ли ри централизован ом управле ии
У ыыия оператора в течение продолжительного времени обеспечены:
иисрагивность управления, высокое качество эксплуатации,
н~ & t; ~можно ть раб ты ри сокращен ой численно ти экип жа суд
()бъем автоматизации зависит от технического совершенства как
~ ~рнвляющих систем и их структуры, так и объектов управления. Он
иуде г изменяться вместе с развитием технических средств и методов
уирннления судном. Основой комплексной автоматизации является
цсигрализованный контроль всех основных механизмов и систем
1псргетической установки.
I I àиболее важным и принципиально новым направлением
р.i ~ни гия комплексной автоматизации явилось использование в
м &g ;и гу ах вычислитель ых маш н, автоматичес ой сист
диагностики состояния главного двигателя и других механизмов.

При автоматизации судов максимальное сокращение численности
судового экипажа не является основной целью. Накопленный опыт
эксплуатации автоматизированных судов показал, что все болылее
значение приобретают прямые и косвенные технико-экономические
выгоды, которые часто не поддаются количественной оценке. При
любой степени автоматизации для каждого судна в зависимости от
его характеристики, назначения и условий плавания существует
определенный минимум численности экипажа, который способен
довести судно до ближайшего порта при ручном управлении
Функциональные обязанности судовых механиков постепенно
меняются ввиду сокращения должности электромеханика на многих
судах морского и речного транспорта. Это обстоятельство требует
более высокой подготовленности судовых механиков, способных не
просто эксплуатировать автоматизированные объекты, но и
повьплать технико-экономическую эффективность работы судовых
энергетических установок путем применения практических и
теоретических методов оптимизации процессов регулирования и
управления сложными объектами. Большее внимание приходится
уделять вопросам наладки и оптимизации работы средств судовой
автоматики. Практически состоялся процесс вывода машинной
команды из машинно-котельного отделения судов за счет широкого
внедрения средств дистанционного автоматизированного
управления энергетическими объектами, централизованных систем
контроля и комплексных систем управления. Это позволило
существенно улучшить условия труда и быта моряков, сократить
численность экипажей при увеличении ресурса и надежности работы
механизмов, что повышает безопасность мореплавания.
Требования к средствам автоматизации судовых энергетических
установок регламентируются Правилами Регистра России и
правилами иностранных классификационных обществ, которые
исходят из условия обеспечения безопасности плавания судов.
Увеличение степени и объема автоматизации судов вызывает
необходимость подготовки высококвалифицированных специалис-
тов, способных освоить и эксплуатировать современные автоматизи-
рованные силовые установки, обеспечивая их экономичную и
надежную работу. Поэтому в период подготовки и переподготовки
судовых механиков для адаптации к высокой степени автоматизации
судов нельзя не использовать возможность переподготовки судовых
ни к i ромсхаников, имеющих знания и опыт эксплуатации
лцн.манных автоматизированных судов на звание вахтенного
монашенка с последующим ростом по должности.
11о должности судовых электромехаников еще долго будут
ицисцшл и судовые роли высокоавтоматизированных судов, таких
квк ~оврсменные пассажирские лайнеры, атомоходы, электроходы,
ии инские контейнеровозы, болылие транспортные рефрижераторы,
& t; ць ис автоном ые траул р и т. ., де об ем автоматиза
п1юи lllo) \c гвенными процессами выходит далеко за приделы
нп ьп jl;I IHH обычных автоматизированных морских и речных судов.

Раздел l. Основы электроники
1 ° 1. Общие сведения
Техника полупроводниковых приборов стала самостоятельной
областью электроники. Замена электронных ламп полупроводни-
ковыми приборами успешно осуществлена во многих
радиотехнических устройствах.
На всем протяжении развития радиотехники широко применялись
кристаллические детекторы, представляющие собой полупро-
водниковые выпрямители для токов высокой частоты. Для
выпрямления постоянного тока электрической сети использовались
купроксные и селеновые полупроводниковые выпрямители. Однако
они непригодны для высоких частот.
Еще в 1922 г. сотрудник Нижегородской радиолаборатории
О.В. Лосев получил генерирование электрических колебаний с
помощью кристаллического детектора и сконструировал приемник
«Кристадин», в котором принимаемые сигналы усиливались за счет
генерации собственных колебаний. Он имел значительно большую
чувствительность, нежели обычные приемники с кристаллическими
детекторами. Открытие Лосева, к сожалению, не получило должного
развития в последующие годы. Полупроводниковые триоды,
названные транзисторами, предложили в 1948 г. американские
ученые Бардин, Браттейн и Шокли.
По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых
приборов имеются существенные достоинства:
— малый вес и малые размеры;
— отсутствие затраты энергии на накал;
— большой срок службы (до десятков тысяч часов);
— большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и
другим видам механических перегрузок);
1 ИАНА 1 . Полупроводниковые приборы
различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с
i юлупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как
) ю гери энергии в самих приборах незначительны;
м,шомощные устройства с транзисторами могут работать при
очс&g ;ь низ их питаю их напряжени
Нмесге с тем полупроводниковые приборы в настоящее время
))(нн)д.) и) г следующими недостатками:
параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов
д.шного типа имеют значительный разброс;
сноиства приборов сильно зависят от температуры;
) ибо га полупроводниковых приборов резко ухудшается под де-
&l ;с гн ем радиоактивн го излуче и и т
1 ра~ )исторы могут работать почти во всех устройствах, в
м) ) ) ) ~) u x применялись вакуумные лампы. В настоящее время
~ гннгсгоры успешно используются в усилителях, приемниках,
) и реда i чиках, генераторах, измерительных приборах, импульсных
мах и во многих других устройствах.
1.2. Основы электронной проводимости
полупроводников
I! о) ) у проводники представляют собой вещества, которые по своей
удьиын)и >лсктричес ой проводимо ти заним ют сред ее ме
М )))ду ))ровод>ик м и диэлектрика
Длн полупроводников характерен отрицательный температурный
))&l ;) )))фин е г электрическ го сопротивлен я. ри возраста
) ))i)ii)).))уры сопротивление полупроводников уменьшается, а не
у))) ян гииается, как у большинства твердых проводников. Кроме
) ) н i), инск i рическое сопротивление полупроводников сильно зависит
к)ншчес) м примесей в полупроводниках и от таких внешних
)) ) ) ) ни и, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение
и Ц
I! р) н щ) и ) ь) работы полупроводниковых диодов и транзисторов
i))i цн и.) с тем, что в полупроводниках существует
1 ili ) ) ) кл) рош)дность двух видов. Так же, как и металлы,
и и) ) и~ к води икн обладают электронной электропроводностью,
)) ) ) )))и)) обусловлена перемещением электронов проводимости. При
нных ~) )бичих температурах в полупроводниках всегда имеются

РАЗДЕЛ! - Основы электроники
электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами
атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между
атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием
разности потенциалов могут получить дополнительное движение в
определенном направлении, которое и является электрическим
током. Полупроводники обладают также дырочной
электропроводимостью, которая не наблюдается в металлах.
Отсутствие электрона в атоме полупроводника, т.е. наличие в атоме
положительного заряда, назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в
атоме не хватает одного электрона, т.е. образовывалось свободное
место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.
Область на границе двух полупроводников с различными типами
электр опроводн ости называется электронно-дыр очным или
р-и-переходом. Электронно-дырочный переход обладает свойством
несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное
сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов,
применимых в радиоэлектронике, основана на использовании
свойств одного или нескольких р — и-переходов.
Пусть внешнее напряжение отсутствует. Так как носители заряда
в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое
движение, т.е. имеют некоторые тепловые скорости, то и происходит
их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой.
Как и в любом другом случае диффузии, например наблюдающейся в
газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концен-
трация велика, туда, где их концентрация мала. Таким образом, из
полупроводника и-типа в полупроводник р-типа диффундируют
электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в
полупроводник и-типа диффундируют дырки. Это диффузионное
перемещение носителей показано на рисунке 1.1. В результате диф-
фузии носителей по обе стороны границы раздела двух проводников
с различным типом электропроводности создаются объемные заряды
различных знаков. В области и возникает положительный объемный
заряд. Он образован положительно заряженными атомами донорной
примеси и прошедшими в эту область дырками. Подобно этому в
области р возникает отрицательный объемный заряд, образован- ный
отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и
пришедшими сюда электронами. На рисунке 1.1 для упрощения
носители и атомы примесей показаны только в области перехода.
1 НАНА 1 . Полупроводниковые приборы
P Между образовавшимися
+
объемными зарядами возникают
I так называемая контактная раз-
+
I ность потенциалов и электричес-
кое поле. Направление вектора
напряженности этого поля Е по-
)'пс 1 1. Электронно-дырочныи
переход
ние неосновных носителей заря-
(о н )д дсиствием поля называется дрейфом носителей. Каждую се-
)(у 3) ду через границу в противоположных направлениях
рп()><))y(I~I Ipyer опреде енное коли ество элек р нов и ы ок,
Л и( lllll(;M поля такое же их количество дрейфует в обратном
п п(р ленни.
1 1срсмсщение носителей за счет диффузии называют диффузным
I ((I«M,;I движение носителей под действием поля представляет собой
к проводимости. В установившемся режиме, т.е. при
i»»IIMIIЧССКОм РаВНОВЕСИИ ПЕРЕХОДа, Этн ТОКИ ПРОтИВОПОЛОжНЫ ПО
и пц)(п(() спи)о. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и
1о() )( по ()I»l I ь при отсутствии внешнего напряжения.
11оау про)(одпиками являются четырехвалентные элементы. В
к() пс)пе (тс~овпых материалов для изготовления полупроводни-
)(о)((.)х ll1)l)6opol3 используются кремний Si, германий Ge, а также
(31(«»ll)I I;I»IIII)l 6аАЯ, карбид кремния ЯС и др. Наиболее широко в
ИД I о)(3ЦСС ВРЕМЯ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ КРЕМНИЙ.
1~реми))и — четырехвалентный элемент. Это означает, что во
3(п( ппн и об(пючке атома имеются четыре электрона, сравнительно
ч((3)о ~ ня и п)ь)е с ядром. Число ближайших соседей каждого атома
3(р(мппя l((кжс равно четырем.
1& t; дп(модсист ие п ры сосед их ато ов осуществляе с
)(омо(п(.)о пдрноэлектронной связи, называемой ковалентной связью.
1 ol)1);I н~)апии этой связи от каждого атома участвует по одному
пд((( п»l()My электрону, которые отщепляются от атомов
1)(од д( l() ппп 3ируются кристаллом) и при своем движении большую
° пн I ь дрсмспи проводят в пространстве между соседними атомами.
o I рццд I сльный заряд удерживает положительные ионы кремния
ц(~) до)~)с друга.
ll,цпп) н)екгронные связи кремния достаточно прочны и при
l»( и ох ( ем псратурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой

РАЗДЕЛ I . Основы электроники
температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи
атомов валентные электроны прочно привязаны к электрической
решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного
влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл
германия.
При нагревании кремния кинетическая энергия валентных
электронов повышается, и наступает разрыв отдельных связей.
Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и
становятся свободными, подобно электронам в металле. В
электрическом поле они перемещаются между узлами решетки,
образуя электрический хок.
Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них
свободных электронов, называют электронной проводимостью. При
повышении температуры число разорванных связей, а значит, и
свободных электронов увеличивается. При нагревании от ЗОО до
7ОО К число свободных электронов увеличивается от 1О'~ до 1О24 1/м~.
Это приводит к уменьшению сопротивления.
Положение дырки в кристалле не является неизменным.
Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов,
обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место
образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную
связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка.
Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов:
электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только
электронной, но и дырочной проводимостью.
Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных
полупроводников. Проводимость при этих условиях называют
собственной проводимостью полупроводников.
Проводимость чистых полупроводников (собственная проводи-
мость) осуществляется перемещением свободных электронов
(электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на
вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость).
Из рисунка 1.2, а видно, что валентная оболочка каждого атома
полупроводника имеет восемь электронов, т.е. оказывается
полностью заполненной. Это означает отсутствие свободных
электронов, которые могли бы переносить электрические заряды.
111АВА 1 . Полупроводниковые приборы
Рис. 1.2. Кристаллическая решбткв полупроводника: а) идеального
полупроводника; б) примесного полупроводника дырчатого типа;
в) примесного полупроводника электронного типа
Крисгаллическая решетка, в которой все валентные электроны
пмгк&g ;< парноэлектри еские с язи и вс узлы р шетки зап
«дпородпыми атомами полупроводника, является идеальной.
11дс,явную структуру может иметь 'холько совершенно чистый
м & t; окрист лл полупроводн ка ри н ле абсолюх ой температу
I I In» гом чистый кремний будет идеальным диэлектриком.
11ояуп1>оводн к с та ой решет ой называю ся собственн
<1««у«1«<водн
Уже при комнатной хемпературе энергия некоторых электронов
«I««<.п lt; с гся доста очн й для р зрыва парноэлект онной связ
l <1&l ;мш я ЛИ' = О 7 э , для к емни ЛИ' 1,1 эВ) т. . для
& t   I р на от ат м и перех да г в з ну проводимос и. Вследст
1««1«.«&l ;а од ой парноэлектрон ой св зи образую ся ва носит
п<1«& t;да' &g ; сктрон и д рк . К к мы уже тмеча и, дырка
!«»I <о см положительн го заря а. На са ом д ле ды ки нич го
I в р&l ;ч н lt ся г: вр мя от в емени дырку зап лняет эле тр н, о пр
~ ч«о п другом месте кристалла полупроводника обрывается связь„и
l рипа ПояВЛястея дЫрКа. В ЧИСТОМ ПОЛуПрОВОдНИКЕ КОНцЕНтрацИя
»«aII«»«»I л; равна концентрации дырок р; т.е. n; = р; (индекс
<»»«& t .<е чистый, «собств
1 сли ввести в чистый полупроводник пятивалентный элемент,
l«!! ример мышьяка As, то его четыре валентных электрона образуют
п«1 <п«« lt;ск г онные с язи с че ырьмя сос дними а
Ill«<pl<1)<)l lt;oJ IIHK (р с 1.2, б), а пят й валент ый эл
м<гпп. к в образова ии парноэлектрон ой св зи не участву
I I&lt &lt ! му оп оказы ается слабосвя а ным с томом м ш яка
11

РАЗДЕЛ I Основы электроники
значении энергии О,О1 эВ отрывается от своего атома и свободно
перемещается в объеме полупроводника. При этом атом мышьяка
превращается в положительно заряженный ион (неподвижный
заряд), а кристалл полупроводника остается нейтральным. Такая
примесь называется дон орной, а полупроводник, в котором
основными носителями электрических зарядов являются электроны,
называется электронным полупроводником, полупроводником
п-типа (от англ. negative).
В полупроводнике и-типа электроны являются основными
носителями заряда, а дырки — не основными. Если в кристалл
чистого полупроводника ввести трехвалентный элемент, например
индия 1п, то при этом три валентных электрона атома индия образуют
только три парноэлектронные связи с тремя соседними атомами
полупроводника. Четвертая связь может быть заполнена, когда
энергия электронов оказывается достаточной для их перехода от
атомов полупроводника к атомам индия. В атоме полупроводника
появляется одна незаполненная связь, вакантное место дырка.
Атом индия становится при этом неподвижным отрицательно
заряженным ионом (рис. 1.2, в). Примеси, атомы которых
захватывают и удерживают электроны атомов полупроводника,
называются акиепторными (от англ. ассергог захватывающий).
Наличие в об'ьеме полупроводника акцепторной примеси
приводит к появлению в нем избытка дырок, т.е. к тому, что
концентрация дырок становится больше концентрации свободных
электронов.
Полупроводники с акцепторными примесями получили название
дырочных полупроводников или полупроводников р-типа (от англ.
posi tive).
В полупроводнике р-типа основными носителями зарядов
являются дырки, а неосновными — электроны.
Известно, что диоды, как и другие полупроводниковые приборы,
изготавливают в два этапа. На первом этапе производят собственно
прибор (так называемый кристалл), а на втором ero монтируют в
корпус.
Промышленное получение полупроводниковых монокристаллов
представляет собой выращивание близких к цилиндрической форме
слитков (рис. 1.3, а), которые необходимо разделить на заготовки-
пластины (рис.1.3, 6).
I IIAIIA 1 . Полупроводниковые приборы
Рис. 1.3. Изготовление и нарезка кристаллов
1 l,è н и первобытные предки знали, как расколоть кусок кремния на
«пкне и острые пластинки. Тысячелетия цивилизации не прошли
ц и& t; челов ка дар м. Н ши современн ки т же ум ют раскалыв
1 «и «.аллы, причем делают это лазером. Пластиночки, конечно, у них
н«яуч,иогся потоньше кубик сапфира с гранью 4ОО микрон режут
па и& t; скол ко соверше но рав ых квадрати ов толщи ой вс го 30 Ђ”
I<Ill<
II & t; многочислен ых спосо ов разделе ия слит ов на пласт
(рс &lt ка алмазн ми круг м с внутрен ей ли наруж ой режу
к ~ «&l ;м к и; электрохимическ я; лазер ым луч м; химичес
~ равнением; набором полотен или проволокой; бесконечной лентой и
&l ;  gt; в нас оящее время наиб льшее прим нение нашли
аяма н< ми круг м с внутрен ей режу ей кромк й, набо
ll«a« I en и бесконечной лентой.
Y.арактеристики полупроводниковых приборов, естественно, не
««<н яг от то о в ка ом име но корп се он смонтиров н,
п& t к ~иочсн ем рассеивае ой мощно ти (табл ца 1.
Таблица 'l.1
Размеры (усредненные
1
03
25
Корпус
0,2
II&lt
&l ; l ;  l ; « lt
1.3. Полупроводниковые резисторы
I'<ðìopåçèñm pû (р с. 1 4) представл ют со ой полупровод
I«»«Ä&l ;e прибо ы, сопротивле ие кото ых значител но изменяе с

РАЗДЕЛ ! . Основы электроники
гооо
Д 1 2 1 1
1 2 1
2 1 2
14
Рис. 1.4. ВАХ терморезисторов:
а) с отрицательным ТКС; б) с положительным ТКС
зависимости от температуры. Терморезисторы выполняются в виде
диска, плоской шайбы, бусинки, цилиндрического стержня.
Терморезисгоры подразделяются на гермисгоры и позисторы.
Термисторы (NTC) имеют отрицательный температурный
коэффициент сопротивления (ТКС), т.е. с увеличением температуры
сопротивление уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 15, а).
Начальный участок ОА (рис. 15, б) по характеристике
практически линейный, так как при малых токах выделяемая
мощность мала и практически не влияет на температуру нагрева
термистора. С ростом тока температура термистора повышается,
нарушается температурный баланс, в результате сопротивление его
уменьшается.
Как и любой технический прибор, термисторы имеют ряд
параметров и свойств, знание которых позволяет выяснить
о Pg egg o~
Рис. 1.5. Характеристики терморвзистора с отрицательным ТКС:
а) температурная; б) вольтамперная; в) условное обозначение
I I!AHA 1 . Полупроводниковые приборы
по 1м11>ки1& t;сть использ ван я e o для р шения опреде
& t; х »1 1ес ой зада
( ~сиовпые параметры терморезисторов с отрицательным ТКС:
! ! «баритные размеры.
Величина сопротивления образцов Ж и ЯТ (в Ом) при опре-
деленной температуре окружающей среды в t ('С), или Т (К).
Д11я терморезисторов, рассчитанных на рабочие температуры
примерно от — 100 до 12S200'Ñ, температуры окружающей сре-
ды принимается равной 20 или 25'С и величина И называется
«холодным сопротивлением&gt
1 Величина ТКС и в процентах на 1'С. Обычно она указывается
дня той же температуры t, что и холодное сопротивление, и в
г1ом случае обозначается через ot.
~~~у 100%
у,г
! !!остоянная времени Т (в секундах) характеризует тепловую
инерционность терморезистора. Она равна времени, в течение
когорого температура терморезистора изменяется на 63% от
р,1 гиости температур образца и окружающей среды. Чаще всего
11у разность берут равной 100'С.
Максимально допустимая температура t до которой характе-
рис гики терморезистора долгое время остаются стабильными.
I& t; М11кСИМаЛ НО дОПуСтИ ая МОщНО тЬ раССЕИВа Ия ~ В т,
вызывающая необратимых изменений характеристик терморе-
1истора. Естественно, при нагрузке терморезистора мощностью
/'„,„„его температура не должна превышать t „.
7. Коэффициент рассеяния Н в Вт на 1'С. Численно равен мощ-
ности, рассеиваемой на терморезисторе при разности темпера-
гур образца и окружающей среды в 1'С.
Н. Коэффициент температурной чувствительности В, размер-
ность [К].
9 Коэффициент энергетической чувствительности G в Вт/% R
численно равен мощности, которую нужно рассеять на терморе-
1исторе для уменьшения его сопротивления на 1%. Коэффици-

РАЗДЕЛ I * Основы электроники
распадается на два равенства, каждое из которых связывает
действительные числа параметры плеч (сопротивления,
индуктивности, емкости, частоту). Поэтому в общем случае для
уравновешивания мостовой цепи переменного тока требуется
регулировка по крайней мере двух параметров моста. На основе
уравновешенных мостовых цепей создают, главным образом,
устройства для измерения электрических сопротивлений, емкостей,
индуктивностей; в комплекте с первичными преобразователями
параметрического типа они широко применяются для измерения
неэлектрических величин (температуры, деформаций, ускорений и т. п.)
Примером использования термосопротивления в мостовой цепи
может служить устройство для измерения температуры различных
сред (рис. 1.7).
Если в одно из плеч моста включить терморезистор, на клеммы с и
d подключить милливольтметр, а на точки а и Ь подключить
источник питания со строго контролируемым стабильным
напряжением, то из-за рассогласования моста при изменении
внутреннего сопротивления терморезистора стрелка
милливольтметра, шкала которого разградуирована в градусы по
Цельсию, начнет отклоняться в ту или другую сторону, в
зависимости or того, что происходит с температурой
контролируемой среды, в которой находится терморезистор.
Резистором Ж можно уравновесить схему, т.е. скорректировать
показания измерительного прибора.
Позисторы имеют положительный ТКС. На рис. 1.8, а приведена
температурная характеристика позистора. Вольтамперная
U= --сова
Рис. 1.7. Мостовая схема измерения температуры
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
оооо
+о~ 0
Рис. 1.8. Характеристики позистора:
а) температурная; б) вольтамперная; в) условное графическое обозначение
характеристика позистора (рис. 1.8, б) имеет прямолинейный участок
ОА и «релейный» участок ВС. На участке ВС сопротивление
позистора будет расти.
Для позисторов, кроме ряда приведенных выше параметров,
обычно указывают также еще примерное положение интервала
положительного температурного коэффициента сопротивления, а
также кратность изменения сопротивления в области
положительного ТКС.
Поз исгоры применяются для регулирования температуры,
термокомпенсации, стабилизации токов.
Основными параметрами терморезисторов являются:
температурный коэффициент сопротивления, сопротивление при
температуре t' = 19,S'Ñ, максимальная рабочая температура,
предельная мощность рассеивания. Керамические терморезисторы с
положительным температурным коэффициентом (РТС)
сопротивления {позисторы) имеют широкий диапазон
применения. Так, например:
1. Терморезисторы с положительным температурным коэффици-
ентом (РТС) для защиты or перегрузки.
Керамические терморезисторы РТС применяют вместо
традиционных плавких предохранителей для защиты двигателей,
трансформаторов и т.д. или электронных цепей от перегрузки
(рис. 1.9, а). Они не только реагируют на недопустимо высокие токи,
но также на превышение установленного температурного предела.
Защитные терморезисторы ограничивают рассеиваемую мощность

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
Рис. 1.9. Варианты применения позисторов: а) защита от перегрузки по
току; б) датчик уровня жидкости; в) измерение и контроль температуры
всей цепи посредством увеличении их сопротивлении и снижении
тока до безопасного остаточного значения.
В отличие от традиционных плавких предохранителей, их не нужно
заменять после устранения неисправности, они возобновляют свою за-
щитную функцию сразу же после короткого охлаждения. По сравнению
с терморезисторами, выполненными из пластмассовых материалов, ке-
рамические РТС всегда возвращаются к исходному значению сопротив-
ления даже после частых циклов нагревания /охлаждения.
2. Терморезисторы РТС как датчики уровня.
Терморезистор, нагреваемый низким напряжением, приблизи-
тельно равным 12 Вольт, реагирует на понижение внешней
температуры изменением потребляемой мощности.
При постоянном напряжении потребление энергии является
критерием для величины рассеяния мощности. При возрастающем
рассеянии терморезистор охлаждается благодаря положительному
температурному коэффициенту, ток РТС повышается. Заметное
повышение тока наблюдается при помещении терморезистора в
жидкость, где рассеивается большее количество тепла, чем в воздухе
(рис. 1.9, б). Эта особенность делает терморезистор идеальным для
контроли величины уровня жидкостей в емкостях.
Возможны следующие применения:
— защита от перелива топлива;
— измерение уровня жидкости;
— индикация предела (например: индикатор слишком низкого или
высокого уровня воды в вспомогательном паровом котле);
— индикация утечки жидкости.
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
3. Терморезисторы PTC для измерении и контроля, температур-
ные датчики.
С терморезисторами РТС в качестве температурных датчиков
используется только крутая область характеристики Я/Т.
Сопротивление РТС следует рассматривать как функцию
температуры окружающей среды.
Предпосылкой для этого соотношении сопротивлении и
температуры окружающей среды является то, что исключаются
самонагревание (рис. 1.9, в). Это означает, что эти терморезисторы
PTC должны работать в возможно самой низкой напряженности
поли. Для обеспечения быстрого реагировании, терморезисторные
датчики имеют особенно малые размеры. Высокая точность
управления достигается применением материалов с чрезвычайно
крутой характеристикой сопротивлении/температуры.
Терморезисторы могут широко применяться в качестве
температурных датчиков в электрических машинах для управления
температурой обмотки.
4. Терморезисторы РТС как нагревательные элементы.
Применение терморезисторов РТС не ограничено применениями
устройств переключении и чувствительных к току, но из-за
специфической характеристики Я/Т они также идеальны как
нагревательные элементы. Благодаря положительной кривой
температурного коэффициента можно создать устройства нагрева
без дополнительного контроля и защиты от повышенной
температуры, необходимые дли традиционных систем нагревания. В
этом применении терморезисторы РТС непосредственно работают
при имеющемся напряжении без последовательного сопротивления,
преимущественно в области низкого сопротивлении характеристики
Я/Т, т.к. в этой части кривой достигается особенно высокая мощность
нагревания.
Варисторы (переменные резисторы) представляют собой
нелинейные полупроводниковые приборы, сопротивление которых
изменяется нелинейно и одинаково под действием как
положительного, IRK и отрицательного напряжения.
Вольтампернаи характеристика варисторов (рис. 1.10, а)
симметрична относительно начала координат Симметричность
характеристики позволяет использовать варисторы в цепях
20

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
б
U
Ь =6.а..В,Л
а)
бЫХ
Рис. 1.11. Защита схемы от
перенапряжения
Рис. 1.1О. Варистор:
а) ВАХ; б) условное графическое обозначение; в) внешний вид
переменного и постоянного токов. На рис. 1.10, б приведено
условное графическое обозначение варистора.
Основные параметры варистора: статическое сопротивление при
постоянных значениях напряжения и тока, Я = И1; динамическое
сопротивление по переменному току, А„= МУ/ЛХ; допустимая
мощность рассеивания; допустимое напряжение, допустимый ток.
Варисторы широко применяются в технике для защиты от
перенапряжений (искрогасители), в стабилизаторах и ограничителях
напряжения, в преобразователях сигнала (умножители).
Являясь разрядником, варистор, в простейшем случае устанавли-
вается параллельно защищаемой схеме, последовательно с внутрен-
ним сопротивлением источника помех (имеется в виду
сопротивление линии передачи данных с учетом омического импе-
данса кабеля). При отсутствии перенапряжения ток, проходящий
через варистор, очень
источник
.Мал. помех импеданс
Принцип защиты 4'
схемы варистором
Э~
о
(рис. 1.11) состоит в рез-
3
U щФ
ком уменьшении его у3
(Ь
внутреннего сопротивле- g5
ния до долей Ом при воз-
никновении импульса
напряжения, и соотве-
тствующее шунтирова-
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
Рис. 1.12. Варисторный мост от перенапряжения
ние защищаемого объекта. Результатом является резкое увеличение
тока, протекающего через варистор.
В следующем примере рассмотрим мостовой стабилизатор
напряжения на варисторах (рис. 1 12) напряжение на выходе
стабилизатора равно разности напряжений на варисторе (U) и на
линейном резисторе (U~): U, = U — U~. С ростом входного
напряжения U,„ðàñTåò ток в элементах моста (рис. 1.13, а). Выходное
напряжение, как видно из рисунка 1.13, б, вначале увеличивается,
затем падает до нуля и после изменения знака снова растет по
абсолютной величине. Внешняя характеристика стабилизатора
U, (U„) в режиме холостого хода приведена на рис. 1 13, б.
Выходное напряжение остается приблизительно постоянным при
изменении входного напряжения от U,„I до U, ~ когда величина
дифференциального сопротивления варистора равна или близка к
величине сопротивления линейного резистора.
Количественной оценкой стабилизации напряжения является
коэффициент стабилизации.
Рис. 1. 13. Характеристики варисторов:
а) BAX стабилитрона; б) зависимость U„,„îò U,„

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
Ф:О:
С0
ЛU,„U.„
U„AU,„
При синусоидальном входном напряжении мост стабилизирует
действующее значение выходного напряжения. Последнее содержит
третью гармонику, удельный вес которой возрастает с ростом
амплитуды входного напряжения.
1.4. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодом называют прибор, который имеет
два вывода и содержит один (или несколько) р — п-переходов.
Процесс производства
полупроводниковых диодов довольно
Я
сложен. Один из них заключается в том,
что на пластинку германия или кремнии
(1) кладут небольшую таблетку индия (2)
(рис. 1.14); кристалл помещают в
электрическую печь, из которой выкачан ~«. ~-1&l ;. Проц
воздух (вакуумная печь). При плавлении
таблетки индии она растекается по
пластинке, и атомы индия диффундируют в основное вещество
Рис. 1.15. Полупроводниковый диод:; б) его
структура; в) вольтамперная характеристика
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
(германий или кремний). В результате образуется область (3) с
дырочной проводимостью.
Напомним, что основной кристалл обладает электронной
проводимостью. Между областями с электронной и- и дырочной
р-проводимостями образуется так называемый р — п-переход (4). Этот
сложный и тонкий процесс производится в вакууме для того, чтобы
не произошло окисления индия и полупроводниковой пластинки.
Условное графическое обозначение полупроводникового диода
приведено на рис. 1.1S, à, à ero структура — на рис. 1.1S, б. Электрод
диода, подключенный к области р, называют анодом (по аналогии с
электровакуумным диодом), а электрод, подключенный к области
п, — катодом. Статическая вольтампернаи характеристика диода
показана на рис. 1.1S, в.
Топологическаи модель диода представлена на рис. 1.16, а. Эта
модель относится к низкочастотным динамическим моделям
большого сигнала. Характеристика полупроводникового диода
представлена на рис. 1.16, б, а область определении модели выделена
на ней серым цветом. Из рисунка видно, что модель диода описывает
работу диода во всех режимах.
Параметры топологической модели диода даны ниже, а ее
компоненты описываются следующими выражениями.
Нелинейное сопротивление р — п-перехода:
Рис. 1.16. Топологическая модель и область его определения

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
тт
т;а,.
=г1
Гобр
назначению — на выпрямительные, импульсные, стабилитро-
ны, варикапы и др.
Выпрямительные диоды конструктивно делятся на плоскостные и
точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные
и эпитаксиальные.
Выпрямительные плоскостные диоды предназначены для
преобразования переменного тока (до SO кГц) в постоянный: мощные
германиевые — до 1000 А (выпрямленный ток) и U,6ð =150 В;
мощные кремниевые — 10 —: SOO А; U&lt @ð =- до 1 00
Выпрямительные точечные диоды предназначены для СВЧ (до
нескольких. сотен МГц). до О, 1 А; У„-р до 1 SO В.
Выпрямительные диоды большой мощности называют силовыми.
Материалом для таких диодов обычно служит кремний или арсенид
галлия. Германий практически не применяется из-за сильной
температурной зависимости обратного тока.
Силовые выпрямительные диоды (рис. 1.19), как правило,
работают в блоках, обеспечивающих энергопитание электротехни-
ческих устройств. Поэтому они должны быть мощными, обладать
высоким к.п.д. преобразования переменного тока в постоянный, не
изменять свои параметры в процессе работы. И их конструкция
должна предусматривать хороший теплоотвод.
Поскольку на выпрямительных диодах, как правило, рассеивается
значительная мощность, они разогреваются, что приводит к
ухудшению их выпрямительных свойств и, если температура
рп-перехода превысит определенное значение, диод может выйти из
строя, что в свою очередь может сопровождаться выходом из строя
всего силового блока.
Для характеристики воздействия температуры на р — n-переход
вводят специальный параметр тепловое сопротивление. Тепловое
Рис. 1.19. Выпрямительный диод:
а) конструкция; б) ВАХ при разных температурах
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
сопротивление полупроводниковых приборов характеризует„как
выделяющаяся в полупроводниковом приборе мощность влияет на
с~ о разогрев. Измеряется тепловое Я, сопротивление в [O/Вт]:
Л
AP
&gt де Т„ температу ар Ђ” и-перехо
T„„. температура окружающей среды.
Величина Я, зависит or конструкции прибора, в частности способа
крсплсния кристалла, конструкции корпуса. Чем более массивен
крисгаллодержатель и сам корпус, тем меньше тепловое
сопротивление прибора. На рис. 120 в качестве примера приведены
копс грукции двух корпусов с указанием их теплового сопротивления.
В судовых электроустановках встречается множественный ряд
погрсбителей электроэнергии, которые требуют для своей работы
постоянного напряжения и которые обеспечиваются различными
схемами на полупроводниковых выпрямителях.
Схемы выпрямления классифицируются по различным
~ ~ри такам.
Рис. 1.2О. Примеры конструкций диодов с различным
сопротивлением: 1, 2 — малой мощности, R, = (100 — 200) /Вт; 3 — средней
мощности, R, = 1 — 1 0 /Вт

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые и иборы
1.ч-,3 (Ю)
т
а) Fg)
Рис. 1.21. Однополупериодная схема выпрямления: а) схема
выпрямления; б) кривые токов и напряжений
— числу фаз вторичной обмотки трансформатора (однофазные и
трехфазные);
— форме выпрямленного напряжения (однополупериодные и
двухполупериодные);
— схеме соединения вентилей (с последовательным включением и
мостовые);
— мощности, напряжению и частоте выпрямленного тока.
Простейшая схема выпрямителя приведена на рис. 1.21, а.
В промежутке времени (О 01) к вентилю VD подводится
положительное напряжение, и через вентиль протекает ток прямого
направления. Этот промежуток называется проводящим
полупериодом, а ток id прямым током (рис. 1.21, 6).
В промежутке (01 — 02) разность потенциалов между анодом и
катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает
незначительный ток i,. Промежуток (01 — 02) называется
непроводящим полупериодом, а ток 1, — обратным током.
Обозначим через R, сопротивление вентиля в проводящем
полупериоде, а через R, — сопротивление вентиля в непроводящем
полупериоде. В промежутке (Π— 01) напряжение вторичной обмотки
трансформатора будет равно:
U2 = idRa+ ldRd&
где г,г Л = h U — падение напряжения в вентиле;
ldRd = Ud — выпрямленное напряжение на зажимах приемника
энергии.
В промежутке (01 — 02) напряжение вторичной обмотки
трансформатора равно:
U2 1в~в+ 4Rd ~в+ l»Rd&
i дс U, --- обратное напряжение на вентиле.
Для большинства типов вентилей обратный ток 1, и падение
п.ш ряжения незначительны и ими пренебрегают, тогда в
проводящем полупериоде:
U2= idRd= Ud,
,1 в пепроводящем полупериоде
~г= ~4.
Гег1ерь рассмотрим однофазную деухгголуггериодную
ек)ттгактную схему (рис. 1.22).
Вторичная обмотка трансформатора имеет секции ОА и ОВ с
напряжениями U& t и 2, сдвинут ми по ф зе на 18
,цля напряжений секций ОА и ОВ трансформатора имеем:
U, =-U, = ГгЕ,sinn~~,
& t; д  - Ђ” деиству1о ее значе ие напряже ия од ой сек ии втор
ной обмотки трансформатора
Амплитуда тока вентиля:
у & t
Ле,
а max d max d а
Когда вентиль 1 закрыл, на его катод с помощью токопроводящего
всп гиля 2 подается напряжение U2.
Поэтому обратное напряжение на вентиле:
Uå Г-~1 ( Г-~2) 2 Г-~1 &
~)2 — — 1-)1,
Рис. 1.22. Двухполупериодная однотактная вентильная схема:
а — схема выпрямления; б — кривые токов и напряжений

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
а его амплитуда
1
1 (1 2)'
12
1Д1
1 -~. Н-
12
R =--i
н
г~ Я
ад
Л-+
~Ф
УХ&g
.1И мах ~ ~ Ы1
от 2тт
I
! ' I
~~ ~я
11 2М
1 (
Ф/ 1
VDb
П от 2т1 1п
V, =2,ГгЕ,.
Мгновенное значение первичного тока:
Так как ток il меняется синусоидально, его действующее значение
равно:
Однофазная мосл2овая схема собирается на четырех диодах,
являющимися плечами моста (рис. 1.23, а) . В одну диагональ моста
включен резистор нагрузки Я„, а другая подключена к источнику
переменного напряжения вторичной обмоткой трансформатора.
Диоды VD1 и ИЭЗ образуют катодное плечо моста с положительным
потенциалом, а диоды VD2 и VD4 — анодное плечо с отрицательным
потенциалом.
Used Ud 1п 4ll
11
Ug
Ф'' ФЖ, ~l, у ' ф
~1 2тт 311 1 П
Рис. 1.23. Однофазная мостовая схема выпрямления
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
Среднее значение выпрямленного напряжения, а также среднее
шачение выпрямленного тока, частота пульсаций и коэффициент
пульсаций в мостовой схеме такой же, как и в схеме однофазного
двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
Достоинство схемы: малая мощносп трансформатора; обратное
напряжение на диодах равно амплитудному значению напряжения
вторичной обмотки трансформатора; конструкция проще, а
габариты, вес и стоимость трансформатора меньше. Недостатки
схемы: требуется четыре вентиля; большой коэффициент пульсаций.
Трехфазная однололупериодная схема выпрямления с выводом
нулевой точки вторичной обмотки трансформатора (схема
Миткевича) состоит из трехфазного трансформатора. Первичная
обмотка трансформатора может быть соединена звездой или
.греугольником, вторичная обмотка — только звездой с выводом
пулевой точки (рис. 1.24, а). Резистор нагрузки Я„включается между
нулевой точкой звезды и общим катодом трех диодов VD1, ИЭЗ и
VD5, аноды которых будут соединены со свободными концами А, В,
С каждой из фаз. Катоды диодов, соединенных в общую точку,
служат положительным полюсом для цепи нагрузочного резистора
Рис. 1.24. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления:
а) схема выпрямления; б) диаграмма токов и напряжений

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
Л„, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора—
отрицательным полюсом.
Работу данной схемы выпрямления можно рассматривать как
работу трех однополупериодных схем выпрямления, соединенных
параллельно и работающих на общий резистор нагрузки А„. А так как
напряжения вторичной обмотки трансформатора Ua, Ue, Uc
сдвинуты по фазе на одну треть периода (Т/3 или 120') и в течение
этого интервала времени напряжение одной фазы (например, фазы А
в интервале времени аб) выше напряжения двух других фаз В, С
относительно нулевой точки трансформатора. Ток через диод VDI,
фазу А и резистор нагрузки Я„будет протекать в течение интервала
времени аб, когда напряжение фазы А выше напряжения фаз В и С.
Ток через диод VDI перестает проходить, когда потенциал его анода
становится ниже общего потенциала катодов и, следовательно, к
диоду VDI прикладывается обратное напряжение.
Переход тока от одного диода к другому (коммутация токов)
происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений А, В,
С (точки а, б, в, е, д, е на рис. 1.24, б). Токи всех диодов проходят
через резистор нагрузки Я„в одном направлении. Среднее значение
выпрямленного напряжения равно:
л
з
U~ = — )!!, Coswtd(~) =!!7!!, .
л
з
Среднее значение выпрямленного тока, проходящего через
резистор нагрузки, Id = Ud/ß„. Каждый вентиль в данной схеме
работает в течение одной трети периода. Следовательно, среднее
значение тока через диод в 3 раза меньше тока резистора нагрузки„
т. е. Ыер = АИ.
Достоинства схемы: лучшее использование обмоток
трансформатора; равномерно нагружает сеть переменного тока;
схема проста; меньше потери в диодах. Недостаток схемы: мощность
трансформатора должна быть завьппена.
Трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления
(схема Ларионова) приведена на рис. 1.25, а. В этой схеме
последовательно соединены две трехфазные однополупериодные
схемы выпрямления. Диоды VDI, VD3, VD5 представляют собой
ГЛАВА 1 . Полупроводниковые приборы
67 г.г
T!'8, '2!!/з
~!-~ч !~ — +
!
УХ&g ;Х
икр~
и!!е,з ~
+
О
'vD3 ф !, «,з
Рис. 1.25. Трехфазная двухполупериодная мостовая схема
выпрямителя:
а) схема выпрямления; б) диаграмма токов и напряжений
катодную группу моста, а диоды VD2, VD4, VD6 анодную. В
данной схеме выпрямления пропускают токи те два диода, которые
имеют максимальный положительный и минимальный
отрицательный потенциалы. Третья фаза подключается лишь в
период коммутации.
Катодные диоды повторяют режим работы трехфазной схемы
выпрямления с нулевой точкой. В этой группе диодов в течение
каждой трети периода пропускает ток тот диод, который имеет
наиболее высокий потенциал анода. В анодном плече моста VD2,
VD4, И36 в данную часть периода пропускает ток тот диод, у
которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по
отношению к общей точке анодов.
Диоды катодного плеча открываются в моменты пересечения
положительных синусоид (а, 6, в, г, д на рис. 1.25, б), а диоды
анодного плеча в момент пересечения отрицательных синусоид
(точки К, Л, М, Н). Таким образом, проводить ток будут два диода,
лежащие в разных плечах выпрямительного моста, между которыми
действует наибольшее линейное напряжение вторичной обмотки

При отключении
катушки индуктивнос-
ти от источника тока
ф
г
Рис. 1.26. Процесс самоиндукции
РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
трансформатора (Угл. Например, в интервале времени tl — 4 ток
проводят диоды ИЭ1 и ИЭ6, на интервале времени t2 — 4 диоды VD1
и VD2, в интервале 4 — t4 диоды VD3, VD2 и т. д. Следовательно,
интервал совместной работы двух диодов равен л/3 или 60', а
интервал проводимости каждого диода составляет одну треть
периода: Ф = 2 л/3.
Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме
выпрямления носит не случайный характер, а соответствует порядку
их вступления в работу при заданной фазировке трансформатора.
График напряжений и токов показаны на рисунке 1.25, б. Среднее
значение выпрямленного напряжения Ud = 2,34 Uq~. Среднее
значение выпрямленного тока, проходящего через резистор
нагрузки, Id = U/ß„. Так как каждый диод работает только одну треть
периода, то ток диода будет в 3 раза меньше. Частота пульсаций в 6
раз больше частоты сети питания.
Достоинства схемы: коэффициент пульсаций имеет малое
значение; мощность трансформатора используется практически на
100%; большая частота пульсаций и малая их амплитуда;
возможность включения в сеть без трансформатора.
Немаловажную роль выпрямительные диоды выполняют в защите
электронных схем с применением различных видов индуктивностей
отнапряжения самоиндукции.
Вспомним, что при резком выключении из розетки вилки элек-
троприбора можно увидеть искру. Причиной этого является то, что
при выключении электрического тока в проводнике возникает ток са-
моиндукции. Явление самоиндукции заключается в появлении ЗДС
индукции в самом проводнике при изменении тока в нем. Для само-
индукции выполняется установленный опытным путем закон: ЭДС
самоиндукции прямо
пропорциональна
скорости изменения
тока в проводнике:
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
лампа, включенная параллельно катушке, дает кратковременную
вспышку (рис. 1.26).
Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источ-
и иком энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, явля-
с гся магнитное поле катушки.
11г
Энергия магнитного поля находится по формуле: И; =
2
Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в
~аряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в
катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной
энергии. ЭДС самоиндукции во много раз может превышать ЭДС
источника питания, что чрезвычайно опасно для полупроводниковых
приборов, в схеме которых имеется индуктивность.
Во многих электронных схемах исполнительным органом, т.е.
конечным элементом схемы, является электромагнитное реле. При
отключении питания со схемы на катушке реле возникает
напряжение ЭДС самоиндукции обратной полярности, в '2 — 3 раза
превышающее напряжение питающей сети, что приводит к быстрому
выбросу напряжения между коллектором и эмиттером, которое
может вывести из строя различные мощные полупроводники.
Исходя из общих правил разработки схем электрооборудования
постоянного тока, следует параллельно индуктивной нагрузке,
подключенной к полупроводниковым приборам, устанавливать
выпрямительный диод, шунтирующий BbI6pochI напряжения
обратной полярности от ЭДС самоиндукции.
При включении замыкателя 8 (рис. 1.27) получает пихание саего-
диод V81 и катушка реле К1, тем самым контакты К1.1 данного реле
подают питание на нагревательный элемент Л„. Диод VD1 закрыт.
5' Как только размыка-
ется замыкатель 5',
К1. 1 отключается нагре-
+ НИ К7 вательный прибор
Л„, гаснет светодиод
V81 В катушке реле
1~н К1 возникает ЭДС
самоиндукции об-
ратной полярности,
Рис. 1.27. Защита схемы от ЭДС самоиндукции

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
которая открывает диод VD1 и замыкает цепь катушки накоротко че-
рез диод VD1, тем самым гася ЗДС самоиндукции и спасая от пробоя
светодиод V81.
Имиульсные диоды являются разновидностью высокочастотных
диодов и предназначены для работы в качестве ключевых элементов
в импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств, импу-
льсные диоды должны иметь минимальное значение времени при
переключении в прямом и обратном направлениях.
Импульсными называются диоды, которые могут работать с
временами переключения 1 мкс и меньше. В импульсных диодах
наличие зарядной емкости приводит к искажению формы импульса.
Малое значение зарядной емкости достигается уменьшением
площади Р— и-перехода. Поэтому основная конструктивная задача
заключается в уменьшении площади р — и-перехода. Для изготовления
импульсных диодов используют германий и кремний.
Преимуществом диодов из германия является малое значение
падения напряжения на диоде при прямом смещении, что
существенно при работе диодов при малых сигналах.
При быстрых изменениях напряжения на полупроводниковом диоде
на основе обычного Р— л-перехода значение тока через диод,
соответствующее статической вольтампер ной характеристике,
устанавливается не сразу. Процесс установления тока при таких
переключениях обычно называют переходным процессом. Переходные
процессы в полупроводниковых диодах связаны с накоплением
неосновных носителей в базе диода при его прямом включении и их
рассасывании в базе при быстром изменении полярности напряжения на
диоде. Так как электрическое поле в базе обычного диода отсутствует,
то движение неосновных носителей в базе определяется законами
диффузии и происходит относительно медленно. В результате кинетика
накопления носителей в базе и их рассасывание влияют на
динамические свойства диодов в режиме переключения.
Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого
напряжения U на обратное напряжение. На рисунке 1.28 показаны
эпюры изменения напряжения и тока на диоде.
Рассмотрим кинетику переходного процесса, то есть изменение тока
Р— п-перехода при переключении с прямого напряжения на обратное.
При прямом смещении диода на основе несимметричного Р— л-перехода
происходит инжекция неравновесных дырок в базу диода.
ГЛАВА 1 - Полулроводниковые приборы
JÄÄp
Unp
8 б
Рис. 1.28. Эпюры изменения напряжения и тока при переключении
диода: а) напряжение; б) ток
Изменение во времени и пространстве неравновесных
инжектированных дырок в базе описывается уравнением
непрерывности:
ф Р— Р„„ф
Д~ т ~,Ух'
С течением времени концентрация неравновесных носителей
будет убывать, следовательно, будет убывать и обратный ток. За
время t~ называемое временем восстановления обратного
сопротивления или временем рассасывания, обратный ток придет к
шачению, равному тепловому току.
При установлении стационарного состояния в момент времени
1 & t; со стационар ое распределе ие неравновес ых носите е в б
описывается соотношением:
Обратный ток обусловлен только диффузией дырок к границе
области пространственного заряда Р— и-перехода:
В момент времени t = О распределение инжектированных носите-
лей в базе определяется из диффузионного уравнения и имеет вид:
— х
Р(х) =(Р„, — Р„.)е +Р„,.

РАЗДЕЛ 1. Основы электроники
Рис. 1.3О. Вольтамперная
характеристика стабилитрона
Время, в течение которого
обратный ток - постоянен,
t
называют временем среза.
Для импульсных диодов
время среза т,р и время
восстановления т, обратного /
сопротивления диода
I
являются важными Рис. 1.29. Зависимость обратного тока
па аме ами (см ис 1 2о) от вРемен~ пРи пеРеключении диода
Для уменьшения их значения существуют несколько способов.
Во-первых, можно уменьшать время жизни неравновесных носите-
лей в базе диода за счет введения глубоких рекомбинационных цен-
тров в квазинейтральном объеме базы. Во-вторых, можно делать базу
диода тонкой для того, чтобы неравновесные носители
рекомбинировали на тыльной стороне базы.
Имея такие идеальные выходные характеристики, импульсные
диоды чаще всего используются в режиме диодного ключа.
Сжабилитроиом называется полупроводниковый диод,
вольтамперная характеристика которого имеет область резкой
зависимости тока от напряжения на обратном участке вольтамперной
характеристики (см. рис 1.30).
Основное назначение ста-
билитрона — стабилизация
J
напряжения на нагрузке при
изменяющемся напряжении
во внешней цепи. При дости-
жении напряжения на стаби-
литроне, называемого сааб V
напряжением стабилизации
U„,6, ток через стабилитрон J „,
резко возрастает.
Дифференциальное со-
8
противление Л„„ф деального
стабилитрона на участке ВАХ
стремится к нулю, в реаль-
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
»ых приборах величина Лд„ф составляет примерно от 2 до SO Ом. В
связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузоч-
i юс сопротивление, демпфирующее изменение внешнего
»а»ряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным дио-
дом.
11а рисунке 1.31 изображена мостовая схема блока питания, где
с габилнтроны V&a p 5 и ИЭ6 осуществ яют стабилиз цию напряж н
»рсделах 1S Вольт в случае колебания напряжения в сети 220 В за
с»Ст изменения своего внутреннего сопротивления (увеличение или
уменьшение проходящего через него тока), тем самым создавая
»адение напряжения на резисторе Я, равное избыточному.
! 1а»ряжение стабилизации U,t; зависит от физического механизма,
»6уславливающего резкую зависимость тока от напряжения.
различают два физических механизма, ответственных за такую
зависимость тока от напряжения, — лавинный и туннельный пробой
Р л-перехода.
Для стабилитро нов с туннельным механизмом пробоя
>ыиряже ие стабилиза ии U t; невел к и составл ет велич
мс»ее 5 Вольт. А для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя
»а»ряжение стабилизации обычно имеет большие значения и
составляет величину более 8 Вольт. По напряжению стабилизации
ра величают низковольтные и высоковольтные стабилитроны:
»ромышленностью выпускаются стабилитроны с напряжением
с | дебилизации от 3 до 400 В.
Рис. 1.31. Типовая схема стабилизации напряжения

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроиики
Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в нем, не
превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон
может работать неограниченно долго.
Для оценки температурного влияния на напряжение стабилизации
используется температурный коэффициент напряжения
стабилизации:
ГЛАВА 1 - Полупроеодиикоеые приборы
Рис. 1.33. Схема включения: а) стабилитрона; б) стабистора
где AU„— отклонение напряжения стабилизации от номинального
значения при изменении температуры на AT.
На рисунке 1.32, а показано условное графическое изображение
стабилитронов, а на рисунке 1.32, б приведены их вольтамперные
характеристики.
Напряжение стабилизации стабилитро нов зависит от
температуры. На рис. 1.32, б штриховой линией показано
перемещение вольтамперных характеристик при увеличении
температуры. Очевидно, что повышение температуры повышает
напряжение лавинного пробоя при U„& t   и уменьш ет го
Д81 4А КС1 бб КС113
сл~абилил рою ~
Рис. 1.32. Стабилитрои: а) схематическое изображение стабилитронов;
б) их вольтамперные характеристики
U,, & t 5 В. Ин че гово я, стабилитр н с напряжен ем стабилиза
больше 5 В имеют положительный температурный коэффициент
напряжения (ТКН), а при U„& t  В Ђ” отрицательн й.
U,, = 6 — 5 Вольт ТКН близок к нулю.
Иногда для стабилизации напряжения используют прямое
падение напряжения на диоде. Такие приборы в отличие от
с габилитронов называют стабисторами. В области прямого
смещения р — и-перехода напряжение на нем имеет значение
0,7 — 2 Вольт и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы
позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В).
Для ограничения тока через стабистор последовательно с ним также
включают сопротивление. В отличие от стабилитро нов при
увеличении температуры напряжение на стабисторе уменьшается,
гак как прямое напряжение на диоде имеет отрицательный ТКН.
Схема включения стабилитрона приведена на рис. 1.33, а, а
стабистора — на рис. 1.33, б.
Диоды Шотки (ДШ) это диоды, в которых вместо р — и-перехода
используется контакт металлической поверхности с полупроводни-
ком. При включении р — и-структуры в электрическую схему кроме
р — и-перехода образуются еще два перехода: один — между подводя-
щим ток электродом
Омические ледени и р-областью, дру-
а гой между таким
N же электродом и
п-областью. Обозна-
чив символом М ме-
талл электрода, на-
зовем эти переходы
MN-
и
Рис. 1.34. Диод Шотки: а) условное графическое
обозначение; б) конструкция

РАЗДЕЛ 1. Осиоеы электроиики
MP-переходами (рис. 1.34).
Для того чтобы эти переходы не искажали работу р — п-перехода,
необходимо, чтобы они не создавали потенциальных барьеров и
были омическими, т.е. обладали возможно меньшим электрическим
сопротивлением, не зависящим от значе-. ния и направления тока.
С этой целью на поверхность п-области наносят металл, имеющий
работу выхода электронов, меныпую, чем полупроводник п-типа,
поэтому преимущественным будет переход электронов из металла в
п-полупроводник. Эти электроны, добавляясь к «своим» свободным
электронам, обогащают приконтактный слой п-полупроводника
носителями зарядов, обеспечивая малое электрическое
сопротивление MN-перехода при любом направлении тока
В случае MP-перехода тот же эффект достигается при
использовании в качестве электрода металла, имеющего работу
выхода электронов, большую, чем полупроводник P-типа. При этом
электроны из приконтактного слоя Р-области уходят в металл,
обогащая этот слой дырками основными носителями для
P-области, обеспечивая малое сопротивление MP-перехода в обоих
направлениях (см. рис. 1.35). С помощью омических переходов
осуществляется подключение тех или иных областей
полупроводниковых приборов, рассматриваемых далее, в
электрические цепи различных устройств.
Структура металл-полупроводник называется переходом Шотки.
Рассмотрим MP-структуру (т.е. металл-полупроводник п-типа). Если
работа выхода электронов у металла выше, чем у полупроводника, то
преобладаюшим будет перемещение электронов из полупроводника
в металл (свободным электронам металла труднее приобрести энер-
гию, равную работе выхода, чем электронам полупроводника). В ре-
зультате металл заряжается
отрицательно, а оставшиеся в
УЖ„4ЖЛОд
G
полупроводнике ионы
донорной примеси создают в
его приграничном слое
положительный потенциал.
Такое распределение заря- ~ц
дов создаст контактную раз-
ность потенциалов Uk
U3C
(потенциальный барьер), пре-
Рис. 1.35. Эффект Шотки
ГЛАВА 1 ° Полупроеодиикоеые приборы
нятствующую дальнейшему перемещению электронов, подобно
юму, как это имеет место в р — п-переходе.
Аналогично р — и-переходу MP-переход (слой полупроводника,
прилегающий к границе) обедняется носителями, и его
шектрическое сопротивление повышается. Если приложить к
переходу внешнее обратное напряжение, совпадающее с Uk, то
ширина обедненной области увеличивается, так как электроны
и-области оттягиваются к положительному полюсу приложенного
напряжения. При противоположной (прямой) полярности внешнего
напряжения обедненная область сужается. Таким образом,
MP-переход уподобляется р — п-переходу, и их вольтамперные
характеристики оказываются аналогичными. Такой перевод
металла-полупроводника в отличие от омического называют
выпрямляющим.
Одной отличительной особенностью характеристик перехода
Шотки является значительно меньшее прямое падение напряжения
ио сравнению с р — и-переходом (см. рис. 1.36). Объясняется это тем,
что одно из веществ этого перехода — металл, а следовательно, его
геектрическое сопротивление (и соответствующее падение
напряжения на нем) значительно меньше, чем у полупроводника.
Другая особенность перехода Шотки — отсутствие инжекции не-
основных носителей заряда из металла в полупроводник (в рассмат-
риваемом случае — дырок, которые являются неосновными
носителями). Отсюда следует, что в приборах, использующих пере-
ход Шотки, отсутствует диффузионная емкость, связанная с накопле-
нием неосновных носителей в полупроводниках, что значительно
повышает ИХ
быстродеиствие.
Х,А
17ерехо3
1
При описании модели ди-
1 i
ода с барьером Шатки в про-
1- — — - ]- — — l — ——
1 1 1
граммах схемотехнического
моделирования можно ис-
РИ - жре~вд
I
пользовать описание диодов
I 1 !
3
с р — п-переходом, но задавать
!
I 3
очень малые значения време-
0
НИ ЖИЗНИ НЕ ОСНОВНЫХ НОСИ- 0,2 0,4 0,6 Unp B
телей ТТ = 0. Ток насыщения,
Рис. т.36. Вольтампериая
характеристика диода Шотки

РАЗДЕЛ 1 Основы электроиики
как правило, на два-три порядка больше, а контактная разность по-
тенциалов VJравна 0,2 — 0,3 В.
Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с р — и-переходом
по следующим параметрам:
— более низкое прямое падение напряжения;
— имеют более низкое обратное напряжение;
— более высокий ток утечки;
— почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.
Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми
при проектировании низковольтных высокочастотных
выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время
восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие
неосновных носителей, требующих время на обратное
восстановление, означает физическое отсутствие потерь на
переключение самого диода.
Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при
выпрямлении малых напряжений. Например, 45-Вольтный диод
Шотки имеет прямое напряжение 0,4 — 0,6 В, а при том же токе диод с
р — и-переходом имеет падение напряжения 0,5 — 1,0 В. При понижении
обратного напряжения до 15 В прямое напряжение уменьшается до
0,3 — 0,4 В. В среднем применение диодов Шатки в выпрямителе
позволяет уменьшить потери примерно на 10 — 15%. Максимальная
рабочая частота ДШ превышает 200 кГц при токе до 30 А.
Тот факт, что барьеры Шотки получили распространение
сравнительно недавно (в начале 70-х годов), хотя их теория была
разработана в двадцатых годах, объясняется, во-первых, тем, что для
получения качественных барьеров необходимо было осуществить
«органичный» (не прижимной) контакт металла с полупроводником,
что оказалось возможным только после освоения техники
вакуумного напыления пленок. Во-вторых (особенно для диодов),
необходимо было обеспечить малое сопротивление базы при
достаточно высоком пробивном напряжении, а это удалось
достигнуть только после освоения эпитаксиальной технологии.
Несмотря на широкое применение диодов Шотки в электронике,
на сегодняшний день открылась новая перспектива в его
использовании — это обнаружение утечек водорода в достаточно
широком температурном диапазоне.
ГЛАВА 1 - Полупроеодиикоеые приборы
Интерес к водороду резко возрос в связи с масштабным
финансированием исследований по использованию водорода как в
космической технике, так и во многих отраслях промышленности как
>кологиче ки безопасно о, альтернативн го не ти источн
>псрг и. ри многочислен ых достоинст ах водо од облад е
существенным недостатком — он взрывоопасен при смешении с
воздухом в определенных пропорциях. Отсюда — важность
своевременного обнаружения его утечек. Для изготовления
водородных датчиков используются различные полупроводниковые
материалы Адсорбированные молекулы водорода диссоциировали
па поверхности барьерного электрода на атомы, которые проникали
через металлический барьер, образуя дипольный слой на границе
раздела металл-полупроводник. Поляризация дипольного слоя
вызывала изменение высоты барьера Шатки. Изменение высоты
барьера Шотки в зависимости от концентрации водорода определяли
>кспериментал но из АХ ля t u Pd-А1 ,3 ap Аз дио ов Шат
На рисунке 1.37 изображена простейшая схема датчика-
определителя утечки водорода. Измерительным прибором в данной
схеме является вольтметр, шкала которого разградуирована в
процентном отношении величины избыточной концентрации
водорода к содержанию его атмосферы. При нормальной
концентрации водорода прибор показывает нулевое содержание
и s-за равновесия делителя напряжения (ЯЗ, R4 и VD7).
При появлении в окружающей среде избыточной концентрации
водорода диод Шотки VD7 изменяет свое омическое сопротивление,
&gt ем са ым нарушае ся равнове ие делит ля напряжен я и стре
прибора отклоняется от нуля, показывая излишнее содержание
водорода.
Кб
~rotc
Рис 1.37. Схема определителя утечки водорода

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
N
8
7
б
5
VcM 5
Рис. 1АО. Вольтфарадная характеристика варикапа, построенная в
«двойном» логарифмическом масштабе
ных координатах. Подобные характеристики можно найти в справоч-
ной литературе. Они позволяют определить емкость варикапа при
различных значениях напряжения смещения.
Основная характеристика варикапа вольтфарадная:
C, = ~(~.„),
где C, — общая е*мкость варикапа, т.е. емкость, измеренная между
его выводами. Общая емкость С, содержит не только барьер-
ную емкость электрического перехода Сд,р, но и емкость ф—
корпуса, в который заключен прибор.
Однако предпочтительнее иметь дело с вольтфарадной
характеристикой варикапа, построенной в «двойном» (т.е. по обеим
осям) логарифмическом масштабе. Известно, что степенная функция
вьл лядит в таком масштабе как прямая линия, причем тангенс угла ее
наклона к оси ординат численно равен показателю степени функции.
На рис. 1.40 показан этот график для варикапа Д902. Измерив
обычной линейкой стороны прямоугольного треугольника АВС,
получаем для модуля показателя степени значение 0,5 (АВ/ВС).
Падающий характер характеристики говорит о том, что этот
ГЛАВА 1 Полупроводниковые приборы
показатель имеет минусовой знак Таким образом, зависимость
емкости варикапа Д902 от приложенного напряжения имеет вид
у-0,5
Сказанное выше относится к «классическим» варикапам. Для
увеличения эффективности управления современными варикапами
при их изготовлении принимают специальные технологические
меры, поэтому и вольтфарадные характеристики могут иметь уже не
столь простой вид.
На рис. 1.41 показана широко распространенная схема включения
варикапа в колебательный контур генератора, а на рис. 1.42—
вольтфарадная (С) и вольтамперная (1) характеристики варикапа и
мгновенное напряжение на варикапе (U,) при двух значениях
управляющего напряжения (U~ð). Обращаем внимание, что для
наглядности на графике масштаб по оси «U» вправо от нуля и по оси
«I; C» вниз от нуля укрупнен. Пока управляющее напряжение велико
((У„р1) по сравнению с амплитудой переменного напряжения (U,),
варикап работает в нормальном режиме Но при уменьшении
управляющего напряжения (U 2) могут наступать моменты, когда
на пиках отрицательной полуволны напряжения рабочая точка
варикапа будет заходить на прямую ветвь вольтамперной
характеристики, и он начнет выпрямлять приложенное к нему
переменное напряжение.
Кроме того, варикапы, используемые в схемах умножения
частоты сигнала, называются варакторами, а в схемах
Рис. 1А1. Схема включения варикапа в колебательный контур
генератора
Рис. 1А2. Вольтфарадная и вольтамперная характеристики варикапа и
мгновенное напряжение на варикапе при двух значениях

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
Рис. 1.43. Туннельные диоды: а) условное обозначение туннельного
диода; б) БАХ туннельного диода; в) условное обозначение обращенного
диода; г) БАХ обращенного диода
параметрических усилителей сигналов сверхвысоких частот
параметрическими полупроводниковыми диодами.
Туннельные диоды (рис. 1.43) представляют собой полупроводни-
ковые диоды, в которых применяют высоколегированные полупро-
водниковые элементы. Область объемного заряда очень маленькая,
так как высоки концентрации примесей — доноров и акцепторов. По-
этому очень велика вероятность того, что электроны из валентной
зоны сразу переходят в зону проводимости (и обратно). В такой
структуре при малых напряжениях протекают очень большие токи.
При небольших смещениях в прямом направлении высота барьера
уменьшается, и исчезает перекрытие валентной зоны и зоны прово-
димости, ток уменьшается, а затем, когда барьер вовсе исчезает, ток
снова растет. Это так называемый туннельный диод (рис. 1.43, а). Его
характеристика показана на рис. 1.43, б.
Важная особенность туннельного диода это то, что он имеет
участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это
позволяет сделать на нем простой генератор переменного сигнала, .
причем очень высокочастотный (СВЧ).
Одной из разновидностей туннельных диодов являются
обращенные диоды (рис. 1.43, в). Концентрация примесей в них
меньше, чем в туннельных, что в значительной степени изменяет их
вольтамперную характеристику (рис. 1.43, г).
Как пример применения туннельного диода приведем схему
простейшего радиопередатчика (см. рис. 1.44).
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
Рис. 1.44. Схема простейшего радиопередатчика
Основу этого устройства составляет схема высокочастотного
генератора на туннельном диоде. Ток, потребляемый генератором от
источника питания, составляет примерно 15 мА и зависит от типа
туннельного диода. Тип туннельного диода может быть выбран, по
усмотрению радиолюбителя, с током потребления не более 10 — 15 мА
(например, диод АИ201А).
Генератор сохраняет свою работоспособность при напряжении
источника питания 1 Вольт и выше при соответствующем выборе
рабочей точки резистором Я2. Настройка передатчика сводится к
установке рабочей точки туннельного диода путем вращения движка
подстроечного резистора R2 до появления устойчивой генерации и
подстройки частоты колебаний конденсатором С4.
Глубину модуляции можно изменять подбором сопротивления
резистора Rl. Сигнал этого передатчика можно принимать на
телевизионный приемник.
1.5. Биполярные транзисторы
Принцип действия биполярного транзистора заключается в том,
что 2 р — п-перехода расположены настолько близко друг к другу, что
происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают
электрические сигналы.
Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя
полупроводника (р — n — ~ или nр — n) и соответственно два
р — n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляю-
щий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.
Средний слой и соответствующий вывод называют базой. Этот
олой низколегированный и малой толщины. Один из крайних слоев и

РАЗДЕЛ I . Основы электроники
два р-и
эмиттерныи колиекторныи
ое ехо ое еко
эмиттер
короектор
/
т
l
е кто р
выводы
транзистора
а
Рис. 1А5. Биполярный транзистор: а) конструкция типа и — р — и; 6)
условное графическое обозначение типа и — р — и; в) конструкция типа р-л — р;
г) условное графическое обозначение типа р-л — р
соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний
слой и соответствующий вывод — коллектором.
Дадим схематическое, упрощенное изображение структуры
транзисторов типа n — р-и (рис. 1.45, а) и вариант условного
графического обозначения (рис. 1.45, б).
Транзистор типа р — и — р устроен аналогично, упрощенное
изображение его структуры дано на рис. 1.45, в, вариант условного
графического обозначения на рис. 1.45, г.
Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания
электрического тока участвуют носители электричества двух
знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов
роль электронов и дырок различна.
Транзисторы типа n — р-и более распространены в сравнении с
транзисторами типа р — л — р, так как обычно имеют лучшие
параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в
электрических процессах в транзисторах типа и — р-и играют
электроны, а в транзисторах типа р — и — р дырки. Электроны же
обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.
Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода
значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая
несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.
Основными элементами транзистора являются два соединенных
р — и-перехода. Это позволяет дать формальное представление
структуры транзистора, представленное на рис. 1.46, а.
Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно
учитывать, что р — и-переходы транзистора сильно взаимодействуют.
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
Рис. 1.46. Биполярный транзистор: а) схематическое представление
взаимодействующих р-и-переходов; 6) ошибочное представление
обозначения р-и-переходов как схемы двух диодов
Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и
наоборот. Именно это взаимодействиерадикально отличаеттранзистор
от схемы с двумя диодами (рис. 1.46, б).
В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от
напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.
Указанное взаимодействие имеет исключительно простую
главную причину, а именно: очень малое расстояние между
переходами транзистора (от 2Π— ЗО мкм до 1 мкм и менее). Это
расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная
особенность структуры создает качественное своеобразие
транзистора.
Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в
эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный.
Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка,
поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и
свободных электронов) в коллекторе может быть как больше
концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.
Рассмотрим принцип работы биполярного транзистора на
примере транзистора типа n — р — n (рис. 1.47), для которого
концентрация основных носителей в п-области значительно выше,
чем в р-области, т.е. справедливо неравенство:
Пн pð.
Из области эмиттера происходит инжекция электронов в область
базы. Далее происходит экстракция электронов из области базы в

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
Рис. 1А7. Схема распределения токов в n-— р-и транзисторе
область коллектора. Примыкающий к эмиттеру р — п-переход
называется эмиттерным, к коллектору — коллекторным.
Приложим к эмиттерному переходу прямое (~У6,), а к
коллекторному обратное (U„,) напряжения. В результате через
эмиттерный переход в область базы будут инжектировать электроны
(инжекцией дырок из базы в эмиттер пренебрегаем), образуя
эмиттерный ток транзистора I,. Поток электронов, обеспечивающий
ток I, через эмиттерный переход, показан на рис. 1.47 широкой
стрелкой.
Часть инжектированных в область базы электронов
рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда—
дырками, образуя ток I'6. Другая часть инжектированных
электронов, которая достигает коллекторного перехода, с помощью
электрического поля, создаваемого напряжением ~Укб, подвергается
экстракции в область коллектора, образуя через р — и-переход
коллекторный ток I,'.
Уменьшение потока электронов через коллекторный переход (а,
следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок
через эмиттерный переход можно учесть соотношением:
ГЛАВА 1 Полупроводниковые приборы
Учитывая, ITO I » 1„д&g ;, iioay~ M: I   -
Разность между эмиттерным и коллекторным токами в
соответствии с первым законом Кирхгофа представляет собой
базовый ток: 1е = I, — I,.
I„:Ге=а: (1 — а) = р =~1, = P . 4,
где P & t 1 динамичес ий коэффици нт перед чи т ка ба
Далее будем обозначать I~so как око.
Существуют три способа включения транзистора: с общей базой
(ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), и общим коллектором (ОК). Различие
в способах включения зависит от того, какой из выводов транзистора
является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей
точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ—
эмиттер, в схеме ОК вЂ” коллектор.
В силу того, что статические характеристики транзистора в
схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы, рассматриваются
характеристики только для двух способов включения: ОБ и ОЭ.
Для схемы с общей базой (рис. 1.48, в) входной характеристикой
называют зависимость тока i, от напряжения и,д при заданном
напряжении икб, т.е. зависимость вида:
~; = f(u,е ) при и„д = Const,
где/ некоторая функция.
Выходной характеристикой для схемы с общей базой называют
зависимость тока ~, от напряжения и,~ при заданном токе ~„т.е.
зависимость вида:
где а коэффициент передачи тока эмиттера.
Через запертый коллектор ный переход будет создаваться
обратный ток I„qz (протекает и тогда, когда ток эмиттера равен нулю),
образованный потоком из и- в р-область не основных для
коллекторный области носителей заряда — дырок р„, который
совместно с током Х, образует выходной ток транзистора I, = I'„+ I„qz
H TOK B 633OBOM BhiBoIie Ig = I 6 — I~().
Учитывая выражения для 1„получим: 1, — а 1) + ~ &lt
Рис. 1А8. БАХ биполярных транзисторое с общей базой: а) входная
характеристика; б) выходная характеристика; в) схемa с общей базой

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
i» f(u»s) при i, = Const,
где f — некоторая функция.
Точка А на рис. 1.48, а соответствует усилительному режиму. Для
нее выполняются условия U q & t; 0, „ & t; 0. Увел чени тока эм
будет сопровождаться возрастанием U,ä.
Точки В и С на рис. 1.48 соответствуют режиму насыщения, при
котором ток коллектора ограничен и не обеспечивает отвод всех
подходящих к коллектору инжектированных носителей заряда„
границы режима насыщения определяются условиями U,6 & t
U»s & t;
Точка Х) на рис. 1.48, а соответствует режиму отсечки, при котором
соответствующий сигналу инжекционный ток эмиттера отсутствует,
соответственно, на коллектор не поступают инжектированные
носители, и транзистор находится в запертом состоянии. Границы
режима отсечки определяются условиями U,6 & t  и , &
Очень часто транзистор включают по схеме, представленной на
рис. 1.49, в. Эту схему называют схемой с общим эмиттером, так как
эмиттер является общим электродом для источников напряжения.
Для этой схемы входной характеристикой называют зависимость
тока iq от напряжения ие, при заданном напряжении и, т.е.
зависимость вида:
~е= f(uq,) при u»,= Const,
Рис. 1.49. BAX биполярных транзисторов с общим змиттером:
а) входная характеристика; 6) выходная характеристика;
в) схема с общим эмиттером
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
где f некоторая функция.
Выходной характеристикой для схемы с общим эмиттером
называют зависимость тока i„ox напряжения и„, при заданном токе iq,
т.е. зависимость вида:
~„= f(u„,) при ге= Const,
где f — некоторая функция.
На графиках (рис. 1.49) обозначены точки, соответствующие
точкам на вольтамперных характеристиках для схемы ОБ (рис. 1.48).
Следует обратить внимание, что для режима насыщения
характеристики не заходят в третий квадрант, т.е. напряжение U„ae
изменяет знак. Действительно в ОЭ: U„, = U„q — U,ä & t; О, ак а
режиме насыщения U„g & t; О    g ; О и U g
В схеме с общим эмиттером входным напряжением будет Uq„
выходным ~У„„при этом Ug, = — U,g, т.е. если подать один и тот же
сигнал на каскад ОЭ и ОБ, то на выходе этих каскадов он будет в
противофазе.
Напряжение на выходе транзистора U„, = Up, + U~, т.е. оно
складывается из выходного напряжения в ОБ и перевернутого по
фазе входного напряжения в ОБ. Выходной ток в ОЭ так же, как и в
ОБ, равенн„. В ОЭ входной базовый ток равенне = I, — I» = 1,(1 — и), т.е.
он в (P + 1) раз меньше, чем в схеме ОБ, соответственно входное
сопротивление транзистора в ОЭ должно быть больше, чем в ОБ.
Рассмотрим модели усилителя тока на транзисторах типа и — р — и и
типа р — и — р. Предположим, что движок резистора R (см. рис. 1.50, а)
находится в нижнем положении по схеме. Следовательно, на базе
транзистора и — р — и находится отрицательный потенциал, и
транзистор закрыт (рис. 1.50, б). Если плавно перемещать движок
резистора вверх, то по мере передвижения движка отрицательный
потенциал уменьшается, становится равным нулю, и появляется
положительный потенциал.
По мере увеличения положительного потенциала на базе
транзистор открывается и при достижении движком верхнего
положения транзистор открывается полностью. Амперметр
фиксирует максимальный ток эмиттерно-коллекторного перехода.
Зависимость тока коллектора от напряжения на базе достаточно
близка к прямой линии. Если на ней взять произвольное приращение
тока коллектора и поделить его на соответствующее приращение

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
1ак,мА
1ак,мА
Рис. 1.5О. Модель усилителя тока: а) на транзисторе типа и — р — и;
6) на транзисторе р-n — р
напряжения между базой и эмиттером, получим третий параметр—
крутизну характеристики (8).
Рассмотрим модель усилителя на транзисторе типа р — и — р
(рис. 1.50, в). Предположим, что движок резистора R находится в
верхнем положении по схеме. Следовательно, на базе транзистора
р — и — р находится положительный потенциал, и транзистор закрыт
(рис. 1.50, г). Если плавно перемещать движок резистора вниз, то по
мере передвижения движка положительный потенциал уменьшается,
становится равным нулю, и появляется отрицательный потенциал.
По мере увеличения отрицательного потенциала на базе транзистор
открывается и при достижении движком нижнего положения
Рис. 1.51. Усилитель напряжения дпя судовой тревожной
сигнализации
транзистор открывается полностью. Амперметр фиксирует
максимальный ток эмиттерно-коллекторного перехода.
В качестве примера работы биполярного транзистора типар — и — р в
режиме усилителя напряжения от измерительного моста приведем
схему судовой температурной тревожной сигнализации (рис. 1.51).
Схема представляет собой усилитель переменного напряжения с
большим коэффициентом усиления В схемах автоматики он
применяется как усилитель, который усиливает малое входное
напряжение от измерительного моста Вин стона до уровня
срабатывания аварийной сигнализации.
Усилитель состоит из трех каскадов с R — С-связью с общим
эмиттером. 1-й каскад выполнен на транзисторе VT1; второй на
транзисторе VT2; третий — на транзисторе VT3. Переменное
напряжение с измерительного моста подается на вход усилителя
(контакты 1, 2) и через разделительный конденсатор С1 на базу
транзистора И l. Сопротивления Rl и Я2 базового делителя
предназначены для выбора рабочей точки транзистора VT1 на
прямолинейном участке его характеристики. Конденсатор Cl служит
для разделения переменной и постоянной составляющих базового тока
транзистора VT1. R4 сопротивление нагрузки транзистора И7.
Усиленное напряжение снимается с коллектора транзистора VT1
через разделительный конденсатор СЗ и поступает на базу
транзистора VT2. Сопротивления Рб и R7 базового делителя
предназначены для выбора рабочей точки транзистора VT2 на
прямолинейном участке его характеристики. СЗ вЂ” разделительный

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
6
Хзк, мА
1зк; мА
+608
конденсатор между 1-м и 2-м каскадами, R5 — сопротивление
нагрузки транзистора И 2.
Усиленное напряжение, снимаемое с коллектора транзистора И 2,
через разделительный конденсатор С4, переменное сопротивление
R8, конденсатор С5 поступает на базу транзистора VT3.
Сопротивления R9 и R10 базового делителя предназначены для
выбора рабочей точки транзистора VT3 на прямолинейном участке
его характеристики. Конденсатор С5 предназначен для
предотвращения влияния R8 на рабочую точку транзистора VT3 по
постоянному току. Я11 сопротивление нагрузки транзистора VT3
Напряжение, снимаемое с коллектора транзистора VT3, поступает
на светодиод красного цвета и звонок тревожной сигнализации.
Рис. 1.52. Модель электронного ключа: а) на транзисторе типа и — р — и;
6) на транзисторе р-n — р
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
В режиме переключения транзистор работает как электронный
ключ. Он либо заперт и обладает высоким сопротивлением, либо
включен и его сопротивление мало. В ключевом режиме транзистор
включается последовательно с нагрузкой и когда он выключен, ток
через нагрузку близок к нулю и все напряжение от внешнего
источника прикладывается к транзистору. Когда транзистор
включен, то ток через транзистор течет большой и приближается к
предельно возможному.
Предположим, что переключатель Sl (рис. 1 52, а) находится в
положении В, следовательно, база транзистора n- — р — и находится под
отрицательным потенциалом, что означает — транзистор закрыт.
Амперметр показывает отсутствие тока. Как только мы переключим
переключатель Sl в положение А, на базу транзистора подается
положительный потенциал (U, ), транзистор откроется, и амперметр
покажет максимальный ток нагрузки в эмиттерно-коллекторном
переходе.
Транзисторы типа р — и — р открываются отрицательным потенциалом
( — U, ) (рис. 1.52, в, г) и закрывается положительным (U, ).
В качестве примера работы биполярного транзистора типа и — р — и в
режиме электронного ключа и усилителя мощности приведем
бесконтактную схему открытия топливного клапана главного
двигателя (ГД) по входному сигналу (см. рис. 1.53).
В исходном состоянии при отсутствии сигнала на входе
транзисторы первый, третий и четвертый заперты, а второй — открыт.
Как только на вход схемы поступает сигнал (положительный
потенциал открытия транзистора) транзистор VT1 открывается, а
+.128
ср точкю
-128
Рис. 1.53. Схема усилителя мощности включения топливного
соленоида ГД

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
транзистор VT2 закрывается, т.к. происходит резкое падение
напряжения на резисторе R3 по цепи
«+12 В» — ЯЗ вЂ” эмиттерно-коллекторный переход VT1 — « — 12 В», и
на базе VT2 положительный потенциал снижается до величины
закрытия транзистора. Ввиду закрытия транзистора VT2 транзистор
VT3 открывается, т.к. на его базе появляется положительный
потенциал по цепи «+12 В» — Я10 — Dl — Я7 — база VT3. После чего
открывается и транзистор VT4. Получает питание топливный клапан
EV1 главного двигателя.
1.6. Полевые транзисторы
Среди многочисленных разновидностей полевых транзисторов
можно выделить два основных класса: полевые транзисторы с
затвором в виде р — и-перехода и полевые транзисторы с затвором,
изолированным от рабочего полупроводникового объема
диэлектриком. Приборы этого класса часто так же называют
МДП-транзисторами (от словосочетания металл — диэлектрик—
полупроводник) и МОП-транзисторами (от словосочетания
металл — окисел — полупроводник), поскольку в качестве диэлектрика
чаще всего используется окись кремния.
Основной особенностью полевых транзисторов, по сравнению с
биполярными, является их высокое входное сопротивление, которое
может достигать 109 — 10'о Ом. Таким образом, эти приборы можно
рассматривать как управляемые потенциалом, что позволяет на их
основе создать схемы с чрезвычайно низким потреблением энергии в
статическом режиме. Последнее особенно существенно для
электронных статических микросхем памяти с большим количеством
запоминающих ячеек.
Так же, как и биполярные, полевые транзисторы могут работать в
ключевом режиме, однако падение напряжения на них во
включенном состоянии весьма значительно, поэтому эффективность
их.работы в мощных схемах меньше, чем у биполярных приборов.
Полевые транзисторы могут иметь как р-, так и п-управление,
которое осуществляется при разной полярности на затворах.
Полевые транзисторы относятся к приборам униполярного типа:
это означает, что принцип их действия основан на дрейфе основных
ГЛАВА 1 . Полупроводниковые приборы
носителей заряда. Последнее обстоятельство значительно упрощает
их анализ по сравнению с биполярными приборами, поскольку в
первом приближении возможно пренебречь диффузионными
I оками, неосновными носителями заряда и их рекомбинацией.
В полевых тран.зисторах с управляющим переходом (ПТУП) для
изменения проводимости канала используется эффект изменения
ширины области пространственного заряда (ОПЗ) обратно
смещенного перехода при изменении приложенного к нему
напряжения затвора. На рис. 1.54, а показана конструкция
и-канального транзистора, в котором для управления используется
обратносмещенный р п-переход.
Транзистор включается таким образом, чтобы р и-переход
га гвора находился под обратным смещением, а полярность
и,шряжения исток-сток выбирается такой, чтобы основные носители
иряда под действием электрического поля в канале смещались к
с & t; о у. ля и-канальн го транзистора„показанн го на р с. 1. 5, а,
c i ок относительно истока должен подаваться положительный
ногенциал, к которому под действием поля будут дрейфовать
нгсктроны. На затвор относительно стока необходимо подавать
о i рицательный потенциал, чтобы затворный переход находился под
обратным смещением.
Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, то при
у величении ширины ОПЗ сечение канала уменьшается и его
сопротивление возрастает. Самое низкое сопротивление канала и
соответственно самый большой ток через него будет проходить при
нулевом напряжении на затворе (U, = О). Затем по мере увеличения
ширины ОПЗ при возрастании U, и соответственно уменьшении
'4~'
подложка
Рис. 1.54. Полевой транзистор с управляющим р-и-переходом:
а) графическое обозначение и конструкция транзистора с и-каналом;
б) графическое обозначение и конструкция транзистора с р-каналом
64

РАЗДЕЛ 1. Основы электроники
вг
(Хо
ХХос
С oG~t иссооиом (ОХ 11
С общим оса вором (G3)
Ucu
ХХос
С общим соыжом (СС)
ХХси,В
10 15 -"б 25
Рис. 1.M.
-Uau Подключение
VT Хе транзисторов с
управляющим
3 з
р-п-переходом:
И а) подключение и
свг ВАХ транзистора
се&
1 и-каналом;
ВИЮ
б) подключение и
БАХ транзистора с
р-каналом
сечения канала ток будет падать, и при некотором напряжении
отсечки (.х„ канал полностью перекроется, и ток через него
перестанет возрастать.
Следовательно, транзисторы с управляющими каналами открыты
при нулевом потенциале на затворе; закрыты с и-каналом при
отрицательном потенциале на затворе, а с р-каналом — при
положительном потенциале (см. рис. 1.55, а и б).
Предположим, что движок резистора (см. рис. 1.56, б) находится в
нижнем положении по схеме. Если плавно перемещать движок
резистора вверх, то по мере роста напряжения на затворе транзистора
ток стока уменьшается (рис. 1.56, в), и при определенном для данного
транзистора напряжении снизится практически до нуля.
Напряжение, соответствующее этому моменту, называют
напряжением отсечки (7Узи,.).
Хс, мл
з Хс, мл
Рис. 1.56. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с
уп равпяющим р-и-переходом
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
Зависимость тока стока от напряжения на затворе достаточно
близка к прямой линии. Если на ней взять произвольное приращение
тока стока и поделить его на соответствующее приращение
напряжения между затвором и истоком, получим третий параметр—
крутизну характеристики (Я. Этот параметр нетрудно определить и
без снятия характеристики или поиска его в справочнике Достаточно
измерить начальный ток стока, а затем подключить между затвором и
истоком, скажем, гальванический элемент напряжением 1,5 В. Вычтя
получившийся ток стока из начального и разделив остаток на
напряжение элемента, получите значение крутизны характеристики в
миллиамперах на Вольт.
Знание особенностей полевого транзистора дополнит знакомство
с его стоковыми выходными характеристиками (рис. 1.56, а).
Снимают их при изменении напряжения между стоком и истоком для
нескольких фиксированных напряжений на затворе. Нетрудно
~аметить, что до определенного напряжения между стоком и истоком
выходная характеристика не линейна, а затем в значительных
пределах напряжения практически горизонтальна.
Конечно, для подачи напряжения смещения на затвор отдельный
источник питания в реальных конструкциях не применяют.
Смещение образуется автоматически при включении в цепь истока
постоянного резистора нужного сопротивления.
Рис. 1.57. Схемы включения полевого транзистора с управляющим
переходом (по два способа изображения каждой схемы):
EII — источник напряжения в цепи нагрузки; Ey — то же в цепи управления;
3 — затвор; И вЂ” исток; С вЂ” сток; U3II и UcII — источники напряжения (по
аналогии с Еу и Ен), создающие смещения для управления током через
канал р-каналом

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
Включать полевой
транзистор в схему
можно по-разному: с
общим истоком и
входом на затвор или с
Бл~ Сси
общим стоком и входом
на затвор; с общим
затвором и входом на
исток. По аналогии с
ламповой электроникой,
Рис. 1.58. Эквивалентная схема полевого
где за типовую схему транзистора суправля„буцим и переходами
принята схема с общим
катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим
истоком. Полевой транзистор в качестве элемента схемы
представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у
которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода.
Схемы различают в зависимости от того, какой из электродов
полевого транзистора подключен к общему выводу (см рис. 1.57).
На рис. 1.58 показана эквивалентная схема полевого транзистора.
Основным элементом этой схемы, характеризующим усилительные
свойства прибора, является зависимый генератор тока EU3. Частот-
ные и импульсные характеристики транзистора определяются емкос-
тями электродов: затвор — исток С,„, затвор — сток С„, сток — исток С,„.
Емкости С,„и С„зависят от площади затвора и степени легирования
канала, емкость С„самая маленькая среди рассмотренных.
Сопротивления утечки Я„, Я, Я,„весьма велики и учитываются,
как правило, при расчете электр ометрических усилительных
каскадов постоянного тока. При расчете импульсных каскадов и
усилительных каскадов переменного тока их обычно не учитывают,
поскольку проводимость емкостей обычно всегда больше
шунтирующих их проводимостей утечки электродов.
Теперь рассмотрим влияние температуры на параметры транзистора
с управляющим переходом. Тепловые параметры полевого транзистора
характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур.
При изменении температуры модифицируются свойства
полупроводниковых материалов и параметры полевого транзистора—
в первую очередь, ток стока, крутизна и ток утечки затвора
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
Рис. 1.59. Температурные характеристики: а) сток-затворные
характеристики полевого транзистора при разных температурах;
б) зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры
Зависимость тока стока от температуры определяется двумя
факторами контактной разностью потенциалов р — и-перехода и
изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При
повышении температуры контактная разность потенциалов
уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но
повышение температуры приводит к уменьшению подвижности
носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях
действие этих факторов взаимно компенсируется, и ток полевого
транзистора перестает зависеть от температуры.
На рис. 1.59, а приведены сток-затворные характеристики при
различных температурах окружающей среды и указано положение
термостабильной точки. Зависимость крутизны характеристики от
температуры у полевых транзисторов такая же, как и у тока стока. С
ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя
абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при
больших сопротивлениях в цепи затвора, так как в этом случае оно
может вызвать существенное изменение напряжения на затворе
полевого транзистора и режима его работы. Температурная
зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с
р — и-переходом приведена на рис. 1 59, б.
В полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора
практически не зависит от температуры.
Теперь рассмотрим варианты использования полевых
транзисторов с управляющим р — и-переходом с учетом их
возможностей в различных электросхемах

РАЗДЕЛ 1 Основы электроники
Рис. 1.60. Полевые транзисторы с управляющим переходом в схемах:
а) сенсорный датчик; б) индикатор электромагнитного поля; в) переменный
транзистор; г) стабилизатор тока
Полевой транзистор — сенсорный датчик. Слово «сенсор»
означает «чувство, ощущение, восприятие». Поэтому можем считать,
что в нашей схеме (рис. 1.бО, а) полевой транзистор будет выступать
в роли чувствительного элемента, реагирующего на прикосновение к
одному из его выводов. Подключим щупы омметра в любой
полярности к выводам стока и истока — стрелка омметра покажет
небольшое сопротивление этой цепи транзистора. Затем коснемся
пальцем вывода затвора. Стрелка омметра резко отклонится в
сторону увеличения сопротивления. Произошло это потому, что
наводки электрического тока изменили напряжение между затвором
и истоком. Увеличилось сопротивление канала, которое и
зафиксировал омметр
Не отнимая пальца от затвора, попробуем коснуться другим паль-
цем вывода истока. Стрелка омметра вернется в первоначальное по-
ложение — ведь затвор оказался соединенным через сопротивление
участка руки с истоком, а значит, управляющее поле между этими
электродами практически исчезло, и канал стал токопроводящим
Эти свойства полевых транзисторов нередко используют в
сенсорных выключателях, кнопках и переключателях.
Полевой транзистор — индикатор поля. Немного изменим
предыдущий эксперимент — приблизим транзистор выводом затвора
(либо корпусом) возможно ближе к сетевой розетке или
включенному в нее проводу работающего электроприбора
(рис. 1.бО, б). Эффект будет тот же, что и в предыдущем случае
стрелка омметра отклонится в сторону увеличения сопротивления.
Оно и понятно — вблизи розетки или вокруг провода образуется
электрическое поле, на которое и среагировал транзистор
В подобном качестве полевой транзистор используется как датчик
устройств для обнаружения места обрыва провода — в этой точке
напряженность поля возрастает.
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
Полевой транзистор — переменныйрезистор. Подключив между
затвором и истоком цепь регулировки напряжения смещения
(рис. 1.бО, в), установим движок резистора в нижнее по схеме
положение. Стрелка омметра, как и в предыдущих экспериментах,
зафиксирует минимальное сопротивление цепи сток — исток.
Перемещая движок резистора вверх по схеме, мы можем
наблюдать плавное изменение показаний омметра (увеличение
сопротивления). Полевой транзистор превратился в переменный
резистор с очень широким диапазоном изменения сопротивления
независимо от номинала резистора в цепи затвора. Полярность
подключения омметра значения не имеет, а вот полярность
включения гальванического элемента придется изменить, если будет
использоваться транзистор с п-каналом.
Полевой транзистор — стабилизатор тока. Для проведения этого
эксперимента (рис. 1.бО, г) понадобится источник постоянного тока
напряжением 15 — 18 В, переменный резистор сопротивлением 10 или
15 кОм, два постоянных резистора, миллиамперметр с пределом
измерения 3 — 5 мА и полевой транзистор. Вначале установим движок
резистора в нижнее по схеме положение, соответствующее подаче на
транзистор минимального питающего напряжения — около 5 В при
указанных на схеме номиналах резисторов R2 и ЯЗ. Подбором резистора
E(1 (если это понадобится) установим ток в цепи стока транзистора
1,8 — 2,2 мА Перемещая движок резистора вверх по схеме, наблюдаем за
изменением тока стока. Может случиться, что он вообще останется
прежним либо незначительно увеличится. Иначе говоря, при изменении
питающего напряжения от 5 до 15 — 18 В ток через транзистор будет
автоматически поддерживаться на заданном (резистором Я1) уровне.
Причем точность поддержания тока зависит от первоначально
установленного значения чем оно меньше, тем выше точность.
Рис. 1.61. Охранная сигнализация судового помещения с
ограниченным доступом
71

РАЗДЕЛ 1 Основы электроники
848
73
Подобный каскад называют источником тока или генератором тока. Его
можно встретить в самых разнообразных конструкциях
Из изложенного выше можно понять, что полевой транзистор с
управляющим переходом может работать как в режиме ключа, так и в
режиме усилителя.
Примером работы полевого транзистора с управляющим
переходом в ключевом режиме может быть электросхема охранной
сигнализации судового помещения ограниченного доступа
(cM. рис. 1.б1).
Помещение оборудовано несколькими датчиками ИК
(инфракрасного изучения), реагирующими на присутствие
несанкционированно вошедшего человека. Датчики (на схеме они не
показаны), возбуждаясь, начинают посылать свои лучи (ИК) на
детектор приема лучей VD1, у которого резко падает омическое
сопротивление.
При отсутствии человека в помещении и включенной
сигнализации датчики ИК находятся в пассивном состоянии, и
излучение отсутствует, а фотодиод VD1 заперт. На выходе усилителя
управляющий сигнал отсутствует. Транзистор VT1 открыт. На
управляющем электроде тринистора VDÇ доминирует
отрицательный потенциал, т.к. резисторы ЯЗ вЂ”:Я5 довольно
значительно снижают положительный потенциал, в то время как
отрицательный потенциал присутствует полностью через открытый
полевой транзистор И1,и, следовательно, И)3 закрыт.
После возбуждения датчиков омическое сопротивление
фотодиода VD1 резко падает и тем самым выводит из равновесия
схему усилителя, у которого на выходе появляется положительный
Eau Fcu Fcu
Рис. 1.62. Принципиальные схемы усилителей на полевых
транзисторах с управляющим переходом с: а) общим истоком и
б) общим затвором; И, 3, С вЂ” исток, затвор и сток полевого транзистора;
er — источник усиливаемых колебаний; R„R„— эквивалентные
сопротивления входной цепи и нагрузки; Е,„, Е.„— затвор — исток, сток — исток
ГПАВА 1 - Полупроводниковые приборы
потенциал. Положительный потенциал проходит через диод VD2 и
попадает на затвор VT1, и транзистор закрывается. На управляющем
электроде трини стор а VDÇ остается только положительный
потенциал, и он открывается, после чего срабатывает реле К1, гаснет
зеленый светодиод V1W (ЛЗ), загорается красный светодиод VD5
(JIK) и звенит звонок тревоги Зв.
Но, как правило, полевые транзисторы с управляемым переходом
используются в электрических схемах в усилительном режиме
(см. рис. 1.б2). Название типа усилителя определяется тем, какая
область (электрод) транзистора является общей для цепи источника
усиливаемого сигнала и цепи нагрузки.
На рисунке 1.бЗ представлена схема охлаждения зарубашечного
пространства судового компрессора пускового воздуха. Термопара
ТП1 и регулировочный резистор Яр„представляют собой делитель
напряжения.
Резистор Я „настроен таким образом, что во время нахождения
термопары в холодном состоянии на затворе транзистора VT1
постоянно присутствует положительный потенциал, и транзистор
VT1 закрыт. Транзистор VT2 также закрыт из-за присутствия íà его
затворе положительного потенциала через диод VD1, и
электромагнитный клапан V81 обесточен.
По мере нагрева термопары ТП1 на затворе транзистора VT1
положительный потенциал уменьшается за счет увеличения
отрицательного потенциала на термопаре, и транзистор по этой же
мере постепенно открывается. На затворе транзистора VT2 по мере
открытия транзистора VT1 появляется отрицательный потенциал
через резистор ЯЗ и тем самым уменьшает положительный
Рис. 1.63. Регулятор температуры охлаждения компрессора пускового
воздуха

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
потенциал. Как только отрицательный и положительный потенциалы
уравняются на затворе транзистора VT2 за счет увеличения открытия
транзистора VT1, транзистор откроется полностью, стабилитрон VD3
также откроется, и получит питание катушка электромагнитного
клапана ГИ. Начинается охлаждение среды зарубашечного
пространства компрессора.
По мере охлаждения термопары оба транзистора начинают
постепенно закрываться, стабилитрон VD3 закрывается, и
обесточивается катушка клапана V51. Процесс повторяется.
Помимо полевых транзисторов с управляющим переходом
существуют так называемые транзисторы с изолированним
затвором. По-другому такие транзисторы называют
МДП-транзисторичи (металл-диэлектрик-полупроводник) или
МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). На рис. 1.64
показан принцип устройства такого транзистора.
Рассмотрим сначала конструкцию 1ЦДП-транзистора с
собственным каналом р-типа. Основанием служит кремниевая
пластинка с электропроводностью р-типа. В ней созданы две области
с электропроводностью и -типа с повышенной проводимостью. Эти
области являются истоком и стоком, и от них сделаны выводы.
Между стоком и истоком имеется приповерхностый канал с
электропроводностью и-типа. Заштрихованная область
диэлектрический слой из диоксида кремния. Сверху
диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой
металлической пленки. Кристалл такого транзистора обычно
соединен с истоком, и его потенциал принимается за нулевой. Иногда
от кристалла бывает сделан отдельный вывод. Рассмотренный
транзистор называют транзистором с собственным (встроенным)
каналом. Посмотрим, как жс он работает.
Рис. 1.64. МДП-транзисторы с собственными каналами:
а) условное обозначение и конструкция р-типа; б) условное обозначение и
конструкция и-типа
ГЛАВА 1 . Полупроводниковые приборы
и кивал
Бз4ид
р даиал
исид
иди
Рис. 1.65. БАХ МДП-транзисторов с собственными каналами
Если на затвор приложено нулевое напряжение, то, подав между
стоком и истоком напряжение, через канал потечет ток,
представляющий собой поток электронов. Через кристалл ток не
пойдет, так как один из р — и-переходов находится под обратным
напряжением.
При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности (см.
рис. 1.65, б) относительно истока (следовательно и кристалла) в
канале образуется поперечное электрическое поле, которое
выталкивает электроны из канала в области истока и стока и
кристалла. Канал обедняется электронами, его сопротивление
увеличивается, ток уменьшается. Чем больше напряжение на затворе,
тем меньше ток. Такой режим называется режимом обеднения. Если
подать положительное напряжение на затвор (см. рис. 1.65, в), то под
действием поля из областей стока, истока и кристалла в канал будут
приходить электроны. Сопротивление канала падает, ' ток
увеличивается. Такой режим называется режимом обогащения.
Если кристалл р-типа, то канал должен быть п-типа, и полярность
! напряжения меняется на противоположную.-
Выводы:
1) Транзистор с и-каналом приоткрыт при отсутствии на за-
творе любого потенциала и открывается еще более при под-
аче положительного потенциала. Закрывается транзистор
при подаче на затвор отрицательного потенциала.
21 Транзистор с р-каналом приоткрыт при отсутствии на за-
творе любого потенциала и открывается еще более при под-
аче отрицательного потенциала. Закрывается транзистор
при подаче на затвор положительного потенциала.
Другим типом является так называемый транзистор с
индуцированным (инверсным) каналом (рис. 1.66). От предыдущего

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
аа
Рис. 1.66. МДП-транзисторы с индуцированными каналами:
а) условное обозначение и конструкция р-типа; б) условное обозначение и
конструкция и-типа
он отличается тем, что канал возникает только при подаче на затвор
напряжения определенной полярности.
При отсутствии напряжения на затворе канала нет, между истоком
+
и стоком п -типа расположен только кристалл р-типа, и на одном из
р — и -переходов получается обратное напряжение. В этом состоянии
сопротивление между стоком и истоком велико, и транзистор закрыт.
При подаче на затвор напряжения положительной полярности (см.
рис. 1.б7, б) под влиянием поля затвора электроны проводимости
будут перемещаться из областей стока и истока и р-области по
направлению к затвору.
Когда напряжение на затворе достигает своего отпирающего
(порогового) значения (единицы Вольт), в приповерхностном слое
концентрация электронов настолько увеличивается, что превышает
концентрацию дырок, и в этом слое произойдет так называемая
инверсия типа электропроводности, т.е. образуется тонкий канал
п-типа, и транзистор начнет проводить ток. Чем больше напряжение
на затворе, тем больше ток стока. Очевидно, что такой транзистор
может работать только в режиме обогащения. Если подложка п-типа,
то получится индуцированный канал р-типа.
Если индуцированный внешним полем заряд на полупроводнико-
вой обкладке превышает изменение заряда на поверхностных состоя-
сиаа
Рис. 1.67. Управление транзисторами с индуцированными каналами
ГПАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
ниях, то в приповерхностной
области полупроводника ме-
няется концентрация свобод-
ных носителей заряда, что
сопровождается модифика-
цией поверхностной прово-
димости (см. рис. 1 б8) и
Если С„» С„ то можно с
хорошим приближением
считать, что емкость
структуры определяется
емкостью ОПЗ, т.е. С =- С,„,.
Если С„„ » C то
приближенно можно считать,
что С = С„поэтому
Рис. 1.69. Изменение емкости
МДП-структур от напряжения на
затворе: 1 — полупроводник и-типа;
2 — собственный полупроводник;
3 — полупроводник р-типа
соответственно протекающе-
4В' г'з го вдоль поверхности тока в
случае, если имеется направ-
Р"' 1-68. И' 'н'ни'п'"р"н'"н'й енное в оль поверхност
ленное вдоль
проводимости полупроводника в
МДП-структуре: 1 — полупроводник
и-типа; 2 —; В той приповерхностной
од "Р а полупроводниковой области,
где существует электричес-
кое поле, имеется обедненная носителями область пространственно-
го заряда, аналогичная по свойствам области ОПЗ р — n-перехода,
работающая как диэлектрик. При изменении потенциала на металли-
ческой (затворе) обкладке МДП-конденсатора будет изменяться за-
ряд ОПЗ и соответственно ширина обедненной области. При этом
будет изменяться емкость МДП-структуры.
Зависимости емкости МДП-структур от напряжения показаны на
рис. 1.á9. Емкость МДП-структуры можно рассматривать как
состоящую из двух последовательно включенных емкостей: емкости
диэлектрика (С„) и емкости
С
слоя пространственного
заряда в полупроводнике:
С,С
С,+С

РАЗДЕЛ 4 . Основы электроники
максимальное значение емкости на рис. 1.69 ограничено линией С =
С,.
Следует обратить внимание на то, что на всех кривых рис. 1.68 и
рис. 1.69 есть точки минимума. Это точки соответствуют случаю
минимальной поверхностной проводимости, которая имеет место,
когда на поверхности концентрации электронов и дырок близки к
собственной и равны друг другу. Тогда увеличение потенциала
затвора относительно значения, соответствующего точке минимума,
должно обогащать поверхность дырками, а уменьшение потенциала
относительно потенциала точки минимума должно обогащать
поверхность дырками. При этом с разных сторон от точки минимума
должен наблюдаться разный тип проводимости в приповерхностной
области.
Напряжение затвора, при котором происходит инверсия
проводимости подзатворной области и начинает протекать ток,
называют пороговым. Стоковый ток тем выше, чем больше
индуцированный в канале заряд и соответственно больше
проводимость индуцированного канала. При работе транзистора в
усилительном режиме полярность напряжения на стоке
относительно истока задается такой, чтобы основные носители
дрейфовали к стоку. Полярность напряжений, подаваемых на
электроды ЬЩП с индуцированными и- и р-каналами при их работе в
усилительном режиме, противоположна.
Выводы
1) Для открытия и-канального транзистора на затвор
подается плюс относительно истока, на р-канальный тран-
зистор — минус. За
сток принимается тот
электрод, к которому
дрейфуют основные
носители. T.е. в р-ка-
нальном транзисторе
сток должен быть от-
рицательным относи- ~1т4оси4- ~с
тельно истока и в и-ка- т1 Т
З~
нальном
положительным.
Рис. 1.70. Включение МДП-транзистора
с управлением по подложке
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
Рис. 1.71. Ключевые схемы на полевых МДП-транзисторах:
а) с собственным и-каналом; б) с собственным р-каналом; в) с
индуцированным и-каналом; г) с индуцированным р-каналом
Теперь рассмотрим влияние подложки на характеристики
МДП-транзистора. Если подложка имеет положительный потенциал
относительно стока, как это показано на рис. 1.70, то этот потенциал
будет поднимать потенциал канала, что приведет к уменьшению раз-
ности потенциалов между затвором и каналом и соответственно
уменьшится заряд, ицдуцированный в канале, и проводимость
канала.
Поэтому потенциал подложки, подобно потенциалу затвора, мо-
жет управлять проводимостью канала, однако отличие будет заклю-
чаться в том, что если увеличение положительного потенциала на
затворе будет увеличивать ток стока, то увеличение положительного
потенциала на подложке будет приводить к уменьшению тока стока.
Транзисторы с индуцированным каналом часто встречаются в
устройствах переключения (чаще всего в звукотехнике).
Очень часто полевые транзисторы, главным образом
МДП-транзисторы, применяются в качестве аналоговых ключей. В
силу своих свойств, таких, как малое сопротивление в проводящем
состоянии, крайне высокое сопротивление в состоянии отсечки,
малые токи утечки и малая емкость, они являются идеальными
ключами, управляемыми напряжением, для аналоговых сигналов
Идеальный аналоговый ключ ведет себя как механический
выключатель: пропускает сигнал к нагрузке без ослаблений или
нелинейных искажений. VT1 — это и-канальный МДП-транзистор с
собственным каналом 4рис. 1 71, а), не проводящий ток при
отрицательном напряжении затвора. В этом состоянии
сопротивление сток — исток, как правило, больше 10000 мОм, и сигнал
не проходит через ключ.

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
VTÇ это и-канальный ~II-транзистор с ицлуцированным
каналом (рис. 1.71, в), не проводящий ток при нулевом потенциале
затвора. Подача на затворы положительного управляющего
напряжения транзисторов VT1 и ~'ТЗ приводит канал сток — исток в
проводящее состояние с типичным сопротивлением от 25 до 100 Ом
(Я,) для транзисторов, предназначенных для использования в
качестве аналоговых ключей.
Заметим, что аналоговый ключ такого типа двунаправленное
устройство, т.е. он может пропускать сигнал в обе стороны. Если
нужно переключать сигналы обеих полярностей, то можно приме-
нить такую же схему, но с затвором, управляемым двуполярным на-
пряжением, при этом подложка должна быть подсоединена к
отрицательному напряжению, как у транзисторов VT2 и VT4.
В качестве примера работы полевых 1ЦДП-транзисторов в
ключевом режиме приведем схему ограничения пускового тока
вентилятора охлаждения шкафа электроники ЦПУ и сигнализации о
состоянии предохранителей (рис. 1.72).
Чтобы избежать прямого пуска электродвигателя вентилятора,
предназначенного автоматически поддерживать заданную
температуру в шкафу электроники судового центрального поста
управления, решено было избежать провала напряжения при пуске и
ограничить пусковой ток значением 5 А с помощью схемы,
приведенной на рис. 1.72.
Функцию ограничения пускового тока выполняет резистор Я7„
параллельно которому подключены нормально разомкнутые
контакты реле Кl.l. Задача простая: примерно через 2 — 3 с после
включения питания необходимо замкнуть контакты реле и
Рис. 1.72. Схема ограничителя пускового тока и системы защиты цепи
управления
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
обеспечить тем самым штатный режим работы электродвигателя
вентилятора.
В схему питания реле входят элементы Я1, С2, VD1 — VD4 и Cl.
Номинал конденсатора С2 зависит от параметров примененного
реле. Конденсатор Cl сглаживает выпрямленное мостом VD1 —:VD4
напряжение питания реле. Теоретически с помощью конденсатора
Сl можно обеспечить необходимое время задержки включения реле,
но в этом случае его емкость должна быть очень большой. Функцию
задержки включения выполняют элементы VTÇ, СЗ, Яб.
Продифференцированное цепью CÇ, Яб напряжение питания реле
подается на затвор транзистора VTÇ. Проще говоря, то при подаче
питания на схему на затворе транзистора VTÇ присутствует
положительный потенциал, и транзистор открыт, тем самым создавая
падение напряжения, что не позволяет включиться катушке реле Кl.
По мере зарядки конденсатора CÇ положительный потенциал на
затворе транзистора VTÇ тает, и он постепенно закрывается до
полного закрытия. Таким образом, VTÇ ограничивает скорость роста
напряжения питания реле и обеспечивает необходимую задержку его
включения. Диод VD7 быстро разряжает конденсатор СЗ после
выключения питания, стабилнтрон VD6 защищает реле в случае
значительного превышения сетевым напряжением номинального
значения.
Кроме этого, мы видим, что вместо силовых предохранителей в
схеме используются самовосстанавливающиеся предохранители ЯТ1
и КТ2 в качестве позисторов. Но в схеме имеются и обычные
предохранители Пр1 и Пр2, которые поставлены под охранную
сигнализацию полевыми транзисторами VT1 и VT2. В случае обрыва
цепи одного из предохранителей загорается красный светодиод.
Возможна при надобности и звуковая сигнализация. Диод VD8
обеспечивает защиту от самоиндукции.
Схемы включения полевых транзисторов подобны схемам
включения биполярных. Следует отметить, что полевой транзистор
позволяет получить намного больший коэффициент усиления,
нежели биполярный. Обладая высоким входным сопротивлением (и
низким выходным) полевые транзисторы постепенно вытесняют
биполярные.
Рассмотрим на примере электронную бесконтактную схему
процесса контроля подпитки судового вспомогательного парового

РАЗДЕЛ 1. Основы электроники
котла до верхнего уровня на рисунке 1.73. На рисунке представлена
принципиальная электросхема индуктивного коммутатора и
усилителя тока. Индуктивный коммутатор работает по принципу
индукционного датчика.
Индуктивный коммутатор действует по схеме генератора с
индуктивной обратной связью Lz. Частоту генератора определяют
величины емкости и индуктивности контура Х,~ — С2. При генерации
(частота генератора примерно равна 1 мГц) сопротивление
генератора (индуктивностей LI — Х, ) велико, и ток протекающий через
транзистор мал (он составляет примерно 1 мА). При срыве
генерации, сопротивление генератора (индуктивностей LI — Х,-)
постоянному току мало, ток через открытый транзистор резко
возрастает (составляет примерно 4 мА).
Срыв генерации индуктивного коммутатора выполняется
механическим путом. В активную зону индуктивного коммутатора
вводится металлический плавающий шар, в результате чего
отнимается энергия от системы индуктивных катушек, что приводит
к срыву генерации. При повышении уровня воды в котле
металлический шар уходит из зоны коммутатора, и условия для
самовозбуждения генератора восстанавливаются.
Затвор транзистора VT1 соединяется с делителем напряжения,
который представляет собой цепочку Л~ — генератор. Элементы
делителя (Aq — генератор) подобраны таким образом, что при
высоком уровне воды в котле (шар находится в верхней точке
водомерной трубы) в режиме генерации затвор транзистора VT1
Иидултивиьй
ли.мв~тш71ся7
Г
Усилитель
ив
ив
рис. 1.73. Схема процесса контропя подпитки судового
вспомогатепьного парового котпа водой
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
находится под отрицательным потенциалом, и транзистор закрыт.
Транзистор VT2 открыт, так как его затвор находится под
положительным потенциалом, который снимается со стока
транзистора VT1; на стоке транзистора VT2 нулевой потенциал
возникает из-за падения напряжения на резисторах R8 и R9, и
поэтому транзистор VT3 закрыт. Реле К1, которое включает
электропривод питательного насоса котла, обесточено.
При срыве генерации (шар находится в средней части водомерной
трубы) ток в делителе (Я~ — генератор) возрастает, и за счет падения
напряжения на резисторе Х(4 происходит изменение потенциала на
затворе транзистора VT1 Потенциал становится положительным, и
транзистор VT1; транзистор VT2 закрывается.
Положительный потенциал со стока транзистора VT2 поступает на
затвор транзистора VT3 и открывает его, что приводит к
срабатыванию реле и запуску питательного насоса котла.
При заполнении котла до положенного верхнего уровня шар
займет крайнее верхнее положение в водомерной трубе„что создаст
условие самовозбуждения генератора, и система приходит в
исходное состояние — реле обесточивается.
Следует также помнить, что полевые транзисторы очень «боятся»
статического электричества, поэтому при работе с ними предъявляют
особо жесткие требования по защите от статического электричества.
Электростатические заряды всегда присутствуют на
изолированных предметах. Источником электростатических зарядов
для полевых транзисторов является человек — - оператор,
манипулирующий с ними. Исследования процессов, связанных с
разрядами, проводятся на основе электрической модели
человеческого тела: емкость тела 100 пФ, сопротивление по току
разряда 1,5 кОм. Из модели следует, что постоянная времени
разряда не может быть меньше 150 нс. Энергия разряда
распределяется между ограничивающим резистором и
транзисторами. Чем больше падение напряжения на транзисторе, ТсМ
болыпая энергия выделяется. Отказы полевых транзисторов от
воздсйс гвия разрядов происходят при электрическом пробое
диэлектриков и при вплавлении металлизации в полупроводниковые
структуры. Во Вссх случаях дефекты имеют локальиьш характер и
проявляются как электрическое замыкание между выводами
транзисторов.

РАЗДЕЛ 1. Основы эпекпчраники
При электрическом пробое полупро-
водниковых приборов области пробоя
столь малы, что их максимальный раз-
огрев происходит за время, меньшее вре-
мени разряда. Фактором, определяющим
возникновение отказа, является напряже- PUG' I 71 Элемент3~'"и™
транзистора
ние на затворе (для МОП-транзисторов)
или тепловая мощность пробойного тока (для биполярных
транзисторов и полевых транзисторов с затвором Шотки).
Защита полупроводниковых приборов от ЭСР осуществляется
введением в схему дополнительных элементов, которые передают
ток разряда в цепи питания и ограничивают его во входные и
выходные каскады. Самый простой и распространенный элемент
защиты показан на рис. 1.74.
1.7. Однопереходный транзистор
Однопереходный транзистор или, как его еще называют,
двухбазовый диод, представляет собой трехэлектродный
полупроводниковый прибор с одним р — л-переходом. Структура его
условно показана на рис. 1.75, а, а условное графическое обозначение
в схемах на рис. 1.75, б.
Основой однопереходного транзистора является кристалл
полупроводника (например, с проводимостью л-типа), называемый
базой. На концах кристалла имеются омические контакты Б1 и Б2,
между которыми расположена область, имеющая выпрямляющий
контакт с полупроводником р-типа, выполняющим роль эмиттера.
Яф
Рис. 1.75. Однопереходный транзистор: а) структурная схема; б) услов-
ное обозначение; в) эквивалентная схема; г) эквивалентная схема
ГЛАВА 1 Полупроводниковые приборы
Принцип действия однопереходного транзистора удобно рассмот-
реть, пользуясь простейшей эквивалентной схемой (рис. 1.75 в), где
Кы и R~2 — сопротивления между соответству- ющими выводами
базы и эмиттером, à Dl — эмиттерный р — л-переход. Ток, протекаю-
щий через сопротивления ЯБ1 и Rqq, создает на первом из них падение
напряжения, смещающее диод Dl в обратном направлении. Если на-
пряжение на эмиттере Уэ меньше падения напряжения на сопротив-
лении Квь диод Dl закрыт, и через него течет только ток утечки
Когда же напряжение Уэ становится выше напряжения на сопротив-
лении Rqq, диод начинает пропускать ток в прямом направлении. При
этом сопротивление Rq~ уменылается, что приводит к увеличению
тока в цепи Dl — Rqq, а это, в свою очередь, вызывает дальнейшее
уменьшение сопротивления R~~. Этот процесс протекает лавинооб-
разно. Сопротивление Rq~ уменьшается быстрее, чем увеличивается
ток через р — л-переход, в результате на вольтамперной характеристи-
ке однопереходного транзистора (рис. 1.76) появляется область
отрицательного сопротивления (кривая 1).
При дальнейшем увеличении тока зависимость сопротивления Rz&
от тока через р — л-переход уменылается, и при значениях, больших
некоторой величины (Х„, ) оно не зависит от тока (область насыще-
ния). При уменьшении напряжения смещения U, вольтамперная ха-
рактеристика смещается влево (кривая 2) и при отсутствии его
обращается в характе-
1з 1
ристику открытого
р — л-перехода (кривая 3).
1 Эквивалент однопере-
1 ходного транзистора мо-
Сблс2юэ Фь и42~ь ~йф,'Имя жет быть построен из
1вьжл
двух обычных транзис-
ожрицагиель ного
торов с разным типом
/ l проводимости, как пока-
1
зано на рис. 1.75, г. Здесь
Облетеь
1вюл
1
ОР)М~ЧКФ~
„„ток, протекающии через
l делитель, состоящий из
б резисторов Я1 и R2, со-
1.о здает на втором из них
Е1вьи~л падение напряжения, за-
крывающее эмиттерный
Рис. 1.76. Вольтамперная характеристика
однопереходного транзистора

РАЗДЕЛ 1. Основы апектраники
При увеличении напряжения на эмиттере транзистор Т1 начинает
пропускать ток в базу транзистора 12, в результате чего он также от-
крывается. Это приводит к снижению напряжения на базе транзисто-
ра Т1, что, в свою очередь, вызывает еще большее открывание его и
т-д.
Другими словами, процесс открывания транзисторов в таком
устройстве также протекает лавинообразно, и вольтамперная харак-
теристика устройства имеет вид„аналогичный характеристике одно-
переходного транзистора.
Однопереходные транзисторы (двухбазовые диоды) широко при-
меняются в различных устройствах автоматики, импульсной и изме-
рительной техники: генераторах, пороговых устройствах, делителях
частоты„реле времени и т.д
Одним из основных типов устройств на однопереходных
транзисторах является релаксационный генератор, схема которого
показана на рис. 1.77.
При включении питания конденсатор Сl заряжается через
резистор Я1. Как только напряжение на конденсаторе становится
равным напряжению включения однопереходного транзистора Tl„
его эмиттерный переход открывается, и конденсатор быстро
разряжается. По мере разряда конденсатора эмиттерный ток
уменыпается, и при достижении величины, равной току выключения,
транзистор закрывается, после чего процесс повторяется снова. В
результате на базах Б1 и Б2 возникают короткие разнополярные
импульсы, которые и являются выходными сигналами генератора.
При заданной частоте колебаний емкость конденсатора следует
выбрать возможно большей с тем, чтобы получить на нагрузке (R2
или ЯЗ) сигнал с нужной
амплитудой. У +15В
Важным достоинством ге-
нератора на однопереходном
транзисторе является то, что
частота его колебаний незна-
чительно зависит от величи- .Л
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
Рис. 1.78. Реле времени на однопереходном транзисторе
В качестве примера использования однопереходных транзисторов
приведем схему реле времени. Схема реле времени, отличающаяся
очень высокой экономичностью, показана на рис. 1.78. В исходном
состоянии тиристор ОЗ закрыт, поэтому устройство практически не
потребляет энергии (токи утечки невелики, и ими можно пренебречь).
При подаче на управляющий электрод запускающего импульса
положительной полярности тиристор открывается. В результате
срабатывает реле Рl и своими контактами (на схеме условно не
показаны) включает исполнительное устройство. Одновременно
через резисторы Я1 и Я2 начинают заряжаться конденсаторы Сl и С2.
Поскольку сопротивление первого из этих резисторов во много
раз больше второго, то первым зарядится конденсатор С2, а когда
напряжение на конденсаторе Сl достигнет величины напряжения
включения„однопереходный транзистор откроется, и конденсатор
Сl разрядится через его эмиттерный переход. Возникший при этом
на резисторе Я2 импульс положительной полярности сложится с
напряжением на конденсаторе С2, в результате чего тиристор,ОЗ
закроется и обесточит реле Pl до прихода следующего запускающего
импульса.
Рис. 1.TT. Генератор импульсов на
аднопереходных транзисторах
ны питающего напряжения.
Практически изменение на-
пряжения от 10 до 20 Вольт
приводит к изменению
частоты всего на 0,5%.
1.8. Биполярный транзистор с
изолирОВэнным зэтВОром
Стремление совместить в одном приборе лучшие свойства
полевого и биполярного транзистора привели к созданию

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
комбинированного прибора биполярного транзистора с
изолированным затвором. В технической литературе его называют
ЮВТ (OT англ. Insulator Gate Ebpolar Tranststor). Этот прибор нашел
широкое распространение в силовой электронике благодаря тому,
что он позволяет с высокой скоростью коммутировать большие токи.
Обозначение IGBT показано на рис. 1.79. Как видно из обозначе-
ния вход ХСВТподобен МДП-транзистору, т.е. это прибор, управляе-
мый потенциалом. Выход подобен выходу биполярного транзистора,
т.е. выходные характеристики IGBT должны быть такими же, как у
биполярного транзистора. Несмотря на то, что IGBT является единой
монолитной кристаллической структурой, по существу это функцио-
нальное усилительное устройство, которое может быть представлено
ввиде схемы, ,показанной на рисунке 1.79, б. Как видно из схемы,
коллекторный ток биполярного транзистора Т2 поступает на вход би-
полярного транзистора Т3, и часть коллекторного тока Т3 поступает
на вход Т2, с выхода которого ток опять поступает на вход Т3. Таким
образом, между двумя выходными биполярными транзисторами
имеется положительная обратная связь.
Модель IGBT состоит из последовательно включенных резистора
Я,„, индуктивности L, источника постоянного напряжения ~~и клю-
ча 85'(рис. 1.8О). Блок логики управляет работой ключа. Включение
прибора происходит в случае, если напряжение коллектор — эмиттер
положительно и больше, чем Vf, и на затвор транзистора подан поло-
жительный сигнал (g & t; ). Выключе ие приб ра происхо ит
уменьшении сигнала на затворе до нуля (g = О). При отрицательном
напряжении коллектор 73
эмиттер транзистор "~ к
находится в выключенном
состоянии. Rt
Статические вольтампер- 3
ные характеристики модели
IGBT для включенного и вы-
Яз
ключенного состояний пока-
заны на рис. 1.81.
В модели параллельно
самому прибору вклю Рис. 1.79. Бипалярныи транзистор с
самому при ору включена
изолированной базой PGBTj:
а) условное графическое обозначение;
б)зквивалентная схема!6В Г
ГЛАВА 1 . Полупроводниковые приборы
К
Рис. т.80. Модель IGBT транзистора
выполняющая демпфирующие функции.
В модели учитывается также конечное время выключения
транзистора Процесс выключения разбит на два участка (рис. 1.82) и
характеризуется, соответственно, временем спада (Tf), при котором
ток коллектор — эмиттер уменьшается до О,1 от тока в момент
выключения (I,„) и временем затягивания (Tt), при котором ток
уменыпается до нуля.
То, что позавчера было предметом дискуссий и обсуждений при
рассмотрении направлений развития отрасли, уже вчера воплотилось
в реальных проектах и, наконец, сегодня имеет опыт внедрения,
позволяющий критически оценивать достигнутые результаты.
Классические схемные решения частотного регулирования долгое
время оставались на уровне теории в связи с низким уровнем
Рис. т.8т. Статические ВАХ модели Рис. т.82. Процесс включения
IGBT транзистора

РАЗДЕЛ! ° Основы злвкгпроники
90
элементной базы, а о возможности их реализации на
электроприводах с нагрузкой, связанной с необходимостью работы в
четырех квадрантах механической характеристики, не могло быть и
речи. Только благодаря применению современных полностью
управляемых вентилей, типа ЮВТ, и микропроцессорного
управления появилась возмоЖность частотного регулирования
электродвигателя с постоянным контролем момента во всех режимах
работы механизма: двигательный, генераторный, динамического
торможения.
Именно на таком уровне построения схемы электропривода
практически исключилась опасность «опрокидывания»
электродвигателя, что позволило уверенно внедрять частотное
регулирование в механизмах грузоподъемных кранов.
1.9. Защита транзисторов от пробоя
С целью защиты транзистора от возможного пробоя обычно
формируют траекторию его переключения при работе в ключевом
режиме. Для этого к транзистору подключают дополнительные цепи,
содержащие резисторы, емкости, диоды и стабилитроны. Параметры
этих цепей или рассчитывают, или находят экспериментальным
путем. Некоторые из таких схем приведены на рис. 1.83.
Простейшая цепь, используемая при индуктивной нагрузке
транзистора, состоит из последовательно соединенных элементов Я и
С, как показано на рис. 83, а. Эта цепь работает следующим образом.
При запирании транзистора с индуктивной нагрузкой ток в
индуктивности, не меняя своего значения и направления, поступает в
ЯС-цепь и заряжает конденсатор С. При этом часть энергии,
запасенной в индуктивности, будет израсходована в резисторе R.
Благодаря этому исключается импульс большой амплитуды на
коллекторе транзистора. Элементы такой цепи рассчитываются rro
формулам:
где U разность между напряжением источника питания Е„и мак-
симально допустимым напряжением коллектор — эмиттер;
Х,„— индуктивность нагрузки;
ГЛАВА 1 Полупроводниковые приборы
Рис. 1.83. Защита транзистора от лавинного пробоя: а) при помощи
RC-цепи; б) при помощи шунтирующего диода; в) при помощи стабилитрона
С вЂ” емкость конденсатора;
R„-сопротивление нагрузки;
Я вЂ” добавочное сопротивление.
Вместо RC-цепи можно использовать диодно-резистивную цепь,
представленную на рис. 1.83, б. В этой схеме при запирании
транзистора отпирается диод D, и через него проходит ток
индуктивной нагрузки. Для снижения амплитуды импульса тока в
диоде последовательно с ним иногда включается сопротивление Я.
Перепад напряжения на транзисторе равен прямому падению
напряжения на диоде, т.е. практически отсутствует.
Для ограничения выброса напряжения на коллекторе транзистора
при его запирании можно использовать ограничитель на
стабилитроне D, как показано на рис. 1.83, в. Все рассмотренные
цепи ограничивают предельное напряжение на транзисторе и тем
самым предохраняют транзистор от попадания в режим лавинного
пробоя.
Для защиты транзистора от перегрева и связанного с этим
теплового пробоя применяют радиаторы, к которым крепится корпус
транзистора. Применение охладителей позволяет уменьшить
перегрев транзистора.
Наиболее сложной проблемой является защита транзисторов от
вторичного пробоя. При развитии вторичного пробоя транзистор те-

РАЗДЕЛ 1 - Основы электроники
ряет управление rro базе и, даже подавая на базу обратное смещение,
запереть его нельзя Единственным способом защиты транзистора в
этом случае является распознавание развития вторичного пробоя во
время задержки и шунтирование выводов коллектор — эмиттер
транзистора с помощью быстродействующего тиристора
1 IО. Тиристоры
Для электроники, применяющейся в судовой электроэнергетике,
характерна необходимость передачи больших мощностей,
возможность управления мощной нагрузкой. Это и системы
возбуждения синхронных генераторов судовой электростанции, и
сварочные аппараты постоянного тока, и гребной электропривод.
Разработки в области полупроводниковых элементов привели к
созданию прибора «тиристор» (название дано по аналогии с
тиратроном, только окончание взято от слова «резистор», то есть
получилось «сопротивление, которое может открыться»).
Характерной его особенностью является неоднозначная 8-образная
вольтамперная характеристика.
Поэтому тиристором называется электр опреобр азовательный
полупроводниковый прибор с тремя или более р — п-переходами,
используемый для переключения, в вольтамперной характеристике
которого имеется участок отрицательного дифференциального
сопротивления. Простейшим тиристором является динистор.
ГЛАВА 1 Полупроводниковые приборы
Динистар — неуправляемый переключающий диод,
представляющий собой четырехслойную структуру типа р — л~ — р — л
(рис. 1.84, а). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние
n — р — л~-переходы называются эмиттерными, а средний р — и-переход—
коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между
переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий
электрическую связь с внешней п-областью, называется катодом, а с
внешней р-областью — анодом. При включении динистора rro схеме
конструкции, приведенной на рис. 1.84, а, коллекторныйр — и-переход
закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых
переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания
приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое
сопротивление. При повышении прямого напряжения U„
(см. рис. ].84, б) от нулевого значения прямой ток Х„медленно
увеличивается (участок I)
Участок кривой П íà BAX называют участком с «отрицательным
сопротивлением». Напряжение, при котором включается динистор,
называют напряжением включения U, . В открытом состоянии
динистор будет находится до тех rrop, пока через него проходит ток,
равный току удержания Х„„(точка Б на участке Ш рис. 1.84, в).
Номинальное значение прямого тока дини стор а определяется
резистором Я„.
Приведем пример применения динисторов в простейших схемах
люминесцентн ого освещения. В составе пускорегулирующего
аппарата (ПРА) вместо стартеров тлеющего разряда (рис 1.85, а)
можно с успехом использовать динисторы, что непременно экономит
время судовому персоналу на замену вышедших из строя стартеров и
делает схему бесконтактной, не создающей помех и, естественно,
более живучей.
Рис. 1.84. Динистор:
а) условное обозначение и конструкция; б) БАХ динистора
Рис. 1.85. Схемы подключения люминесцентных ламп:
а) стартерная; б) с динистором; в) усовершенствованная

РАЗДЕЛ ! ° Основы электроники
Вольтамперная характеристика динистора имеет участок с
отрицательным дифференциальным сопротивлением.
В пусковом режиме (рис. 1.85, б) при подаче на лампу напряжения
питания в каждый положительный полупериод динистор остается
закрытым до тех rlop, пока мгновенное напряжение, приложенное к
динистору, ниже включающего напряжения. Сопротивление
динистора в закрытом состоянии составляет несколько десятков
мОм, поэтому ток в цепи будет весьма малым.
После переключения динистора в проводящее состояние в цепи
устанавливается ток предварительного подогрева, и начинается процесс
подогрева электродов. Напряжение на лампе при этом снижается
примерно до 2 В (остаточное напряжение на динисторе И31 и падение
напряжения на диоде И32). Диод в схему включают в случае, когда
обратное напряжение динистора меньше напряжения в сети.
В отрицательные полупериоды динистор закрыт, ток через элек-
троды лампы не проходит, и напряжение на лампе равно напряжению
сети. Описанный процесс автоматически повторяется до тех rlop,
пока электроды лампы не прогреются, и в лампе не возникнет дуго-
вой разряд. После зажигания лампы напряжение на ней снизится до
рабочего напряжения, и динистор останется закрытым, если рабочее
напряжение на лампе ниже напряжения включения динистора.
Процесс зажигания лампы в схеме с динистором по сравнению с
обычной стартерной схемой имеет то отличие, что разрыв контактов
стартера может произойти в любой момент (при различных
значениях тока предварительного подогрева, в том числе и при
Рис. т.86. Тринистор:
а) условное обозначение и конструкция; б} БАХ тринистора
ГЛАВА 1 Полупроводниковые приборы
максимальном), а в схеме с динистором в момент его выключения.
Время зажигания лампы для ПРА с динистором обычно составляет
О,5 — 2 секунды.
На рис. 1.8, в показана схема, в которой применены два динистора
и RC-цепочка. В момент включения схемы конденсатор С через диод
и резистор Я1 заряжается, и напряжение на нем близко к
амплитудному напряжению сети. Как только напряжение на С станет
равным напряжению включения динистора ИЭЗ, он включается, и
все напряжение сети будет приложено к динистору VD2, который
тоже включается. После этого начинается режим прогрева
электродов лампы. Дальше эта схема работает так же, как и схема на
рис. 1.85, б.
Тринисиор, у которого имеется вывод от одной из баз, называется
триодным тиристором. Дополнительный третий вывод называется
управляемым электродом (УЭ).
Тринистор rlo сравнению с динистором имеет возможность
управлять напряжением включения с помощью цепи управления
УЭ вЂ” катод, причем мощность в этой цепи значительно меньше
мощности силовой цепи анод — катод. Тринистор является усилителем
с коэффициентом усиления К = 1О4 —:1О6.
Принципиальных различий между динистором и тринистором
нет, однако если включение динистора происходит при повышении
напряжения между анодом и катодом, то в тринисторе для этого
используют подачу импульса тока определенной длительности и
величины на управляющий электрод при положительной разности
потенциалов между анодом и катодом.
Тринисторы являются наиболее распространенными приборами
из «тиристорного» семейства.
Выключение тиристоров производят либо снижением тока через
тиристор до значения Ij„либо изменением полярности напряжения
между катодом и анодом.
Тир исторы могут быть незапираемыми и запираемыми. В
незапираемом УЭ используется только для отпирания, т.е. для
переключения тиристора в открытое состояние, а в запирающих
тиристорах посредством сигнала на УЭ можно как открывать, так и
закрывать тиристор.
Структура незапираемого тиристора и условное обозначение
приведены на рис. 1.86, а. Прибор состоит из четырех р- и
94

РАЗДЕЛ 1. Основы элекгпроники
Пз
— (+)
и — областей. Кроме анода и катода имеется еще и управляемый
электрод (УЭ), который может быть присоединен к базовым р- или
п-областям.
На рис. 1.86, б показано семейство BAX тиристора. Если входной
ток УЭ равен нулю, а напряжение подано в прямом направлении на
анод и катод, тиристор переключается как динистор при внешнем
напряжении U, (точка Б на графике). При увеличении напряжения в
цепи управления растет ток управления, что приводит к уменьшению
напряжения включения тиристора U,
Тринистор имеет два устойчивых состояния: первое
характеризуется малым прямым током через тиристор и большим
падением напряжения в нем; второе соответствует большому
прямому току и малому падению напряжения на тиристоре На
рис. 1.86, б это подтверждается пересечением линии нагрузки на
ВАХ в трех точках: А и Д вЂ”;  — неустойчивой.
Управление тиристором осуществляется при его включении в
проводящее (открытое) состояние. После этого тринистор
становится неуправляемым. Для запирания тринистора необходимо
уменьшить его прямой ток до значения, не превышающего ток
удержания Х„„(точка Г на рис. 1.86, б), или подать напряжение
обратной полярности, или снять напряжение питания анод — катод.
В качестве примера использования тринисторов приведем схему
замка на двери судового помещения с особым режимом посещения.
Замок собран на триодных тиристорах (тринисторах) и открывается в
результате определенного порядка нажатия кнопок с промежутком в
несколько секунд. Электрическая схема замка дана на рис. 1.87.
Рис. 'т.87. Принципиальная схема кодового замка на тринисторах
ГЛАВА 1 - Полупроводниковые приборы
Открывается замок с помощью кнопок F1 Я310, которые
установлены перед входной дверью. Первыми замыкают контакты ЬВ7,
что приводит к быстрой зарядке конденсатора Сl Ток заряда протекает
через управляющую цепь тринистора VD1 и включает его После
размыкания контактов ÜÂ7 происходит разряд конденсатора Сl через
резистор Я1. Через включенный тринистор VD1 и резистор R2
происходит зарядка конденсатора С2 до напряжения 4 Вольт. Затем
замыкают контакты ЬВ8, конденсатор С2 быстро разряжается через
управляющую цепь тринистора VD2 и включает этот тринистор. После
того, как зарядится СЗ, замыкают контакты ЬВ9, а по прошествии
нескольких секунд включают контакты ЬВ10. В итоге включаются
тринисторы VD3 и VD4. Последний тринистор включает
исполнительный механизм М1 (электропривод задвижного механизма).
При такой системе замыкания контактов секретность замка
довольно высокая, благодаря тому, что контакты ЬВ7 — 5B10 нужно
замыкать по одному в строгой очередности и с промежутками в
несколько секунд. Контакты ЬВ1 5В6 представляют собой
контакты-ловушки, которые необходимы для повьппения
секретности замка. Если замкнуть один из этих контактов, то цепь
питания тринисторов VD1 — VDÇ окажется замкнутой накоротко.
Напряжение питания с тринисторов будет снято, и они отключатся. В
этом случае код придется набирать снова. Источник питания замка от
короткого замыкания защищает резистор Я8.
Рис. 1.88. Симистор:
a) структурная схема; б) условное обозначение; в) БАХ

РАЗДЕЛ ! ° Основы электроники
Секретность замка можно выразить в цифрах, например, числом
вариантов кода в данной схеме. Для данной схемы секретность равна
5000. Секретность замка можно повысить, если увеличить число
ложных контактов до 16. В этом случае секретность равна 100000.
Такого же повышения секретности замка можно достигнуть, если в
схему замка добавить еще один тринистор, включенный аналогично
VD2 и ИЗЗ.
Симистор. Структура симистора представлена на рис. 1.88, а.
Вольтамперная характеристика симистора изображена на рис 1.88, в.
Ветви характеристик в первом и третьем квадрантах отображают
работу симистора при разных полярностях напряжения на его
электродах. При отсутствии тока управления симистор отпирается
напряжением любой полярности, превышающим напряжение
включения U, . Если ток Х„„„& t; О, симис ор работ ет аналоги
двум встречно включенным диодам.
В качестве примера приведем схему переносного зарядного
устройства для зарядки стартер ных аккумуляторных батарей
шлюпочных двигателей (рис. 1.89).
В основу устройства положен симисторный регулятор с
дополнительно введенными маломощным диодным мостом
ИЭ1 — VD4 и резисторами ЯЗ и Я5.
После подключения устройства к сети при плюс овом ее
полупериоде (плюс на верхнем rro схеме проводе) начинает
заряжаться коцденсатор С2 через резистор ЯЗ, диод VD1 и
последовательно соединенные резисторы Я1 и R2. При минусовом
ГЛАВА 1 ° Полупроводниковые приборы
полупериоде сети этот коцденсатор заряжается через те же резисторы
Я2 и Я1, диод VD2 и резистор R5. В обоих случаях конденсатор
заряжается до одного и того же напряжения, меняется только
полярность зарядки.
Как только напряжение на конденсаторе достигнет порога зажигания
неоновой лампы НХ,1, она зажигается, и конденсатор быстро разряжается
через лампу и управляющий электрод симистора КУ1. При этом симистор
открывается. В конце полупериода симистор закрывается. Описанный
процесс повторяется в каждом полупериоде сети.
Общеизвестно, например, что управление тир истором
посредством короткого импульса имеет тот недостаток, что при
индуктивной или высокоомной активной нагрузке анодный ток
прибора может не успеть достигнуть значения тока удержания за
время действия управляющего импульса. Одной из мер rro
устранению этого недостатка является включение параллельно
нагрузке резистора Яб.
В описываемом зарядном устройстве после включения симистора
V81 его основной ток протекает не только через первичную обмотку
трансформатора Tl, но и через один из резисторов — ЯЗ или Я5,
которые в зависимости от полярности полупериода сетевого
напряжения поочередно подключаются параллельно первичной
обмотке трансформатора диодами VD4 и VD3 соответственно.
Этой же цели служит и мощный резистор Аб, являющийся
нагрузкой выпрямителя VD5, VD0. Резистор Яб, кроме того,
формирует импульсы разрядного тока, которые продлевают срок
службы батареи.
Рие. 1.89. Зарядное устройетво для зарядки етартерных
аккумуляторов
99

Глава 2. Основы оптоэлектроники
2Л. Общие сведения
Оптоэлектроника — это раздел электроники, связанный главным
образом с изучением эффектов взаимодействия между
электромагнитными волнами оптического диапазона и электронами
вещества (преимущественно твердых тел) и охватывающий проблемы
создания оптоэлектронных приборов (a основном методами
микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются
для генерации, передачи, хранения и отображения информации.
Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники,
занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приема),
переработки (преобразования), запоминания и хранения информации
на основе использования двойных (электрических и оптических)
методов и средств.
Оптоэлектронный прибор — это прибор, который чувствителен к
электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или
ультрафиолетовой областях. Прибор, излучающий и преобразующий
некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных
областях, или прибор, использующий такое электромагнитное
излучение для своей работы.
Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях
целого ряда открытий науки и техники, среди которых должны быть
выделены, прежде всего, квантовая электроника, фотоэлектроника,
полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная
оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.
Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств
связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с
электронами выступают электрически нейтральные фотоны.
Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными
приборами очень широкие возможности применения в качестве
элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем
самым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную долю в
комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры.
ГЛАВА 2 ° Оенавы оптоэлектроники
Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники
служит техническим фундаментом разработки сверхвысоко-
производительных вычислительных комплексов, запоминающих
устройств гигантской емкости, высокоскоростной связи,
твердотельного телевидения и инфравидения.
Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет
источник излучения. именно его свойства и определяют, в первую
очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на
две большие группы: когерентные (лазеры) и некогерентные.
Устройства с использованием когерентного или некогерентного
света обычно резко отличаются друг от друга rro важнейшим
характеристикам.
История оптоэлектроники ведет свое начало с открытия
оптического квантового генератора — лазера (1960 г.). Примерно в
то же время (50 — 6О-е гг.) получили достаточно широкое
распространение светоизлучающие диоды, полупроводниковые
фотоприемники, устройства управления световым лучом и другие
элементы оптоэлектроники.
2.2. Светоизлучающие диоды
Светоизлучающие диоды (СИД) (рис. 2.3) преобразуют
электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации
электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение)
электронов и дырок происходит с выделением тепла, т.е. без
светового излучения.
Выпускаемые промышленностью светоизлучающие диоды rro
конструкции могут быть разделены на следующие группы (рис. 2.1):
1) в металлостеклянном корпусе;
2) в конструкции с полимерной герметизацией на основе метал-
лостеклянной ножки или рамочного держателя;
3) бескорпусные диоды.
Еще их называют инжекционными светодиодами, а свечение,
возникающее в светодиодах, относится к явлению инжекиионной
электролшминесиениии.
При прямом напряжении в полупроводниковом диоде происходит
инжекция носителей заряда из эмиттерной области в область базы.
Например, если в и-области электронов больше, чем дырок в
100
101

РАЗДЕЛ 1 ° Основы злектраники
n+ (GaAs)
и (ALGaAя)
р (GaAs}-а к/тт и еньаап
cesrn
р (AlGaAя)
р+ (GaAs)
8f02
то
т,о
т,в,о
е 5,0
« 4,0
*. в,о
C
: 2,0
', 1,0
О
о
Ълеметй
Кра~ма !й
60
с во
-40
о
«
а во
«20
10
,й ВО
Р
«20
CL
с
10
О
2О 40 ВО 80 100120
темеерат/ра 0«ртмаююем ереам 1'С)
2О 4О ВОВО 100 120
прамов тек (тее)
1,2 1.0 2,О 2.42,0 2,В В,О
Прямее ма0рюеемме ft/f)
т -бтр5«т«ю /«««««е«е«««
2- Ь«а«//ар ««0« / «ел«е
3 - 0g f sr4 430«ffi / u н««
4-6 0«р700««//Е«««рм«««
103
Рис. 2.1. Конструкции светодиодов: а) плоская; б) плоскопланарная;
в) полусферическая; г) условное обозначение; 1 — выводы; 2 — кристалл;
3 — полимерная линза
р-области, то из и-области электроны идут в область р. При этом
выделяется фотон, энергия которого почти равна ширине
запрещенной зоны (в электрон-вольтах). Если проще, то при
рекомбинации электронов и дырок выделяется энергия, которая
практически полностью идет на образование фотонов (напоминаем,
что фотон — это частица света).
Рис. 2.2. Структура светодиода с управляемым цветом свечения и его
принципиальная схема
ГЛАВА 2 ° Основы оптоэлектроники
Кремний и германий для светодиодов не пригодны. В основном
применяется фосфид галлия GBP и карбид кремния SiC. Бывают
светодиоды переменного цвета свечения (см. рис. 2.2). У них два
перехода, первый из которых имеет максимум в красной части
спектра, второй — a зеленой.
Цвет зависит от соотношения токов через переходы. Светодиоды
являются основой более сложных приборов: линейные светодиодные
шкалы, цифро-буквенные индикаторы, матричные индикаторы и т.п.
Анализ оптических и электрических характеристик, технологич-
ности и применения вышеуказанных видов светоизлучаю- щих
диодов с управляемым цветом свечения показал, что наибольший
интерес в настоящее время представляет двухпереходный
однокристальный GaP диод.
Свет играет исключительно важную роль в жизни и
производственной деятельности человека. Поэтому постоянно
актуальна проблема создания высокоэффективных и надежных
источников света.
Современные полупроводниковые светоизлучающие диоды
характеризуются высокими техническими характеристиками:
1) Высокой яркостью (тысячи кандел на квадратный метр) и высо-
кой эффективностью преобразования электрической энергии в
световую (до единиц люмен на ватт).
2) Высоким внешним квантовым выходом излучения (до 45% в
инфракрасном диапазоне).
Рис. 2.3. Светооптические характеристики светодиодов

азуюющий
FLV-7
105
3) Совместимостью по входным параметрам с транзисторными
микросхемами, а по спектру излучения диодов инфракрасного
диапазона — с фотоприемниками на основе кремния.
4) Высоким быстродействием (до единиц наносекунд).
' 5) Надежностью и большим сроком службы (до сотен тысяч часов).
Вследствие всего этого они имеют обширные и многообразные
области применения.
Чем больше ток проходит через светодиод, тем ярче ero
высвечивание. В зависимости от материала диода и примесей в нем
меняется цвет генерируемого излучения. Красный, желтый, зеленый,
синий представляют собой соединения галлия с фосфором и азотом,
кремния с углеродом и пр.
Более 100 лет прошло с момента создания лампы накаливания,
получившей чрезвычайно широкое распространение. В настоящее
время светоизлучающие диоды вытесняют лампы накаливания в
таких областях, как визуальная индикация и подсветка в устройствах
отображения информации. Светоизлучающие диоды широко
применяются также для внутрисхемной и панельной индикации
состояния электронных схем, в системах записи информации на
фотопленку, в фотоэлектрических устройствах, в измерительной
технике для создания бесстрелочных шкал и т.п.
Схема включения светоизлучающего диода (СИД) изображена на
рисунке 2.4. Для данной схемы значение тока Х,„д, протекающего
через светодиод, зависит от сопротивления R„, напряжения питания
U, и падения напряжения на светодиоде U,
1.;=(& t; Ђ” U.
Рассмотрим схему, где светодиод работает в качестве
предупредительной сигнализации (рис. 2.5). Современные суда
оснащаются сигнализатором, предупреждающим вахтенного
механика о возможном замерзании бортовых кингстонов на судах,
которым приходится
работать на мелководье в ~л ~и@~l
зимнее время. При работе в
таких условиях кингстоны
забиваются ледяной шугой,
что вызывает необходимость
подавать пар в магистраль
Рис. 2А. Схемы включения светодиода
ГЛАВА 2 Основы оптоэлектроники
&g ;а от &g
Рис. 2.5. Схема сигнализатора обледенения
подогрева кингстонов, иначе охлаждение судовых механизмов
становится под угрозу перегрева.
Сигнализатор оледенения, показанный на схеме, контролируя
i смпературу забортной воды в кингстоне, предупреждает вахтенного
механика о наступлении условий для образования льда и
автоматически включает электромагнитный клапан подачи пара (на
схеме не показан).
Схема управляет длительностью периода появления вспышек
светоизлучающего диода. При температуре 2,2'С схема генерирует
пепродолжительные периоды вспышек. При понижении
гемпературы до О'С вспышки светоизлучающего диода следуют
непрерывно. Вспышки повторяются примерно раз в секунду.
В качестве датчика температуры используется термистор,
поминальное сопротивление которого при 25'С составляет 15 кОм.
Гермистор установлен в ограждении и находится в контакте с
окружающей забортной водой.
Усилитель А1 сравнивает сопротивление термистора с включенны-
ми последовательно резисторами R1 и R2. Резистор R3 в цепи обратной
связи служит для установки соответствующей крутизны выходного на-
пряжения усилителя, в зависимости от температуры.
Усилитель А2 включен по схеме мул ьтивибратора, частота
повторения равна примерно одному импульсу в секунду. Резисторы

R4, R5 и R6 служат для установки верхнего и нижнего пределов
напряжения на конденсаторе С1.
Выходные напряжения усилителей А1 и А2 сравниваются на
усилителе АЗ. Когда выходное напряжение мультивибратора (А2)
меньше выходного напряжения усилителя А1, напряжение на выходе
усилителя АЗ положительно, и светоизлучающий диод зажигается.
Резистор R7 ограничивает ток через светоизлучающий диод
приблизительно до 25 мА.
Для калибровки схемы служит резистор R2. При погруженном в
лед терм исторе величина R2 устанавливается такой, чтобы
светоизлучающий диод был постоянно включен. Другие рабочие
точки можно получить регулировкой резисторов R1, R2, R3.
Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных
применений представляют полупроводниковые лазеры благодаря
высокому к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию,
простоте управления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе
тройного полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре
тонкий слой и-типа проводимости «зажат» между областями и- и
р-типов того же материала, но с большими значениями концентраций
алюминия и соответственно этому большими ширинами
запрещенной зоны. В роли резонатора может также выступать
поверхностная дифракционная решетка, выполняющая функцию
распределенной оптической обратной связи.
На рис. 2.6 приведена электрическая схема лазерной указки и
показана ее вольтамперная характеристика.
Немного подробнее о лазерах. Лазер, источник
электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и
ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном
излучении атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из
снР Омь
57
1,0 2,0 3.0 4,0 5 0 б,0 U,B
Рис. 2.6. Лазерная указка: a) iipiRH~iRiiiR~~i H~~ 0xeM~; б) BAX
106
ГЛАВА 2 ° Основы оптоэлектроники
начальных букв (аббревиатура) слов английской фразы «Light
Amplification by Йгти1а1ес1 Emission of Radiation», что означает
«усиление света в результате вынужденного излучения».
Из схемы понятно, что лазерный диод не защищен от превышения
напряжения питания. Из графика на рис. 2.б, б можно сделать вывод,
что при напряжении питания больше 2 Вольт последовательно
соединенные лазерный диод и токоограничительный резистор R1
ведут себя как резистор с эквивалентным сопротивлением 70 — 80 Ом.
Излучение лазера можно заметить уже при токах 0,15 — 0,2 мА, что
приблизительно совпадает с минимальными рабочими токами
красных суперъярких светодиодов. Падение напряжения на лазерном
диоде (точка перегиба на ВАХ) — l,б5 — 1,7  — также приблизительно
соответствует аналогичному параметру красных светодиодов.
Светодиоды как источники света имеют громадную перспективу.
Основными преимуществами данных типов изделий являются
низкое энергопотребление и высокая надежность; низкие затраты на
обслуживание, т.к. крайне редко требует замены источника света,
время жизни светодиода составляет 100000 часов. Энергосбережение
является важным фактором не только в глобальном понятии
ресурсосбережения, но и технически важным параметром.
Уже в конце прошлого столетия и в начале нынешнего внимание
многих фирм мира было сконцентрировано на перспективных и
динамично развивающихся направлениях, таких как
оптоэлектроника (светодиодные матрицы, кластеры); производство
микросхем светодиодных драйверов, которые используются для
изготовления наружных светодиодных дисплейных панелей для
стадионов, коммерческих центров, а также для громадных уличных
информационных экранов.
Создание экрана подобного уровня стало возможным благодаря
изобретению светодиодов яркого свечения красного, зеленого и
синего цветов, собранных в светодиодную матрицу. Наиболее
распространенные форматы буквенно-цифровых индикаторов на
основе светодиодов показаны на рис. 2.7.
Семиэлементные индикаторы или матрицы из 3 х 5 точек обычно
применяются для воспроизведения цифр от 0 до 9, хотя с их помощью
можно воспроизводить некоторые прописные (А, 8, С, В, E F, 6, Н, Х,
.1, L, О, 8, Ц и строчные (Ь, с, d, Ь, i l, и, o, r, и) буквы. Для цифровых
индикаторов наиболее широко используется формат с семью
107

ввел;очуввтвьтельные
в)
лвл'~левввввв~в ф
Пвых
.ыптрицп 5х Г
.ыитртвз Зх 5
Рис. 2.8. Фоторезистор: а) действие в темноте; б) действие при световых
лучах; в) условное обозначение
чувствительность к излучению в самом широком диапазоне — от
инфракрасной до рентгеновской области спектра, причем
сопротивление их может меняться на несколько порядков.
Схематично устройство фоторезистора и ero включение показано
на рис. 2.8. Фоторезисторам присущи высокая стабильность во
времени, они имеют небольшие габариты и выпускаются на
различные номиналы сопротивлений.
Светочувствительный элемент в некоторых типах
фоторезисторов выполнен в вцде круглой или прямоугольной
таблетки, спрессованной из порошкообразного сульфида или
селенида кадмия, в других он представляет собой тонкий слой
полупроводника, нанесенного
l 3 g
l на стеклянное основание. В том
2.3. Фоторезисторы
Рис. 2.9. Фоторезистор с составной
приемной площадкой: 1—
подложка; 2 — фотоприемная
площадка с зазорами;
3 — металлические электроды;
4 — электрические выводы
109
Рис. 2.7. Пример схемы светодиодной матрицы
полосками, а для буквенно-цифровых индикаторов удобнее всего
матрицы из 5 х 7 точек. Размер индикатора зависит от расстояния до
наблюдателя.
Инвестиции крупных компаний в разработки светодиодных
систем и высокий интерес потребителей уже сегодня не оставляет
сомнений, что через 10 лет светодиодные источники света станут
привычными и широко используемыми осветительными приборами.
В нашу бытность смело вошли светофоры для регулирования
движения автомобильного транспорта на перекрестках с любой
схемой организации движения, соответствующей правилам
дорожного движения. Светофор на светоизлучающих диодах не
требует обслуживания в течение 8 — 10 лет, обеспечивает снижение
потребления электроэнергии в 5 — 12 раз, исключает катастрофический
отказ за счет многократно резервированного источника света,
исключает появление ложного сигнала (фантом-эффект) при ярком
солнечном освещении за счет отсутствия цветных фильтров.
Не отстает от времени и судостроительная промышленность, где
энергосбережение является одним из основных факторов в
проектировании энергооснащенности судов и применения
светодиодной техники: индикация приборов панелей управления,
информационные панели, освещение помещений и палубных
пространств, сигнально-отличительные огни и т.п.
Фоторезисторы (ФР) полупроводниковые фотоэлементы,
обладающие свойством менять свое активное сопротивление под
действием падающего на них света. Фоторезисторы имеют высокую
ГЛАВА 2 - Основы оптоэлектроники
и другом случае с
полупроводниковым
материалом соединены два
металлических вывода.
Форма фоторезистора, изго-
товленного с использованием
технологии фотолитографии,
приведена на рис. 2.9. Квадрат-
ную чувствительную площадку
размерами А~ — — 2х2 мм образу-
2
ют четыре чувствительные
площадки, соединенные после-
довательно. Контактные покры-

тия создавались электрохимическим осаждением индия. Толщина
чувствительного слоя составляла 20 мкм, ширина зазора между эле-
ментами -40 мкм. Чувствительный элемент клеился эпоксидным
компаундом к кремниевой подложке. Такое конструктивное испол-
нение фоторезистора позволяет повысить ero вольтовую
чувствительность, уменьшить ток и понизить требования к шумовым
характеристикам предусилителя.
В зависимости от назначения фоторезисторы имеют совершенно
различное конструктивное оформление. Среди фоторезисторов
следует особо отметить фоторезистор типа ФСК-б,
приспособленный для работы от отраженного света, для чего ero
корпус имеет в центре отверстие для прохождения света к
отражающей поверхности. Выпускаются фоторезисторы в
металлическом корпусе с цоколем, напоминающим ламповый, или в
корпусе, как у герметизированных конденсаторов или транзисторов.
У некоторых типов фоторезисторов темновое сопротивление
может иметь значительный разброс, которое определяется
кратностью изменения сопротивления Ли%се, а именно, отношение
темпового сопротивления к сопротивлению при освещенном
состоянии. Это один из важнейших параметров, характеризующий
чувствительность фоторезистора. С увеличением освещенности
кратность возрастает по линейному закону, с уменьшением
снижается. Наименьшей чувствительностью обладают
сернисто-свинцовые ф отар езисторы, у которых кратность при
освещенности 200 лк бывает не ниже 1,2.
У сернисто-свинцовых фоторезисторов рабочее напряжение
можно принять равным 0,1Rt, где Rt исчисляется в килоомах, с
допустимой мощностью рассеяния, позволяющей длительную
эксплуатацию фоторезистора при +20'С в окружающей среде без
опасности появления необратимых изменений в
светочувствительном слое. Спектральные их характеристики
показывают, в какой части спектра фоторезистор имеет наибольшую
чувствительность. Примерные спектральные характеристики
показаны на рис. 2.10.
Как видно из этих характеристик, фоторезисторы с сернисто-кад-
миевым светочувствительным элементом имеют максимальную чу-
вствительность в видимой части спектра, фоторезисторы,
выполненные на основе селенистого кадмия, наиболее чувствитель-
ГЛАВА 2 - Основы оптоэлектроники
учаопюк
видимого свела
ны к красной и инфракрасной
части спектра, а сернисто-свин-
цовые фоторезисторы имеют
максимум чувствительности в
инфракрасной области спектра.
Важным параметром фоторе- &
зисторов является удельная
чувствительность, которая
рассчитывается по формуле:
К=—
Al
10 .Х..S.U
6.2 0.6 1.6 1.4 г 8 2.2 22
длина волны мк
Рис. 2.10. Спектральные
характеристики различных
фоторезисторов
в) /„тАА
1000
@ sыi~
оооо
5000
г00
ЮОО
3000
ЮО
гооо
oooo
г д О ыв
Рис. 2.11. Вольтамперные характеристики фоторезисторов
где М ффооттооттоокк, мкА;
Х. освещенность, лк;
8 — размер светочувствительной площадки, см;
U напряжение, приложенное к фоторезистору, В.
Если величину чувствительности умножить на рабочее
напряжение, то получится интегральная чувствительность. Кроме
этого, свойства фоторезисторов характеризуются вольтамперными
характеристиками, которые показывают зависимость тока через
фоторезистор от приложенного к нему напряжения (см. рис. 2.11, а).
Эта характеристика линейна в довольно широких пределах. Для
некоторых типов фоторезисторов при напряжениях меньше рабочего
наблюдается нелинейность, изображенная на рис. 2.11, б.
Основной характеристикой фоторезисторов является
вольтамперная характеристика, характеризующая зависимость
110

РАЗДЕП 1. Основы электроники
112
фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от
приложенного напряжения.
Основной областью применения фоторезисторов является
автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют
вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Обладая повышенной
допустимой мощностью рассеивания по сравнению с некоторыми
типами фотоэлементов, фоторезисторы позволяют создавать
простые и надежные фотореле без усилителей тока. Такие фотореле
незаменимы в устройствах для телеуправления, контроля и
регулирования, для контроля качества и готовности самых
различных деталей.
В судовой измерительной технике фоторезисторы применяются
для измерения высоких температур, для регулировки температуры в
различных технологических процессах. Контроль уровня жидкости и
сыпучих тел, защита персонала от входа в опасные зоны, контроль за
запыленностью и задымленностью самых различных объектов, в
автоматах для разбраковки, при сортировке и счете готовой
продукции на технологических линиях рыбоперерабатывающих
судов вот далеко не полный перечень областей применения
фоторезисторов на судах.
Фоторезисторы нашли применение в промышленности, в
медицине, сельском хозяйстве и других областях. В настоящее время
трудно найти такую отрасль народного хозяйства, где бы они не
использовались в целях повышения производительности труда,
улучшения качества продукции и облегчения труда человека.
Схема полупроводникового фотодетектора приведена на
рис. 2.12. Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с
резистором R и источником постоянного напряжения U. Оптическая
волна, которую нужно за-
регистрировать, падает на
кристалл и поглощается +
Rd
.им, возбуждая при этом
электроны в зоне проводи-
мости. Такое возбуждение
R
приводит к уменьшению
Усиги ~/
сопротивления Rq полуп-
роводникового кристалла
и, следовательно, к увели-
Рис. 2.12. Типовая схема детектора с
фоторезистором
ГПАВА 2 Основы оптоэлектроники
Рис. 2. 13. Типовые схемы включения: а) контроль задымленности;
б) датчик пламени; B); r) система безопасности
чению падения напряжения на сопротивлении R, которое при ARq/Rq
&l ; lt; 1 пропорцио ально пло ности пад ющего п тока. U,„„„è
ется пропорционально величине оптического излучения и далее
подается в схему для реализации процесса, в данном случае для
измерения вольтметром величины оптического излучения.
Рассмотрим типовые схемы включения фоторезисторов
(см. рис. 2.13).
Для наглядности рассмотрим схему контроля пламени в топке
судового парового котла (рис. 2.14). При появлении пламени в топке
котла сопротивление фоторезистора Rq резко падает, открывается
, /
l
Рис. 2.14. Схема контроля пламени в топке котла

РАЗДЕЛ 1. Основы электроники
2.4. Фотодиоды
6)
1- пластина германии; 2- криетаппобержатепь;
3- изоллтор; 4- втулка; 5- металлический корпус
6- стекллнное окно.
транзистор VT1, и включается реле КХ, замыкая свой контакт К1.1 и
размыкая К1.2. Загорается зеленая лампа ЛЗ, и гаснет ЛК.
При срыве пламени в топке котла сопротивление фоторезистора
Яй резко возрастает, закрывается транзистор VT1 и выключается реле
К1, замыкая свой контакт К1.2 и размыкая К1.1. Загорается красная
лампа ЛК и гаснет ЛЗ, срабатывает ревун Рв.
Фотодиод (ФД) — это полупроводниковый диод, в котором под
действием падающего на него светового потока образуются
подвижные носители зарядов, создающие дополнительный ток
(фототок) через обратно смещенный р — п-переход.
В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала
фотодиоды обычно работают с усилителем. Усилитель может быть
внешним и интегрированным вместе с фотоприемником.
Структурная схема фотодиода и схема его включения при работе в
фотодиодном режиме (рис. 2.15, б) 1 — кристалл полупроводника„
2 контакты; 3 — выводы; Ф поток электромагнитного
излучения; и и р — области полупроводника соответственно с
и1 ф
1
Рис. 2.15. Фотодиод: а) условное обозначение; б) конструкция и схема
вкпючения, в) конструкция фотодиода
ГЛАВА 2 . Основы оптоэлектроники
донорной и акцепторной примесями; Š— источник постоянного
тока; R„— нагрузка.
То, что фотодиод в отсутствие внешнего облучения ничем
практически не отличается от полупроводникового диода,
справедливо и для зависимости Х = f (Ü) фотодиода при условии, что
Ф = О. Эту зависимость для фотодиода часто называют теиновой
вольтамперной характеристикой.
Световой поток, падающий на открытый р — п-переход, приводит к
появлению в одной из областей дополнительных неосновных
носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток. В
общем случае ток фотодиода определяется формулой:
Х = Хз (е р — 1) — Х~ = Х „,1, — (Х~ + Х@),
где Х~ = S;F — фототок;
S; — интегральная чувствительность;
F — световой поток.
Вольтамперные характеристики ФД приведены на рис 2.16, а, а
ero схематичное изображение — на рис. 2.1б, б.
Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух
режимах: короткого замыкания и холостого хода. В режиме
короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде
равен фототоку, т.е. Х = — Ха, = — Я;Х'. Таким образом, в режиме
короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность
между током в диоде и световым потоком.
В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение
холостого хода U, отмеченное на рис. 2.1б, а, лежит на
Рис. 2.16. Вольтамперная характеристика фотодиода (а) и ero
схематическое изображение (6)

'Ф ю1
117
горизонтальной оси. Для определения этого напряжения можно
прологарифмировать предыдущее выражение, откуда находим:
Таким образом, при Х = 0 р-область заряжается положительно, а
и-область — отрицательно, и между электродами фотодиода при
освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-ЭДС.
Фото-ЭДС равна напряжению U и не может превьппать контактной
разности потенциалов ух. Для кремниевых фотодиодов напряжения
U & t; ,7
Для построения нагрузочной прямой можно воспользоваться
следующей методикой: на горизонтальной оси нужно отложить
напряжение источника Е, а на вертикальной оси — ток короткого
замыкания Eß„. Прямая, соединяющая эти точки, и является
нагруз очной прямой. Пересечение нагрузочной прямой с
вольтамперными характеристиками фотодиода позволяет
определить напряжение на нагрузке R„. Для этого нужно из точек
пересечения восстановить перпендикуляры до пересечения с
горизонтальной осью. Эти точки пересечения и дают значение
напряжения на нагрузке.
Из приведенного на рис. 2.17, б построения следует, что при
отсутствии освещения напряжение на фотодиоде будет
максимальным U„„„. При увеличении освещения ток в фотодиоде
возрастает, а напряжение на нем падает. Напряжение на нагрузке
Рис 2.17. Схема включения фотодиода: а) с нагрузкой, о) построение
нагрузочной характеристики, в) график напряжения на нагрузке
ГЛАВА 2 ° Основы оптозлектроники
определяется как разность напряжения источника питания и
напряжения на фотодиоде:
U„— E — Ц~„
График зависимости U„= f(F) приведен на рис. 2.17, в.
Фотодиоды находят широкое применение в устройствах судовой
автоматики, лазерной техники, вычислительной техники,
измерительной техники и т.п. Важная особенность фотодиодов—
высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до
нескольких миллионов Герц. Фотодиоды обычно изготовляют из
германия или кремния.
Фотодиод является потенциально широкополосным приемником.
Этим и обуславливается ero повсеместное применение.
В будущем крайне важно повышение рабочей температуры
фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом,
можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».
Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от
прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно
развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и
наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых
материалов с большей чувствительностью, повышенным
быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.
Кто бы мог подумать„что глубоко запертый диод (рис. 2.18)
может в данной ситуации пропускать через себя ток. Но в этом и
заключаются возможности фотодиода при попадании на него
светового потока. Напряжение на выходе схемы будет
пропорционально величине светового потока.
Для наглядности рассмотрим схему 'сигнализации обнаружения
дыма в помещении. Схема содержит четыре каскада: обнаружения,
усиления, переключения, генерации и звукового выхода (см. рис. 2.19).
вахед
Рис. 2.18. Схема включения фотодиода.

ГПАВА 2 ° Основы оптозлектроники
лазжмь,
float
а
'4»
Рис. 2.19. Схема сигнализации обнаружения дыма
Когда луч гелий-неонового лазера или другого более
тривиального источника света попадает на фотоэлемент D1, диод
открывается, и к усилителю U1 поступает небольшой по величине
импульс напряжения постоянного тока. В свою очередь выходным
напряжением этого усилителя открывается транзистор И 1. При этом
кремниевый управляемый выпрямитель D2 закрывается, и сигнал
тревоги отсутствует.
В случаепрерываниясветовоголучатранзистор VT запирается,и
высокое напряжение на его коллекторе открывает D2. Последний, в
свою очередь, включает автоколебательный генератор U2, частота
которого определяется выражением f = 1/1,1ЛС. Генератор
продолжает работать до тех пор, пока не закроется D2.
Кратковременное нажатие нормально замкнутого переключателя 81
разрывает цепи и выключает сигнал тревоги.
Одно из направлений будущего развития энергетики — это
солнечные батареи, где фотодиоды могут играть важнейшую роль в
развитии этого направления. Очень хорошие результаты дает
использование фотодиодов с линзами используемых в
фотоприемниках дистанционных систем, они могут выдавать
напряжение до 0,5 Вольт и ток порядка 0,5 — 5 мА.
Солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) — устройство,
непосредственно преобразующее энергию светового излучения в
электрическую энергию. Электрический ток в солнечной батарее
возникает' в результате процессов, происходящих в фотоэлементах
при попадании на них солнечного излучения. Наиболее эффективны
солнечные батареи, основанные на возбуждении ЭДС на границе
между проводником и светочувствительным полупроводником
(например, кремнием) или между разнородными проводниками.
Мощность солнечной батареи достигает 100 КВт, КПД 10 — 20%.
Солнечная батарея применяется в качестве автономного источника
энергопитания на космических аппаратах, метеостанциях, а в жарких
странах — как источник электроэнергии даже в жилых домах.
Термофотовольтаическое производство электроэнергии, т.е.
преобразование длинноволнового (теплового) излучения
посредством фотовольтаических ячеек было открыто в 1960 году и
вызывает все больший интерес, особенно в связи с современными
достижениями в области создания узкозонных полупроводников.
В термофотовольтаической ячейке (рис. 2.20, а) тепло
преобразуется в электроэнергию посредством селективных
эмиттеров из оксидов редкоземельных элементов — эрбия и
иттербия. Эти вещества поглощают инфракрасное излучение и вновь
излучают ero в узком энергетическом диапазоне. Излучение может
быть эффективно преобразовано с помощью фотовольтаической
ячейки с соответствующей шириной запрещенной зоны.
@ КВ
6.6
6.1
Рис. 2.26. Термофотозлектрический солнечный злемент:
а) конструкция; б) Вольтамперная характеристика; в) зонная модель;
г) структурный переход

РАЗДЕП 1. Основы электроники
В качестве материала для фотоэлектрической ячейки более всего
подходит Хпхба1хАя, поскольку он позволяет добиться необходимой
ширины запрещенной зоны.
Большинство современных солнечных элементов (СЭ) обладают
одним р — и-переходом. В таком элементе свободные носители заряда
создаются только теми фотонами, энергия которых больше или равна
ширине запрещенной зоны.
Другими словами, фотоэлектрический отклик однопереходного
элемента ограничен частью солнечного спектра, энергия которого
выше ширины запрещенной зоны, а фотоны меньшей энергии не ис-
пользуются. Преодолеть это ограничение позволяют многослойные
структуры из двух и более СЭ с различной шириной запрещенной
зоны. Такие элементы называются многопереходными, каскадными
или тандемными. Поскольку они работают со значительно большей
частью солнечного спектра, эффективность фотоэлектрического пре-
образования у них выше
Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравно-
весные электронно-дырочные пары. Электроны, генерируемые в
р-слое вблизи р — п-перехода, подходят к р — п-переходу и существую-
щим в нем электрическим полем выносятся в и-область. Аналогично
и избыточные дырки, созданные в п-слое, частично переносятся в
р-слой (рис. 2.20, в). В результате и-слой приобретает дополнитель-
ный отрицательный заряд, а р-слой — положительный. Снижается
первоначальная контактная разность потенциалов между р- и и-слоя-
ми полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение
(рис 2.20, r). Отрицательному полюсу источника тока соответствует
п-слой, а р-слой положительному.
При освещении фотоэлемента светом произвольного
спектрального состава изменяется лишь значение фототока Х1,.
Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент
находится в режиме, отмеченном точкой «а» (см рис. 2.20, 6).
Фототранзистором называют полупроводниковый прибор с двумя
электронно-дырочными переходами, ток которого увеличивается за
счет подвижных носителей заряда, образующихся при облучении
прибора светом.
Один из возможных вариантов конструкции фототранзистора
показан на рис. 2.21, а.
120
ГПАВА 2 ° Основы оптоэлектроники
а) 8 .7 Как видно из этого
Ц % ' «) рисунка, фототранзис-
р Рн тор отличается от обыч-
,/ --6
Ъс. ного транзистора лишь
Ф '%. Р
йо прозрачным окном в
р + корпусе; через него све-
товой поток падает на
пластину полупровод-
ника, служащую базой,
1-ппасгпинаn-Ge; 2-змигпгпер, З-коппектор, 4-пристал- в центре КоТороН путем
лоаержатель' б-"'""'р б-''рпус' 7-'"е"ннаяд""'а вплавления создан кол-
Рис. 2.21. Фототранэистор: лекторныи переход.
а) конструкция; б) схема включения Возможны и другие ва-
рианты расположения
электродов: например, кольцеобразный коллектор на освещаемой
поверхности базы.
Схема включения фототранзистора показана на рис. 2.21, б.
Прибор включен по схеме ОЭ с оборванным выводом базы. Эмит-
терный переход смещен в прямом, а коллекторный переход — в
обратном направлении: фототранзистор находится в активном
режиме. Несмотря на это ток через прибор в отсутствие светового
потока (Ф = О) невелик, так как при отсутствующем выводе базы
заряд дырок, инжектированных из эмиттера, не компенсируется
полностью электронами базы. Нескомпенсированный объемный
заряд дырок поддерживает высоту потенциального барьера на
эмиттерном переходе, и через прибор течет темновой ток Ртк.
Принцип действия. При освещении прибора (Ф & t; О в б з
результате собственного поглощения образуются пары зарядов.
Дырки — неосновные носители диффундируют к коллекторному
переходу и выбрасываются в коллектор, увеличивая ток в ero цепи,
подобно тому, как это происходит в фотодиоде. Но для
фототранзистора характерен еще один процесс, отличающий ero от
фотодиода. Образовавшиеся электроны — основные носители базовой
области — не могут покинуть базу, так как базовый вывод отсутствует.
Скапливаясь в базе, они увеличивают отрицательный объемный зар~щ,
в том числе и у эмиттерного перехода. В результате потенциальный
барьер у этого перехода снижается, и развивается диффузионный
поток дырок из эмитгера в базу. Дырки, диффундируя в толще базы,
121

РАЗДЕП 1 - Основы электРоники
ПОСКОЛЬКУ Прн Х общ.Б 0 X к обп1.э I общ. ТО ПрЕдЫдущЕЕ
выражение можно записать в виде:
/Э кт /Э + Э Э
общ. к "12Б общ. к т. к ф. к &
откуда
/Э
/Э тк фк
21Б 21Б
Таким образом, ток в фототранзисторе усиливается в 1/(1 /121Б)
раз, При Ь21Б = 0,95 — 0,99 и более величина 1/(1 — Ь21Б) может
достигать нескольких сотен единиц.
Схема включения фототранзистора (рис. 2.21, б) практически не
отличается от схемы включения фотодиода (рис. 2.15, б), однако если
базу фототранзистора снабдить выводом, то возникнет возможность
дополнительного управления током прибора за счет изменения тока
базы. Этот принцип управления током фототранзистора может быть
в частности использован для компенсации температурных уходов
параметраприбора.
Вольтамперные характеристики
фототранзистора (рис. 2.22) напоми-
нают выходные характеристики обыч-
ного транзистора в схеме ОЭ, но
параметром здесь служит не ток Хб, а
световой поток Ф. Крутой начальный
участок этих характеристик соотве-
тствует режиму насыщения: при ма-
лых Ц&l ;э коллектор ый перех д, а
в биполярном транзисторе, за счет на-
копления дырок в коллекторе откры-
Рис. 2.22. БАХ
фототранзистора
подходят к коллекторному переходу и выбрасываются полем этого
перехода в коллектор. Таким образом, генерируемые в базе при ее
освещении носители зарядов не только непосредственно участвуют в
создании фототока через коллекторный переход, но и стимулируют в
приборе физические процессы, обусловливающие протекание тока как
в обычном транзисторе.
Для тока в фототранзисторе, следовательно, можно записать:
общ. к 12Б общ.э т, к ф. к
ГПАВА 2 ° Основы оптоэлектроники
e)
l
Юс х U
СОЕИФОВЕЯ спектральная Вопьт-ам верная
Рис. 2.23. Сравнительные характеристики:!б,— фототок, Ф,—
ceemoeou поток, S — чувствительность полупроводникового прибора,
Х вЂ” длина волны падающего светового потока
вается. Наклон характеристик к оси абсцисс в их пологой части объясня-
ется, так же, как и для биполярного транзистора, эффектом модуляции
ширины базы.
Энергетические характеристики фототранзисторов, как и
фотодиода, линейны. С увеличением напряжения Ли фототок
несколько увеличи вается вследствие модуляции ширины базы.
Спектральные характеристики аналогичны подобным
характеристикам фотодиодов.
Рассмотрим основные характеристики (рис.2.23) фотоэлектри- ческих
преобразователей — световую, спектральную и вольтамперную. На
рисунке представлены зависимости, характер- ные для фоторезистора
(@1,), фототранзистора (Ф,), фотодиода (Ф ) и фотоэлемента (Ф,).
Фототранзисторы так же, как фоторезисторы и фотодиоды,
используются в качестве фотодетекторов — приборов для
обнаружения и регистрации световых сигналов. Поэтому для
характеристики работы фототранзистора в качестве фотодетектора
используются те же параметры, что и для фоторезисторов:
пороговый поток Ф„, обнаруживающая способность D и др.
Одним из важнейших параметров фототранзистора служит
коэффициент усиления по фототоку фототранзистора — отношение
фототока коллектора фототранзистора при отключенной базе к
фототоку освещаемого р — п-перехода, измеренному в диодном режиме:
1
К
21Б
123

Рис. 2.24. Пожарный извещатель на полевом фототранзисторе
Фототранзисторы составляют весьма представительный отряд
оптоэлектронных фотоприемников, наиболее характерными чертами
которого являются наличие механизмов встроенного усиления
(отсюда высокая фоточувствительн ость) и схемотехническая
гибкость, обусловленная наличием третьего управляющего—
электрода. В то же время фототранзисторам присуща заметная
инерционность, что ограничивает область их применения в основном
устройствами автоматики и управления силовыми цепями. Они
изготавливаются практически только на кремнии.
Для наглядности рассмотрим фрагмент схемы пожарной
сигнализации. В противопожарном устройстве, принцип действия
которого показан на рис. 2.24, применяется фототранзистор с
полевым эффектом, имеющий высокую чувствительность к
изменению освещенности. Световой поток от осветительной лампы
Л1 проходит параллельно окну фототранзистора, и при отсутствии
дыма ток через фототранзистор не протекает.
Появление даже
слабого дыма вызывает
рассеяние света, часть ко- р~ 106 ОА200 Р1
торого попадает в окно
фототранзистора. Кол-
82 б И тг
лекторный ток под влия-
АС12Б
нием светового потока
возрастает, происходит яз
ю~ 65
срабатывание исполни- ~ок ОА2ОО
тельного реле Р, включа- Ф
ющего своими
Рис. 2.25. Детектор на биполярном
фототранзиеторе
контактами цепь питания устройства, подающего сигнал тревоги.
Для аналогичных целей может быть использован обычный
фототранзистор, собранный по схеме рис. 2.25.
Управление светом в этом устройстве происходит следующим
образом. В ждущем состоянии транзистор Tl освещен и открыт, а
транзистор Т2 закрыт, т.к. на базе транзистора Т2 отсутствует
отрицательный потенциал из-за падения напряжения на резисторе Л4
по цепи: « — 15 В» — Л4 — эмиттерно-коллекторный переход
фототранзистора — ВЗ вЂ” «+15 В» . Так как транзистор закрыт, реле
Рl обесточено. Затемнение светового потока приводит к закрытию
фототранзистора Tl. Как только фототранзистор закрылся, на базу
транзистора Т2 поступает отрицательный потенциал по цепи:
« — 15 В» — Л4 — Dl — база Т2, и он открывается, коллекторный ток
вызывает срабатывание реле и замыкание контактов в цепи питания
сигнального устройства.
2.6. Фототиристоры
Фототиристор — оптоэлектронный прибор, имеющий структуру,
схожую со структурой обычного теристораи отличающийся от
последнего тем, что включается не напряжением, а светом,
освещающим затвор. Этот прибор применяется в управляемых
светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении
сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на
свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из
кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у
gPgI'HX KP CMHHCBLIX CBCTORQBCTBHTC JIBHBIX 3IICMCHTOB.
l lllll ll
и.в
Рис. 2.26. Фототириетор: а) схема включения; б) семейство ВАХ;
в) условное графическое обозначение

РАЗДЕЛ I ° Основы электроники
Конструктивно фототиристор представляет собой
четырехслойную структуру рl-nl-р2-п2 без управляющего
электрода (рис. 2.26, а). К фототиристору приложено прямое
напряжение (плюс — к аноду, минус — к катоду). При отсутствии
освещенности прибора, т.е. при Ф = 0 через фототиристор протекает
темный ток. В результате получает ветвь ВАХ динистора, которая
определяет темновую характеристику фототиристора (рис. 2.26, б).
При освещении фототиристора будет изменяться его ток, который в
данном случае является током управления, т.е. при воздействии
потока излучения изменяется напряжение включения
фототиристора.
Пригодными для управления фототиристора источниками
излучения являются электрические лампы накаливания, импульсные
газоразрядные лампы, светоизлучательные диоды, квантовые
генераторы и др. Величина светового потока, необходимого для
перевода фототиристора в состояние с высокой проводимостью,
характеризует чувствительность прибора. Она определяется
спектральным составом излучения, коэффициентом отражения и
поглощения мон о кристалла, а также заданными значениями
электрических параметров фототиристора: напряжением переключе-
ния, скоростью нарастания прямого напряжения и т.д.
Современные фототиристоры изготовляют на токи от нескольких мл
до 500 A и напряжения от нескольких десятков Вольт до 3 кВ. Мощность
щего светового излучения (при длине волны 0,9 мкм)
составляет порядка 1 — 10 мВт. Фототиристоры находят применение в
различных устройствах автоматического управления и защиты, а также в
мощных высоковольтных преобразовательных устройствах.
Как пример рассмотрим схему реверсивного электропривода,
управляемого фототиристорами с помощью электронных концевых
выключателей (рис. 2.27). Органом управления в схеме несомненно
являются электронные концевые выключатели. Объектом может быть
все, что прерывает луч света, падающий на фоторезистор 1&lt <0
При попадании луча на фоторезистор АН транзисторы VTl и И 2 от-
крываются, светодиоды VD5 и И.)6 загораются, и фототиристоры V51 и
V52 открывается. Транзисторы VT3 и VT4 закрыты, т.к. объект «2» преры-
вает свой луч„и фототиристоры VS3 и V54закрьпы. Электродвигатель М
начинает вращаться до тех пор, пока объект < lt 1» не п ервет поток и
ния. Оба объекта сблокированы: они могут одновременно только преры-
вать свои лучи, но не могут одновременно быть вне зоны своих лучей.
Подобные схемы с различными системами управления могут
найти широкое применение: от радио-видео аппаратуры до
управления противопожарными закрытиями, судовыми
клинкетными дверями, В реверсивных технологических линиях
рыбообрабатывающих судовых установок.
2.7. Оптроны
Оптрон прибор, состоящий из излучателя света и
фотоприемника, связанных друг с другом оптически и помещенных в
общем корпусе. Иногда оптронами называют также пару
«излучатель — фотоприемник» с любыми видами оптической и
электрической связи между ними. Оптроны используют для связи
отдельных частей радиоэлектронных устройств (главным образом
вычислительной и измерительной техники и автоматики), при
которой одновременно обеспечивается электрическая развязка
между ними (как в трансформаторе), а также для бесконтактного
управления электрическими цепями (аналогично реле).
Разработка оптронов началась в 60-е гг. ХХ столетия. В излучателе
оптрона входной электрический сигнал преобразуется в световой и
передается по оптическому каналу в фотоприемник, где он вновь
а) б)
I
е)
I 1 rP
1
Рис. 2.27. Схема улрввления электролриводом фототириаторвми
Рис. 2.28. Условные графические обозначения олтронов:
а) с фоторезистором; 6) с фотодиодом; в) с фототиристором;
г) с фототранзистором

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
преобразуется в электрический. Излучателем обычно служит
полупроводниковый светоизлучающий диод, промежуточной средой
оптического канала — оптические клен, стекла, врлоко нные
световоды, воздух, фотоприемником — фотодиод, фоторезистор,
фототранзистор, фототиристор и др (рис. 2.28).
Тип фотоприемника определяет выходные характеристики оптрона.
К выходу рптрона подключают усилители и преобразователи сигналов
фотоприемника, обычно в интегральном исполнении. Такое устройство
в целом называется оптронной интегральной схемой. Основные сво-
йства оптрона: практически полная электрическая развязка входных и
выходных цепей, высокая электрическая прочность (104 — 105 В), од-
нонаправленность потока информации, отсутствие обратной реакции
приемника на излучатель, широкая полоса пропускания (начиная от по-
стоянного тока), большой срок службы, малые габариты.
Резисторная оптопара применяется в риде устройств
автоматической регулировки усиления. Схема, изображенная на
рисунке 2.29, а, используется в судовых телефонных системах связи
для поддержания оптимального уровня выходного сигнала при
изменении его в широком диапазоне (до 50 дБ и более).
Основой схемы является операционный усилитель, охваченный
обратной связью. ' В качестве сопротивления обратной связи
используется фоторезистор оптопары. Когда выходное напряжения
операционного усилителя превышает значение начального порогового
напряжения светодиода, через входную цепь оптопары протекает ток,
что вызывает уменьшение сопротивления обратной связи.
При малом входном сигнале роль сопротивления обратной связи
выполняет резистор ЛЗ. После включения оптрона сопротивление
параллельно включенных резистора ЛЗ и фоторезистора
Рис. 2.29. Схемы с резисторным оптроном: а) автоматическая
регулировка усилителя; б) генератор синусоидальных колебаний
уменьшается, и коэффициент усиления операционного усилителя
также уменьшается.
Применение резисторной оптопары для формирования синусои-
дального сигнала показано на рисунке 2.29, б. На вход подаются сим-
метричные прямоугольные сигналы. Лампочка накаливания
оптопары обладает инерционностью при включении и выключении;
кроме того, нарастание яркости происходит нелинейно во времени. В
результате на выходе получается сигнал, близкий к синусоиде. Изме-
нение частоты осуществляется изменением частоты входного сигна-
ла. Амплитуда может изменяться переменным резистором Л2.
Пример использования диодной оптопары в радиоаппаратуре
показан на рисунке 2.30. Оптопары VUl и VU2 обеспечивают защиту
громкоговорителей от возможной перегрузки вследствие
неисправности усилителя.
При появлении на выходе любого канала усилителя постоянного на-
пряжения положительной или отрицательной полярности открывается
транзистор VT1 или VT2 соответственно.
В результате включается одна из двух оптопар: VU1 или VU2, что при-
водит к отпиранию транзистора VT3 и запиранию VT4. Реле К1 обесточи-
вается, и ero контакты Kl.l и К1.2 размыкаются, разрывая тем самым
цепь питания громкогово-
Куеил юлелю F ~юлеиоеееериелелю
рителей.
На рисунках 2.31, а и
р'е "
+=. я 2.31, б показаны разновид-
ности полупроводниковых
Rl R Д;, R» 777
т7 реле с гальванической раз-
М
вязкой управляющих схем
«Эл
к,|
от выходной цепи.
;7~ Нормально разомкнутое
~э-- -"' к реле (рис. 2.31, а) служит
ггпу' для управления постоян-
~~7 '" ным током. Входной сигнал
;7'л
-э гтрк с: включает транзисторную
оптопару, что вызывает по-
Нл В6
следовательное включение
транзисторов VT1 и VT2 в
р„, Зо. Схема защити громкоговорителей коУац Рабочеи на-
от перегрузки

Рис. 2.31. Полупроводниковые реле: а) нормально разомкнутое;
6) нормально замкнутое
грузки, т.е включение реле Kl.
На рисунке 2.31, б приведена схема аналогичного нормально за-
мкнутого реле. В этой схеме при приходе управляющего сигнала про-
изводится выключение рабочей нагрузки, т.е. выключение реле К2.
Врядсхемдляудовлетворениятребованияпомехоустойчивостии
повышенного электрического сопротивления развязки цепей прибе-
гают к использованию тиристорной оптопары для управления сило-
выми и симметричными тиристорами. На рисунке 2.32 показана
схема управления симметричным тиристором, коммутирующим
мощную индуктивную нагрузку.
Как известно, при размыкании цепи с индуктивной нагрузкой возни-
кают кратковременные, но значительные по амплитуде выбросы напря-
жения. Существуют различные способы подавления и сглаживания этих
выбросов, но избавиться от них полностью невозможно. Поэтому необхо-
димо защищать от повы-
шенных напряжений
управляющую цепь комму-
тирующего прибора как на-
иболее чувствительную к Вход
перегрузкам. Функцию та-
кой защиты в данной схеме
выполняет тири стор ная
оптопара.
Рис. 2.32. Схема управления
симметричным тириатором
3.1. Общие сведения
Основным элементом объектов и устройств, использующих
магнитное поле, является преобразователь магнитного поля (ПМП),
который обеспечивает преобразование магнитного потока в
электрический сигнал. При создании ПМП используются различные
физические явления, происходящие (возникающие) в
полупроводниках и металлах при взаимодействии с магнитным
полем. Эти явления, известные как эффекты Холла и Гаусса, были
открыты в конце девятнадцатого века (в 1879 г.). Однако в
практической деятельности их начали использовать спустя три
четверти века, когда успехи в материаловедении и технологии
позволили наладить промышленный выпуск дискретных
преобразователей магнитного поля (в основном, так называемых
«монолитных» датчиков Холла и магниторезисторов), которые стали
широко применяться в науке и технике.
Наблюдение и использование магнитных явлений на практике
известно еще с III в. до н. э., когда в Китае изготавливались и
использовались магнитные компасы, показывающие направление на
магнитные полосы Земли.
Начиная с конца XVIII в. — начала Х1Х в. магнитные явления стали
объектом внимания ученых, когда в 1785 г. Кулоном был предложен
метод количественной характеристики напряженности поля Земли, а
в 1832 г. Гауссом была показана возможность абсолютного
определения напряженности магнитного поля на основе изменений
длины; массы и времени.
Если в магнитное поле с индукцией В поместить проводник или
электронный полупроводник, по которому течет электрический ток
плотности у, то на электроны, движущиеся со скоростью V в
магнитном поле, действует сила Лоренца J'. ,отклоняющая их в
определенную сторону (рис. 3.1, а).
На противоположной стороне скапливаются положительные
заряды. В дырочном полупроводнике знаки зарядов на поверхностях
меняются на противоположные (рис. 3.1, 6).

+ + + + +
Рис. 3Х Эффект Холла на инерционных электронах в
noxlyn poBQIAHMKax
Поперечное электрическое поле препятствует отклонению
движущихся заряженных частиц магнитным полем. Образуется
разность потенциалов. Этот эффект был открыт Эдвином Гербертом
Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.
3.2. Эффект Холла
Эффектом Холла (рис 3.2) называется появление в проводнике с
током плотностью у, помещенном в магнитное поле Н,
электрического поля Е„, перпендикулярного Н и у. При этом
напряженность электрического поля, называемого еще полем Холла,
равна:
Е =ЖД-sinи,
где и — угол между векторами Н и J(n & t; 180
Когда HJj; то величина поля Холла Е, максимальна: Е, = RHj .
Величина Л, называемая коэффициентом Холла, является основной
характеристикой эффекта Холла. Для наблюдения эффекта Холла
вдоль прямоугольных пластин из исследуемых веществ, длина
которых 1 значительно больше ширины b и толщины d, пропускается
ток (см. рис. 3.2):
Здесь магнитное поле перпендикулярно плоскости пластинки. На
середине боковых граней, перпендикулярно току, расположены
электроды, между которыми измеряется ЭДС Холла Г;
V, =Eb =Во~: d.
Так как ЭДС Холла меняет знак на обратный при изменении
направления магнитного поля, то эффект Холла относится к
нечетным гальеаномагнитным явлениям.
Рис. 3.2. Эффект Холла
Эффект Холла наблюдается не только в металлах, но и в
полупроводниках, причем по знаку эффекта можно судить о
принадлежности полупроводника к и- или р-типу, так как в
полупроводниках и-типа знак носителей тока отрицательный, в
полупроводниках р-типа — положительный.
Иногда при описании эффекта Холла вводят угол Холла ср между
током у и направлением суммарного поля Е:
tgq =Е,:Е=йт,
где Q — циклотронная частота носителей заряда.
В слабых полях (йт & t; 1) у ол Хо ла с = йт мо но рассматрив
как угол, на который отклоняется движущийся заряд за время т.
Техническая реализация — датчик Холла — показана на рис. 3.3.
Эффект магнитосопротивления, заключающийся в изменении про-
дольного сопротивления проводника в магнитном поле, наиболее просто
объясняется тем, что скорость движения всех электронов в проводнике не
одинакова На самом деле имеет место некоторое распределение электро-
нов по скоростям, в результате чего равенство сил F~ — Fp выполняется
только ддя части электронов, двигающихся со скоростью Г,р. Электроны
со скоростями больше или мень-
В ше V,ð будут отклоняться от на-
правления движения и пройдут,
соответственно, меньший путь
вдоль проводника, создавая эф-
Р
фект увеличения сопротивления
проводника.
Рис. 3.3. Воздействие магнитного
поля на элемент Холла

1 ал)'ваномагнитные ) т s) т
в)
преобразователи различ-
ных исполнений приведе-
ны на png. 3.4 буквой P х х х
х х х
обозначены токовые элек-
троды, буквой Х вЂ” хол-
ловские электроды. На
г) n)
т
рис. 3.4 а, б, в изображены
датчики Холла, на рис. 3.4
г, д преобразователи
т т
магнитосопротивления в диск Ксрсино «Måàíäð
виде диска Корбино и в
виде «меандра».
На преобразователях (датчиках) Холла создан целый набор
магнитометрических приборов: от рутинных приборов для
регистрации изменений магнитного поля Земли до эталонных
установок для измерения слабых магнитных полей.
Рис. 3.4. Датчики Холла
3.3. Магниторезисторы
Магниторезисторы это резисторы, сопротивлением которых
управляют внешние магнитные поля индукции В, ориентированные
перпендикулярно направлению протекания тока через резистор.
Магниторезистор (см. рис. 3.5) содержит полупроводниковую
пластину (2), расположенную на подложке (1) из анизотропного высо-
коэффективного ферромагнетика, с проводниковыми выводами (3).
Магниторезистивный эффект изменение электрического
сопротивления материалов под
.у
действием внешнего магнитного поля,
является основой построения магнито-
резисторов полупроводниковых
приборов, применяемых при создании
чувствительных элементов различных
датчиков. Они используются в маши-
ностроении, энергетике, вычисли-
тельной технике. Материалами для Рис. 3.5. Магниторезистор:
магниторезисторов служат соединения 1 — высокоэффективный
ZnSb, ZnAs, NiSb.
134
Рис. 3.6. Магниторезистор: а) БАХ магниторезистора из антимонида
индия; б) БАХ магниторезистора.из арсенида индия;
в) условное графическое обозначение
На рисунке 3.6 изображены вольтамперные характеристики и гра-
фическое обозначение магниторезистора.
Магниторезисторы состоят из одного или нескольких
магниторез неторных элементов, размещаю щихся в воздушном
зазоре магнитной цепи. Перемещая магниторезистор в магнитном
поле зазора или регулируя напряженность магнитното поля, можно
управлять сопротивлением магниторезистора. Таким образом,
датчик на базе магниторезистора содержит две электрические
изолированные цепи: управляемую электрическую цепь
магниторезистора и управляющую магнитную цепь.
Магниторезисторы характеризуются:
номинальным сопротивлением Л)) в отсутствии магнитного поля;
отношением сопротивления в поперечном магнитном поле с
определенным значением индукции (0,5 или 1 Тл) к номинально-
му значению ЛнИо,
ТКС;
допустимой мощностью рассеяния.
Основная характеристика магниторезистора Л = / (В)
зависимость сопротивления от значения индукции воздействующего
магнитного поля, материала и значения индукции магнитного поля.
Номинальное сопротивление Я~ магниторезистора определяется
электропроводностью полупроводникового . материала и
конструкцией.
Изменение сопротивления в магниторезисторе при наложении
магнитного поля зависит от ero геометрических размеров,
электрофизических свойств полупроводникового элемента.
135

При переносе от слабых магнитных полей к сильным закон
изменения удельного сопротивления -от величины магнитной
индукции плавно изменяется от квадратичного к линейному (в
районе 0,3 Тл), который можно выразить соотношениями:
в областях слабых магнитных полей
~~®~о = 1 + Вр
в областях сильных магнитных полей
дд + д д г
2В1 Вг
Л, 2В, — В,'
ТКС магниторезистора (на основе антимонида индии) по мере
увеличения В возрастает по абсолютной величине, а с ростом
температуры убывает (рис. 3.7).
Магниторезисторы бывают проволочные и непроволочные.
Резистивный элемент проволочного резистора образован
намотанной на каркас из изоляционного материала проволоки из
манганана, константана, хромоникелевых, никель-молибденовых и
других сплавов. Иногда проволока покрывается изоляционным
слоем лака, эмали или стекла. Для низкоомных резисторов
характерно использование сплавов благородных металлов
ком
2.0
2.8
ь4
3.2
0.8
Тл
0.2
0,5 1,0
15 35 55 75 95 Оо
Рис. 3.7. Характеристики мегниторезистора:
а) основная Я = 1(В); 6) температурная
ГЛАВА 3 ° Осноеы маанитоэлектроники
(например, серебра с палладием). В настоящее время проволочные
резисторы все чаще заменяются металлофольговыми и керметными
резисторами.
Непроволочные резисторы изготавливаются напылением или
осаждением резистивного слоя на диэлектрическое основание.
Примерами резистивных материалов для напыления и осаждения
могут служить проводящие пасты на основе соединений свинца,
платины, золота и серебра — например, PbAu, PtAu, PbAg;
модификаций углерода; композиционные материалы на основе
оксидов переходных металлов и так далее.
К этому же классу резисторов можно отнести керметные
резисторы, изготавливаемые путем трафаретной печати резистивной
пленки из соединений рутения (Ru) на керамическое основание с
последующим отжигом. Изготовленные таким образом резисторы
отличаются высокой стабильностью основных параметров в
п1ир оком температурном диапазоне. Вид печатной платы,
изготовленной с использованием подобных приборов, называемых
еще чип-резисторы (от англ. chip кусочек, осколок).
Особое место в составе группы непроволочных занимают так
называемые металлофольговые резисторы. Резистивный материал в
данном случае ничем не отличается от проволочных резисторов, но
принцип изготовления и свойства прибора принципиально другие.
Магниторезисторы обладают довольно большой
чувствительностью. Наибольшей чувствительностью обладают
магниторезисторы изготовленные из InSb NiSb.
В качестве примера использования магниторезистра могут
служить бесконтактные потенциометры Мурата (рис. 3.8).
Бесконтактный потенциометр представляет собой устройство,
состоящее из магниторезистора и постоянного магнита. В качестве
дополнительных функций в конструкцию датчика могут быть
введены схема термокомпенсации и
схема усиления и обработки сигнала.
Вращательное движение
':~~"'„';, -,„, =-",~а~'/ ", подвижной системы потенциометра
приводит к изменению сопротивления
,:~,;5'!'ЪЖ~ и выходного напряжения. При
вращении штифта магнитное поле,
приложенное к магниторезистивному
Рас. 3.8. Бесконтактные
потенциометры Мурата

элементу, изменяется, при этом снимаемый электрический сигнал
имеет форму, близкую к пилообразной.
Бесконтактные линейные потенциометры обеспечивают
максимальную точность измерения угла поворота оси вала. У них
отсутствуют скачкообразные изменения сопротивления,
характерные для обычных проволочных сопротивлений. Отсутствие
трущегося токосъемника снижает вращающий момент,
необходимый для поворота вала, исключает возможность
искрообразования и предотвращает быстрый механический износ, а
также снижает уровень собственных шумов.
Бесконтактные потенциометры применяются для установки
исходных параметров в устройствах автоматического контроля, в
датчиках угла поворота и положения, определения угла открытия
клапанов и уровня жидкости.
Преимущества бесконтактных потенциометров:
° продолжительный срок службы вследствие отсутствия износа
резистора;
отсутствие шумов, связанных со скольжением контактов;
отсутствие гистерезиса выходного сигнала;
малое усилие, требуемое для вращения штифта;
° эффективный линейный диапазон (измеряемый угол) +50'.
Среди большого разнообразия судовых датчиков наряду с
датчиками температуры и давления особое место занимают датчики,
с помощью которых происходит контроль числа оборотов и угловых
положений различных узлов судовых механизмов. К таким системам
управлеHNJI cJIc~cT oTHccTB IrpcJKJIc accr o, MHKpoIIpoBcccopEp(ro
систему управления судовыми двигателями. Одними из основных
видов датчиков в этих системах являются датчики углового
положения распределительного и коленчатого валов (система
впрыска) и датчики скорости вращения гребного вала. Практически
единственным типом датчиков, пригодным к использованию в этих
условиях (изделия электроники должны работать в жестких
температурных условиях (-45 — +150'С), при постоянной вибрации и
ударах, загрязнении маслом и охлаждающими жидкостями,
значительных бросках напряжения бортовой сети питании) в
системах для выполнения перечисленных функций, являются
магнитные датчики, поскольку только они могут обеспечить всю
совокупностьтребований.
На основе магниторезистивных
элементов разработан активный
датчик положения коленчатого вала.
Выходной сигнал этого датчика не
зависит От скОрОсти вращения Вала
1 т.е. датчик способен регистрировать
положение BBJIR От статическогО до
N
2
вращения со cKopocThro . до
з 6000 об./мин. Магнитная система
Рис. 3.9. Магнитная система этого датчика показана на рис. 3.9.
датчика оборотов. Таким образом, магнитные датчи-
1 — магнитоРезистивнь|й ~ мо ут полностью контролировать
элемент; 2 — магнитог|ровод;
яннь,й агнит. ' и управлять сложнейшей системой га-
!
4 — мишень зораспределения судовых дизелей и
занимают в судовой электронике осо-
бое место и, по всей видимости, сохранят его в ближайшем будущем.
Для наглядности можно представить включение
магниторезистора в схему электронного управления впрыска
топлива в цилиндр ДВС (рис. 3.10).
В качестве датчика использован магниторезистор (СМ-1).
Начальное сопротивление этого датчика должно быть соизмеримо с
сопротивлением Л1.
Рис. З.тб. Схема фазы влрыска толлива в цилиндр ДВС

а)
Ф
Р
и
и- ~ ~и+
e(U — Ь., )
кт
eP — 1
3.4. Магнитодиоды
Рис. 3.12. Эквивалентная схема
магнитодиода
140
Рис. 3.И. Цикличная работа магниторезистора:
а) сопротивление магниторезистора минимальное;
б) сопротивление магниторезистора номинальное
Как только зуб шестерни распределительного вала (см. рис. 3.11,
а) подойдет на минимальное расстояние к магниторезисторному
элементу 1 (см. рис. 3.9), то омическое сопротивление
магниторезистора будет минимальным. Баланс делителя напряжения
между резисторами Я1 и магниторезистором нарушается, и на
компаратор Х)А1 поступает управляющее напряжение, после чего
загорается светодиод HLl и открывается силовой транзистор VTl.
Катушка электромагнитного клапана 51 получает питание, тем
самым открывая подачу топлива в цилиндр. Рис. 3.11, б
соответствует закрытому электромагнитному клапану 51.
Магиитодиод — это полупроводниковый прибор с
р — л-переходом, предназначенный для преобразования магнитных
величин в электрические. Чувствительность магнитодиода в 1000 раз
больше, чем у датчика Холла (рис. 3.12).
Полупроводниковый магнитодиод (рис. 3.13, а) имеет структуру,
подобную длинному р4-и-диоду. (~бласты прямоугольная полоса
собственного полупроводника Полоска имеет зону рекомбинации r.
Две другие области р и и имеют
соответственно большую z
концентрацию акцептов и У
доноров для получения
эффектной двойной инжекции
электронов и дырок в г-области.
ГЛАВА 3 ° Основы маанитозлектроники
Рис. 3.13. Магнитодиод: а) конструкция; б, в) управление током инжекции с
помощью магнитного поля; г) условное графическое обозначение
Магнитодиоды работают при подаче на них напряжения в прямом
направлении при наложении поперечного магнитного поля.
Принцип действия магнитодиодов сравнительно прост. При
подаче напряжения на р-~-n-структуру в прямом направлении
возникает ток, описываемый уравнением:
где U напряжение на структуре;
г; — сопротивление i-слОИ;
Р коэффициент, принимающий значения от 1 (при малом
токе) до 2.
Из уравнения следует:
1п(1+ )+~~ Uо +~' "
1
Первое слагаемое определяет падение напряжения на р — г- и
— п-переходах, второе — падение напряжения на г-области.
Падением напряжения на контактах и низкоомных слоях можно
пренебречь. В результате инжекции электронов и дырок через и — i- u
р — г-переходы сопротивление г-слоя при прохождении прямого тока
значительно меныпе его сопротивления в отсутствие тока.
Использование р — г — и-структур в качестве датчиков магнитного
поля основано в первую очередь на изменении значения г; при
наложении магнитного поля. При отсутствии магнитного поля в
результате инжекции электронов и дырок в i-слой через структуру
будет проходить ток, экспоненциально зависящий от напряжения.
При наложении магнитного поля значение r; меняется под действием
магнитного поля двояким образом. Во-первых, происходит

возрастание удельного сопротивления исходного материала в
результате обычного магниторезистивного эффекта. Во-вторых,
поперечное магнитное поле отклоняет электроны и дырки к боковым
граням области (см. рис. 3.13, б, в).
Вольтамперная характеристика при воздействии на германиевый
диод магнитного поля показана на рис. 3.14, а. Когда на диод
воздействует магнитное поле Н+, прямой ток уменьшается, и тот же
самый ток будет увеличиваться, когда магнитное доле
прикладывается в противоположном направлении Н вЂ”. Магнитное
поле мало влияет на обратный ток диода.
На рис. 3.14, б представлены вольт-амперные характеристики
кремниевого магнитодиода без поля (кривая 2) и при наложении
поперечного магнитного поля с индукцией 4 Тл (кривая 1).
На рис. 3.14, в представлена зависимость тока в р — — л-диоде от
индукции магнитного поля при постоянном напряжении. Изменение
тока в структуре резче в области низких значений индукции, т.е.
токовая чувствительность датчика 5; = dlld больше в области
слабых полей.
Свойства магнитодиодов характеризуются вольтовой и токовой
магниточувствительностями.
Вольтовая магниточувствительность У„определяется
изменением напряжения на магнитодиоде при изменении
магнитного поля на 1 мТл и постоянном значении тока через
маппподиод:
20 З
ло-6
го 4
в+ ms
о
U,B >& t 848
Рис. 3. 14. Характеристики магнитодиода:
а) БАХ германиевого магнитодиода; б) БАХ кремниевого магнитодиода
(1 — при наложении поля; 2 — без поля); в) зависимость тока от индукции
при различных напряжениях
где Х.е — усредненный путь, проходимый носителями за время жиз-
ни в направлении внешнего электрического поля;
У = qU: скТ коэффициент неравновесности при высоких
уровнях инжекции.
Токовая магниточувствительность У; определяется изменением
тока через магнитодиод при изменении магнитного поля на 1 мТл и
постоянном напряжении на магнитодиоде:
Магнитодиод изготавливают из пластинки германия или кремния
размером 3,0х6,0х0,4 мм с собственной электропроводностью. В
кремниевых магнитодиодах для изготовления 1-слоя используют
высокоомный кремний с удельным сопротивлением
600 — 1500 Ом - см. Для создания и- и р-слоев в исходный материал
проводят диффузию легирующей примеси. На легированные
низкоомные слои наносят электроды из золота.
Для различных назначений приборы имеют следующие
конструктивные исполнения:
а) герметизированные кремнийорганическими и эпоксидными
смолами;
б) сдвоенные — смонтированные на керамическом или феррито-
вом держателях;
в) сдвоенные расположенные между сердечниками из мягкого
феррита, герметизированные эпоксидной смолой;
г) приборы, собранные по мостовой схеме.
Среди упомянутых видов магнитодиодов чаще всего используют
сдвоенные варианты.
Магнитодиод может быть использован в различных схемах
электроники для измерения как постоянных, так и переменных
магнитных полей.
Сопротивление магнитодиода очень чувствительно к изменению
температуры, что используется для обнаружения изменений
импульсных магнитных полей в приборах, применяемых в области
относительно низких температур.
Пару подобных магннтопроводов включают последовательно для
компенсации температурной зависимости. Когда постоянный ток
течет через оба образца, то потенциал средней точки U, при любой

РАЗДЕЛ 1. Основы электроныкы
.температуре равен Е/2 (где Е напряжение питания) при условии,
что никакого магнитного поля не приложено. При наложении
магнитного поля сопротивление одного из них будет возрастать,
другого — уменьшаться.
Магнитодиоды находят широкое применение в комплектующих
судостроительной промышленности:
а) для определения и направления магнитных полей (компасы);
б) в приборах, основанных на использовании напряженности маг-
нитного поля (тахометры, генераторы частоты, микрофоны, из-
мерители шероховатости, микрометры);
в) в приборах, где используется изменение магнитного поля (моду-
ляторы с амплитудой и частотой модуляции, схемы автомати-
ческого регулирования усиления, устройства памяти);
г) в датчиках электрических сигналов при измерении неэлектричес-
ких величин (линейных и угловых перемещений, скорости и уско-
рения).
В качестве примера применения магнитодиода в ' судовой
электронике приведем схему контроля верхнего уровня в расходной
судовой емкости (расходная топливная цистерна, жидкостной
ресивер, расходная масляная цистерна и т.д.)
Работа реле верхнего уровня (см. рис. 3.15) основана на получении
падения напряжения, снимаемого с магнитодиода при изменении
магнитного поля, в котором он находится. Магнитное поле создается
постоянным магнитом, который прикреплен к поплавку, свободно
перемещающемуся вместе с уровнем жидкости.
ГЛАВА 3 . Основы маанытозлектроныкы
Усилитель представляет пороговую схему, собраннуго на
транзисторах Т1, Т2 и транзисторе ТЗ, выполняющего роль усилителя
мощности. Магнитодиод D1 включен в цепь делителя напряжения
(А1 и D1) базы транзистора Т1. Резистор А1 подобран таким образом,
что в режиме нахождения поплавка ниже верхнего уровня его
сопротивление больше сопротивления магнитодиода и база
транзистора Т1 находится под положительным потенциалом,
поэтому транзистор Т1; транзистор Т2 открыт, так как ero база
находится под отрицательным потенциалом, который снимается с
коллектора транзистора Т1; на коллекторе транзистора Т2
происходит падение напряжения на резисторе R6, и транзистор ТЗ
закрыт реле обесточено.
Как только магнит подходит на уровень магнитодиода, тот резко
повышает свое собственное внутреннее сопротивление, тем самым
нарушает баланс делителя напряжения R1 и D1, что приводит к
открытию транзистора Т1; транзистор Т2 закрывается.
Отрицательный потенциал с коллектора транзистора Т2 поступает на
базу транзистора ТЗ и открывает его, что приводит к срабатыванию
реле, которое останавливает насос подкачки цистерны.
Обратите внимание на еще одну оригинальную конструкцию ——
бесконтактную кнопку, приведенную на рисунке 3.1б. Один из
бариево-ферритовых магнитов (1) прикреплен к корпусу, другой (2)
перемещается с нажатием головки (3) клавиши. Магнитодиод (4)
установлен между ними неподвижно. Характер изменения усилия
нажатия на головку клавиши происходит по кривой 1 (рис. 3.16, в)
Такой характер изменения способствует плавному приближению
подвижной части к предельному положению. Возвращение головки
кнопки в исходное положение происходит за счет сил отталкивания
Рыс. З.тб. Электронное реле верхнего уровня жидкости
Рыс. 3.16. Бесконтактные кнопки пуска и их характеристики

РАЗДЕП 1. Основы электроники
магнитов. Изменение тока через магнитодиод происходит при
перемещении головки кнопки из начального (не нажатого)
положения в конечное (нажатое). Это кнопка отличается простотой
конструкции, технологичностью в изготовлении, содержит
недефицитные материалы и комплектующие изделия.
Кнопка другого типа соответствует кривой 2 (рис. 3.1б, б) и
состоит из головки (1), постоянного магнита П-образной формы (4),
пружины (3), которая является связующим звеном между головкой и
магнитом, магнитомягкой пластины (5), закрепленной в корпусе (2) и
магнитодиода (б).
При нажатии кнопочной головки пружина сжимается, что
приводит к отрыву магнита от магнитомягкой пластины. При
максимальном сжатии пружины магнит свободно опускается до дна
корпуса, вызывая резкое уменьшение индукции магнитного потока
через магнитодиод, в результате чего уменьшается его
сопротивление, и кнопка выдает сигнал. После снятия пальца головка
под действием пружины возвращается в исходное положение. Поток
силовых линий замыкается через магнитодиод, его сопротивление
резко растет, и электрическая цепь размыкается.
В нашей стране и за рубежом ведутся многочисленные работы по
разработке новых типов бесколлекторных двигателей как постоянного,
так и переменного тока на основе гальванических приборов.
В схему устройства бесконтактных двигателей постоянного тока
включают: исполнительную часть двигателя — электрическую
машину; коммутаторы обмоток двигателя (заменяющий
коллеторный узел); датчик положения ротора; тахогенератор и
электрическую схему стабилизации оборотов двигателя. В этих
двигателях ротором служит цилиндрический постоянный магнит. В
воздушном зазоре двигателя установлены якорные обмотки с одной
общей точкой электрического соединения. Остальные концы
обмоток соединены с транзисторами, управляемыми гальвани-
ческими датчиками. Подобная схема создает вращающее магнитное
поле„которое приводит во вращение ротор. В двигателе может быть
четыре обмотки статора (смещенных относительно друг друга на 90')
или три (смещенных на 120'), где коммутация тока в обмотках
статора осуществляется магнитодиодами.
Электрическая схема включения приведена на рисунке 3.17. В
этом случае на статоре укрепляется три магнитодиодные пары
ГПАВА 3 Основы магнытоэлектроныки
Рыс. 3.17. Принципиальная электрическая схема бесколлекторного
двигателя с магнитодиадами
(характеристики магнитодиодов должны быть одинаковыми) с
угловым расстоянием 120'.
Если с помощью потенциометра Я управлять потенциалом
эмиттера транзистора VT1 так, чтобы транзисторы VT2 VT4
открылись, то транзисторами VT5- — VT7 в каждой из обмоток статора
можно обеспечить ток в течение времени, за которое статор
повернется на угол 120'.
Бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют мощность от
долей Ватта до сотен киловатт и успешно применяются на
транспорте, электростанциях, летательных аппаратах, в
вычислительных машинах. В последнее время они также широко
используются в судовых электроприводах и автоматике.
Нашей промышленностью выпускается несколько типов
магнитодиодов. Их чувствительность лежит в пределах от 10Е-9 до
10Е-2 А/м. Существуют также магнитодиоды, способные определять
не только напряженность магнитного поля, но и его направление.
Магнитодиоды уже давно используются в различных судовых
устройствах. Кроме этого в электронных блоках поджига
ксеноновых ламп палубного освещения используются датчики Холла
для контроля и регулировки тока лампы (как полупроводниковые
шунты). На них практически отсутствует падение напряжения, и они
обладают большим выходным напряжением.
3.5. Магнитотранзисторы
Существует множество типов магнитотранзисторов. Они могут
быть и биполярными, и полевыми, и однопереходными. Но
наибольшей чувствительностью обладают двухколлекторные

РАЗДЕП I - Основы электроники
Г э к в+"
Ale
Рис. 3.18. Биполярный «торцовый» магнитотранзистор с двумя
коллекторами: а) конструкция; б) схема включения с «горизонтальными»
коллекторами; в) структура с «вертикальными» коллекторами;
в) условное графическое обозначение ДМТ с р — и — р-переходом
магнитотранзисторы (ДМТ). Структурная схема и способ включения
ДМТ показаны на рис. 3.18.
ДМТ вЂ” это четырехэлектродные полупроводниковые приборы
планарной или торцевой топологии. Дальнейшее развитие идеи
увеличения магниточувствительности биполярных «торцевых»
транзисторов реализовано в двухколлекторном магнитотранзисторе
(ДМТ) с «горизонтальными» коллекторами. ДМТ представляет собой
обычный «торцевой» биполярный р — и — р-транзистор„коллектор в
котором разделен на две части (рис. 3.18, б). Его принцип действия
заключается в следующем. При включении ДМТ по схеме с общим
э митте ром и нагрузочными резисторами в цепях коллекторов
(мостовая схема) в отсутствие магнитного поля инжектированные
эмиттером носители заряда (дырки) примерно поровну
распределяются между коллекторами. Токи обоих коллекторов равны,
и напряжение между ними отсутствует. В поперечном магнитном поле
В+ происходит перераспределение инжектированных носителей
заряда между коллекторами При этом ток коллектора К2
увеличивается, а ток коллектора К1 уменьшается, что вызывает
разбаланс моста. Это приводит к изменению напряжения между
коллекторами. При этом с ростом магнитного поля оно увеличивается.
При изменении направления магнитного поля (В-) ток коллектора К2
уменьшается, а ток коллектора К1 увеличивается, и, соответственно,
изменяется знак напряжения U между коллекторами.
Наряду с указанным перераспределением инжектированных
носителей заряда между коллекторами происходит также изменение
ГПАВА 3 Основы магнытоэлектроныкы
:эффективной толщины базы. При:этом в рассмотренной конструкции
в магнитном поле происходит уменьшение эффективной толщины
базы левой части транзистора и, соответственно, увеличение правой
части, т.е. ток коллектора КХ увеличивается, а ток К2 уменьшается.
Этот эффект противоположен эффекту перераспределения
носителей заряда и приводит к уменьшению
магниточувствительности ДМТ.
Этот недостаток устранен в ДМТ с «вертикальными»
коллекторами, в котором омический контакт к базе и эмиттер
расположены по разные стороны от коллекторов (рис. 3.18, в).
Магнитное поле, наряду с эффектом перераспределения носителей
между коллекторами, уменьшает эффективную толщину базы, если
ток коллектора К2 увеличивается, и, соответственно, увеличивает
толщину базы для коллектора К1. Таким образом, изменение
эффективной толщины базы дополнительно увеличивает ток
коллектора К2, а также уменьшает ток коллектора ХЛ. Это приводит к
дополнительному росту магниточувствительности ДМТ.
На рис. 3.19 приведены выходные характеристики «торцевого»
ДМТ, изготовленного из германия и-кипа с р = 40 Ом.см„Хр = 3 мм„
размеры равны 1х1х4 мм, и приведена зависимость напряжения меж-
ду коллекторами планарного двухколлекторного магнитотранзисто-
ра от магнитной индукции.
зао
zoo
30 60 90 и,в оз оь тo вг
Рис. 3.19. Характеристики магнитотранзисторов:
а) статистические выходные характеристики «торцового»
двухкоппекторного; б) зависимость напряжения между коллекторами
ппанарного двухкоплекторного от магнитной индукции

РАЗДЕП 1 Основы электроники
Вольтамперные характеристики коллекторов подобны характе-
ристикам обычного биполярного транзистора. Вследствие некоторо-
го различия коллекторных р — и-переходов (по площади и токам
утечки) их токи в отсутствие магнитного поля несколько различают-
ся. С приложением магнитного поля ток одного коллектора увеличи-
вается, а другого уменьшается. Напряжение между коллекторами с
ростом магнитного поля растет и при В & t; ,7 Тл достиг ет насы
ния. Максимальная магниточувствительность и линейность характе-
ристики наблюдаются в области малых магнитных полей. Она на три
порядка больше магниточувствительности датчиков Холла. С
понижением температуры наблюдается рост магниточувствитель-
ности.
Другим методом увеличения магниточувствительности является
увеличение напряженности электрического поля в базе ДМТ.
Поскольку перераспределение потоков носителей происходит под
действием силы Лоренца, которая пропорциональна скорости
движения носителей заряда, рост последней за счет увеличения
напряженности электрического поля в базе должен приводить к
росту магниточувствительности.
Примером применения маги итотранзи стор ов может служить
схема электронного компаса, для создания которого можно
использовать два расположенных взаимно перпендикулярно
магнитотранзистора (рис. 3.20, а), включенных IIo схеме,
представленной на рис. 3.20, б. При таком расположении
магнитотранзисторов максимальный сигнал одного направления
г
I
I
I
I
I
н
41
1
1
1
Рис. 3.2Î. Эпектронный KGMIlac:
а) распопожение двух магнитотранзисторов в эпектронном компасе;
б) схема испопьзования магнитотранзистора, действующего на основе двух
эффектов
ГПАВА 3 Основы магнитозлектроники
индукции магнитного поля будет соответствовать направлению на
Север, противоположного — на К)г.
Компас работает по следующему принципу. При направлении оси
компаса на Север магнитотранзистор МТ1 выдает максимальный
сигнал, а магнитотранзистор МТ2 покажет нуль. При повороте оси на
Юг МТ1 также выдаст максимальный сигнал, но другой полярности.
На МТ2 вновь будет нуль. При направлении оси на Восток МТ2
выдает максимальный сигнал одной полярности, а при направлении
на Запад — другой. В этих случаях на МТ1 сигнал будет равен нулю.
При промежуточных направлениях оси угол отклонения
отсчитывается по уменьшению сигнала на МТ1 или по е
МТ1 или по его
увеличению от нуля на МТ2.
Схему рис. 3.20, б можно использовать не только в качестве
датчика направления на магнитный полюс, но и в качестве
управляющего движением элемента, если в цепь коллекторов
включить переменный резистор. В этом случае если при ориентации
оси магнитотранзистора вдоль заданного направления движения
выбрать значением резистора разность потенциалов между
коллекторами, которая равна нулю, то при отклонении направления
движения от заданного возникнет разность потенциалов, знак
которой будет зависеть m знака отклонения направления движения.
Выработанный сигнал может быть подан на рулевое управление для
автоматического поддержания заданного курса.
Чувствительность магнитотранзисторов лежит в пределах от
10Е-8 до 10Е-4 А/м. Разработаны конструкции магниточувствитель-
ных мостовых сенсоров, состоящих либо из четырех одноколлектор-
ных магнитотранзи стор ов, либо из пары двухколлекторных
магнитотранзисторов с противоположным типом проводимости. Чу-
вствительность сенсоров на порядок выше известных за счет того,
что все элементы моста реагируют на действие магнитного поля.
Любой тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы,
состоящей из двух транзисторов, поэтому магниточувствительные
свойства тиристоров характеризуются магниточувствительными
свойствами составляющих транзисторов. Напряжение включения

РАЗДЕЛ 1- Основы электроники
U„=U.
тиристора выражается через коэффициенты передачи по току h z& t
1
2
Ь 21 двух транзисторов:
где ХХ, напряжение лавинного пробоя коллекторногоХэ — и-перехода;
Х„„- ток включения;
Хэ, ток управления;
с — 2 — 6.
Выпускаемые в настоящее время тиристоры в основном
изг отавливаются методом двойной диффузии. Длина базы
n — р — и-транзистора в структуре достаточно тонкая„и h 21 в
1
поперечном магнитном поле практически нс изменяется.
Длина базы второго р — и — р-транзистора порядка составляет Х,,
2 1
поэтому h д в магнитном поле меняется значительно сильнее h д.
Площадь коллектора обычно велика, и эффекта отклонения
инжектированных носителей заряда от коллектора не наблюдается,
2
поэтому изменение h ~„определяемое только изменением
эффективной длины базы, небольшое. В таких тиристорах ХХ„„„
относительно слабо зависит от магнитного поля. Для увеличения
магниточувствительности необходимо обеспечить более сильную
зависимость h д от индукции магнитного поля. Этого можно достичь
использованием эффекта отклонения инжектированных носителей
заряда от коллектора. Наиболее удобной конструкцией,
обеспечивающей эти условия, является обычный планарный тиристор„
на поверхности @длинной» базы которого имеется 5-область с
повышенной скоростью рекомбинации неосновных носителей заряда.
Рис. 3.21. Конструкции магнитотиристора и условные графические
обозначения
ГЛАВА 3 Основы мааиитоэлектроиики
При инжекции дырок из анода А в и-базу магнитное поле
направления В+ отклоняет их в глубь базы, что уменьшает
г
рекомбинацию и увеличивает Ь д составляющего
р — л — р-транзистора. Это приводит к уменьшению UÄ. При
противоположном направлении (В-) магнитного поля UÄ
соответственно увеличивается.
Недостатком описанной конструкции является трудность
получения области с воспроизводимой скоростью поверхностной
рекомбинации. Лучшей стабильностью и воспроизводимо стью
обладает конструкция, показанная на рис. 3.21, б. Здесь
управляющий электрод У к базе одновременно является областью, в
которой рекомбинируют инжектированные из анода дырки. В этом
2
случае при направлении В+ магнитного поля Ь zr уменьшается,
следовательно, U, увеличивается. При противоположном
2
направлении магнитного поля (В-) h д увеличивается, U
уменьшается.
Обычно управляющий электрод тиристора работает в режиме
генерации тока. При включении управляющего электрода в режиме
генерации напряжения можно дополнительно повысить
магниточувствительность. Поперечное магнитное поле приводит к
искривлению траекторий движения инжектированных дырок и
увеличению сопротивления диода А-У (магнитодиодный эффект).
Следовательно, управляющий ток снижается„что приводит к
уменьшению Ь~21 (направление В+) и увеличению U, . При обратном
направлении магнитного поля ( — ) изменения управляющего тока и
Ь 21 противоположны, и магниточувствительность меньше, чем при
направлении В+ (см. рис. 3.22). Напряжение включения UÄ
4 8 Ы 24 З.Я Ua,B
Рис. 3.22. Влияние магнитного поля на ВАХ магнитотиристора с
управляющим электродом к «длинной» базе при U~y = 0,67 В

РАЗДЕП 1. Основы электроныкы
тиристора при малых магнитных полях изменяется почти линейно
при обоих направлениях магнитного поля.
На рис 3.21, в приведена конструкция сдвоенного магнитотирис-
тора, представляющего собой два тиристора с общими анодом и ба-
зой. Если внешнее напряжение меньше U, тиристоров в отсутствие
магнитного поля, то при этом оба тиристора выключены. В магнит-
ном поле В+ инжектированные анодом А дырки отклоняются к кол-
лектору ХД, U, левого тиристора уменьшается, и он включается. От
анода к катоду ХД начинает поступать ток.
При противоположном направлении магнитного поля (В-) дырки
отклоняются к правому коллектору Е2. При этом левый тиристор
выключается, а правый включается, и ток течет от анода к катоду Е2.
Описанные выше магнитотиристоры изготавливаются по обычной
план ар ной технологии на кремнии и-типа с удельным
сопротивлением 100 — 200 Ом - см и имеют размеры ЗхЗх0,6 мм.
При замере слабых магнитных полей магнитотиристоры могут
быть использованы в схеме, изображенной на рисунке 3.23.
В исходном состоянии при отсутствии поперечного магнитного
поля транзисторы первый и третий заперты, а второй — открыт, если
сопротивления магнитотиристора МТ1 и резистора Rl примерно
одинаковы. На выходе транзистора VT3 отсутствует «управляющий
сигнал +12 В».
При появлении поперечного магнитного поля резко возрастает
внутреннее омич еское сопротивление магнитотиристора, и
- 128
Рыс. 3.23. Схема создания управляющего сигнала при появлении
поперечного магнитного поля
ГПАВА 3 ° Основы магнытоэлектроныкы
нарушается баланс делителя напряжения МТ1 — Я1, вследствие чего
положительный потенциал проходит через диод Dl на базу
транзистора И'1 и открывает его. Транзистор VT2 закрывается, à VT3
откр ываетея. Через выходной транзистор VT3 исходит
«уиравляющий сигнал +12 В».
При исчезновении поперечного магнитного поля схема
становится в исходное состояние.
Данная схема может быть использована в судовой автоматике в
широком диапазоне: от замера уровня жидкости в судовых емкостях до
измерения угловых скоростей судовых механизмов и управление ими.
Наряду с магнитодиодами и магнитотранзисторами в схемах
коммутации могут получить широкое распространение и
магнитотиристоры. На рис. 3.24 приведена структура кнопочного
переключателя с применением магнитотиристора. При нажатии на
головку клавиши постоянный магнит приближается к закрепленному
неподвижно магнитотиристору. В зависимости от направления
вектора магнитной индукции возрастание магнитного поля может
приводить к включению или выключению магнитотиристора. Таким
образом, вырабатывается на выходе сигнал соответствующего знака.
Перемещающейся частью может быть и магнитотиристор.
На рис. 3.25 показана принципиальная схема бесколлекторного
двигателя постоянного тока, в котором для коммутации обмоток ста-
тора используются магнитотиристоры. В качестве ротора двигателя
применен постоянный магнит. Магнитотиристоры установлены в
двигателе так, что они включаются только при приближении к ним
полюса ротора. В приведенной схеме включен магнитотиристор VT1,
и, следовательно„ток течет через обмотку
01, что приводит к вращению ротора в сто-
рону этой катушки и совмещению полюса с
K 8 магнитотиристором VT2. Магнитотиристор
VT1 выключается, и ток начинает протекать
через обмотку 02 и т.д.
4Х Применение магнитотиристоров заметно
упрощает схему, повышает надежность
двигателя и существенно улучшает их
Рыс. 3 24. Структура технико-экономические показатели.
магнитного переключа- На основе сдвоенного магнитотиристора
телЯ на основе магнито можно создать преобразователь, выдающий
ти ристо ра

РАЗДЕЛ I . Основы электроники
Глава 4. Основы тензоэлектроники
Рцс. 3.25. Схема бесколлекторного электродвигателя с
магнитотиристорами
информацию в виде электрического импульса, длительность
которого пропорциональна значению индукции магнитного поля.
Если смещение питания от сети переменного тока подавать через
одинаковые резисторы в цепи катодов, то в отсутствие магнитного
поля оба тиристора будут срабатывать в один и тот же момент
вследствие синхронности возрастания напряжения.
Дифференциальный сигнал будет равен нулю. При включении
магнитного поля, например, направления В+ напряжение включения
левого тиристора уменьшится, а правого — увеличится. Таким
образом, левый магнитотиристор срабатывает раньше правого, и во
внешней цепи появляется сигнал. Этот сигнал будет продолжаться до
включения правого магнитотиристора. Различие времен включения
левого и правого магнитотиристоров будет тем больше, чем больше
значение индукции магнитного поля. Длительность
вырабатываемого электрического импульса возрастает с ростом
магнитного поля.
4Л. Общие сведения
Слово «тензо» означает «давление, деформации». Соответственно,
у таких полупроводников сопротивление зависит от давления.
Следовательно, полупроводниковые тензоэлектрические приборы
(тензоприборы) служат для измерения давлений и деформаций.
В настоящее время широкое распространение получают методы и
средства тензометрии, позволяющие осуществлять контроль и
измерение большого числа параметров. Эти методы и средства
используются в большинстве отраслей техники и во многих отраслях
науки.
Устройства (приборы, установки, системы и т.п.), позволяющие
осуществлять электротензометрирование, т.е. измерение электрическими
методами деформаций твердых тел, называются электрическими
тензометрами. Электрический тензометр (электротензометрическая
установка) состоит из воспринимающего устройства, передающего
устройства и индикатора (регистрирующего прибора).
Главной частью воспринимающего устройства является
чувствительный элемент, непосредственно воспринимающий
измеряемую величину. Измерительная установка благодаря действию
всех входящих в нее элементов позволяет зарегистрировать
соответствующую неэлектрическую величину, воспринятую
первичным элементом. Конструктивно оформленный чувствительный
элемент носит название преобразователя, а в тензометрической
аппаратуре соответственно — тензопреобразователя.
В основу работы тензопреобразователей могут быть положены
различные принципы, например, генераторные или параметрические.
Генераторные тензопреобразователи в процессе измерения
вырабатывают электродвижущую силу или заряд, а в параметрических
преобразователях происходит изменение параметров электрической
цепи, в которую включен тензопреобразователь. Генераторные
тензопреобразователи (например, пьезоэлектрические) не нашли
широкого применения в тензометрировании и используются, главным
образом, для качественных исследований.

РАЗДЕП I . Основы электроники
Рис. 4Л. Модель
тензометрическик весов
4.2. Тензорезисторы
1
1=
12ab'
Параметрические тензопреобразователи получили значительное
распространение. К ним относятся емкостные, индуктивные
преобразователи и преобразователи сопротивления.
Наиболее широко среди параметрических преобразователей
используются тензопреобразователи сопротивления
тензорезисторы, которые совместно с аппаратурой предназначены
для работы с ними.
Тензочувствительные материалы, из которых изготавливают
тензорезисторы, делятся на металлы и полупроводники.
Металлы. К этой группе принадлежат константан, манганин,
нихром и карма. Здесь они перечислены в порядке возрастания
температурного коэффициента удельного сопротивления.
Принцип действия тензорезисторов основан на тензорезистивном
эффекте, то есть на свойстве проводников изменять свое
сопротивление при деформации. Рассмотрим цилиндрический
проводник (провод), который растягивается с силой F. Объем провода
V остается постоянным, при этом сечение уменьшается, и длина
увеличивается. Сопротивление проводника можно записать в виде:
/2
Я=р —,
D
где р удельное сопротивление материала.
После дифференцирования получим выражение для определения
чувствительности сопротивления к удлинению провода:
сИ р
с8
Чувствительность повышается при увеличении длины провода и
его удельного сопротивления и уменьшается при увеличении сечения
провода. Относительное изменение сопротивления провода в
зависимости от относительной деформации е можно записать в виде:
сИ
k
где sk — коэффициент тензочувствительности. Для металлических
проводов он лежит в пределах 2 — 6, а для полупроводников
20-200.
ГПАВА 4 Основы тензоэлектроники
Рассмотрим тензометрические
весы, основанные на измерении
стрелы прогиба центра балки,
лежащей на двух опорах (рис. 4.1).
Стрела прогиба равна:
~~з
48ЕХ
где F — приложенная сила в середине балки;
1 длина балки,
Х вЂ” момент инерции поперечного сечения балки.
Если поперечное сечение балки имеет форму прямоугольника с
шириной а и высотой b, то:
Для кругового поперечного сечения радиуса r:
1
I=
4то"
Радиус изгиба балки составит:
4EI
F
Если на нижнюю сторону балки прямоугольного сечения
наклеить тензорезистор, то относительная деформация резистора
будет равна:
Пусть стальная балка имеет сечение а = b = 1 см = 10 2 м и длину
1 = 10 см =10' м, тогда стреле прогиба Х = 1 мм будет
соответствовать усилие F = 8000 Н, что соответствует весу массы 800
кг Относительная деформация тензорезистора, наклеенного на
нижнюю сторону балки, будет составлять 0,006, а относительное
изменение сопротивления — 0,012. Для создания весов, имеющих
разрешающую способность 1 кг, необходимо регистрировать
относительное изменение сопротивления до 10 .
Рассмотрим для примера проволочный тензорезистор, общий вид
которого показан на рис. 4.2. Проволочная решетка, представляющая

РАЗДЕП 1 Основы злектроники
собой ряд петель (1), укреп-
лена (с помощью клея или
лака специального состава) к
подложке (3); к концам
а
~ &l
решетки припаяны (приваре-
ны) выводы (4), с помощью
которых тензорезистор под-
1
ключается в измерительную
схему. Тензорезистор при-
клеивается к объекту (2) и
4 становится (благодаря своим
ф~ус 4 g. г)роводочньтй тензорезистор малым РазмеРам и ничтож-
ной массе) как бы одним це-
лым, вследствие чего деформации объекта воспринимаются
проволочной решеткой, являющейся чувствительным элементом
этого преобразователя.
Деформация объекта вызывает деформацию проволочной
решетки тензорезистора, в результате которой изменяются
геометрические размеры и физические свойства решетки.
Относительное изменение сопротивления тензорезис тора
определяется формулой:
AR Al
Я
1(1+2гг) + ——
Ар
р
где Я сопротивление тензорезистора, Ом;
l — длина проволоки, м;
р — удельное сопротивление материала проволоки, Ом.м;
гг — — коэффициент Пуассона для материала проволоки.
Основными характеристиками тензорезистора являются его
активное сопротивление Ад, его база L ((с~ м. . рpиnс~. . 44.2) и коэффициент
тензочувствительности К, равный:
К = =(1+2р)+
ARl Apl
RAl ðA~
Для приготовления проволочных решеток используются
материалы, имеющие высокое значение коэффициента
тензочувствительности и малое значение температурного
коэффициента сопротивления.
ГПАВА 4. Основы тензозлектроники
Наиболее часто в качестве материала для проволочных
тензорезисторов используется константан, элинвар, карм и
изоэластик. В этой группе тензочувствительных материалов
коэффициент тензочувствительности составляет не более двух
единиц (E = 2,0).
Тензорезисторы имеют следующие модификации (рис. 4.3) в
зависимости от формы и количества элементов на одной подложке:
° одиночные (прямоугольные);
тензорезисторные розетки;
° мембранные тензорезисторные розетки;
° тензорезисторные цепочки.
Особенностью одиночных тензорезис торов является
параллельное расположение нитей чувствительного элемента
относительно продольной оси тензорезисторов и способность
измерять деформации растяжения или сжатия при одноосном
напряженном состоянии.
Спецификой тензорезисторных розеток является расположение
двух, трех или четырех чувствительных элементов на одной
подложке под определенным углом и способность измерять
деформации в двух или трех направлениях, совпадающих с главными
осями тензорезисторов.
Мембранные тензорезисторные розетки измеряют радиальные и
тангенциальные деформации.
Тензорезисторные цепочки измеряют распределение деформаций
по длине в одном направлении.
-о
ии
6)
Э
1- Ооой птпБ
2 — Коитатзы
3- Опод изоляции датиика от подпоиии.
я Подпоииа
PUG. 4.3. Модификация тензорезисторов: а) одиночный (прямоугольный);
б) тензорезисторная розетка; в) и r) мембранный

РАЗДЕП I Основы злектроники
0,1
00Н
1 б
ХХолупроаодники. Тензорезисторы на полупроводниках основаны на
тензорезистивном:эффекте (:эффект пьезосопротивления), который
состоит в том, что сопротивление полупроводника зависит от давления
на полупроводник (рис. 4.4). Материалом для тензорезисторов чаще
всего служит кремний (рис. 4.б), но могут быть использованы и другие
полупроводники. К основным параметрам тензорезисторов относятся
номинальное сопротивление (от десятков Ом до десятков килоОм), т.е.
сопротивление при отсутствии давления, и коэффициент
тензочувсгвительности, равный отношению относительного изменения
сопротивления ЛР/Р к относительному изменению длины
тензорезистора ЛИ Этот коэффициент зависит от вещества
полупроводника, типа электропроводимости, удельного сопротивления
и направления деформации. У полупроводников и-типа коэффициент
тензочувствительности отрицательный, т.е. при возрастании давления
сопротивление уменьшается, а у полупроводников р-типа
положительный. Практически:этот ко:эффициент может доходить до
сотен со знаком ((IUIIoc» или @минус». Тензорезисторы характеризуются
еще предельной допустимой деформацией, которую нельзя превышать
во избежание выхода прибора из строя.
Помимо кристаллических тензорезисторов из
кристаллического полупроводника и- или р-типа могут
использоваться поликристаллические тензорезисторы, у которых
при деформации сопротивление дополнительно изменяется за счет
изменения сопротивления контактов между отдельными
кристалликами.
Тензорезисторы применяются для измерения упругих деформа-
ций деталей машин, новых материалов и конструкций летательных
Рис. 4.4. Тензорезистор: а) конструкция; б) БАХ; в) условное графическое
обозначение
ГПАВА 4 Основы тензазлектраники
к
аппаратов, судовых ко-
нструкций при статических и
динамических нагрузках, а
также для измерения других
lOO механических величин (сил,
ускорений, перемещений,
давлений), однозначно свя-
О занных с деформацией.
В настоящее время крем-
ний является важнейшим
-100
О.OOl O.Ol 1,0 10 p,îèñè материалом для тензорезис-
рис- 4-$. Зависимость казффициента торов. В зависимости от
тензочувствитепьности и- и р-кремния удельного сопротивления
ат кристаппаграфическаи ориентации материала и ориентации зна-
чение коэффициента тензо-
чувствительности К может достигать 200 (рис. 4.5). Поэтому могут
изготовляться датчики силы с большим напряжением сигнала или со
средним напряжением сигнала при очень жестком упругом элементе.
Кроме того, в зависимости от типа проводимости (р- или и-кремний)
К имеет положительный или отрицательный знак. Таким образом,
получаются принципиально новые эффекты, которые, однако, еще не
использовались для разработки более точных датчиков.
Свойства тензорезисторов зависят не только от самого
тензорезистора, но и в существенной степени от качества их
закрепления на упругом элементе, обычно от приклейки. Для
обеспечения длительной стабильности характеристик требуется,
Рис. 4.б. Конструкции тензарезистарных чувствительных
зле1иентов датчиков: а) и б) — обычные конструкции с толстыми
клеевыми опоями d,; в) — современная конструкция с тонким клеевым
споем d„1 —; 2 — тензорезистор; 3 — основа
тензорезистора; 4 —; 5 — подпожка, пропитанная клеем;
6 — изопируюгций спой с хорошими механическими свойствами

ГЛАВА 4 ° Основы тензоэлектроники
конечно, тщательная защита мест приклеивания, прежде всего от
воздействия влажности.
Сначала наносится изоляционный слой (расплавленная эмаль или
керамика), который обладает существенно лучшими механическими
свойствами, чем клей.
Теперь собственно клеевой слой может делаться очень тонким
(& t 1 м м и дол ен тол ко заполн ть неровно ти поверхност й
этой конструкции практически полностью пренебрежимо
ослабление напряжений, вызванное клеем.
При измерении сопротивления тензорезистора используют
мостовую (рис. 4.7, а) или полумостовую схему подключения
(рисунки 4.7, б).
В качестве сопротивлений Я1 — АЗ обычно используется такие же
тензорезисторы, как и измерительные„только наклеенные на балку в
поперечном направлении, нечувствительном к деформации. Это
связано, в первую очередь, с высоким температурным
коэффициентом сопротивления тензорезистора В данном примере
при изменении температуры на 1' относительное сопротивление
— 4
изменится HB 10, что cooTBOTcTBQOT ошибке B измерении веса 10 KI".
При использовании в качестве Я1 — ЯЗ таких же тензорезисторов,
находящихся в тех же условиях, что и измерительный тензорезистор,
существенно упрощается термокомпенсация мостовой схемы. Для
этого необходимо использовать 6-проводную схему измерения. Одна
пара проводов служит для питания моста, другая пара — для
измерения подаваемого напряжения, третья пара — для измерения
разности потенциалов в мостовой схеме.
Рассмотрим мостовую схему с датчиками 120 Ом. При питании
схемы напряжением 1,2 Вольт ток, проходящий по каждому
резистору, будет составлять 5 мА. При нулевой нагрузке разность
Еизм
Рис. 4.7. Включение в схему тензорезисторов:
а) мостовая схема; б) полумостовая схема
потенциалов в мостовой схеме U„., будет равна нулю, при
максимальной нагрузке 800 кг 3 мВ. В полумостовой схеме
измерения при нулевой нагрузке разность потенциалов будет равна
600 мВ, при максимальной нагрузке — 603 мВ. Изменению веса на 1
кг соответствует изменение напряжения на 10 мкВ. При проведении
измерений разности потенциалов с помощью АЦП в мостовой схеме
необходимо использовать 14 — 16-разрядный АЦП. В полумостовой
схеме 18 — 20-разрядный АЦП.
Для наглядности приведем в качестве примера схему
преобразователя Сапфир 22ДА (рис. 4.8). Электронное устройство
данного преобразователя модифицирует изменение сопротивления в
токовый выходной сигнал.
Чувствительным элементом тензопреобразователя является
пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми
пленочными тензорезисторами (структура KHC), прочно
соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.
В качестве основного чувствительного элемента возможно ис-
пользование серийных тензопреобразователей. Преобразователь
состоит из измерительного блока и электронного устройства. Преоб-
разователи различных
&
параметров имеют унифици-
рованное электронное уст-
ройство и отличаются лишь
3
конструкцией измеритель-
ного блока.
/
и - — — '- '. Электронное устройство
преобразователя перестраи-
Вает это изменение collpo-
тивления в токовый выход-
g б ной сигнал.
Тензопреобразователь(4)
7
12: Ъ' ~~~ мембранно-рычажного типа
размещен внутри основания
11
"; %ф.'%~, ":; (9) и отделен от измеряемой
среды металлической гоф-
рированной мембраной (8).
Мембраны (8) и (14) по
наружному контуру
Рис. 4.8. Схема преобразователя
Сапфир 22Д2

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
приварены к основанию (9) и соединены между собой центральным
штоком (6), который связан с концом рычага тензопреобразователя
(5) с помощью тяги (13). Измеряемое давление подается в камеру (7);
полость (12) вакуумирована и герметизирована. Фланец (10)
уплотнен с помощью прокладки (3).
Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны
(8), изгиб мембраны тензопреобразователя (4) и изменение
сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от
тензопр собр азователя передается из измерительного блока в
электронное устройство (1) по проводам через гермовывод (2).
Тензодатчики предназначены для преобразования создаваемого
усилия при деформации твердого тела в электрический сигнал,
пропорциональный нагрузке.
Рассмотрим схему сигнализации предельного изгиба стрелы
судового крана (рис. 4.9). И качестве датчика использован
тензорезистор типа Р-6. Начальное сопротивление этого датчика
должно быть соизмеримо с сопротивлением R1.
Как только изгиб стрелы (в определенном конструктором месте)
дойдет до предельного значения, омическое сопротивление
тензорезистора будет максимальным. Баланс делителя напряжения
между резисторами Я1 и тензорезистором нарушается, и на
компаратор DA1 поступает управляющее напряжение, после чего
Рис. 4.9. Схема сигнализации предельного изгиба стрелы судового
крана
загорается светодиод НХ,1 красного цвета на пульте управления
крановщика, и открывается силовой тиристор КП. Через открытый
тиристор получает питание тревожная сигнализация в виде звонка Зв
и красной сигнальной лампы ЛК.
Тензодатчики обеспечивают измерение веса от 1 грамма до 50
тонн и работают в широком температурном диапазоне. Тензодатчики
применяются как измерительный элемент в платформ енных,
автомобильных, бункерных, крановых весах, дозаторах, в
испытательном и научном оборудовании.
Тензорезисторы имеют следующие модификации в зависимости
от формы и количества элементов на одной подложке:
одиночные (прямоугольные типа Пl, П2, ПЗ);
тензорезисторные розетки (типа Рl, Р2, РЗ, Р4, Р5, Рб; Р7);
мембранные тензорезисторные розетки (типа Ml, M2);
тензорезисторные цепочки (типа Цl, Ц2, ЦЗ, Ц4).
4.3. Тензодиоды
Тензодиод — это полупроводниковый прибор с р — л-переходом,
предназначенный для преобразования механических деформаций в
электрические величины.
Полупроводниковые тензодиоды работают по принципу
изменения вольтамперной характеристики под действием
давления это связано с тем, что при деформации изменяется
высота потенциального барьера в р — и-переходе. Коэффициент
тензочувствительности у тензодиодов достигает сотен и даже тысяч.
Он может быть еще выше у туннельных диодов.
При механической деформации высота потенциального барьера
р — л-перехода модифицируется вследствие изменения ширины
запрещенной зоны. И качестве тензодиодов можно использовать
универсальные диоды. Недостатком таких тензодиодов является
сильная зависимость тензочувствительности и сопротивления от
температуры, а также трудность многократного измерения
деформаций вследствие накопления дислокаций.
Этих недостатков нет у туннельных тензодиодов. Крутизна
вольтамперной характеристики туннельного диода на отдельных
участках сильно зависит от деформации, что связано с изменением
ширины запрещенной зоны.

1обр, лкА
50
ОН
л
-0,Н-0,l -0,5 0 0,5 0,J О,l5:
F,H
Рис. 4Л2. Характеристика
датчика при статической
нагрузке
168
Значения измеряемых давлений H чувствительность K давлению
регулируются путем изменения шунтирующего сопротивления. И
результате коэффициент чувствительности может быть повьппен на
два порядка, но при некотором ухудшении линейности и
температурной стабильности.
ТензоДиоДы Hello JI53~T JJtJIJI измеРениЯ MBJIblx Давлении,
качестве гидрофонов, сейсмографов. На рис. 4.10, а показан общий
вид универсального тензодиода. На поверхности подложки и-типа
выращивается окисный слой, часть которого стравливается, и на
поверхности пластины остаются многочисленные островки %02.
Затем проводится глубокая диффузия примесей. Полученная таким
образом р-область состоит из узких пересекающихся каналов,
обеспечивающих структуру сетки.
Основное преимущество данной конструкции тензодиода—
высокая чувствительность, которая не зависит от положения острия,
вызывающего деформацию на поверхности структуры.
На рис. 4.11 приведены вольтамперные характеристики
тензодиода. Параметром является механическая сила, приложенная к
диоду. На рис. 4.10, б приведена конструкция, представляющая
собой датчик с р — л-переходом, характеристики которого зависят от
механического напряжения, возникающего при приложении
огибающего усилия относительно канавки, вытравленной в
кремниевом стержне под р — л-переходом. Форма канавки определяет
чувствительность прибора.
С помощью алмазной иглы создавалась область с нарушенным
. слоем. При приложении сгибающего усилия к прибору,
закрепленному с одного конца, на переход воздействуют сжимающие
а) б) в)
Рис. 4ЛО. Тензодиод: а) общий вид тензодиода; б) структура кремниевого
тензодиода (1 — канавка; 2 — низкоомный кремний и-типа; 3 — выводы;
4 — мелкий диффузионный переход; 5 —; 6 — оксидный
слой); в) условное графическое изображение
-гГ Ф 1F~Z Ф N "2 Ф 1б~l т
V,8
4Л 1. Вольтамперные характеристики
тензодиодов
или растягивающие силы в зависимости от направления сгибающего
момента. Зависимость обратного тока от усилия, приложенного на
расстоянии 2 мм от канавки (рис. 4.12) имеет линейный характер. Из
рисунка видно, что при воздействии нар — л-переход сжимающей силы
(огибающее усилие направлено вверх) обратный ток возрастает, при
воздействии растягивающей силы (огибающее усилие направлено
вниз) обратный ток уменьшается.
Изготовление тензодиодов происходит путем, создания
выпрямляющего контакта и облучение его с помощью воздействия
лазерным излучением с целью повышения тензочувствительности
(рис. 4.13).
ф
Рис. 4.МЗ. Тензодатчик промышленного производства различного
назначения

Рис. 4.14. Принципиально-структурная схема электронных весов
железнодорожной платформы MopcKQfo nBpoMB
В качестве примера использования тензодиодов приведем схему
цифровых тензометрических весов железнодорожного морского
парома. Схема состоят из двух основных частей: грузоприемной
платформы с тензодатчиками и микропроцессорного устройства
(МПУ). И качестве тензодатчиков в этой схеме (рис. 4.14)
используются тензодиоды, но могут быть использованы как серийно
выпускаемые датчики класса точности 0,05 — 0,15, так и специально
разработанные датчики. Обобщенная схема цифровых
тензометрических весов представлена на рисунке 4.14.
МПУ используется для усиления сигналов датчиков,
преобразования в цифровой код, опроса измерительных каналов,
обработки результатов измерений. МПУ позволяет опрашивать до 7
измерительных каналов, проводить линеаризацию градуировочных
характеристик датчиков и суммирование результатов нескольких
измерений. Характеристики МПУ совместимы с выпускаемыми
промышленностью тензодатчиками. Эксплуатационные
возможности цифровых тензометрических весов значительно
расширяются при объединении с бортовым компьютером. Это
позволит, например, вести непрерывное слежение за изменением
массы в течение длительного периода времени в тех или иных
процессах, с регистрацией в заданные моменты времени.
Получаемые данные предоставляется отображать в виде графиков
или таблиц изменения массы.
4.4. Тензотранзисторы
Тензотранзистор представляет собой транзистор, чувствительный
к изменению деформации. По сравнению с обычными транзисторами
тензотранзистор имеет низкий коэффициент передачи тока (- 5).
Рис. 4.16. Конструкция
тензотранзистора: 1 — Si02,
2 — выступ; 3 — диск; 4—
эмиттер; 5 —; 6 — коллектор
Ь'кэ, В Колпачок корпуса тензотранзис-
Г Г ! ! ! ! ' тора выполняют в виде чувствитель-
ной к давлению диафрагмы, которая
! передает давление HB эмиттерный
переход, вызывая деформацию
!
кристалла. На рис. 4.15 приведена
I ! !
зависимость напряжения коллек-
1
I I
тор — эмиттер от давления.
Прибор можно применять в
усилителях переменного тока в
1
! схеме с общим эмиттером, при этом
р я~ ~ ~, Оз ~ коэффициент усиления его будет
модулироваться механической
Рис. 4. 15. Зависимость
напряжения U„,
нагрузкой.
тензотранзистора от давления Конструкция одного из
тензотранзисторов приведена на
рис. 4.16. И транзисторе предусмотрены три выступа диаметром
10 мкм и высотой 10 мкм, расположенных на вершинах правильного
треугольника, вписанного в окружность диаметром 0,6 мм. На
выступах помещен диск из жесткого материала. Транзистор
чувствителен к механическим колебаниям от 0 до 100 кГц, поэтому
он может быть применен в качестве быстродействующего
переключателя, микрофона, звукоснимателя и т.д.
При воздействии давления на эмиттер тензостранзисторов
происходит уменьшение коэффициента усиления по току и тока
эмиттера. Транзистор с переходом Шотки отличается от обычных
тензотранзисторов тем, что давление в нем прикладывается не к
области эмиттера, а к области базы, в
1 3' результате чего он не влияет на
2
!
коэффициент усиления по току.
Действие прибора основано на
Х
эффекте увеличения обратного тока
«~+~ , 5. диода с переходом Шотки при
;;:..,« ':,"«,;~~, «~««~. '.:«;« ';;л увеличении давления. Переход
Шотки получают путем нанесения
молибдена на кремний п-типа.
Изменение выходного тока линейно

РАЗДЕП 1. Основы электроники
зависит от давления, приложенного к молибденовому электроду.
В основе конструкции тензотранзистора с переходом Шотки
лежит кремниевый II3IRHBpHbIH TpRH3HcTop THllB л — Р— л с кольцевым
эмиттером (рис. 4.17, б). Контакты к эмиттеру и коллектору
выполняют обычным способом: к эмиттеру путем напыления
алюминия через окно в пассивирующем слое двуокиси кремния, к
коллектору — с тыльной стороны пластины. Кроме того, создается
контакт к центральной части базы нанесением молибдена через окно
в двуокиси кремния. К молибденовому контакту прижимается
сапфировая игла, которая служит для передачи давления на прибор.
Меж,лу выводами эмиттера и базы подается напряжение такой
полярности, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом
направлении. При этом переход Шотки между молибденовым
контактом и реальной базой транзистора оказывается смещенным в
обратном направлении. При подаче давления на иглу обратный ток
диода Шотки, а следовательно, и базовый ток транзистора
возрастают, но и ток коллектора при этом пропорционально
увеличивается. Вольтамперные характеристики транзистора
приведены на рис. 4.17, в.
Транзистор применяют в устройствах бесконтактного управления
и регулирования, а также в клавишных панелях настольных машин.
Для наглядности в качестве примера приведем схему измерения
перепада давления на фильтре топливной системы дизеля (рис. 4.18).
Разность давления до фильтра и после него должна быть
Рис. 4ЛУ. Тензотранзистор Шоттки. а) условное графическое
обозначение; б) конструкция (1 — пленка алюминия; 2 — пленка
молибдена; 3 — наконечник; 4 — переход Шотки; 5 — пленка SiG~); в) БАХ
@(.Р
Ф & t; прор
рвзиости ~авоения
Рис. 4.т8. Замер разности давления
определенной величины, и если эта разность увеличивается„то это
говорит о загрязнении фильтра, и топлива поступает недостаточно,
следовательно, необходимо переходить на резервный фильтр, что и
входит в функцию преобразователя разности давления, электронную
схему которого можно наблюдать на рисунке 4.19.
При подаче питания на схему оба тензотранзистора Шотки VTJ u
VT2 приоткрываются, но в разной мере согласно прилагаемому
давлению. Тензотранзистор VT2 находится под давлением до
фильтра, а VT1 — после фильтра. В нормальном режиме работы, т.е.
когда перепад давления соответствует норме, падение напряжения на
эмиттерно-коллекторном переходе транзистора VT1 меньше, чем на
тензотранзисторе VT2, следовательно, на базе транзистора VT3
доминирует положительный потенциал, но незначительной
величины, который в состоянии только приоткрыть его. Стабилнтрон
D1 откроется только в том случае, когда транзистор VT3 откроется
полностью, и только после этого с задержкой по времени, которую
обеспечивает конденсатор С1, поступает положительный потенциал
на базу транзистора VT4.
При снижении давления после фильтра ' (фильтр забился)
сопротивление эмиттерно-коллекторного перехода тензотранзистора
VT1 становится минимальным, тем самым обеспечивая на базу
транзистора ГТЗ максимальный положительный потенциал, что
приводит к полному открытию транзистора.

РАЗДЕЛ 1. Основы электроники
Rl
4.5. Тензотиристор
Рис. 4. М9. Схема включения резервного фильтра
Стабилитрон D1 пробивается, также открывается транзистор VT4 с
выдержкой по времени после зарядки конденсатора С1, и
пропускается сигнал на включение резервного фильтра через диод Х)2.
Тензотирпстор это чувствительный к давлению тиристор с
переходом Шатки. Действие прибора основано на анизотропном
механическом эффекте, наблюдаемом в переходе Шатки; высота
потенциального барьера меняется при изменении ширины запрещенной
зоны под влиянием механического напряжения. Поперечное сечение
прибора схематически представлено на рис. 4.20, а.
Тиристор включается при давлении на молибденовый электрод
аналогично тому, как это происходит в обычных кремниевых
управляемых вентилях при подаче отпирающего импульса.
Структуру тиристора создают с помощью методов планарной
технологии на пластине р-типа: с одной стороны пластины путем
диффузии получают круглую базу и-типа и кольцевой эмиттер
р-типа, на другой стороне диффузионный эмиттер и-типа Контакт
к кольцевому эмиттеру выполняют нанесением алюминия через окно
в пассивирующем слое двуокиси кремния. Контактом к базе и-типа
служит молибден, нанесенный через другое окно; управляющим
электродом база п-типа, примыкающая к аноду.
Полярность внешнего напряжения выбирают такой, чтобы
смещение на переходе Шотки между молибденовым контактом и
базой было обратным. Давление прикладывается непосредственно к
молибденовой пленке, через сапфировую иглу (радиус 75 мкм). С
увеличением давления на электрод увеличивается ток эмиттера. При
этом, как и в обычных тиристорах, напряжение включения
Рис. 4.20. Тензотиристор: а) конструкция (1 — эмиттерный электрод;
2 — тонкопленочный молибденовый контакт к базе; 3 — сапфировая игла;
4 — переход Мотки; 5 — пленка 81Ор); б) БАХ;
в) условное графическое обозначение
становится ниже приложенного напряжения, прибор включается и
остается в этом состоянии до тех пор, пока ток прибора превышает
удерживающий ток. Иольтамперные характеристики тиристора
показаны на рис. 4.20, б.
Наиболее сложной является проблема корпуса. Желательно,
чтобы корпус был герметичным и обладал малым механическим
сопротивлением, что позволило бы использовать приборы при малых
давлениях. И то же время он должен защищать приборы от
повреждений, которые могут быть вызваны чрезмерным давлением.
Тензотиристоры имеют широкое применение в промышленности и
бытовой технике. Приведем один из примеров использования
тензотиристоров в измерительной технике, а именно в приборе судовой
синоптической станции — анемометре, изображенном на рисунке 4.21.
Судовой анемометр работает в постоянном режиме, и в
штурманской рубке на дисплее индикации высвечивается величина
скорости ветра. Под действием напора ветра, попадающего под прямым
углом на полусферы (1), начинает вращаться вал (3), и от воздействия
центробежных усилий по направлению оТ оси вала разворачиваются
рычаги (2), сжимая пружину (9), которая толкает поршень (4). На конце
поршня имеется наконечник, который прикреплен к площадке (5),
воздействующей на тензотиристор (7). Чем больше скорость ветра, тем
больше оказывается давление на тензотиристор.
На рисунке 4.22 изображена электронная схема, в первичном зве-
не которой находится делитель напряжения из резистора R1 и тензо-

РАЗДЕЛ 1 ° Основы электроники
тиристора D1. И момент, когда
пластина (5) не касается тензо-
тиристора, его сопротивление
настолько мало, что транзис-
тор Т1 закрыт полностью. Сле-
довательно, транзистор Т2
открыт, а транзистор Т3
закрыт полностью, и к устро-
йству цифровой ицдикации
сигнал напряжения отсутству-
ет. Как только пластина (5) не-
значительно прикоснется к
тензотиристору, его сопротив-
ление повышается, транзистор
Т1 приоткрывается, транзис-
тор Т2 прикрывается, а тран-
МЖМВЖ%й зистор Т3 приоткрывается, и
на устройство цифровой
Рис. 4.2т. Судовой анемометр на
тензотиристоре индикации подается незначи-
тельное напряжение.
При полном прикасании пластины (5) к тензотиристору его
сопротивление увеличивается до предела, и транзистор Т1
открывается полностью, Т2 — закрывается, а ТЗ также открывается
полностью, и на устройство цифровой индикации подается
максимальная величина напряжения положительного потенциала
Рис. 4.22. Электронная схема судового анемометра
Раздел 11 ° Судовая
элект оавтоматика
5.1. Основные понятия и определения
Широкое внедрение автоматизации судовых энергетических
установок на морском и речном транспорте ставит перед
инженерно-техническим персоналом, эксплуатирующим судовую
технику, новые задачи и предъявляет высокие требования к
квалификации моряков. Это обстоятельство требует более высокой
подготовленности судовых механиков и электромехаников,
способных не просто использовать автоматизированные объекты, но
и повышать технико-экономическую эффективность работы
судовых энергетических установок путем применения практических
и теоретических методов оптимизации процессов регулирования и
управления сложными объектами.
Слова «автоматизация» и «автоматика» происходят от греческого
слова «автоматос», что означает «самодействующий».
В настоящем разделе мы будем рассматривать в основном теорию
и технику систем автоматического регулирования (CAP).
Считается, что первым автоматическим регулятором был
регулятор уровня воды в котле паровой машины, изобретенный и
изготовленный И.И. Ползуновым в 1765 г. И этой системе поплавок
(измерительное устройство) непосредственно перемещает задвижку
на входе жидкости в бак. Уровень является здесь регулируемым
пара. метром, задвижка регулирующим органом, поплавок с
приводом к задвижке регулятором, а котел — объектом
регулирования. Если увеличивается отвод жидкости из котла, то
поплавок, опускаясь, открывает задвижку, увеличивает подвод
жидкости в котел, и уровень воды автоматически восстанавливается
Автоматизация судовых энергетических установок (СЭУ)—
важнейшее направление технического прогресса в мировом
судостроении. При этом решился вопрос вывода машинной команды

РАЗДЕЛ 11 Судовая электрооавтоматика
из машинно-котельного отделения (МКО) судна, а также проблемы
перехода к безвахтенному обслуживанию судовых технических
средств (СТС) и сокращению общей численности технического
персонала при передаче функций маневрирования СЭУ
непосредственно в руки судоводителя; обеспечивается постоянный
контроль за работой СТС, сигнализация и защита судовых объектов.
И зависимости от объема средств автоматизации Морской Регистр
РФ присваивает судну знак автоматизации А1 или А2, что отражается
в квалификационном свидетельстве судна.
Знак А~ присваивается„если объем автоматизации СЭУ
достаточен для ее безопасной работы при отсутствии постоянной
вахты в МКО, но при наличии вахты на центральном посту
управления (ЦПУ).
При этом должны быть обеспечены возможности дистанционного
запуска (останова) главных и вспомогательных двигателей (ГД и
ИД), изменение режима работы всех механизмов МКО. Суда со
знаком Аг в символе класса должны быть оборудованы системами
автоматизации (СА) в объеме, позволяющем проводить
дистанционное автоматическое управление (ДАУ) с мостика,
ходовой рубки главными механизмами и движителями. Iëàâíîå,
безопасность эксплуатации судна должна быть не меньшей, чем на
судах с вахтой в MKO.
Знак автоматизации А1 предполагает нормальную работу всех
механизмов МКО без местного обслуживания и дистанционного
контроля из ЦПУ, а только из ходовой рубки.
ДАУ вЂ” управление, с помощью которого можно задавать
желаемый режим работы механизма, воздействуя на элемент
управления так, что в дальнейшем механизм са.мостоятельно
выполняет Всс промежуточные действия llo 3BJIoxccHHoMQ B cHcTOMc
алгоритму, обеспечивая заданный режим.
АПС (аварийно-предупредительная сигнализация) обеспечивает
сигнализацию при достижении контролируемыми параметрами
установленных предельных значении и IlpH изменении HopMBJILHoI'o
функционирования. Сигнализация может быть звуковой (ревун,
колокол громкого боя, звонок) и световой.
Система индикации (СИ) обеспечивает получение информации о
величинах, конкретных физических параметров или об изменении
определенных состояний механизмов.
ГЛАВА 5 Основы теории автоматическоао реаулирования
Система автоматизации (CA) — это совокупность элементов и
устройств, предназначенная для создания конструктивного и
функционального целого и для выполнения установленных функций
в области управления, контроля и защиты судовых технических
средств (CTC). Например, система ДАУ включает в себя элементы
передачи сигнала задания на дистанцию, автоматический регулятор
частоты и сам управляемый механизм с системой АПС.
Устройство автоматизации (УА) — часть СА, составленная из
элементов, соединенных в одно конструктивное и функциональное
целое. Например, автоматический регулятор частоты.
Элемент CA это самостоятельный в конструктивном
отношении прибор (устройство), используемый в СА, например, реле
(комбинированное реле давления или температуры), датчик,
сигнализатор, усилитель, исполнительный механизм (ИМ).
Автоматизированными объектами (АО) могут быть: двигатель,
компрессор, котел, судовая система или другие механизмы,
оборудованные системами автоматического регулирования,
управления, контроля и защиты.
Регулятор — это устройство, воспринимающее отклонение
регулируемого параметра от заданного значения и воздействующее
на процесс в сторону его восстановления.
Регулируемый параметр представляет собой показатель,
характеризующий состояние происходящего в б
регулирования процесса, например, частоту вращения„те
воды (масла), давление пара, уровень в барабане котла и т
Датчик — источник информации, выходной сигна
ует текущему значению контролируемого параметр
Датчик обеспечивает аналоговый непрерывный характер
Сигнализатор — это источник информации, выходи
которого дискретно (прерывисто) изменяется при д
контролируемым параметром заданного значения.
Система автоматического регулирования (САР) об
работу механизма (агрегата) по заданному режиму с с
необходимых значений параметров, характеризующих э
Сам агрегат является при этом регулируемым объекто

РАЗДЕЛ 11 Судовая электроавтоматика
состоит как минимум из объекта и регулирующего устройства
(автоматического регулятора (Р)). Воздействие на объект Р оказывает
через регулирующий орган (РО), который изменяет подвод или отвод
энергии (g„, g„) к О. Например, РО изменяет подачу топлива, подвод
пара, проходное сечение и т.п.
Параметр, который поддерживается САР в заданных пределах,
называется регулируемым параметром При этом регулируемый
параметр конкретизирует назначение САР, например, САЄ—
система автоматического регулирования частоты, САР,
температуры, САЄ— давления.
Причина, заставляющая О выйти из заданного режима, называется
возмущением. Характерными видами возмущения могут быть
«толчок», «скачок», гармонические колебания и т.п. На рис. 5.1
представлена структурная схема классической САР. Под
структурной схемой понимается простейшее представление
элементов СА в виде прямоугольников, окружностей, стрелок и
других обозначений, в том числе буквенных. 1
Функциональная схема — это упрощенное изображение САР или
ее элементов на уровне эскиза или чертежа.
Стрелки на структурной схеме указывают направление
возмущения и отработки элементами САР на эти возмущения. И-САР
имеются обратные связи. Но обратная связь, проходящая через
регулятор, называется главной обратной связью. Так, на рис. 5.1
главная обратная связь проходит от выходной координаты объекта
уо, через кинематическую пару с коэффициентом статической
передачи Кс3& t; че ез регуля ор Р> кинемати еску  ару
регулирующий орган РО и кинематическую пару с Кс~ на входную
координату объекта хо.
Дополнительная обратная связь проходит от выходной координаты
О через кинематическую пару КС4, на координату входа в объект у,.
Рис. 5Л. Структурная схема САР
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматическоао реаулирования
Из структурной схемы CAP следует, что она является замкнутой
системой звеньев направленного (детектирующего) действия На
структурной схеме показаны входные и выходные координаты
звеньев или в абсолютном (размерном), или в относительном
(безразмерном) выражении. Желательно вводить безразмерные
выражения, которые обозначаются прописными буквами.
Объект имеет координаты входа (хо) и нагрузки (Х), координату
выхода (хр) и (у, ), координату выхода (ур). Координата Х указывает,
что объект работает на потребитель. У регулятора координату у,
называют координатой настройки регулятора, определяющей выбор
его статической характеристики и, следовательно, диапазон работы.
Кинем атические пары (маленькие окружности) могут быль
различного типа, например, шестеренная передача с коэффициентом
статической передачи:
Х
Кс, = — Р,
Уо
рычажная передача:
Х о
Кс
1
У р
и т п. И любом случае коэффициент статической передачи это
отношение выходной координаты к входной.
Каждое звено САР имеет свой коэффициент статической
передачи. Например, для регулятора:
К
х
Если размерности входной и выходной координаты различны, то
выражение приводят к безразмерному виду. Так, ур имеет
РазмеРность (м) хр — [с ] и
У р р норм
х
P
р У р норм
И Выражение ВВОдят нОминальные паспОртные параметры
элемента, определяющие весь диапазон его изменения.
Кинематические пары могут иметь иной физический смысл,
например:
180

читается каку =у1 +уъ
РАЗДЕЛ 11 . Судовая электроавтоматика
через у2 проходит отрицательная связь — у2, и результат получится как
у =у1 у2.
CAP может находиться в состоянии равновесия или в состоянии
переходного процесса (статика и динамика регулирования).
Вследствие внесенного в CAP возмущения происходит отработка
всех звеньев системы на это возмущение. Структурная схема
наглядно отражает участие и роль каждого звена и элемента в данном
процессе. При изучении САР рассматривают отдельно свойства всех
звеньев, образующих систему как в равновесных режимах (статика),
так и на переходных режимах (динамика). Зная статику и динамику
каждого звена САР, можно выполнять анализ (разложение на
простейшие элементы) и синтез (структурирование и создание)
сложных систем.
Следует особо выделить вопрос об устойчивости CAP и ее
элементов. Если после переходных процессов, вызванных
внесенным в CAP возмущением, наступает равновесный режим, то
говорят, что CAP устойчива. Если возникает расходящийся процесс
Э
то CAP определяют как неустойчивую. И случае вывода системы на
режим незатухающих периодических колебаний считают, что CAP
является консервативной системой.
На практике реализуются три вида задач регулирования.
1. Статическое регулирование:
а) Статическое регулирование, т.е. регулирование с определенной
ошибкой, которую называют степенью неравномерности регулирования
или статизмом CAP (рис. 5.2). И некоторых случаях ошибку
регулирования называют наклоном статической характеристики.
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматическоао реауггирования
рис. 5.2. Статическое регулирование
При этом зависимостью =ЯХ), полученную для CAP на рис. 5.1, при
работе oR,eêòà на регуляторе с фиксированной координатой задания (у„
= const) называют статической характеристикой CAP или регуляторной
характеристикой. При изменении режима нагружения (в данном случае
путем последовательного динамического наброса нагрузки от 4 до Х~
после некоторого переходного процесса с динамическим забросом
параметра у~ устан я равновесный режим при уг, у2 и уз
соответственно. Регулируемый параметр при изменении нагрузки не
восстан ается, имеет место ошибка регулирования. И данном случае
при статическом или динамическом переходе от нулевой нагрузки до
полной P. = 1) уд изменится на величину 0,6 (или на 60%). Степень
неравномерности статической характеристики CAP (или ее статизм, или
ее наклон к оси регулируемого параметра, или остаточная ошибка
регулирования) будет равна о = 60%.
б) An àòè÷eñêoe регулирование, т.е. ошибка регулирования равна
нулю при любом изменении нагрузки (рис. 5.3).
Наклон статической характеристики САР, выраженный
величиной ее проекции на ось уд, равен нулю. По сути это частный
случай статического регулирования. Это точное регулирование при
степени неравномерности характеристики о = 0%. При переходе с
одного режима нагружения на другой имеет место переходный
процесс с динамическим забросом регулируемого параметра &lt
2. Программное регулирование (рис. 5.4).
Программа задается функцией или таблично. Реализуется на базе
микропроцессорных комплектов (МПК) в современных системах
автоматизации.
3. Системы позиционного (релейного) регулирования (рис. 5.5).

РАЗДЕЛ 11 Судоввв ввввтЕоввтотвтивв
Го
О.б
Рис. 5.3. Астатическое регулирование
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
Например, в САР„(системе автоматического регулирования
давления пара во вспомогательном котле с электрическим
подогревом) регулируемый параметр давления пара уо
поддерживается в рабочем диапазоне Луд = у — у „путем
включения — выключения электрического нагревателя. Темп
возрастания — падения давления определяется величиной
потребления пара (нагрузкой Х), в результате чего скважность подачи
тока 0 — ti, tq — t3 и t4 — tq различна во времени. САР обеспечивает
поддержание давления пара в пределах заданной степени
неравномерности статической характеристики САР„:
6 — -10'
У
11 вом
УЗ
L
Pene azmo~ieIto
Реле иык.чечено
о
!
о
Рис. 5А. Il рограммное регулирование
г, ! 1Е
t„c
Рис. 5.5. Система позиционного регулирования
где уо „, — номинальное (паспортное) давление пара.
Если ось ординат имеет безразмерный вид, то о = у — у о.е.
(относительных единиц), или о = (у — у ). 100%.
В целом вопросы автоматизации связаны с осуществлением
функций управления, контроля и защиты СТС, что в обобщенном
виде наглядно представлено на рис. 5.6.
В отличие от САР, представленной на рис. 5.1, система
автоматизированного управления (САУ) предполагает внедрение
интеллектуального интерфейса между пользователем, программным
устройством и САР (рис. 5.7).
Система автоматического управления предполагает, в отличие от
автоматизированного управления, введение многочисленных
обратных связей от объекта к программному устройству с
исключением роли вахтенного с его воздействием на координату
режима ур, программного устройства (рис. 5.8).
Системы автоматизации СЭУ должны удовлетворять следующим
основным требованиям Морского Регистра судоходства РФ:
1. Повышение технической и эксплуатационной эффективности
использования судов, безопасности плавания при улучшении
условий труда и быта экипажа.
2. Повышение количественных показателей надежности СТС, свя-
занных с возрастанием отрыва судов OT береговых баз:
срок службы систем автоматизации без регулировок и разборки
не менее 7000 ч, а общий ресурс работы должен быть равен ре-
сурсу объекта;

Рататная КИП
Непрерывная
визуальная
Печать
Индикация
Периодическая по
Контроль
Периодичес~&lt
Текущие значения
Ре)истрация
Непрерывная
(самописцы)
Выдача параметров
Почав ь
Световое табло
187
РАЗДЕЛ I I . Судовая злект оаетоматика
Рис. 5.6. Структура и виды управления, контроля и защиты
. СА должны нормально функционировать при крене до 20 (при
длительном крене — 15') и дифференте до 10',
СА должны нормально функционировать в условиях вибрации с
f 20 Гц при амплитуде 0,5 мм и выдерживать удары с ускорени-
ем до 70 м/с при емко до 60 С и влажности воздуха до 95%;
СА должны соответствовать Правилам приемки Регистра РФ, на-
блюдения и освидетельсгвования;
ГЛАВА 5 " Основы теории автоматического регулирования
Рис 5.7. Структурная схема автоматизированного управления
Рис. 5.8. Структурная схема автоматического управления
° исполнение должно быть искро- и взрывобезопасным и за-
щищенным от влаги, паров масла и топлива;
° в СА должна предусматриваться возможность ручного вмешат-
ельства в процесс управления;
. для питания СА должен предусматриваться резервный источник,
включаемый в работу автоматически за t & t; 10
усилия на задающих органах СА до ЗΠ— 50 Н;
технические требования к характеристикам и показателям СА
индивидуальны для каждой системы и объекта, исходя из харак-
тера и условий работы согласно государственным стандартам
или ведомственной нормативной документации;
СА должны обеспечивать алгоритм управления согласно
инструкциям, т.е. должны обеспечивать технически правильный

РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроаетоматика
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
алгоритм функционирования (с исключением опасных перегру-
зок и аварийных состояний);
. для СА должны быть оговорены требования по точности задавае-
мого режима, времени отработки задания и т.д.
Если САР (САУ) сама определяет наивыгоднейшее для данных
условий эксплуатационное значение координаты у, и способна
перен астр аиваться, то ее называют самонастраивающейся
(адаптивной) и оптимизирующей системой. Применение
микропроцессорных САУ в этом плане является перспективным.
Следует особо остановиться на способах регулирования
процессов в судовой автоматике.
Известны следующие способы регулирования:
1. Регулирование по отклонению регулируемого параметра от за-
данной величины, в теории регулирования этот способ известен
как принцип И. Ползунова — Д. Уатта.
2. Регулирование по скорости изменения регулируемого парамет-
ра (способ братьев Сименс).
3. Регулирование по ускорению регулируемого параметра.
4. Регулирование по изменению нагрузки (способ Понселе).
На практике реализуется принцип Ползунова — Уатта, реже в
совокупносги с третьим и четвертым способами. Самостоятельно
второй, третий и четвертый способы не применяются.
5.3. Объект регулирования и его
статическая характеристика
Объект регулирования, например, двигатель, компрессор, котел и
другие являются главным звеном системы автоматического
регулирования, поэтому становится очевидным важность знания
характеристик и свойств О. Как правило, О представляют в вцде
структурной схемы (см. рис. 5.9, а) с входными координатами подвода и
отвода энергии и выходной координатой в виде регулируемого
параметра. Соответственно выделяют канал регуляторной
проводимости с коэффициентом статической передачи К„и канал
нагрузочной проводимости с коэффициентом статической передачи К ~
В данном случае в качестве объекта (рис. 5.9, а) выбрана емкость,
в которую поступает жидкость через регулируемый вентиль (1) с
текущим проходным сечением 1„(подвод энергии q„, где q„— расход
qn Х,
=А=Д
рис- 5.9. Структурная и функциональная схемы объекта
жидкости), из емкости уходит определенное количество жидкости
через вентиль (2) с проходным сечением f (отвод энергии q„). В
зависимости от д„и q„a емкости будет меняться уровень жидкости Ь
(регулируемый параметр или выходная координата объекта).
Например, для судового двигателя под д„понимается эффективный
крутящий момент на коленчатом вале, под q„момент
сопротивления винта, а в зависимости oT их соотношения
установится значение частоты вращения (выходная координата уо).
Через первый канал осуществляется подвод энергии (подача
топлива). Это канал регуляторной проводимости, именно по нему
регулятор, изменяя подачу топлива, обеспечивает подвод энергии.
Отвод энергии (ее потребление) осуществляется винтом. Это
канал нагрузочной проводимости„он обеспечивает отвод энергии.
Оба канала, как правило, работают независимо друг от друга. Поэтому
возможно конечный эффект по изменению выходной координаты
оценивать как сумму работы обоих каналов (принцип суперпозиции).
Таким образом:
К = ' приХ=сопй
Лу.
Лх.
Лу.
и К„„= при хо = const.
ЛХ
Рассмотрим подробнее работу объекта (рис. 5 9, б).
На базе уравнения Бернулли построим семейство расходных
характеристик для q„ïðè постоянном напоре с противодавлением Ь
(здесь под д„имеем расход жидкости через вентиль с /„') - при
фиксированном положении вентиля~„(рис. 5.10, а).

РАЗДЕЛ П доеая элект оаетоматика
onst
ЬХ ~22 ~23 Ь4 Ь Ь1 Ь2 ЬЗ
Рис. 5.тО. Характеристики подвода и отвода энергии объекта
Перестроим графики, исходя из того, что точки пересечения
определяют равновесные режимы (рис. 5.11, а). Например, для рис.
5.10 а точка пересечения характеристики подвода энергии при f~ с
характеристикой отвода энергии определится уравнением:
q„-q.,=î
Это выражение называется уравнением статики объекта„а
регулируемый параметр определится как уо = Ьз.
Запишем уравнение статики для канала регуляторной
характеристики (рис. 5.11, а), предполагая линейность кривой,
состоящей из равновесных точек:
4
f
Ь1 Ь2 ЬЗ l14 Ь 1 2 3 4
5.тт. Статические характеристика каналов передачи объекта
ГЛАВА 5 ° Основы теории аетоматическоао реаулироеания
Ь =К.„-/„или у, =К.„.х. при f„= сопв1.
Аналогично представим уравнение статики для канала
нагрузочной проводимости (рис. 5.11 б):
Ь = К..f. или у, = К.„- Х при f„= const.
При совместной работе каналов, используя принцип
суперпозиции, получим уравнение статики объекта:
у„=К., -1+К.„.х..
Знаки членов правой части указанного вьппе уравнения
определятся направленностью воздействия каждого канала на
выходную координату. Тогда:
К .Уo К ~уо
о
Например, для двигателя уравнение запишется как:
~у о ~ + у.
см
о
Таким образом, целесообразно введение понятия, определяющего
поведение любого элемента САР, — статической характеристики.
Статическая характеристика — это зависимость регулируемого
параметра от входной координаты того или иного канала
проводимости при фиксированном (выключенном) третьем канале
проводимости, определенная во всем диапазоне регулирования.
Например, для регулятора (см. рис. 1) это у„=Яхр) при
у, = const.
Для оценки устойчивости объекта и регулятора в статике вводится
параметр фактор устойчивости, обозначаемый буквой F c
соответствующим индексом (рис. 5.12).
Пересечение кривых д„и q„a соответствии с уравнением статики
определит равновесный режим. При внесении возмущения Лу в ту или
иную сторону в случае (рис. 5.12, а) приведет к нарушению баланса
подвода и отвода энергии и соответствующему восстановлению
исходного режима. Говорят, элемент обладает положительным
самовыравниванием (фактор устойчивости F & t; ). Положе ие шар
на выпуклой поверхности (геометрическая интерпретация ситуации,
190

Р&g
F &g
:1 Г'
1'х(Р)
Лр.F = +Az,
z
hq Bq — Bq „Bq Bq „
лу Ь Ь Ь
Так как
1 1
ох
К
о3.
РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроаетоматика
Рис. 5Л2. Геометрическая интерпретация устойчивости элемента CAP
рис. 5.12, в) неустойчиво. Фактор устойчивости F & t; О. Слу
(рис. 5.12, б) определяет F = О или безразличный режим,- когда
возмущение переводит шарик в другое положение.
Предложено оценивать статическую устойчивость элемента САР
соотношением
Bq =, Bq„= и hg&l ;0 получ
ду ду
К. К.„
5.4. Ститические характеристики наиболее
ЧИСТО ПРИМЕНЯЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Статический элемент с сухим трением. Применяется в качестве
основной части комбинированных реле давления и температуры,
контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и
т.п. (рис. 5.13).
Уравнение статического равновесия без учета сил сухого трения:
ГЛАВА 5 Основы теории автоматического регулирования
Рис. АЗ. Измеритель давления и его структурная схема
где здесь и далее знаком Л обозначается приращение параметра;
С жесткость пружины;
z — перемещение точки А (в дальнейшем, перемещение муфты).
Сильфон (1) является чувствительным элементом (ЧЭ) для
измерения давления, элемент сравнения (ЭС) в данном случае сведен
к точке А, в которой происходит сравнение координаты задания у, с
координатой входного сигнала. Как правило, координата задания
(уставка) определяется величиной предварительной затяжки главной
npymHHm z»~ „
Связь выходной координаты у с ЭС определится выражением
b
у = †. z в исполнительном элементе (ИЭ).
а
Для приведения к относительным единицам в уравнение введем:
Az
х= иг=
Р»ом
»ом
где р„о и z паспортные значения для номинального режима.
Тогда для частного случая z„р, = О получим:
р„.F-b
у= х
с-z„ -а

у =Кх,
Лх &
' Paou
угла у:
р„.F b
tgy =E илиу =агсф
z„.ñ.à
— при жесткости
пружины С
в =Лх о.е.
----- при жесткости
пружины С„& t
или
.100%.
р ком
--.—..— при жесткости
пружины С,& t
РАЗДЕЛ И . Судовая электроаетоматика
где К = " — коэффициент статической передачи измерителя
p„F b
z„ с.а
давления, определяемый соотношением параметров, характе-
ризующих данный статический элемент.
Семейство статических характер исгик измерителя давления
представлено на рис. 5 14.
Изменение величины предварительной затяжки пружины
обеспечивает эквидистантный перенос сгатической характерисгики,
таким образом„обеспечивается «всережимность» прибора. Наклон
статической характеристики определится величиной ее проекции
на ось абсцисс, равной о.
Другое определение о — степень неравномерносги сгатической
характерисгики, или сгатизм, или «осгаточная ошибка
регулирования».
Наклон сгатической характеристики определяется величиной
Рис. 5Л4. Семейство статических характеристик измерителя давления
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
На практике это досгигается путем введения устройсгва,
позволяющего изменять угол наклона (см. рис. 5.14) дополнительной
пружины и соответственно регулировать величину приведенной к
муфте жесткосги суммарной пружины (главной и дополнительной).
Силы трения в механизме измерителя давления в шарнирах
рычага (5) на практике вносят изменение в статическую
харакгеристику (рис. 5.15, а).
Заштрихованная область — зона нечувствительности измерителя
давления. При медленном (статическом) увеличении координаты х
(давление) Or точки 1 на участке 1 — 2 никакого перемещения у не
произойдет, так как с учетом сил сухого трения в уравнении в правой
части добавится член +f где f сила сухого трения, она всегда
направлена противоположно направлению движения (следует помнить,
что силы трения покоя несколько больше сил трения при движении).
Далее, при увеличении входного сигнала начинается
перемещение у до точки 3. При дальнейшем уменьшении х (от точки
3 до точки 4) у = 0 и, далее, у будет уменьшаться до точки 5. Зона
нечувствительности прибора:
называется степенью нечувсгвительносги в.
На рис. 5.15, б представлены реальные сгатические характерис-
тики измерителя давления с зоной нечувствительности, полученной
путем многократного определения у = 1(х) при медленном
увеличении и затем уменьшении координаты х.
Степень нечувствительности сгатической характеристики
определяется как:
Для большинства статических элементов зависимость выходной
координаты от входной (при фиксированном другом канале
проводимости в общем случае) прямолинейна. Наибольшее ее
отклонение от прямолинейной зависимости называется степенью
непрямолинейности у статической характеристики (см. рис. 5.15, B).

РАЗДЕЛ И ° Судовая электроаетоматика
Рис. 5. 15. Статическая характеристика измерителя давления с учетом
сил сухого трения: а —; б —; в — параметры
статической характеристики
Для определения у соединяют хордой начало и конец
характеристики, проводят касательную к характеристике,
параллельную хорде.
Для определения в необходимо многократно отснять статическую
характеристику. Изображенная на рис. 5.15, в кривая будет являться
среднестатистической линией эксперимента, а наибольшее значение
полученной зоны нечувствительности определит величина в = Лх.
Статический элемент с гистерезисом. В любом реальном
статическом элементе при его нагружении и разгрузке энергия
деформации диссипирует (рассеивается) в окружающую среду в виде
тепла. Это приводит к появлению зоны нечувствительности элемента.
Эффект (внешний) аналогичен влиянию сил сухого трения на
степень нечувствительности. В частности, силь фон вследствие
релаксационных явлений материала вносит дополнительно к силам
сухого трения зону нечувствительности (поле гисгерезиса), рис. 5.16, а.
Эта зона, как правило, невелика, но вместе с силами сухого трения
она определяет степень нечувствительности прибора, например,
комбинированного реле давления.
Статический элемент с зазором. Люфты и зазоры характерны
для большинства элементов судовой автоматики, например, зазор в
подшипнике рычага (5) и в кулисном сопряжении штока (4) и рычага
(5) (см. рис. 5.13).
Влияние зазоров и люфтов на статическую характеристику
элемента (см. рис. 5.1б, б) аналогично влиянию сил сухого трения.
Должно произойти изменение входной координаты от.точки 1 до
точки 2 для выборки всех люфтов и зазоров, прежде чем начнется
изменение выходной координаты:
ГЛАВА б ° Основы теории аетоматическоао регулирования
Рис. 5.тб. Статические характеристики: а) — элемент с гистерезисом;
б) —; в) — астатический элемент с перекрышей;
г) — статический элемент с «пассивной» зоной
) БОМ
с.s
p'. р
где As — суммарное значение зазоров и люфтов;
s„„— (паспортное) суммарное значение люфтов и зазоров в
элементе.
А статический элемент с иерекрышей. Примером является
золотниковый элемент управляющего устройства усилителя
мощности (гидравлический или пневматический), см. рис. 5.1б, B.
Л
Входная координата (перемещение золотника) при e & t; в ”, де Л
2
пер екрыша элемента, вызовет соответствующее практически
мгновенное изменение выходной координаты в том или ином
направлении. Чувствительность элемента определяется величиной
перекрытия золотника и зависит от точности выполнения и качества
изготовления деталей. Такие астатические элементы (о = 0)
представляют собой прецизионную сборочную единицу.

РАЗДЕЛ 11 Судоеан злект оаетоматика
Статический элемент с пассивной зоной (см. рис. 5.16, г).
На участке статической характеристики (Лх) выходная
координата не изменяется (у = const).
Например, для измерителя давления это может быль достигнуто
путем применения двух пружин различной жесткости при
соответствующих предварительных затяжках пружин. Используют
«пассивную» зону для целей регулирования объекта (двухрежимные
регуляторы).
При этом первая зона статической характеристики обеспечивает
управление минимальным режимом, вторая — максимальным.
Вышеприведенные статические элементы получили в
эксплуатации широкое применение (это датчики и сигнализаторы,
чувствительные элементы давления и температуры, измерители
частоты вращения, регуляторы температуры, давления и уровня и т.д.).
5.5. Статическая характеристика системы
аВТОматическОГО реГ~лирОВания
Ay. = — К., АХ+К.„. hx,
рхо с Уо
(уравнение статики объекта 0)
(уравнение свзи регулятора с 0)
(уравнение статистики регулятора)
(уравнение свзи регулятора с PO)
(уравнение статистики РО)
(уравнение связи РО)
Ау К„А»„
~ро =Кс Лур
Ay„. =Кр.. Лх .
о с Уро
Подставив в первое уравнение Лх~ из последнего, и далее вместо
Ay~, ero значение из предпоследнего и т.д., получим выражение:
Уо о3. ох С' ро С' р С
или
Составим уравнение статики для всех элементов наиболее
распространенной линейной САР (рис. 5.17, а).
САР, статика элементов которой описывается уравнением вцда
у = Кх, называется линейной.
Составим систему уравнений, описывающих статику всех звеньев
линейной САР.
ГЛАВА 5 ° Основы теории аетоматическоао регулирования
Рис. 5.17. Структурная схема типовой линейной CAP: а — развернутая
схема; б — упрощенная схема
Ау
К.
ЬХ.
1+К Кс Кро Кс Кр Кс
САР является замкнутой системой, составленной из конечного
числа звеньев, при этом главная обратная связь проходит от
выходной координаты объекта через регулятор на входную
координату и является отрицательной. Обозначим через К
произведение коэффициентов статической передачи
последовательно расположенных элементов (как бы для разомкнутой
цепочки звеньев):
ох С ро С р С
где К вЂ” коэффициент статической передачи разомкнутой САР.
Тогда вместо системы уравнений получим выражение:
о3. Я„
1+К
К.
или у =—
1+К
Введя коэффициент К, для замкнутой системы элементов
К.,
К, = ~, получим вместо системы уравнений уравнение статики
1+К
САР:
у= — К,Х,
а структурная схема САР упростится (см. рис. 5.17, 6).

1 — К
Кя К.я
1+ + +a 1+
К
Кз =—
1+К
ОА
К
1-к1. К.,
к=пк,,
i=i
К
Кз ——
1 — К
201
РАЗДЕЛ 11 Судоеая электооаетоматика
Полученное выражение справедливо для С АР с любым
количеством звеньев. При астатическом регуляторе Кр — + m и тогда
К, = О, т.е. тогда отсутствует зависимость выходной координаты О от
нагрузки, о = О (точное регулирование). Если через регулятор будет
проходить положительная обратная связь, то К будет
противоположного знака и
5.6. Анализ статики систем
автоматического регулирования и синтез
САР
САР могут быть представлены в вцде разветвленных цепочек из
звеньев, взаимодействующих между собой в соответствии с общей
структурой.
Если известны статические характеристики каждого звена и всех
кинематических элементов и их коэффициенты статической
передачи (коэффициенты усиления), то возможно существенное
упрощение структурной схемы при переходе на ее эквивалентный
аналог с К, (см. рис. 5.17, 6).
Последовательное соединение звеньев направленного
(детектирующего) действия изображено на рис. 5.18, а.
Такое соединение заменяется эквивалентом в вцде элемента с
коэффициентом статической передачи:
!
где П вЂ” произведение;
E — количество элементов цепочки.
Параллельное соединение звеньев представлено на рис. 5.18 б.
Такое соединение заменяется эквивалентом в вцде элемента с
коэффициентом статической передачи:
к=~к,
ii= 1
Замкнутая система (САР) с отрицательной обратной связью,
проходящей через регулятор, представлена на рис. 5.18, в.
ГЛАВА б Основы теории автоматического регулирования
a)
х С1 у х У
аз -ЕБЯЯ-
Рис. 5.18. Варианты эквивалентной замены звеньев и структур:
а) — последовательное соединение элементов; б) — параллельное
соединение элементов; в) — замкнутый контур CAP с отрицательной
обратной связью; г) — звено, охваченное отрицательной обратной связью;
д) — замкнутый контур CAP c; е) — звено,
охваченное положительной обратной связью

РАЗДЕЛ II . Судовая элект оаатоматика
Данная САР заменяется эквивалентом с коэффициентом
статической передачи замкнутой системы К,. Уравнение статики
САР запишется как:
у =К,Х=
К
1+К„.К.„
Звено, охваченное отрицательной обратной связью (рис. 5.18, г)
имеет эквивалент, описываемый уравнением:
К
у ~вх
1+К
Замкнутая система (САР) с положительной обратной связью
(рис. 5.18, д) заменяется эквивалентом:
К
у =К,Х=
1 — К, К.„
Звено, охваченное положительной обратной связью
(рис. 5.18, е) заменяется эквивалентом:
У=К Х= .Е
К
1 — К
Таким образом, в результате анализа возможно упрощение
сложных структур автоматического регулирования и управления,
получениеуравнения САР,исследованиестатическиххарактеристик
и выработка практических рекомендаций, направленных на
повышение качества регулирования.
При наличии нелинейных статических характеристик отдельных
элементов САР (например, объекта или регулятора, это характерно
для элементов автоматики) анализ производится с использованием
метода кусочной аппроксимации, т.е. реальную характеристику
заменяют на участках прямолинейной статической характеристикой.
Противоположными действиями на основании известных
статических характеристик элементов САР возможно
структурирование сложных систем автоматического регулирования.
Этот подход называют синтезом структурных схем. На рис. 5.19 в
простейшем виде показан механизм создания САР из элементов
автоматики с известными свойствами и характеристиками.
Исходя из известных статических характеристик элементов
простейшей CAP (для объекта это семейство нагрузочных
202
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
Св.ювйсшво
ИО~Р~!вв 6ЫЬ~Х
Р ввввв рвв~вв'вв~~в
при Ував = вв~в~
с вввестом
Рис. 5Л9. Синтез статической характеристики CAP
характеристик, для регулятора — статическая характеристика) при
Ь.
у„= const и К, = —" =1 получаем стшпическую характериппику
z
САР.
Это зависимость момента двигателя как функция частоты
вращения вала:
М =Да),
полученная для всего диапазона регулирования при работе
двигателя на регуляторе при фиксированном значении координаты
задания у, = const.
Эту зависимость также называютрегуляторной характеристикой
двигателя.
Как следует из рис. 5.19, параметры регуляторной характеристики
(с, у) определяются частными характеристиками составляющих САР
шементов.
Следовательно, при синтезе возможен целенаправленный выбор и
корректирование характеристик элементов с целью оптимизации
параметров проектируемой (модернизируемой) САР.
203

в I
1
I
205
РАЗДЕЛ 11 . Судовая алектроавтоматика
Наклон же статической характеристики регулятора определяет
степень неравномерности регуляторной характеристики.
Как в состав САР, так и в состав ее элементов могут входить
элементарные звенья, поведение которых в статике и динамике
является стандартным и может быть описано соответствующими
математическими зависимостями. Возможно выделить следующие
так называемые типовые элементарные звенья, на которые можно
расчленить любую САР или ее синтезировать, используя эти звенья:
идеальное звено,
апериодическое звено;
колебательное звено;
интегрирующее звено;
дифференциальное звено;
звено чистого запаздывания.
Идеальное звено. Предполагается, что масса звена нулевая, а
жесткость абсолютная. Примером такого звена является рычаг
(усилительное звено) или нагруженная силой F (выходная координата
у) пружина в результате перемещения ее свободного конца
(рис. 5.20, а). Движение звена подчиняется второму закону Ньютона,
но в силу поставленных условий для идеального звена уравнение
ОВ
статики и динамики будут одинаковы:у = к-х, где k = и и"(р) =k
ОА
Временная характеристика звена (переходный процесс) показана
на рис. 5.20, б. Из-за отсутствия инерционности звена и абсолютной
его жесткости входная координата преобразуется в выходную для
любого значения времени.
При подаче на вход идеального (безынерционного) звена
периодических синусоидальных воздействий с амплитудой А на
выходе звена устанавливаются колебания с амплитудой а, для
которых независимо от частоты а отношение амплитуд равно
коэффициенту статической передачи (усиления) (рис. 5.20, в). По
фазе зти колебания совпадают с колебаниями входной координаты,
поэтому сдвиг по фазе у(со) =- О.
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
Зависимость — = / (а) для звена, определенную при изменении
А
частоты колебаний от нуля до бесконечности (О & t  &lt ao), на
амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).
Для идеального звена — = 1. Зависимость сдвига фаз у = fq(m) для
А
звена, определенную в диапазоне 0 & t  &l ; ao, на ывают ф
частотной характеристикой (ФЧХ).
Часто применяют понятие амплитудно-фаз овая частотная
характеристика (АФЧХ), которая одновременно отражает изменение
амплитуды и фазовый сдвиг между входной и выходной
координатами звена.
Для построения АФЧХ законы синусоидальных колебаний х и у
выражают в векторной форме с помощью комплексно-сопряженных
чисел. Синусоцдальные колебания представляют в вцде изменения
проекции вектора на мнимую ось при его вращении против часовой
стрелки вокруг начала координат с угловой скоростью со, т.e.:
х =А.ехр(гв. t),
у = а. ехр[/(со- t + у)] = и . ехр(ко - t) - ехр(гу).

РАЗДЕЛ И доеая эпектроаетоматика
Отсюда получим:
— = И'(ко) = — ехр(~у).
х А
Таким образом, АФЧХ вЂ” зто изменение вектора передаточной
функции 5"(ко) при изменении а в диапазоне 0 & t  & t; ao по ве и
направлению, конец вектора описывает при этом кривую (годограф).
Вектор Н'(ко) в общем случае может быть записан как:
И'(ко) = — (ю). ехр[гу(со)1.
А
4 4
Л'4Х
<4
а . k
и'(ко) = — (а). exp[i'(m)] =
А T(i03) 91
Для любого идеального (см. рис. 5.20, в) звена АФЧХ
вырождается в точку по оси Я, (здесь откладываются значения
— (со)), для любого значения а:
а
А
Апериодическое звено. Апериодическое звено — самое
распространенное звено в САР. Оно описывается уравнением:
Т вЂ” +y =kr,
ау
ct
I il;e T — IIOCTOIIHHBII времени;
выходная величина;
k — коэффициент усиления;
х — входная величина.
Угол у откладывается против часовой стрелки, если у & t
(запаздывание), или по часовой стрелке, если у & t 0 (опережени )
системах автоматического регулирования, как правило, имеет место
запаздывание. Величина вектора 5"(ко) совпадает с передаточной
функцией звена 5"(р), если р = ю. Например, если для звена
И'(р) =, то АФЧХ можно представить как:
k
Tp + 1
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
Подведенное тепло идет на
~0
аккумулирование энергии Aq„I. в
объеме жидкости, связанной с
повышением температуры, и
часть энергии рассеивается
(диссипирует) в окружающей
объем среде Aq Уравнение ба-
ланса энергии следующее: Aq =
Aq ~ + Aq Ясли рассматривать
процесс в интервале времени At,
стремящемся к нулю, то уравне-
ние запишется как:
P«- >-& t;'t. Схема
представление одноемкостного
алериодического звена 1-IG IlGpHpKa
dq =dq +dq,.
С целью упрощения задачи
будем считать, что вследствие теплоизоляции стенок диссипация
энергии отсутствует и dq О. Используя простейшие зависимости
тепловой физики, определим dq и dqI как:
~.,( о О )~~ ~ С а4~о
где и — коэффициент теплопередачи от источника энергии в жид-
КОСТЬ;
F среднеинтегральная площадь теплопередачи;
с теплоемкость жидкости;
G — масса жидкости в объеме.
Раскроем уравнение баланса энергии:
и . щ,'„— t, ','.„„)ct = с- б - ct', „
K таким звеньям относятся электрические генераторы, двигатели,
электронные и магнитные усилители, проходные четырехполюсники
с ицдуктивностью и емкостью, исполнительные механизмы.
В качестве обобщенного примера рассмотрим звено в виде некоего
объема жидкости, ограниченного со всех сторон стенкой, в центре
помещен точечный источник энергии Aq с температурой /,„. Требуется
найти зависимость изменения температуры жидкости / „, у стенки.
Таким образом, зто аналог системы охлаждения двигателя.
Источник энергии — рабочий процесс в цилиндре со средней
интегральной температурой в объеме сгорающей топливовоздушной
смеси (рис. 5.21).
20б

или
+t
0
~ 0
uF d
Т вЂ” +y =kI:»
dy
dt
Рис. 5.22. Временная
характеристика звена
209
208
РАЗДЕВ ~1 Оудоевк ввектооветомвтикв
Удобнее производить запись уравнения (рис. 5.22) через
приращения переменных, что соответствует переносу начала
координат в точку, с которой начинается процесс изменения
температуры:
После введения относительных координат
At.'„At,'.„
х= '" и y=
0 0
ВХ. НОМ В»Х. НОМ
получим так называемые уравнения движения (динамики) звена:
С-G.t 0 0
0
»< »& t «
° у=t -х
В»Х. НОМ к ВХ. НОМ
а7~
cG
где Т = — — коэффициент, так называемое время звена;
uF
k — коэффициент статической передачи (усиления) звена.
Часто уравнение движения представляют в ином киде:
—.— + —.у =х или T„- — +6Äy =х,
Т ф 1 ф
d k d
где Та Время разгона обьекЖ
О, — коэффициент самовырав-
нивания или коэффициент не-
равномерности звена.
Коэффициент передачи такого—
б
зВсна В комплсксном Видс
представляет собой уравнение:
У(~о)
Н'(ш) =—
Х(ю) 1+(юв)
ГЛАВА 5 ° Основы meopuu аегпомагпического регулирования
Ðuñ. 5.23. Примеры колебательных звеньев: а) электрическая схема;
б) механическая система; в) временная характеристика
Передаточная функция
( У(р)
A'(p) 1+ pt
Колебательное звено (рис. 5.23) — это звено, в котором при
скачкообразном изменении входной величины выходная величина
стрсмится к нОВОму устанОВиВшсмуся значснию, совершая
затухающие колебания. Его передаточная функция равна:
< p
k
1 — 26pT +(pT)~
Гдс E степснь затухания.
1
остоянная Времени Т связана с резонанснои частотои со, (T — — )
®0
1
и в 2л раз меньше периода, т.е. Т = — =2лТ.
®0
Интегрирующее звено. Простейшее интегрирующее звено
представлено на рис. 5.24. Зависимость между входной и выходной
координатами определяется уравнением:
2
у = — xdt+y .
Т л
0
с
Переходный процесс интегрирующего звена и его характеристики
приведены на рис. 5.24. Так, при «скачкообразном» возмущении,
например, при х = 1:

И'(р) = — = kp,
.к
W(iN) = A(iN) = kN-ехр(l — )
1
ЛФЧХ
ЯХ
эчх
А
t
210
ЕВЗЙЕП II Судовое ввевтооветотвтввв
Рис. 5.24. Переходный процесс интегрирующего звена и ero
XBPBKTBPNCTNKN
Отклонение выходной величины пропорционально интегралу
отклонения входной координаты х, поэтому такие звенья называют
интегрирующими.
Передаточную функцию интегрирующего звена получим из
уравнения, записанного в операторной форме
х = Т, ру и 5"(p) = — =
1
х Г,р
АФЧл'. при подстановке B Ю'(р) р(ко) определится при условии
0 (и (оО:
1 Cl
W(iN) = = — (В) ехр [ф(СО)]
Выделив Яе и Хт, получим:
1 .зт
5"(ю) = ехр( — ~ — ).
Т,и 2
Дифференцирующее звено. В идеальном дифференцирующем
звене (см. рис. 5.25, а) зависимость между входной и выходной
координатами определяется уравнением:
y=k
dt
В операторной форме уравнение движения выглядит каку = kpx.
Передаточная функция следующая:
ГЛАВА 5 Основы теории автоматического регупироеания
Уравнение движения дифференцирующего звена показывает, что
при «ступенчатом» возмущении (см. рис. 5.25, б) переходный процесс
начинается мгновенным импульсом бесконечной (теоретически)
амплитуды. Но так как длительность времени изменения входной
Jx
координаты стремится к нулю, то сразу же за установлением — =0
Ch
выходная координата также принимает нулевое значение у = О.
Звено состоит из катаракта (1) и пружины (2) (см. рис. 5.25, а) В
технике такое звено принято называть изодромом. Если через
изодром (дифференцирующее звено) проходит обратная связь, то ее
называют изодромной или гибкой обратной связью (ГОС).
Звено чистого запаздывании. Звеном чистого запаздывания
называется звено, в котором изменения выходной координаты у
полностью повторяют изменения входной координаты х, но смещены
относительно ее во времени, т.е. происходят с некоторым
запаздыванием т (рис. 5.26, а).
Реально такое звено не существует. Путем искусственного
введения в цепочку САР звеньев запаздывания удается приблизить
их математическое описание к реальным процессам, например,
pII~ g gg. ди@@еренцирующее звено, его переходный процесс и
характеристики

регулятор
° ° ' ° ° ° а
° °, °
° ° ° I
1 Э' ° CI
t 1 °
1 °
° ° I
k
4 °
t t
° I
° ° I ° ' В Cl
В °
1 ' 1 I
I ° ° I ° °
° ° Л
° ° I
° В
ЭЭ
А
И 1
I w ! ° 1
° Э !
I ° В ° ° В II i
° ° ° 1
ю В
I ° ! В
! ° Э I Э
I °
1 Э ° ° t ° ' ° ! ° ° 1 ' ' °
1 ° ! ° 1
° Э
° 1 ° 1 I 11» ° И 1111
II Э
II 11
Э1 а Э
° I ° ' И
°, ° П! ° ° ° ° I 1 ° ! ° Э
° ! ° ° 1!!1 11 ° 1 ° ° I ' i I ' Э °
° 1
I i' И ° 1~' °
° ° ю 1, Эю
1 °
I ° I в
В Э ° ° ° В
° 1
I 1 °
1 1В t °
1" 1 ° ! ° И °
° Э
° 1
° 1
I I I 11 Э
1 °
Ф Cl °
° ° ~
П1
° 1 ° °
° ° ° ° ° ° I
° ° Э
I °
° I В В И
° °
° t
В It! ° . ° Э °
° 1 ° ' t В В
° °
° ° !
Э I " I
° У !
В ЭЭ ° Э
, ° ° °
° °
ю °
° ° ° °
43
° ° В,. tI °
° ! I И В °
В ! ° ° ° °
° ° ° Н
° ! В
° °
° ° tt ! 1
° ~ °
° 1 Э'
i I t t
° ° I

РАЗЦЕЛ в Судовое ввввтроветотвтевв
Далее, передаточная функция разворачивается в уравнение
движения САР в операторной форме записи и затем может быть
представлена в вцде дифференциального уравнения. Решение
дифференциального уравнения позволяет построить диаграмму
переходного процесса САР при внесении того или иного возмущения
с целью последующего анализа качества работы САР.
Синтез уравнения движения САР возможен другим путем.
Сначала САР представляют в виде набора типовых звеньев (так
называемый анализ САР). При составлении дифференциального
уравнения звеньев выявляют физический закон, определяющий их
поведение, например, закон сохранения энергии, равновесия сил.
Рассмотрим пример для простейшей САР уровня (рис. 5.27, а).
Для этого составим структурную схему (рис. 5.27, б). Регулятор
состоит из поплавка и рычага, т.е. представляет собой типовое
идеальное звено (звено нулевого порядка) с передаточной функцией
И'„(Р)=k, =
АО
Заслонку (регулирующий орган) и вентиль (нагрузка) объединяем
с регулируемым объектом и описываем как типовое одноемкостное
звено с передаточной функцией
k,
~;(Р) =
Т,Р+1
Далее, составляем упрощенную структурную схему САР
(рис 5.27, в) в виде звена, охваченного обратной отрицательной
связью через регулятор уровня. И, наконец, определяем
передаточную функцию САР, используя выражение для
простейшего аналога САР, (рис. 5.27, г):
@;(Р)
саР (Р) з (Р)
Ь
Так как И'„,(Р) = — — (здесь знак определяется координатой Х),
получим
A[1+8'„(P) 5"о(P)] =-~~;(Р)
ГЛАВА 5 Основы теории автоматического регулирования
~г
A(1+k ' ) = — Х
Х;Р+1 Т Р+1
После преобразования равенства получим:
Уг(ТоР+1+ 1,kã) =
или
ТоР~г+ ~~г ~г~
где й = 1+ 4~г-
Разделив все члены уравнения на коэффициент k и раскрыв
d
оператор Лапласа Р = —, получим известное уравнение автоматики:
Ck
Т вЂ” +уг= — ' Х,
~г
1+~1~г
То
гдеТ=
1+~1 ~г
Свойства и динамические характеристики этой САР,, в полном
объеме определяются графиками и выражениями.
Уравнение статики САР,, имеет вид:
г
k
1+ k1~г
По этому уравнению возможно построение статической
характеристики системы автоматического регулирования уровня
(она же является регуляторной характеристикой). Можно построить
диаграмму переходного процесса САР как А = f(t).
По передаточной функции САР,, при подстановке в нее р = ш при
изменении частоты в пределах О & t  & t; оо во можно пос роить
АЧХ, ФЧХ и оценить качество функционирования системы
автоматического регулирования уровня.
Данный подход в судовой автоматике является основным при
исследовании и анализе сложных структур систем автоматического
регулирования техническими средствами судна.
При использовании относительно несложных экспериментов
определяются основные параметры, характеризующие уравнения
движения элементов.
Далее проводится исследование передаточных функций и
переходных процессов в системах автоматического регулирования с

РАЗДЕЛ 11 . Судовая злеюаи оавшоматика
целью улучшения статических и динамических характеристик и
показателей качества системы.
5.9. Устойчивость систем автоматического
~егули~ования
Основная задача регулирования состоит в установлении и
поддержании заданного режима работы объекта во времени. При
Этом качестВО процесса регулироВания Определяется рядом
показателей, отраженных в государственных стандартах и
требованиях нормативной документации, например, длительность
переходного процесса, заброс регулируемого параметра, степень
нечуВстВительности, степень неравномерности и т.п.
Если какое-либо возмущение нарушило равновесие в системе и
далее исчезло, то при устойчивом регулировании после достаточно
малого возмущения регулятор восстановит режим, который
поддерживался до дейстВия Возмущения.
Для линейной САР устойчивость процесса регулирования по
отношению к малым возмущениям означает его устойчивость также
и по отношению к любому другому возмущению, не обязательно
малому. Но сама линейная модель САР позволяет судить о поведении
реальной системы лишь по отношению к малым возмущениям.
Рассмотрим дифференциальное уравнение движения САР
(регулируемый параметр (р) в операторной форме записи при
возмущающем воздействии от изменения нагрузки Х:
(~о Р 9' +O — 1 p9 On) (p (~о Р 9' '+#7 -1 р 9 ~т)
Данное уравнение является неоднородным дифференциальным
уравнением. Ero решение относительно q находится как сумма двух
решений: частного решения с правой частью и общего решения
уравнения без правой части. Таким образом, решение уравнения
имеет Вцд:
ГЛАВА Б ° Основы meopuu авп~оматического регулирования
Характерный переходный процесс показан на рис. 5.28.
САР является устойчивой, если при t — э m переходная составляющая
стремится к нулю (q„(t) — э 0). Найдем зту составляющую из уравнения.
Для этого решим уравнение без правой части:
d"~ð йр
а . +...+а - +а„.(р =О.
О ~ д '' n — 1 ~ л
Определим корни характеристического уравнения
ио - Р" +".+и„1 . Р 9 и. = ~.
Так как данное уравнение содержит и корней, то переходную
составляющую можем записать в виде
q1 (г) — с . ехр(Р . t) + с . ехр(Р t)+...9.с .ехр(Р . t),
где Р1, Р2, ... Рп — корни характеристического уравнения;
с1, с2, ... с„— постоянные интегрирования, определяемые из на-
чальных условий.
Корни характеристического уравнения определяются только
левой частью уравнения, постоянные интегрирования — также и
правой частью уравнения. Поэтому быстрота затухания и форма
переходного процесса определяются как правой, так и левой частями
исходного дифференциального уравнения.
Нахождение корней характеристического уравнения связано с
трудностями. Однако находить их и не требуется, так как для
суждения об устойчивости системы нужно лишь знать, что все они
расположены левее мнимой оси на плоскости комплексного
переменного Р. Эти условия называются критериямиустойчивости.
Существующие критерии устойчивости делятся на две группы:
алгебраические и частотные.
У
Первое слагаемое определяет вынужденную составляющую (р,(1),
второе слагаемое переходную составляющую q„(t). Формула
может быть представлена следующим образом:
V(t) = Ч ... (~) 9 Ч „(~)-
1
Рис. 5.28. Характерный переходный процесс САР

РЮДЕЛ II Седоков вкектвоветомвтикв
Алгебраические критерии устойчивости.
Критерий устойчивости Рауза — Гурвица. Задачу отыскания
критерия устойчивости для систем„описываемых
дифференциальными уравнениями любого порядка, сформулировал
Максвелл в 1868 г. Эта задача была впервые решена в алгебраической
форме Раузом в 1873 г. для уравнений четвертой и пятой степени. В
1877 г. задача была решена полностью в вцде алгоритма,
определяющего последовательность математических операций,
необходимых для решения.
Большее распространение получил алгебраический критерий
устойчивости, сформулированный в 1895 г. математиком Гурвицем.
Независимый подход Рауза и Гурвица к оценке устойчивости
системы дал повод в мировой практике считать предложенный
критерий критерием Рауза — Гурвица.
Решение сводится к составлению матрицы коз ффициентов
уравнения, содержащую и строк и и столбцов а именно:
~о Р +' "+~'~ 3 Р+~~
Сначала заполняется главная диагональ матрицы
козффициентами от а, до а„. Вверх (по вертикали) записываются
последовательно козффициенты с увеличивающимся индексом, вниз
записываются козффициенты с убывающими значениями индексов.
Несуществующие козффициенты (n & t; инд к & t; О) заме
нулями.
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
Оценка устойчивости сводится к тому, что при ао & t 0 дол ны б
больше нуля все и определителей, получаемых из квадратной
матрицы козффициентов, определители (миноры) составляются по
следующему правилу:
3 5
Л, =а, >
а а
&g ;0
а а
&gt
О 2 4
al a3
Последний определитель включает в себя всю матрицу. Так как в
последнем столбце матрицы все злементы, кроме нижнего, равны
нулю, то последний определитель выражается через предпоследний
следующим образом:
Нужно оценить устойчивость САР по критерию Рауза — Гурвица.
Решение.
Л„=а, -Л„, &gt
Однако в устойчивой системе предпоследний определитель
должен быть положительным. Позтому условие положительности
последнего определителя сводится к условию а„& t; О, т е
положительности свободного члена характеристического уравнения.
Пример: САР имеет характеристическое уравнение
3 +002 2 +04 +0~ 0
Ql аз
а() а2
О Ql
ао
О О
0,02 0,5
0,001 0,4
Q2
Ql
0 0,02 0
О 0
О О
Q()
О
2. Определим значения миноров
О О О
О О 0
О О
О О
0 О
о о
О О
о о
О О
® а О
а ) О
1. Составим квадратную матрицу, для чего сначала заполним
главную диагональ козффициентами, начиная с а(, а затем всю
матрицу согласно правилу Рауза — Гурвица.
0,02 0,5
А, =0,02&gt 0  = =002. ,4 Ђ” 0,001.0,5
0,001 О,
3 о 2
3. При положительном значении а() (0,001) все миноры
определителя больше нуля. Следовательно, система устойчива.

РАЗДЕЛ 11 Судовое екектроветоивтикв
Частотные критерии устойчивости.
Критерий устойчивости Михайлова. Левая часть уравнения
представляет собой характеристический полином или собственный
оператор САР D(p):
D(p) = ц,р + а, р" '+...+a, р+ а..
Если подставить в полином значение р = ко, где а — круговая
частота колебаний, соответствующих мнимому корню уравнения, то
получим характеристический комплекс:
D(im) = Х(а) + ю У(а) = D(m) ехр[ — РР(со)],
где Х(а) — вещественная часть, содержит четные степени а,
Х(®) =ез. — Q ® +...;
где Y(m) — мнимая часть, содержит нечетные степени а,
У(О) = О„, И - О, И'+....
Функции D(m) и ~р(в) представляют собой модуль и фазу
(аргумент) характеристического комплекса.
Уравнение не будет иметь корней в правой полуплоскости, если
полное приращение аргумента y(m) при изменении 0 & t  & t; ao
л - —, где n — степень полинома D(p). САР будет при этом
2
устойчивой. Если полное приращение окажется меньше и. то
2
система неустойчива.
Чтобы установить связь между видом кривой Михайлова и
знаками вещественных корней характеристического уравнения,
определим, чему должен равняться угол поворота ~р вектора D(im)
при 0 & t  &l ; е . Для этого з пишем характеристи еский по и
виде произведения сомножителей
Мй =,Ы- J,)(р- М-.(p — г.)
где р~, р2, ... р„— корни характеристического уравнения.
Характеристический вектор можно представить в виде
D(im) =a,(im — р,)(im — р )...(im — р„).
Каждое выражение в скобках представляет собой комплексное
число. Следовательно, D(im) произведение из комплексных чисел.
220
ГЛАВА 5 Основы шеории аегпомагпического регулирования
При перемножении аргументы комплексных чисел складываются.
Поэтому результирующий угол поворота вектора D(im) при
изменении 0 & t  & t; oc будет равен сумме углов по орота отд
сомножителей
+ ЗР2+ +~л
Если р~ = — n„где а, & t; О, то дан ый сомножит ль бу ет а + к
При изменении 0 & t   lt; о вещест енная часть ос ается а н й Х
Л Л
мнимая Y = а изменится от Y = 0 до щ =+ — (рис 5.29, а), т.е. на угол —.
2 2
Если корень рд = +а1, где ui & t; О, то сомножит л ( Ђ  + о)
изменении а от 0 до m изменится таким образом, что вектор
Л Л
повернется на угол от +л до —, т.е. на угол ( — — ) (рис. 5 29, 6).
2 2
Если корни равны р12 = — а+ ф, то сомножители (а — ф + ко) . (а+
Л
ф + га) при аналогичном изменении 03 повернутся на углы щ = — + у
2
Л
н щ = — — у (см. рис. 5.29, в). Тогда вектор, соответствующий
2
Л
данному произведению, повернется на угол 91 + Чг = 2
2
Л
Аналогично, если р1 г = +a+ tp, то Щ + 9z = — 2
2
Таким образом, если характеристическое уравнение из и корней
будет иметь 1 корней с положительной вещественной частью, то
каковы бы ни были эти корни (вещественные или комплексные), им
а)
Рис. 5.29. Анализ сомножителей характеристического вектора

Пример:
движения:
при изменении ез от 0 до оо равен:
'Р =(п — 1) - — — 1- — = n. — — 1-л.
2 2 2
или
Я . exp(i. ~~»~'Р,.) =О,
1
0 100
— 49
-199
†9
05
РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроаетоматика
л
будет соответствовать сумма углов поворота, равная ( — 1 . — ), всем же
2
остальным (n — 1) корням характеристического уравнения, имеющим
отрицательные вещественные части, будет соответствовать сумма
л
углов поворота, равная (n — 1) - †. Общий угол поворота вектора D(im)
2
В общем случае 1-й сомножитель (р — р,) выражения в векторной
форме можно представить в комплексной плоскости (рис. 5.30) при
подстановке р = кл.
Каждый сомножитель
(р — р,.)=ко — р,. =р, е' ',
где р; — модуль вектора АД;
Ч'; — фазовый угол вектора АД(его аргумент).
Тогда уравнение можно представить как
а (р, -р ....р, .р„).е' ' е' '-...-е' "-' е' " =0
где Я вЂ” модуль Михайлова, Я =а, Яр,
i=1
Если изменять частоту ез от (с) до (m), то угол 'Р; каждого из
векторов изменится от
л л
( — ) до( — ). Ьп д
2 2
-'ЕВРФЮВ Ф ~
Критерий Михайло- Р!'
ва читается так: Ii у-
для устойчивости сис-
г
темы необходимо и г % Р1
Яе
достаточно, чтобы го-
дограф вектора D(im) в Рис. 5.30. Представление i-го сомножителя
характеристического вектора p(im)
ГЛАВА 5 Основы теории автоматического регулирования
комплексной плоскости, полученный в результате подстановки
р = 03 B характеристическое уравнение, при изменении 0 & t; о &l ; о
где не обращаясь в нуль, развернулся последовательно против часо-
л
вой стрелки на угол — (где и степень уравнения).
2
САР описана дифференциальным уравнением
1з 1г
ÎOO1 У+0,02- У+О,4 ~+ОД =Ь.
1з ' 1г ' 1
Требуется оценить устойчивость САР по критерию Михайлова.
Решение:
Запишем уравнение в операторной форме.
(0001-p' +0,,02 р +0,4. р+0,5).у =kx.
Приравняв собственный оператор нулю D(p) = 0, получим
характеристическое уравнение
О,ОО1. р'+О,О2- р'+ О,4. p+OP=O.
Делаем подстановку р = ю
( — 0001. в') -0,02.о' +0,4. в+0,5 =0
и выделяем вещественную и мнимую части (Яе и Хт). Вещественная
часть Яе = О 5 — О 02 ез~ Мнимая часть Хт = О 4. ез — О 001 - оз .
Для отыскания точек годографа составим табл. 5.1.
Строим годограф вектора на комплексной плоскости (рис. 5.31). При
со -+ 0 limIm = о, т.е. годограф вектора последовательно и не
обращаясь в нуль повернется против часовой стрелки на угол, не
л
превьппающий значения — - 3. Таким образом, САР устойчива.
2
Критерий устойчивости ХХайквиста основан на построении
амплитудно-фазово-частотной характеристики разомкнутой
системы при изменении частоты со от 0 до +со.

РАЗДЕЛ 11 . Судовая элект оаетоматика
Рис. 5.31. Годограф Михайлова
Устойчивость системы определяется в следующем порядке:
1. Строится структурная схема САР.
2. Разрывают замкнутую систему, нарушая одну из связей контура
(рис. 5.32, а).
3. Определяют передаточную функцию разомкнутой системы
~'(л) = ~;(г). ~„(s
4. Строят АФЧХ разомкнутой системы
И'(ю) =А,(m).À,(m).åõðßó,(m)+y (m)]},
где Ао(со), А„(со) — соответственно амплитудно-частотные характе-
ристики объекта и регулятора;
уо(со), у„(со) — соответственно фазово-частотные характеристи-
ки объекта и регулятора.
Введя замену А(со) = Ао(со) . А„(со) для разомкнутой системы,
получим АФЧХ
а)
ГЛАВА 5 . Основы теории автоматического регулирования
w(im)=А(т)ехр1 — (у,(m)+y (m)]}.
Для устойчивости САР необходимо и достаточно, чтобы АФЧХ
соответствующей разомкнутой системы не охватывала на
комплексной плоскости точку с координатами ( — 1, 1О)„как показано
на рис. 5.33. Произвольная АФЧХ устойчивой системы показана на
рис. 5.32, б.
Пример: Оценить устойчивость САР„с регулятором прямого
действия с помощью критерия Найквиста, если степень
неравномерности регулятора ор = О,1, время двигателя Т = О,9 с,
время регулятора Т, = О„ОО1 с, время катаракта Т»„=- О,О2 с, степень
неравномерности статической характеристики двигателя d = О,1.
Решение:
Определим передаточную функцию разомкнутой системы
~(s)—
1 1
у +~ Тг г Т
Определим АФЧХ значение р =- im и получим выражение для
АФЧХ разомкнутой системы, где
Ао(со) =
6.
о, +Т, -со
Определим АЧХ А(со) = Ао(со) . А„(со) при изменении О & t; с &l
результаты сведем в табл. 5.2.
Определим ФЧХ, где у(со) = у,(со) + у„(со):
со Т со Т»
~.()= ~«s( ) ~ ()= ~«s( )
б г Тг
й
р ра
Результаты расчета у(со) при О & t; с &l ; (x) в дем в табл
Таблица 5.2
Рис. 5.32. Структурная схема САР и ее АФЧХ

РАЗДЕЛ 11 . Судовая электроавтоматика
ГЛАВА 5 . Основы теории автоматического регулирования
Рис. 5.33. Амплитудно-фазовая частотная харакгеристика
5.10. КВчес~вО прОQecca регулирОBBHMR
Под качеством процесса регулирования понимают способность
RBTQMRTH IecKol o peI"QJIJITopR поддерживать с достаточной To IIIocTBM
заданное значение регулируемой величины.
Качество процесса тем выше, чем меньше отклонение
регулируемой величины от заданного значения и чем быстрее
практически устанавливается заданный установившийся режим.
Следовательно, первой стороной KR IecTBR pегулидования
является точность поддержания заданного значения регулируемого
параметра, когда на систему регулирования не воздействуют какие
бы то ни было внешние возмущающие факторы. Другой стороной
качества дегулидования является качестВО педеходных процессов,
которые возникают при действии на систему различных по характеру
и форме внешних воздействий.
Качество процесса регулирования оценивается (рис. 5.34), прежде
всего, статической ошибкой (степенью неравномерности
статической характеристики) по окончании переходного процесса в
установившемся режиме работы, которая определяется степенью
неравномерности регулируемой величины:
уст.хт. Ч уст. ии т ОО~у
'Р уст тт. 'Р уст.н
Рис. 5.34. Переходный процесс САР
а также степенью нестабильности регулируемой величины Ч',
определяемой размахом колебаний в установившемся режиме. В
соответствующих ГОСТах устанавливают допускаемую степень
нестабильности [V] для определенных установившихся режимов.
Как правило, это режим холостого хода и номинальные режимы.
Свойства переходного процесса определяются, главным образом,
MRKCBMRJILIIbIM OTKJIOHCHHCM PCI"~JIIIP~CMOB BCJIH IIIHBI OT ИСХОДНОГO
режима или перерегулированием.
Важнейшим показателем качества переходного процесса является
время переходного процесса т, определяемое отрезком времени от начала
переходного процесса до момента, начиная с которого отклонение
регулируемой величины не будет выходить за пределы зоны
допускаемой степени нестабильности установившегося режима работы.
Иногда качество переходного процесса оценивают
дополнительно числом полуволн за время т, что характеризует
степень колебательности переходного процесса.
5.11. Виды регулирующих воздействий
(ЗЭКОНЫ РЕГУЛИРОВЭНИЯ)
Релейное регулирование. Особенностью работы регуляторов
является создание прерывистости потока вещества (энергии) на

РАЗДЕЛ II . Судовая элект оаетоматика
входе в объект регулирования Соответственно колеблется значение
выходной координаты. Релейные регуляторы просты, надежны и
имеют низкую стоимость.
На рис. 5.35, а приведена широко применяемая функциональная
схема релейного регулирования давления йара во вспомогательном
паровом котле (2), осуществляемая включением и выключением
злектроприводного топочного устройства (1) с помощью регулятора
давления пара силь фонного типа (3). Управление топочным
устройством происходит с помощью электромагнитного пускателя (4).
На рис. 5.35, б представлена структурная схема CAP пара, где I—
реле давления (регулятор), II пускатель, III объект регулирования.
ВреMCHHRII диаграмма H3MCHCHHSI регулируеMQB величины
иллюстрируется на рис. 5.35, в. Моменты включения топочного
устройства отмечены величиной расхода топлива g с 8-" минуты по
18-ю и с 23-й минуты по 32-ю. Соответственно на оси давления котла Р~
отмечены штрих-пунктирные линии включения — выключения
топочного устройства. Давление удерживается в диапазоне (4-5,2) . 1О
кПа. Таким образом, статизм системы автоматического регулирования
давления определится величиной:
2. (5'2 ~).1ООМ =2бМ.
(5,2+ 4)
в) Р402мПО
B,ìçI÷
40
30
0 4 ВИИ ВOВ4ВВ8В
0
t, мик
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического регулирования
Частота включений зависит от величины потребления пара
(внешнее возмущение, нагрузка). Неравномерность регулирования
MOM&lt HO QMCHLIH Th 3R C' CT CQXCCH II QCTRHO KH pe IC JIRBJIC HH одн
при этом возрастает частота включений в работу топочного
устройства. Это скажется на надежности работы САР„. Релейные
САР применяются для регулирования процессов, в которых
допускаются существенные колебания регулируемого параметра
(регулирование давления сжатого воздуха в компрессорах при
набивке баллонов, уровня воды в утилизационных котлах,
регулирование температуры в морозильных камерах и т.п.).
Пропорциональные регуляторы. Бели управляющий сигнал
регулятора пропорционален отклонению регулируемой величины, то
такие регуляторы называются пропорциональными (обозначаются
русской буквой П или латинской Р). Примером простейшего
П-регулятора является регулятор уровня воды в баке, предложенный
и реализованный в паровой машине И.И. Ползуновым, или
регуляторы уровня, представленные на рис. 5.27. Наглядное
представление о работе moro П-регулятора дает его временная
характеристика (рис. 5.36).
Так как данный регулятор представляет собой типовое идеальное
звено нулевого порядка, то в любой момент времени tI, t2, ... t;
выходной сигнал равеH J' = kg - x, 1JIC козффициеHT cTRTH IecKQI'o
усиления k„= — ' = const.
У;
1
П-регулятором, напри-
мер, также является пнев-
матический регулятор
непрямого действия
(рис. 5.37). Этот регулятор
описывается уравнением
типового апериодическо-
го звена первого порядка
Т„.— +у=1 .х.
ф
t
Рис. 5.35. Релейное регулирование
Рис. 5.36. Временнан характеристика
П-регулятора
Как правило, устрой-
ство для изменения коор-
динаты задания выполня-

РАЗДЕЛ 11 . Судовая электроаетоматика
Рис. 5.37. Функциональная схема пропорционального
пневматического регулятора непрямого действия: 1 — измеритель
входного сигнала х; 2 — измеритель сигнала задания ~; 3 — питание;
4 — усилитель мощности; 5 — жиклер; 6 — устройство для измерения
коэффициента усиления; 7 — заслонка; 8 — сильфон отрицательной
обратной связи (вместе с пружиной сильфон образует ГОС) !
ется в виде конструкции, позволяющей изменять предварительную
затяжку пружины (показано на рисунке справа).
Заслонка (7) закреплена на горизонтальном рычаге, перемещение
правого конца рычага определяется сигналом рассогласования х — Ц
между входной величиной х и заданием E„а левого — сигналом
отрицательной обратной связи.
В потоке воздуха между постоянным сопротивлением (5) и
сопротивлением пневмопреобразователя формируется управляющий
cHIHKI, пропорциональный зазору Mezz' coIIIIQM H 3RcJIQHKQB. TBK
как сопротивление (5) дросселирует поток до ламинарного режима
движения, тО мОщнОсть упрз.вляющегО сигнала незначительна,
поэтому предусмотрен усилитель мощности (4).
Угловой груз (6) обеспечивает горизонтальное положение
заслонки независимо от значения входной координаты х.
Питание пневматического безрасходного усилителя мощности
обеспечивается так называемым сервисным воздухом при
определенном давлении.
Интегральные регуляторы. При предъявлении высоких
требований в части обеспечения точности поддержания
регулируемого параметра в судовой энергетике часто применяют
интегральные регуляторы (обозначение русским символом И или
латинским 1).
1
ГЛАВА 5 . Основы теории автоматического регулирования
На рис. 5 38 приведена схема интегрального регулятора,
установленного в системе автоматического регулирования давления
на питательном клапане парового котла.
Регулирующее воздействие пропорционально не отклонению
регулируемого параметра, а интегралу от этого отклонения. Разность
давлений hp измеряется сильфонами (5), управляющими
положением струйной трубки (6) гидравлического усилителя.
К трубке подводится под давлением конденсат. При нейтральном
(среднем) положении трубки давление в полостях сервомотора (1)
одинаково, но по мере ее отклонения от среднего положения через
плату (7) поступает в рабочую полость сервомотора конденсат с
интенсивностью q, см /с. Сервомотор (1) управляет
парорегулирующим клапаном турбопривода (2) к насосу (3),
который подает питательную воду в котел через регулирующий
клапан (4). Дроссель (8) служит для изменения скорости
перемещения поршня сервомотора (времени сервомотора) при
регулировках и настройке.
Уравнение движения имеет вид
t
1I= —. Ф -dt,
о
Рис. 5.38. Функциональная схема САР давления на питательном
клапане парового котла

РАЗЙЕП 11 ° Судовая элект оаетоматика
где р, ср — соответственно относительные изменения регулирующе-
го воздействия и регулируемой величины„
и Лр
p= и~р =
(4)
где ҄— время интегрирования, с,
ПИХ
F.u
q. ~~
Величина Т„ настроечный параметр И-регулятора,
устанавливается дросселем (8). На рис. 5.39, а представлена
астатическая характеристика регулирования, на рис. 5.39, б
графическая интерпретация уравнения И-регулятора. Управляющий
сигнал р; в любой момент времени пропорционален площади под
кривой q(t). Равновесие может быть достигнуто лишь при условии ср = О.
К недостаткам интегрального закона регулирования следует
оТНссТН затягивание процеccR H Qxf+IIIcHHc качеcTBR pcгулирования B
динамике.
Автоматическое регулирование с улучшенными характеристика-
ми можно получить путем комбинирования пропорционального и
интегрального воздействий. Для обозначения пропорционально-ин-
тегрального регулятора введены символы ПИ или РХ.
Пропорционально-интегральный регулятор. На рис. 5.4О
представлена функциональная схема такого регулятора.
Пропорциональная составляющая формируется за счет сигнала,
поступающего в полость сильфона отрицательной обратной связи (8).
Изменение выходного сигнала hyI по этой составляющей
пропорционально изменению входного сигнала Х ЛУ1 = kII . Х
.Ф 1ООС,'. р
1.
рис. 5.39. Характеристики И-регулятора
ГЛАВА 5 Основы теории автоматического регулирования
4 3
рис. 5.40. Функциональная схема ПИ-регулятора
Интегральная составляющая ПИ-регулятора формируется с
помощью сигнала, поступающего в полость сильфона (11) через
дроссель (9) (положительная обратная связь). Объем (1О) играет роль
аккумулятора сжатого воздуха и облегчает установку времени
интегрирования Т„регулятора дросселем (9). Изменение интегральной
составляющей Лу~ выходного сигнала будет следующим:
1
У2
О
Эффект интегрального воздействия аналогичен эффекту ручной
подстройки координаты задания после каждого изменения нагрузки.
Полное изменение выходного сигнала определится согласно
принципу суперпозиции как сумма составляющих процесса
1
y =k .(x+ — fx.dt).
о
Переходной процесс идеального . ПИ-регулятора при
скачкообразном изменении входной координаты представлен на
рис. 5.41 (в идеальном регуляторе не учитывается инерционность).
Интегральная составляющая ухудшает устойчивость системы и
затягивает переходные процессы. Тем не менее, ПИ-регуляторы
получили широкое применение в первую очередь для объектов,
требующих большой перестановочной силы регулирующего органа.
Пропорционально-дифференциальные регуляторы. Воздейст-
вие по производной часто совмещают с пропорциональным регули-

РАЗДЕЛ и . Судовая элект оаетоматика
Рис. 5.41. Переходной процесс ПИ-регулятора:
y(t) — идеальный регулятор; у'(t) — реальный регулятор
рующим воздействием в так называемых пропорционально-диффе-
ренциальных (ПД) регуляторах. Это позволяет улучшить качество
переходных режимов CAP.
На рис. 5.42 приведена функциональная схема ПД-регулятора. От
схемы П-регулятора (см. рис. 5.37) она отличается наличием дроссе-
ля (12), расположенного перед сильфоном (8) обратной связи. С
помощью дросселя устанавливается постоянная времени дифферен-
цирования Т„регулято-
"1
ра. Такой регулятор
называют регулятором Х
с упреждением.
Перемещение право-
го конца рычага, несу-
щего заслонку (7) 8 е — — в
6 г,'~
ПНЕВМОУСИЛИТЕЛЯ, ОПРЕ- ,5
деляется сигналом рас-
согласования х-Ц на 12 1~
входе регулятора, а ле- ~l 8
ВОГΠ— ИЗМЕНЕНИЕМ
давления сжатого воз-
Рис. 5.42. Функциональная схема
~8 в пОлОсти сильфО- ПДрегулятора (регулятор g улре1кденнем)
ГЛАВА 5 . Основы теории автоматического регулирования
на (8). В статике, когда давление по обе стороны дросселя (12)
выравнивается, регулятор работает как пропорциональный с козф-
фициентом усиления k~. В начальный момент переходного процесса,
когда действие обратной связи блокировано дросселем (12), регуля-
тор ведет себя как регулятор с козффициентом усиления k~ & t; z.
мере уменьшения разности давлений на дросселе (12) козффициент
усиления возвращается к значению k„.
Уравнение движения идеального ПД-регулятора (безынерцион-
ного) с ненулевыми начальными условиями (при t = О, у(О) = k~)
выглядит как
Т, - — +у =k„-õ.
иу
dt
IIpH O~IIeнчатом Bxo+HQM Bo3peйствии x() = coIlst peIIICHHC
вышеприведенного уравнения с учетом ненулевых начальных
1
условий имеет вид:
у = (~„~д) е +~гк хо
Решение данного уравнения представлено на рис. 5.43. Как видно
из данного рисунка в начальный момент переходного процесса
следует мгновенная реакция регулятора на изменение входной
координаты (линия Π— 1 при включенной обратной связи, у = k~ . хо).
Участок 1 — 2 характеризует участок введения обратной связи со
скоростью, пропорциональной времени дифференцирования Т„.
Реальный ПД-регулятор имеет инерционность, в результате чего
переходный процесс максимально вписывается в кривую Π— 1 — 2
(пунктирная линии). Выходной сигнал ПД-регулятора
ггх
у ~л (хо +Тд
ПД-регуляторы с производной в цепи обратной связи (их иногда
называют регуляторами с упреждением) получили наибольшее
применение в СЭУ. Значительно реже используются регуляторы с
производной в прямой цепи. Редко используются в практике
ИД-регуляторы (интегрально-дифференциальные).
Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД)
регулятор. Выходной сигнал ПИД-регулятора представляет собой

РАЗДЕЛ 11 . Cydoeaa электроаетоматика
ГЛАВА 5 ° Основы теории автоматического реаулироеаиио
д
Рис. 5АЗ. Переходной процесс ПДрегупатора
трех Bo3peйствий: пропорционального,
интегрального и дифференциального
у =/с .(x, +T, .— + . fx.Ch)
dx 1
dt Т„
Добавление к пропорциональному воздействию интегральной
составляющей обеспечивает астатическую характеристику
регулирования. Дифференциальная составляющая компенсирует
ухудп1ение динамических свойств, вносимых интегральной
составляющей, и повышает быстродействие системы.
На рис. 5.44, а показано изменение выходного сигнала идеального
ПИД-регулятора у, вызванное скачкообразным возмущением на
входе. Начальный период переходного процесса определяется
действием дифференциальной составляющей (1), выключающей, а
затем постепенно вводящей отрицательную обратную связь. Далее
начинает действовать интегральная составляющая (2), изменяющая
выходной сигнал до тех пор, пока не исчезнет рассогласование между
текущим и заданным значениями регулируемой величины.
На рис. 5.44, б представлен переходный процесс реального,
обладающего инерционностью, регулятора.
Взаимодействие элементов ПИД-регулятора представлено на рис. 5.45.
Рис. 5.44. Переходные процессы ПИД-регулятора при скачкообразном
возмущении: а) идеальный ПИД-регулятор; б) реальный
Рассогласование х — ~ на входе регулятора приводит к
перемещению правого конца рычага, несущего заслонку (7)
пневмоусилителя (4), и соответственному отклонению выходного
cHFHKIR J. IIpH 3TQM H3MCIUICTcB давлеHHC сжатого Bo3~R,
поступающего через дроссели (12) и (9) в полости сильфонов (8) и
(11) (соответственно дифференциальной и интегральной
составляющих)
Выходной сигнал начинает изменяться во времени (см. рис. 5.453.
Знаки действия составляющих показаны на рис. 5.45 (величины их
характеризуются значениями Т„(минус) и Т„(плюс) по отношению к
изменению входной величины х (плюс)).
При Т„ & t; Т„ регуля ор тер ет .устойчивос ь, ак ак давле и
сильфоне интегральной
~~+~ составляющей (11) изме-
няется быстрее, чем в
10 У 1 1
сильфоне дифференци-
l альной составляющей (8).
Действительно, пусть Лх
8
4[ — — В" .ает изменение вы-
,5
xopHQI'o сигнала ф~. TBK KRK
у г ~@ .1 t Т„& t Т То давле и в си
У фоне (11) будет расти быс-
8 трее, чем в сильфоне (8).
Это вызовет дальнейшее
~ис. 5.45. ч1ункциональная схема увеличение сигнала У вмес
пневматического ПИД-регулятора то ero ограничения.

РАЗДЕЛ II . C доеая элект оаетоматика
Такал схема будет устойчива только тогда, когда отрицательная
связь будет преобладающей, T.е. Т„& t;
Tä
Рекомендуется принимать —" & t; О,
Т.
Т.
Наилучшее соотношение (по экспериментальным данным) — ' = OJI 5.
Т.
Передаточная функция ПИД-регулятора в соответствии с
уравнением имеет вид:
~'(р) =~,0+a. Т, + ).
1
р Т„
ПИД-регуляторы получили достаточно широкое применение в
судовой автоматике. Они реализуют полный закон регулирования.
При надлежащей настройке ПИД-регуляторы позволяют
получать BhlcoKHc показатели переходных процеccoB.
В качестве примера применения ПИД-регулятора можно привести
систему автоматического управления курсом судна. Автоматическое
управление движением судна по заданному курсу осуществляется
автоматическим управляющим устройством, называемым
авторулевым.
Анализ опыта эксплуатации систем автоматического управления
курсом судна llo3BQJIJlcT сформулировать ocHQBHblc задачи,
решаеMMC COBpCMCHHhIMH RBTOpfJICBhIMH:
автоматическая стабилизация курса — поддержание заданного
курса с минимальным рысканием судна в условиях дестабилизи-
p~I+CI'O BJIHSIHHSI возмущающих BO3JJCHCTBHH: волнения MOpJI
ветра, течений;
автоматическое маневрирование по курсу — автоматическое из-
менение курса судна и приведение ero в соответствие с заданным
курсом без вмешательства оператора-рулевого;
автоматическое устранение дрейфа судна с заданной траектории при
работе в режиме стабилизации курса, возникающего в результате
JIcHcTBHJI JIRIQBQH llocToslljHQH составляющей внепших возмущений.
Все современные авторулевые реализуют принцип управления по
отклонению, поскольку датчики внешних возмущений отсутствуют
В автоматическом режиме в авторулевом реализуется ПИД-закон
управления курсом.
ГЛАВА 5 . Основы теории автоматического регулирования
Рис. 5.46. Обобщенная функциональная схема управления курсом
судна: ЗУК вЂ”; С1-C2 — сумматоры;
БК вЂ”; У вЂ”; ИМ вЂ” исполнительный механизм;
РП вЂ” рулевой привод; Р—; ОУ вЂ” орган управления (судно);
ДУП вЂ”; ДК вЂ”; BOC—
вспомогательная обратная связь; ГОС вЂ” главная обратная связь
Рассмотрим обобщенную функциональную схему
автоматической системы управления курсом судна (рис. 5.46),
которая представляет собой совокупность объекта управления ОУ
(судно), регулирующего органа — руль Р и управляющего
устройства — авторулевого. Все авторулевые осуществляют
управление по отклонению регулируемой величины — курса судна
~р. Сигнал рассогласования курса (Ллр = IIJ, — I1J,) формируется
элементом сравнения (сумматором Cl) на основе сигнала заданного
курса ~р„вырабатываемого электромеханическим задающим
устройством курса ЗУК и сигнала текущего значения I1J„aoTophlH с
помощью датчика курса ДК образует главную обратную связь ГОС
системы управления. Сигнал рассогласования курса поступает на
вход регулятора, состоящего из блока коррекции БК и усилителя У. С
выхода усилителя сигнал управления U поступает на
исполнительный механизм, который воздействует на рулевой привод
Р, осуществляющий перекладку руля. При перекладке руля на угол а
создается вращающий момент М, вызывающий поворот судна
относительно мидель-шпангоута и изменение его курса. Система
управления наряду с ГОС содержит вспомогательную обратную
связь ВОС, которая реализована с помощью датчика угла перекладки
ДУП и элемента сравнения (сумматора С2). На выходе сумматора С2
получается сигнал рассогласования угла перекладки (6y =- а, — а,) С

РАЗДЕЛ 11 ° Судован электроавтоматика
помощью задающего устройства руля ЗУР формируется значение
заданного угла перекладки а, Вспомогательная обратная связь
образует внутренний замкнутый контур, который называется
следящей системой управления рулем.
Известно, что при основных эксплуатационных скоростях для
большинства судов, оборудованных рулевым устройством, углы
дрейфа не превышают 1Π— 15', а угловые скорости — 2 — 3'/с, что
значитеIlbHo упростить cNcTCMQ диффереHIQIRJIbHblx
уравнений движения судна.
Структурную схему (см. рис. 5.47) имеют большинство
современных АР, различающихся элементной базой,
схемно-конструктивным использованием ПИД-регулятора,
выходного усилителя, схемой и принципом управления рулевым
приводом (непрерывным или позиционным), а также типом рулевого
привода. В данной схеме основными управляющими элементами
являются сельсины СТ1 — CT4, работающие в трансформаторном
I
Uum
UU
(
"'-~1«во ру'"" «Право ревя:
!
1
'-U
L.
ГЛАВА 5 . Основы теории автоматического регулирования
режиме, и сельсин-приемник курса (СПК), работающий в
индикаторном peII~IIMC oT ceJIbcNHR""датчика курса гирокомпаса
(СДК).
Автоматический режим управления курсом (см. рис. 5.47)
осуществляется в положении (3) переключателя П при включенной
ГОС. В этом режиме ротор сельсина-задатчика СТ1 выходным валом
механического дифференциала МД разворачивается на угол
рассогласования курса y = y, — y, при этом выходное напряжение
сельсина U, пропорционально рассогласованию курса. Сигнал U,
дополняется в БК составляющими по производной U è интегралу UÄ.
Работой рулевого привода управляет результирующее напряжение
U, + U + U„— U„— Uð на входе У1. В результате отработки приводом
выходного сигнала дифференцирующего устройства
обеспечивается достаточно быстрая перекладка руля, создающая
тормозящий момент при уходе судна с заданного курса.
При возвращении судна на заданный курс сигнал U ìåíÿåò знак, и
руль перекладывается на угол сдерживания, обеспечивая плавный
подход судна к траектории. На выходе интегрирующего устройства
БК вырабатывается напряжение U„, пропорциональное разности
амплитуд рыскания судна на левый и правый борт, появляющееся в
результате действия лаговой постоянной составляющей
возмущающих воздействий. Вследствие отработки приводом
сигнала U„ создается нулевое нейтральное положение руля, в
котором U Uð, что обеспечивает компенсацию постоянной
составляющей возмущений и устранение лагового дрейфа судна с
траектории. От того, насколько точно настроен ПИД-регулятор
авторулевого, зависят точность поддержания курса, амплитуда и
частота перекладок руля в режиме стабилизации, а также плавности
переходного процесса автоматической отработки задаваемых
изменений курса.
Рис. 5.47. Структурная схема авторулевого: СПК вЂ” сельсин-приемник
курса; Шт — штурвал; ДШ вЂ” двигатель штурвала;
СТ1 — СТ4 — сельсины-трансформаторы; БК вЂ” блок коррекции;
У1 — У2 —; ИМ вЂ”; МД вЂ” механизм
дифференциальный; НРП вЂ” насос регулируемой производительности;
ГП вЂ” гидропривод; СДК вЂ” сельсин-датчик гирокомпаса; ДР— датчик руля;
РМ вЂ” рулевая машина

Обязательной составной частью САР, систем
автоматизированного управления (САУ), систем контроля и защиты
являются измерительные устройства, отражающие информацию о
значениях различных параметров или их отклонениях от заданных
значений (рис. 6.1).
Измерительное устройство состоит в общем виде из
чувствительного элемента (ЧЭ), задающего устройства (ЗУ) с
координатой задания у, и сравнивающего устройства (СУ)
ЧЭ преобразует измеряемый параметр х„в сигнал, удобный для
сравнения. Аналогичный сигнал формируется в 3У со значением,
определяемым установкой у, . Сигналы ЧЭ и ЗУ в виде усилия,
перемещения, электрического тока или другого параметра
поступают на вход СУ, и в случае рассогласования входных сигналов
на выходе СУ появляется сигнал у„(Ьу„). Индекс «д» относится к
измерительным устройствам, являющимися датчиками (аналоговый
сигнал). При дискретном выходном сигнале прибор называется
сигнализатором и вводится индекс «с» с координатой (х„у,).
Рис. 6.1. Структурная схема измерительного устройства
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
6.2. Измерение давления
Как правило, ЧЭ (датчик) представляет собой плоскую
эластичную или жесткую мембрану (для малых давлений).
Сильф анны е датчики применяют для средних давлений,
трубчатые для высоких давлений. Эластичные мембраны
изготавливают из аэростатной ткани или дюритовой резины
(рис. 6.2, а). Жесткие мембраны изготавливают из нержавеющей
стали или бериллиевой бронзы.
е) ) р
6<0.
Рис. 6.2. Функциональные схемы ЧЗ давления
Сила давления, как правило, уравновешивается силой действия
пружины, имеющей предварительную затяжку (у, ), а сравнивающее
устройство (вырожденное) обеспечивает выходную координату у„,
пропорциональную BxopHoMQ сигналуp B cooTBCTcTBHH co cxeMQN HR
рис. 6.1:
У,= Р Уд-
Применение гофрированных мембран расширяет рабочий
диапазон датчиков (рис. 6.2, б), часто применяют мембраны с
жестким центром (рис. 6.2, в).
Изготавливают сильфоны из тампака, бериллиевой бронзы и
нержавеющей стали.
Уравнение статики этих элементов выглядит каку = k - х (при малом
влиянии сил трения и гистерезиса на статическую характеристику).
Эти приборы имеют высокую прямолинейность статической
характеристики, просты Ilo конструкции, надежны
невысокую стоимость, что и определяет масштаб их применения. Для
измерения высоких давлений применяют трубчатые датчики давления
(манометрическая трубка или трубка Бурдона и геликоидальная
пружина), представленные соответственно на рис. 6.3.
Трубка Бурдона представляет собой упругую металлическую
трубку эллиптического или прямоугольного сечения, согнутую по
радиусу. При повышении давления трубка расширяется, а при

ГЛАВА 8 Элеменкпы автоматических систем
1 1Р
Рис. 6.3. Функциональная схема трубчатых датчиков давления
а — трубка Бурдона; б — геликоидальная пружина
понижении сгибается. В данном устройстве вырождены и
совмещены ЧЭ, ЗУ и СУ. Выходной сигнал у„пропорционален
изменению давления. Трубка Бурдона широко используется в
контрольно-измерительных приборах и устройств автоматики.
Металлические мембраны и трубки Бурдона в рабочей зоне обладают
свойствами пружин и не имеют остаточной деформации.
Превышение предельных значений давлений вызывает остаточную
деформацию, что недопустимо в эксплуатации В области давлений
до 1О МПа трубчатые пружины изготавливают из латуни или бронзы,
для более высоких давлений из стали
Геликоидальная пружина представляет собой упругую
металлическую трубку эллиптического сечения, закругленную по
спирали. Принцип работы аналогичный.
Перепад давлений hp = р1 — р2 измеряют, например, для
определения расхода жидкости или газа, а также сопротивления
участка трубопровода. Для измерения малых перепадов давления (от
1О до 16ОО Па) используют мембранный датчик из эластичной
аэростатной ткани, дюритовой резины или фольги {рис. 6.4, а).
Измеряемые давления р& t и р~ подводя с к поло ти датч к
обеих сторон мембраны, на жестком центре которой создается
усилие Р„, пропорциональное их разности и направленное в сторону
меньшего давления. Выходной шток уплотняется в корпусе
сальником или сильфоном. Во втором случае активная площадь
мембраны со стороны штока будет меньше на размер активной
площади уплотнительного сильфона.
Рис. 6А. Функциональная схема датчиков перепада давления
Сильфонный датчик перепада давлений {рис. 6.4, б) применяется
для измерения значительно больших перепадов давления, чем в
первом случае. Датчик имеет ЧЭ и ЗУ в виде дополнительной
пружины с устройством изменения предварительной затяжки
пружины и СУ, выполненное в виде суммирующего рычага.
Эти датчики обладают высокой чувствительностью из-за
отсутствия сил сухого трения в уплотнениях, прямолинейностью ста-
6 тических характеристик; про-
сты и надежны в
эксплуатации.
Контпрояь давления. В
СЭУ широкое применение
получили комбинированные
е реле давления КРД {рис. 6.5).
2
Повышение давления до за-
1
1
данной величины вызывает
с
1 срабатывание микровыклю-
чателя (8). Предварительная
P установка координаты
Рис 8 5 Функциональная схема КРД задания производится с по
мощью устройства э~тяжки
рычаг; 4 — пружина; 5 — стопор;
пружины (6) и углового ры-
предварительной затяжки пружины; чага (3). Соответствующий
~'стировочнa~ плата электрический сигнал через
8 — микровыключатель;
шаговый разъем (9) поступа-
9 — электрический разъем типа ШР

РАЗДЕЛ П ° Судовая электроавтоматика
ет в систему автоматики, обеспечивая заданный алгоритм функцио-
нирования, например, срабатывание АПС, выполнение функции
защиты или управления системой. Установка микровыключателя
(юстировка) обеспечивается подвижной платой (7) и фиксируется со-
ответствующим винтом. КРД являются унифицированным элемен-
том в системах автоматики с конкретным целевым назначением
Для измерения температур применяются приборы (датчики)
механического и электрического типа. Механические датчики основаны
на тепловом расширении рабочего тела. Приборы, входящие в тепловой
контакт с контролируемой средой и по показаниям которых определяют
ее температуру, называют термометрами.
Устройства, предназначенные для регулирования температуры,
называются терморегуляторами, а обеспечивающие работу АПС и
систем контроля — термосигнализаторами.
Механические датчики. Это датчики, действие которых основано
на тепловом расширении жидких или твердых тел или на изменении
давления газов или паров жидкости в замкнутых системах.
Выходными сигналами таких датчиков являются перемещения или
усилия, однозначно определяемые изменением температуры.
Жидкостные термометры работают по принципу различного
расширения оболочки и находящейся в ней жидкости. Стеклянный
термометр состоит из баллончика с припаянной к нему прозрачной
капиллярной трубкой и шкалы. Баллончик заполнен жидкостью,
коэффициент теплового расширения которой в 15 — ЗО раз больше,
чем оболочки. Оболочку выполняют из стекла (кварца), в качестве
наполнителя применяют жидкость (спирт, толуол) или текучий
ме-.алл {ртуть, галлий).
Жидкостный датчик температуры состоит из ЧЭ в виде
металлического термобаллона (1) {рис. 6.6, а) и сильфона (3),
связанных между собой металлическим (медным) капилляром (2),
защищенным от внешних воздействий оболочкой. Внутренняя
полость заполнена ксилолом, глицерином или ртутью. Термобаллон
помещается в контролируемую среду. Выходной сигнал у„
(перемещение штока (5) с возвратной пружиной (4)) пропорционален
изменению температуры. Жидкостные датчики имеют большие
перестанОВОчные усилия и МОгут использоваться не только для
ГЛАВА 8 ° Элементы автоматических систем
Рис. 6.6. Функциональные схемы датчиков температуры
измерения температуры, но и для целей управления
(терморегуляторы), в качестве первичных приборов в АПС и защиты
(терм осигнализаторы).
Часто применяют приборы, аналогичные КРД и отличающиеся
тем, что давление в силь фоне создается термобаллоном с
легкоиспаряющейся жидкостью, помещенным в измеряемую среду и
связанным с сильфоном при помощи капиллярной трубки. В данном
случае прибор называется комбинированным реле температуры КРТ.
Датчик с твердым наполнителем термометрической системы
имеет аналогичный принцип действия и свойства. Выполнен датчик
{рис. 6.6, б) в виде жестко закрепленного сильфона (6), внутренняя
полость которого заполнена воском с медными опилками. Датчик
располагают в среде, температуру которой регулируют путем
открытия (закрытия) проходного сечения подвода энергии,
например, холодной жидкости или путем ее перепуска. Датчик
вместе с регулирующим органом является простейшим
терморегулятором.

РАЗЙЕЛ II Судовая аявктаоавтоиатока
Дилатометрический датчик {рис. 6.6, в) состоит из трубки (1О),
нижний конец которой связан со стержнем (11), выполненным из
материала с нулевым коэффициентом теплового расширения (сплав
и ивар, кварцевый стержень). Верхний конец трубки впаян в
резь бовой штуцер, на фланце которого закреплен рычаг (8),
прижимаемый к стержню (11) пружиной (7). Датчик устанавливают
на трубопроводе или теплообменнике (9), а трубка (1О) погружена в
контролируемую среду.
Трубку изготавливают из меди, латуни или стали. Изменение
температуры среды приводит к пропорциональному перемещению
рычага (8). Уравнение статики дилато метрического датчика
выглядит KRK:
у =k.(а, — а ).1, .t,
где и1 и а~ — соответственно коэффициенты линейного расшире-
ния материалов трубки и стержня;
lII — активная длина дилатометра;
температура среды;
ОВ
k — коэффициент статической передачи рычага, k =
ОА
Недостатки прибора малое перемещение, инерционность и
невысокая точность измерения. Зато датчик обладает большим
пере стан овочным усилием, что позволяет использовать его в
качестве терморегулятора или термосигнализатора.
Биметаллический датчик (рис. 6.6, г) состоит из плоской или
спиральной биметаллической пружины (12), которая спаяна из двух
пластин разнородных металлов. При изменении температуры
пластины удлиняются неодинаково, вызывая изгиб плоской или
скручивание спиральной пружины. Недостаток невысокая
точность измерения, достоинство — малая стоимость„простота и
надежность.
Термометрические датчики по конструкции аналогичны
жидкостным (см. рис. 6.6, а). Так, в парожидкостном датчике
термопатрон заполняют на 2/3 объема жидкостью с температурой
кипения ниже измеряемой, остальной объем занимают пары. Для
диапазона измеряемых температур от — 2О'С до +1ОО'С применяют
хлорметил. От О'С до +125'С вЂ” хлорэтиловую жидкость, or О С до
+15О С этиловый эфир или ацетон, от О'С до +2ОО'С бензол.
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
Давление паров по капиллярной трубке с внутренним диаметром О,З
мм передается на дистанцию от 1,5 — 2 м до 9 м к датчику давления
(манометру), шкала которого проградуирована в градусах Цельсия.
Общими недостатками этих датчиков являются большая тепловая
инерционность, трудности ремонта в судовых условиях,
ограниченность расстояния передачи входного сигнала.
Электрические датчики {рис. 6.6, д) с терморезисторами
работают по принципу изменения активного сопротивления
проводников и полупроводников при изменении их температуры.
К одной диагонали измерительного мостика Уитсона подведено
постоянное напряжение, в другую — включен прибор для измерения
тока, миллиамперметр. В три плеча мостика включены постоянные
сопротивления R1, Ю, АЗ в четвертое — терморезистор Ак, который
размещен в зоне измеряемой температуры. Сопротивления
подбирают так, чтобы при t = О С ток в цепи отсутствовал (мостик
уравновешен). При изменении температуры ток Х, пропорционален
температуре Х = k . t или у = k . х (уравнение статики) Диапазон
измерений колеблется от — 5О до +6ОО'С. Датчик смонтирован в
защитном герметизированном корпусе. Терморезистор представляет
собой каркас с намотанной на нем проволокой (платиновой, медной
или никелевой)
Подробная информация о терморезисторах изложена в главе 1
«Полупроводниковые приборы», параграфе 1.3 «Полупроводнико-
вые резисторы».
Термометрические датчики (пирометры) применяют для
измерения высоких температур в СЭУ. На рис. 6.6, е представлен
пирометр состоящии из термопары (два изолированных проводника
из разнородных металлов, спаянных между собой и помещенных в
защитный металлический терм о стойкий корпус). Этот сп ай
называется «горячим», к свободным концам («холодным» спаям)
присоединен милливольтметр. При разности температур между
горячим и холодными спаями возникает термоэлектродвижущая
сила (термоЭДС), измеряемая милливольтметром и являющаяся
выходным сигналом датчика. Применяемые приборы (пирометры)
для измерения температур выпускных газов дизелей (типа ТКД
термометрического дизельного комплекта) имеют дополнительное
устройство для компенсации влияния температуры в месте
установки измерительного устройства на выходной сигнал датчика.

РАЗДЕЛ 11 . Судовая электроавтоиакпика
Принято следующее обозначение термопар: например,
платина-плат инородиевых — ПП, хромель-копелевых ХК,
хромель-алюминиевых — ХА, медь-копелевые — МК и др.
Электрические датчики обладают высокой чувствительностью,
широким диапазоном измеряемых температур, возможностью
передачи сигнала на большие расстояния.
Они незаменимы при применении микропроцессорных
комплектов в системах судовой автоматики.
Поплавковые датчики уровня получили широкое применение в
СЭУ вследствие их простоты, линейности и малой стоимости при
высокой надежности. Типичным представителем поплавковых
датчиков является датчик фирмы «Мобрей». Датчик установлен в
емкости на магнитопроницаемой вставке, перемещение рычага с
поплавком вызывает перемещение магнита, который обеспечивает
срабатывание герм етизиронанных контактов (герко нов),
управляющих электрической цепью. В данном случае датчик
используется в качестве сигнализатора уровня.
Мембранный датчик уровня (рис. 6.7, а) широко применяется при
автоматизации паровых котлов. Мембрана (5), разделяющая корпус
датчика на две полости, является ЧЭ уровня воды в барабане котла
(1). К жесткому центру мембраны подвешен груз (б). Нижняя полость
корпуса через дроссельный клапан (7) соединена с конденсационным
сосудом (2), в котором поддерживается постоянный уровень
благодаря обратному сливу конденсата в котел через перепускную
трубу. На мембрану снизу действует столб воды Ьо. Верхняя полость
aJ
7 6
Рис. 6.7. Функциональные схемы датчиков уровня жидкости
250
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
соединена с водяным пространством барабана, и на мембрану
действует столб воды h&g ;. Си а, действую ая на мембр ну площа
Х' от перепада уровней Ь = Ьо — hn уравновешивается суммой сил от
веса груза (б) G, и настроечной пружины (3). Уравнение статики
датчика:
h p g F=6„+а, .с (z +z)илиу =1-х,
где р — плотность воды;
g — ускорение свободного падения;
а1 — передаточный коэффициент;
с жесткость пружины;
z — текущая деформация пружины;
предварительная затяжка пружины.
Грузом уравновешивают = 8О% силы от перепада уровней, а
пружиной — = 2О%.
Достоинство мембранных датчиков — высокая чувствительность
и отсутствие тепловой инерционности. Давление в котле
уравновешено. Влияние качки снижают путем настройки
дроссельного клапана (7).
Термогидравлический датчик уровня (см. рис. 6.7, б) применяется
на паровых котлах. Он состоит из стальной трубки (8), закрепленной
внутри кожуха (9) с ребрами. Верхний. конец трубки соединен с
паровым, а нижний — с водяным пространствами пароводяного
барабана (7). Поэтому, согласно свойству сообщающихся сосудов,
уровень воды в них всегда одинаков.
Пространство между трубкой (8) и кожухом (9), заполненное
конденсатом, соединяется трубкой (1О) с сигнализатором давления или
исполнительным механизмом усилителя, управляющим питательным
клапаном (на рисунке не показаны). Устан: т датчик так, чтобы
угол наклона трубки (8) был примерно равен (ЗО) градусам и ее середина
соответствовала уровню воды в барабане котла
При изменении уровня воды в барабане изменяется соотношение
между площадями поверхностей трубки (8), омываемыми водой и
паром. Теплоотдача пара выше, чем у воды при одинаковой их
температуре, поэтому количество теплоты, передаваемое водой и
паром через трубку коцденсату, заполняющему кольцевое
пространство датчика, будет различным. При понижении уровня
воды, например, изменение количества теплоты, подводимой к
конденсату, вызовет его испарение и пропорциональное повышение

РАЗДЕЛ 11 Судовая элект оавтоматика
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
В С Э У частоту вращения валов измеряют механическими,
гидравлическими, электрическими и электронными измерительными
приборами.
Механический датчик является самым распространенным
прибором. Принцип работы состоит в преобразовании частоты
вращения в центробежную силу грузиков ЧЭ скорости и сравнении
ее с заданной силой действия пружины {рис. б.8). Выходная
координата датчика обеспечивает управление работой
микровыключателя, который задействован в электрической цепи
системы аварийной и предупредительной сигнализации.
Между входной и выходной координатами датчика имеется
зависимость у = k . .m, которая является статической характеристикой
датчика. Подобные приборы являются сигнализаторами. Например, в
эксплуатации они широко применяются в виде центробежного реле
скорости РЦ-3 (трехуровневое реле, с тремя микровыключателями,
настроенными на различные частоты вращения). В первую очередь
они используются для автоматизации дизель-генераторов.
Гидравлический датчик в качестве ЧЭ содержит шестеренчатый
насос или центробежный насос (импеллер) с приводом от двигателя.
С изменением частоты вра-
щения вала меняются подача
О
и давление масла на выходе ееююоовооео ~Д
из насоса. Таким образом,
связывается частота враще-
ния, например, с давлением
насоса, при этом шкала
l
манометра градуируется
соответствующим образом.
Недостаток датчика
заключается в нелинейности
з
Рис. 6.8. Функциональная схема
датчика частоты вращения:
1 — диск (крестовина); 2 — грузик; 3—
муфта; 4 — пружина
давления р„на выходе из датчика. Недостаток датчика
значительная тепловая инерционность. На выходной сигнал влияет
температура окружающей среды.
Вследствие простоты и надежности эти датчики используются
при автоматизации небольших котлов.
статической характеристики и влиянии вязкости масла на результат
измерений.
Управление всевозможными процессами требует наличия
информации о состоянии тех или иных параметров механизмов.
Причем неэлектрических величин значительно больше, чем
электрических. К таким неэлектрическим величинам относятся:
механические величины — силы, перемещения, скорости движения,
ускорения, давления и др.; тепловые величины — характеризующие
режимы работы и состояние различных установок; величины,
характеризующие химический состав веществ, наличие примесей.
Следствием большого количества неэлектрических параметров
является большое количество разных по принципу действия и
устройству средств. Некоторые из таких средств состоят из
небольшого числа измерительных преобразователей и могут быть
отнесены к категории измерительных приборов. Однако общим во
всех этих системах является присутствие в их комплексе
измерительных преобразователей неэлектрических величин в
электрические. Такой преобразователь является первым звеном и
называется первичным преобразователем.
Основные особенности электрических измерений, повлекшие
массовость применения:
1. Дистанционность измерений.
2. Простота изменения чувствительности средств измерения.
3. Применение для регистрации быстро изменяющихся парамет-
ров электрических приборов.
4. Возможность введения информации о неэлектрических пара-
метрах в устройства управления и защиты контролируемых
объектов, а также в электронные устройства.
Первичные измерительные преобразователи и приборы,
выполненные с их применением, классифицируются по роду
выходного сигнала первичного преобразователя на параметрические
и генераторные преобразователи.
К первым отнесены преобразователи, преобразующие сигнал в
величину активного, индуктивного или емкостного сопротивления

РАЗДЕЛ 11 . Судовая алектроавтоматика
Ко вторым отнесены преобразователи, преобразующие сигнал в
электродвижущую силу, независимо от способа ее возникновения в
первичном преобразователе.
Резистивние феостатные) преобразователи — - это
преобразователи, преобразующие измеряемую величину в активное
сопротивление R = ЯХ„,). Наибольшее применение получили
следующие виды преобразователей:
1. Рео статные.
2. Терморези стор ные.
3. Тензорез неторные.
4. Маги иторез неторные.
5. Фоторез неторные.
Рео статным преобразователем называется реостат такой
конструкции, подвижный контакт которого, перемещаясь по
токоведущей части преобразователя, занимает то или иное
положение в зависимости or значения Х„,.
На рис. 6.9 представлен реостатный преобразователь с
вращательным перемещением подвижного контакта и с токоведущей
частью в виде провода, намотанного на изогнутый каркас. Каркас (1)
обмотки реостата выполняется из изоляционного материала или из
неферромагнитного металла (алюминия), покрытого изоляционным
лаком. На каркас намотана проволока из манганина, константана,
сплава платины или иридия толщиной О,О2 — 1 мм. Для
электрического соединения подвижного контакта (2) одна из сторон
обмотки освобождается or изоляционного покрытия и полируется.
Or схемы реостата и способа
%
включения его в цепь зависит
вид функции преобразования
А = g(q), а следовательно, и Хнэ
2
особенности данного
измерительного
преобразователя, Л~
Рассмотрим некоторые
схемы (рис. 6,1О). Здесь КО
1
— объект, положение
которого контролируется,
механически связан с Рис. 6.9 Устройство реостатного
подвижным KOHTRKTOM преобразователя
ГЛАВА 8 ° Элементы автоматических систем
реостатного преобразователя, (У, — напряжение питания схемы,
R полное сопротивление реостата, R„сопротивление
электроизмерительного прибора, R добавочное сопротивление.
Углы q„— номинальный угол поворота (или номинальное линейное
перемещение) подвижного контакта преобразователя, < ~, lt; ~ вЂ
поворота (или линейные перемещения) подвижного контакта. Схема
на рис. 6.1О, а соответствует рео статному преобразователю,
включенному как делитель напряжения.
Положение контролируемого объекта — неэлектрическая
величина, характеризуется углом поворота подвижного контакта на
угол &lt р а следователь о, сопротивлен ем преобразоват ля А
заключенным между точкой (1) и подвижным контактом (2).
Напряжение между этими точками U, если считать, что R~ + R„~ = R
и плотность намотки витков обмотки реостата постоянна, равно:
+ Uî
Рис. 6ЛО. Схемы включения реостатных преобразователей:
а) на основе делителя напряжений; б) то же, но с указанием направления
перемещения; в) на основе неуравновешенного моста; г) с применением
погометра

РАЗДЕЛ 11 . Судовая элект оавтоматика
ГЛАВА 8 ° Элементы автоматических систем
U,
В цепи прибора возникает ток I = ', вызывающий
А~ +А„
отклонение указателя на угол сх = Ы, где 5' — чувствительность
прибора, т.е.:
ЯУ
ф +А,)q „
Это уравнение представляет собой функцию преобразования по-
ложения контролируемого объекта, представленного углом хр, в пока-
зания электроизмерительного прибора, представленного углом сх.
Рассмотрим подробнее это преобразование в качестве примера
электрического измерения неэлектрической величины. Объект,
положение которого контролируется, — штурвал, клапан, клинкет и
т.п., с помощью механической передачи поворачивает подвижный
контакт на угол q, соответствующий положению П объекта. При
этом на участке 1 — 2 потенциометра {рис. 6.1О, а), сопротивлении А~,
возникает напряжение U, ïðîïîðöèîíàëüíîе углу хр. Это
напряжение инициирует ток Х в цепи прибора, ток вращающий
момент М, вызывающий отклонение указателя на угол сх.
Преобразование положения контролируемого объекта в угол сх
содержит несколько этапов преобразований, выполняемых согласно
определенной закономерности: П вЂ” хр — R U Х вЂ” М вЂ” u.
Преобразование, содержащее несколько этапов, характерно для
неэлектрических величин.
На рис. 6.1О, б приведена схема реостатного преобразователя,
включенного, как и на схеме рис. 6.1О, а, в качестве делителя
напряжения, однако здесь реостат имеет дополнительный вывод (3),
расположенный посредине то ко ведущей части. Это позволяет
преобразовывать перемещения контролируемого объекта КО в
показания прибора сх с указанием не только величины, но и
направления перемещения по отношению к его среднему
положению. При перемещении контролируемого объекта,
вызывающем отклонение подвижного контакта реостата в
положение (2), ток прибора Х направлен на схеме рис 6.1О, б сверху
вниз. При перемещении подвижного контакта в положение (2) ток Х
изменяет свое направление. Если в качестве указателя перемещения
применить магнитоэлектрический прибор с нулем посредине шкалы,
то отклонение его стрелки будет характеризовать и направление
перемещения объекта. Функция преобразования данной схемы будет
подобна уравнению:
Согласно схеме (рис. 6.1О, в) реостатный преобразователь
включен в схему неуравновешенного моста постоянного тока. Его
токоведущая часть представляет собой плечи моста R1 и R2. Считая
обмотку преобразователя намотанной равномерно, R1 = r~i, R2 = r z,
где r — сопротивление, соответствующее единице угла токоведущей
части преобразователя. Прибор, учитывающий положение
контролируемого объекта, включен в измерительную диагональ
моста, следовательно, точность измерения зависят, помимо прочих
факторов, и от напряжения питания U,.
Точность измерителей перемещений, приведенных на
рис. 6.1О а, б, в, повышается с применением стабилизированных
электронных источников питания или включением реостатного
преобразователя по схеме логометра рис. 6.1О, г.
Функция преобразования для схемы рис. 6.1О, г равна:
хх Х( 2)
Ч1
Реостатные преобразователи получили сравнительно широкое
применение для измерения перемещений объектов, способных
— 2
развивать усилия на подвижном контакте не менее 1О Н.
Терморезистиеиыми лреооразователями, или терморезисторами,
называют металлические или полупроводниковые резисторы,
сопротивления которых существенно зависят от температуры.
Терморезистивные измерительные преобразователи обоих видов
состоят из металлического или полупроводникового терморезистора,
помещенного в герметичный, обычно металлический, корпус
цилиндрической формы. Корпус обеспечивает электрическую
изоляцию терморезистора от контролируемой среды, защиту от
внешних коррозирующих воздействий и герметичный вывод

РАЗДЕЛ П ° Судовая элекп~~оавтоматика
ГЛАВА 6 Элементы автоматических систем
проводов для включения его в измерительную цепь термометра
сопротивления. Очевидно, что точность измерения любого
термометра тем больше, чем ближе температура первичного
элемента измерительного преобразователя, в данном случае
терморезистора (или ртути у ртутного термометра), к температуре
контролируеMoH среды. ВВ~ 3TOI О корпус H3MеритеJIhnorо
преобразователя выполняется тонкостенным из достаточно прочного
металла, обладающего возможно большей теплопроводностью,—
меди, латуни. Металлические терморезисторы выполняются в вцде
обмотки, большей частью из медного или платинового провода.
Зависимость сопротивления платиновых терморезисторов от
температуры практически линейна в пределах температуры oT нуля до
+9О'С при значении ао = 3„94. 1О 1/'С. Отклонение функции Rf =-Pt) от
линейной зависимости при температуре + 15 О'С для типовых
платиновых термометров соответствует (по температуре) 1,5 — 2'С.
Температурный диапазон применения медных термопреобразователей
составляет -50- +18О'С, платиновых — -2ОΠ— +ббО'С.
Полупроводниковые терморезисторы изготавливаются из смеси
окислов металлов путе*м обжига при высокой температуре. Их
температурный коэффициент, а следовательно, и чувствительность к
температуре, резко уменьшаются с повышением температуры. Это, в
частности, ограничивает применение рассматриваемых
терморезисторов диапазоном температур от — 1ОО до +12О'С. Ввиду
высокого удельного сопротивления полупроводниковые резисторы
имеют малые габариты, измеряемые единицами кубических
миллиметров. Указанное свойство позволяет изготавливать
терморезисторы цилиндрической формы длиной около 1О мм,
диаметром 3 — 4 мм и в виде стеклянной бусинки диаметром около 1 5
мм, с объемом полупроводникового материала менее 1 мм. Такие
первичные преобразователи малоинерционны и ввИду малого
размера применяются для измерения температуры контролируемого
объекта в заданной точке его поверхности.
На рис. 6.11, а представлен преобразователь, у которого
перемещение объекта П вызывает поворот теплового элемента (1),
нагреваемого неизменяющимся током Х„, на некоторый угол &lt р 2 -
3gcch терморе3истОр И.
При повороте теплового элемента изменяется расстояние между
33IcMcIIToM H TcpMopc3HcTopoM. 3то вызывает изменение
1'
К ил.керилмлю
аоиитиеииия Et
Рис. ВАМ. Принцип устройства резистивных преобразователей
перемещений: а) преобразователь угла поворота; б) преобразователь
поступательного перемещения
температуры, сопротивления Rt, а значит, и угла отклонения
прибора, измеряющего это сопротивление. Таким прибором может
быть, например, омметр или неуравновешенный мост.
На рис. 6.11, б представлен другой преобразователь,
выполняющий подобные функции. Однотипные терморезисторы Rtl
и Ж~ нагреваются измерительным током Х неуравновешенного моста.
Тепловой экран (1) с помощью тяги (2) двигается поступательно при
перемещении контролируемого объекта и занимает то или иное
положение по отношению к терморезисторам. При таком положении
теплового экрана, когда он в равной мере охватывает оба
терморезистора (соответствующие изображенному на рис. 6.11, б),
нагрев, а значит и сопротивления терморезисторов, одинаковы. При
условии Rtl = Ж2 и Аз = + мост будет уравновешен. В случае же
перемещения экрана в ту или иную сторону под влиянием
контролируемого объекта терморезисторы будут нагреваться
измерительным током неодинаково, и сопротивление И~ станет не
равно Rtz. Это нарушит равновесие моста и вызовет отклонение
указателя прибора, включенного в измерительную диагональ, на
некоторый угол а. Так, приборы на рис. 6.11 осуществляют
электрическое измерение перемещений с помощью
терморезисторов. Преимуществом этого способа измерения
перемещений является отсутствие трущегося контакта в
измерительной цепи. Недостатком, как правило, †- нелинейная
зависимость й = ЯП) между углом Отклонения указателя и

РАЗДЕЛ П Судовая элект оавтоматика
перемещением контролируемого объекта, а также более сложная
конструкция преобразователя по сравнению, например, с
реостатным преобразователем.
Тензорезисторные преобразователи служат для измерения
давлений и деформаций. Тензорезисторы основаны на
тензорезистивном эффекте, который состоит в том, что
сопротивление полупроводника зависит от давления на
полупроводник. Материалом для тензорезисторов чаще всего служит
кремний, но могут быть использованы и другие полупроводники. К
основным параметрам тензорезисторов относятся номинальное
сопротивление (от десятков Ом до десятков кОм), т.е. сопротивление
при отсутствии давления, и коэффициент тензочувствительности,
равный отношению относительного изменения сопротивления ЛИК
к относительному изменению длины тензорезистора ЛИ Этот
коэффициент зависит от вещества полупроводника, типа
электр опроводимости, удельного сопротивления и направления
деформации.
Подробная информация о тензорезисторных преобразователях
дана в главе 4 «Основы тензоэлектроники» данного издания.
Мал~иторезисторные преобразователи состоят из одного или
нескольких магниторезисторных элементов, размещающихся в
воздушном зазоре магнитной цепи. Действие магниторезистора
основано на магниторезисторном эффекте — увеличении
сопротивления полупроводникового магниторезистивного элемента
при внесении его в магнитное поле. Перемещая магниторезистор в
магнитном поле зазора или регулируя напряженность магнитного
поля, можно управлять сопротивлением магниторезистора. Таким
образом, датчик на базе магниторезистора содержит две
электрические изолированные цепи: управляемую электрическую
цепь магниторезистора и управляющую магнитную цепь.
Подробная информация о магниторезисторных преобразователях
дана в главе 3 «Основы магнитоэлектроники» данного издания.
Термоэлектрические преобразователи (термопары). Их действие
основано на изменении ЭДС термопары, горячий спай которой
помещается в исследуемую среду (см. рис. б.б, е).
Для измерения напряжения применяются либо
магнитоэлектрические милливольтметры, либо автоматические
потенциометры. 1Бкалы этих приборов градуируются
260
ГЛАВА 8 ° Элементы автоматических систем
непосредственно, например, в градусах Цельсия. Показания
приборов будут справедливы лишь в тех случаях, если подключенная
к прибору термопара изготовлена из тех же материалов, что и
используемая при градуировке. Поэтому на шкале прибора всегда
QKB3bIBReTc$I материал терм опары, совместно c KGTop0B
градуировался.
Наиболее простая и малоинерционная термопара, часто
применяемая при измерении температур до 2ОО'С, изготовляется из
эмалированного медного и константанового проводов.
Фоторезисторные преобразователи. Принцип действия
фоторезистора основан на эффекте фотопроводимости, т е.
изменении сопротивления полупроводника при его освещении.
Подробная информация о фоторезисторных преобразователях дана в
главе 2 «Основы оптоэлектроники» данного издания.
Индукционные и взаимоиндукиионные преобразователи.
Индукционными называются первичные измерительные
преобразователи, у которых под влиянием преобразуемой
неэлектрической величины Х„, изменяется индуктивность L
Взаимо индуктивные — такие, у которых под влиянием Х„
изменяется коэффициент взаимоиндукции M. Так как явление
взаимоиндукции возникает между двумя индуктивно связанными
контурами, то такие преобразователи называются также
трансформаторными.
Функция преобразования индуктивных преобразователей
следующая: L =ЯХ„,), взаимоиндуктивных М =ЯХ„,) или Е =ЯХ„,),
где Е ЭДС, возникающая во вторичной обмотке
трансформаторного преобразователя.
Изменение индуктивности вызывает изменение полного
сопротивления, а следовательно, и тока индуктивного
преобразователя. Выходной сигнал взаимоиндуктивного
преобразователя ЭДС Е2.
Рассматриваемые преобразователи применяются для
преобразования перемещений объектов, механических сил и
вращающих моментов в электрические величины.
На рис. 6.12 приведены устройство и схемы включения
индуктивных преобразователей наиболее распространенных
конструкций — с изменяющимся воздушным зазором. Магнитные
цепи преобразователей выполняются из листовой стали или

а) ~o]
г
Рис. 6Л2. Устройство и схемы индуктивных преобразователей
магнитомягких ферритов. Обмотки пронизываются магнитными
потоками в стали преобразователей. Подвижные магнитопроводы (3)
и (5) (якоря), закрепленные эластично, механически соединеенные с
контролируемым объектом, перемещаются поступательно при
перемещении объектов. Это вызывает изменение воздушных
зазоров, а следовательно потоков Ф и индуктивности связанных с
ними кату1лек преобразователей.
На рис 6.12, б приведен дифференциальный индуктивный
преобразователь. Он имеет две катушки (2) и (3), индуктивности
которых изменяются под влиянием перемещения якоря неодинаково.
Если якорь (5) равноудален от магнитопровода (1) и (4), зазоры
6z — — 6g То индуктивности I2 M АЗ paBHBI ITpn условии одинаковых
параметров электромагнитов. Нарушение равновесия моста
наступает в случае неравенства перемещения подвижной части в
какую либо сторону: Нарушается воздушный зазор, изменяется
индуктивность. Следовательно, ток в измерительной диагонали
изменяется прямо пропорционально перемещению контролируемого
объекта в пределах Л6.
ГЛАВА 8 ° Элементы автоматических систем
Дифференциальный преобразователь перемещений имеет более
равномерную шкалу и благодаря измерительной схеме моста более
чувствителен, чем преобразователь на рис. б.12, а.
Для измерения быстровращающихся механизмов применяют
малогабаритнь1е трехфазные индукционные тахометры типа ТЗ. Они
имсют синхронный трсхфазный генератор, мсханичсски связанный с
валом измеряемого механизма, и синхронный двигатель, связанный с
генератором трехпроводной линией. Частота выходного напряжения
QnepRTopa Пропорциональна измеряемой ~JIGBon cKopocTH H03ToMQ
частота вращения ротора синхронного двигателя также пропорциональ-
на частоте вращения вала. При вращении постоянного магнита,
закрепленного на валу двигателя, в алюминиевом диске индуцируются
вихревые токи, пропорциональные частоте вращения двигателя.
Взаимодействие этих токов с магнитом вызывает появление
вращающего момента, стремящегося повернуть диск вслед за магнитом.
Вращающий момент уравновешивается противодействием
пружины так, что отклонение подвижной части пропорционально
частоте вращения При изменении направления вращения
чередование фаз генератора, направление вращения двигателя и
отклонение стрелки измерительного механизма также изменяются.
Полупроводниковые реле уровня ПРУ-5М предназначены для
контроля уровня жидкостей в аппаратах стационарных и судовых
установок (вода, аммиак, хладон) при давлениях до 2О МПа. Реле
ельному
ЭМу
Рис. 6 13. Схема установки реле уровня ПРУ-5М на емкости

уровня состоит из первичного (ПП) и вторичного передающего
(ПРП) преобразователей (рис. 6.13).
ПП и ПРП должны устанавливаться вне взрывоопасных
помещений и соответствовать требованиям Морского Регистра РФ,
предъявляемым к устройствам управления судном, сигнализации,
измерения и контроля неэлектрических величин для судов
неограниченного района плавания.
В ПП перемещение металлизированного поплавка в поплавковой
камере преобразуется в сигнал переменного тока с помощью
индуктивных катушек LI и Аз, включенных в схему выносного
полумоста.
Сигнал с ПП через разъем III1 поступает на дифференциальный
полупроводниковый усилитель ПРП. В выходную цепь усилителя
включено поляризованное электромагнитное реле, контакты которого
и управляют исполнительным механизмом или каналом АПС.
Емкостньини лрВоб~изовитВля~и и называются первичные
преобразователи, преобразующие неэлектрическую величину Х„, в
электрическую емкость конденсатора.
Как известно, электрическая емкость С между двумя
токов едущими плоскостями с активной поверхностью 5,
расположенными параллельно на расстоянии О, равна:
С= —,
6
где 2. — диэлектрическая проницаемость среды, находящейся меж-
ду плоскостями электродами коцденсатора.
При не изменяющихся )„Я емкостное сопротивление С линейно
связано с расстоянием О. Устройство и принцип действия емкостных
преобразователей, B также Nx IIpHMCHCHHe IIoIIOHBIQTO_#_ c IIoMoIIjtbIo
рисунка 6. 14.
Большинство емко стных преобразователей может быть
выполнено в двух вариантах: одинарном, т.е. состоящем из одного
кОнденсатора, и двОинОм, называемОм дифференциальным. HB
рис. 6.14, а представлен одинарный преобразователь с
изменяющимся расстоянием О, предназначенный для измерения
перемещений контролируемого объекта (КО), механически
связанного с эластично закрепленной пластиной (2) коцденсатора.
Изменение О вызывает изменение ero электрической емкости.
ГЛАВА 6 Элементы автоматических систем
а)
оР
Хнэ
а =ыны: бэ=ын~-
Д: ыны
а=ыаы
x~ ! x~
I
Я Я
f,: ыны
5 sieur я: ынг: Я: ыыэ
Хнэ = Д
Рис. 6.14. Емкостные преобразователи: а) с изменяющимся расстоянием;
б) для измерения толщины изоляционного слоя; в) для измерения
перемещений; r), д) с перемещающимися пластинами; ж), е) с переменной
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ Е
f,: ыны
Хнэ= К
На рис. 6.14, б показан емкостной преобразователь также с
переменным О, но предназначенный для измерения толщины
изоляционного слоя покрытия металлического изделия, например,
окраски корпуса судна. Металл в данном случае — второй электрод
коцденсатора.
На рис. 6.14, в представлен дифференциальный преобразователь
для измерения перемещений КО, механически соединенный с
пластиной (2). Перемещение КО вызывает изменение расстояния
между пластинами (1), (3). В результате емкость коцденсатора,
образованного пластинами 1 — 2 и 2 — 3, изменяется противоположно.
Такая конструкция при включении ero в схему измерительного моста
увеличивает чувствительность дифференциального преобразователя
по сравнению с одинарным.
На рис. 6.14„г, д изображен преобразователь с переменной
активной поверхностью Ж При перемещении КО изменяется
площадь перекрытия пластин, изменяется емкость между
соответствующими парами пластин.
На рис. 6.14, ж приведено устройство емкостных
преобразователей с переменной диэлектрической постоянной а. В

ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
измерительные цепи
постоянного тока.
Рис, ВЛБ. Дифференциальный емкостный
преобразователь в схеме моста
переменного тока
электрическом поле конденсатора 3 — 6 находится движущаяся лента
(4), например, из бумаги или текстиля, перематываемая с барабана на
барабан. Если в материала ленты постоянна и ширина ленты
неизменна, то такой преобразователь может быть применен для
контроля толщины ленты Л. Преобразователь на рис. 6.14, е можно
рассматривать состоящим из двух параллельно включенных
конденсаторов, образованных пластинами (1) и (2). Верхняя часть
этих пластин находится в воздухе с диэлектрической постоянной
воздуха и образует конденсатор С1, а нижняя часть — в жидкости
или в сыпучем грунте с диэлектрической постоянной этой среды и
образует конденсатор С2. Общая емкость такого конденсатора
С = С1 + С2, зависит от заполнения бака исследуемой средой. Такой
преобразователь может применяться для контроля за уровнями и
заполне~пими объемов.
Для определения аналога измеряемой неэлектрической
величины — выходной емкости рассмотренные преобразователи
обычно включают в схему неуравновешенного моста переменного
тока. На рис. 6.15 приведено включение дифференциального
емкостного преобразователя измерителя перемещений КО в схему
моста переменного тока. Ввиду малой выходной мощности в схему
моста включают усилитель напряжения. Конденсаторы переменной
емкости СЗ и С4, а также сопротивление Л служат для
уравновешивания моста при нулевых значениях перемещений КО.
При перемещении КО, а следовательно, и средней пластины
преобразователя, изменение емкости С1 и С2 при неизменных СЗ и
С4 вызовет разбаланс моста и отклонение указателя прибора V.
Емкостные преобразователи весьма малоинерционны, поэтому
могут применяться для
измерения переменных
механических величин:
скорости и ускорения,
перемещений, давления,
амплитуды и частоты
вибраций. Они могут
включаться и в
Рассмотренные преобразователи обладают высокой
стабильностью функции преобразования и чувствительности. Их
недостатком является зависимость точности и чувствительности от
добавочных емкостей, называемых паразитными, возникающими
между соединительными проводами и элементами измерительных
схем. Для устранения их вредного влияния применяют экранировку
соединительных проводов и измерительной схемы.
Сигнализатор уровня СУС-160М предназначен для контроля
уровня жидких сред и уровня раздела жидкостей, например,
нефтепродукты — вода, с резко отличающимися относительными
диэлектрическими проницаемостями.
Сигнализатор состоит из первичного (ПП) и вторичного (ВРП)
преобразователей. ПП выполняются водопыленепроницаемыми с ис-
кробезопасными элементами взрывозащиты. Потребляемая
мощность не превышает 15 В - А при электрической нагрузке на кон-
такты реле не более 500 В . А. Удаление ВРП ограничено сопротивле-
нием линии связи в пределах 10 Ом.
ВРП представляет собой полупроводниковый усилитель с
емкостным входом и электромагнитным реле на выходе.
ПП состоит из двух концентрично расположенных трубок,
закрепленных на фланце прибора. ПП вЂ” это по сути конденсатор,
подключенный к ВРП. При перемещении уровня жидкости или
границы раздела сред изменяется емкость ПП, и ВРП соответственно
реагирует на это. Погрешность срабатывания составляет НО мм по
уровню и не более Н5 мм для границы раздела.
Электрохимическими преобразователями называются
измерительные преобразователи, в которых преобразование
измеряемой величины осуществляется с помощью химических
реакций, а также преобразователи, с помощью которых свойства
химических веществ (например, концентрация растворов)
определяются электрическим путем. В качестве примера рассмотрен
принцип действия электрического соленомера.
При длительной эксплуатации наро силовых установок на
внутренних стенках котлов, труб и паропроводов оседают плохо
растворимые осадки, затрудняющие теплоотдачу, уменьшающие
полезное сечение труб и паропроводов и, в конечном итоге,
снижающие к.п.д. всей установки. Основной составляющей этих
осадков являются различные соли. Поэтому для обеспечения

длительной безотказной работы
паросиловых установок необходимо,
чтобы концентрация солей в воде не
превышала нормы. Для определения
концентрации применяются
соленомеры„ действие которых
Rl R5'
основано на зависимости
электросопротивления воды от
концентрации растворенных в ней
примесей.
Электрическая схема соленомера
р„6 g6 у й (рис 6.16) образуется мостом, в одно
соленомера из плеч которого включены
электроды. Последние погружены в
сосуд, заполненный испытуемой водой, которую будем называть
электролитом. Во избежание электрохимических явлений в
электролите и на поверхности электродов питание моста
осуществляется переменным током. При некоторой концентрации
солей в электролите мост уравновешен, и ток через прибор,
включенный в измерительную диагональ моста (рис. 6.16),
отсутствует. При возрастании концентрации солей
электропроводность электролита увеличивается, что вызывает
разбаланс моста и протекание тока через указывающий прибор.
Электропроводность электролита возрастает по мере роста
температуры. Для уменьшения связанной с этим температурной
погрешности применяется резистор R6, включенный в то же плечо
моста, что и электроды. Он выполняется из медного провода и также
помещается в электролит. Благодаря этому температура резистора
равна температуре электролита.
При изменении (например, возрастании) температуры
сопротивление Аб увеличивается, а сопротивление электролита
уменьшается, так что суммарное сопротивление плеча моста
изменяется мало. Однако температурная зависимость сопротивления
электролита имеет экспоненциальный характер, а сопротивление Аб
зависит от температуры линейно. Поэтому удовлетворительная
кОмпенсация. вОзмОжна лишь В ОтнОсительнО узкОм диапазОне
температур. Для расширения этого диапазона обычно включается
манганиновый резистор R5...„,, ö.,
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
Тахогенераторы — это специальные электрические
микромашины, преобразующие частоту вращения в электрическую
величину и предназначенные для измерения угловой скорости. По
виду выходного напряжения они подразделяются на тахогенераторы
постоянного и переменного тока, а по способу возбуждения на
магнитоэлектричеекие и электромагнитные. К тахогенераторам
предъявляются следующие основные требования: прямолинейность
выходных характеристик; малый момент инерции; -малый
нагрузочный (статический) момент.
Тахогенераторы постоянного тока по конструкции и принципу
действия являются коллекторными машинами, работающими в
генераторном режиме.
На рис. 6.17, а приведена схема магнитоэлектрического
тахогенератора. Постоянные магниты, обеспечивающие
возбуждение, выполняются из никель-алюминиевых сплавов,
обладающих большой коэрцитивной силой и постоянством
остаточной индукции B IIIHpoKoM диапазоне изменения TCMIIepB~LI.
Так как у магнитоэлектрических тахогенераторов ЭДС
пропорциональна частоте вращения, то статическая характеристика
E = Яп;„) при R = ao (рис. 6.17, а) является прямолинейной.
Нагрузочная характеристика U = Яп;„) при R & t; ao ле ит н
статической характеристики. Ее крутизна уменьшается, а кривизна
увеличивается при повышении нагрузки, что объясняется
размагничивающим действием реакции якоря и падением
напряжения в якорной цепи Поэтому тахогенераторы
эксплуатируются с соблюдением условия R & t; R, де R
сопротивление нагрузки; R допустимое сопротивление
нагрузки, при котором нелинейность характеристик составляет
0,5 — 1% в зависимости от класса точности тахогенератора.
Рис. ВЛУ. Тахогенераторы: а) постоянного тока магнитозлектрический и
ero xapa~ep~cT~KB; б) асинхронный; в) его условное обозначение

РАЗДЕЛ И . Судовая злектроавтоматика
ГЛАВА 6 " Элементы автоматических систем
Постепенная потеря намагничивания постоянного магнита
заставляет применять в магнитоэлектрических тахогенераторах
устройства корректировки в виде установочных резисторов в
выходной электрической цепи или в виде магнитного шунта,
охватывающего полюсные наконечники. Вращая регулировочный
винт, изменяют положение магнитного шунта и добиваются
восстановления индукции в воздушном зазоре.
Электромагнитные тахогенераторы постоянного тока
независимого возбуждения для ослабления влияний колебания
напряжения возбуждения и температуры обмотки возбуждения
могут выполняться с глубоким насыщением магнитной системы или
ненасыщенными, но с термочувствительными магнитными
шунтами. Магнитное сопротивление таких шунтов повышается с
ростом температуры, что приводит к уменьшению потока рассеяния
через шунты и восстановлению рабочего магнитного потока,
несмотря на возросшее электрическое сопротивление обмотки
возбуждения под действием температурных влияний. Входными
величинами ненасыщенного тахогенератора являются частота
вращения и напряжение возбуждения.
К преимуществам тахогенераторов постоянного тока относится
высокая линейность и стабильность выходных характеристик, малая
погрешность измерения. Основными недостатками являются
пониженная надежность NB-за скользящегo КоНТВКТВ наличие
пульсаций выходного напряжения и помех радиоприему, сложность
конструкции, повышенный момент инерции и создаваемый
нагрузочный момент.
Тахогенераторы переменного тока разделяются на асинхронные
и синхронные.
Асинхронный тахогенератор. На рис. 6.17, б приведена схема, а
на рис. 6.17, в — условное изображение асинхронного
тахогенератора. В пазах статора располагаются обмотка
возбуждения в, и рабочая обмотка вр, сдвинутые относительно друг
друга на 90'. Ротор представляет собой тонкостенный алюминиевый
стакан, вращающийся в зазоре между статором и неподвижным
цилиндрическим сердечником. К обмотке возбуждения подводится
постоянное по амплитуде и частоте напряжение U,. Пульсирующая
МДС возбуждения F, создает переменный магнитный поток,
пересекающий ротор по продольной оси и индуцирующий в ЭДС
трансформации Е . Вызванный этой ЭДС ток создает МДС
трансформации F, размагничивающую тахогенератор. При
неподвижном роторе ЭДС в рабочей обмотке вр отсутствует, так как
эта обмотка не пересекается потоком возбуждения.
При вращении ротора в нем наводится дополнительно переменная
ЭДС вращения Е,, пропорциональная частоте вращения ротора.
Вызванный ею ток создает поперечную МДС ротора Р„р и поперечный
магнитный поток, который, пересекая рабочую обмотку, индуцирует в
ней ЭДС выхода Е, пропорциональную частоте вращения и„.
Основными достоинствами асинхронного тахогенератора
являются постоянство частоты выходной ЭДС, малый момент
инерции, малый нагрузочный момент и высокая надежность. К
главным недостаткам относятся повышенная погрешность при
малых частотах вращения, заметная нелинейность выходной
характеристики и подверженность температурным влияниям.
Первый недостаток обусловлен влиянием магнитной асимметрии
гахогенератора, а второй — влиянием индуктивных сопротивлений
ротора и рабочей обмотки. Температурные влияния обусловлены
изменением активного сопротивления ротора и выходной обмотки
при нагревании. Частично их устраняют выполнением роторов из
материалов с малым температурным коэффициентом сопротивления
(марганцовистые сплавы алюминия или меди).
Синхронные тахогеиераторы делаются магнитоэлектрическими
и состоят из статора, в пазах которого уложена рабочая обмотка, и
ротора в вЦде постоянного магнита. При вращении ротора ero
магнитный поток индуцирует в рабочей обмотке ЭДС. Эти
тахогенераторы значительно проще и надежнеи тахогенераторов
постоянного тока. Однако они имеют два существенных недостатка,
ограничивающих их применение: частота ЭДС выхода зависит от
частоты вращения ротора; фаза напряжения выхода не зависит от
направления вращения. Первый недостаток не позволяет
использовать тахогенераторы в обычных системах переменного тока
и заставляет применять выпрямители в системах постоянного тока.
Второй недостаток не позволяет их использовать в реверсивных
установках. Синхронные тахогенераторы в основном применяют для
непосредственного изменения частоты вращения механизмов.
Вращающиеся трансформаторы — это небольшие
индукционные электрические машины„вырабатывающие на выходе

ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
величины, функционально зависящие от величин на входе. Они
применяются в качестве счетно-решающих элементов в системах
автоматического управления, например, в судовых авторулевых.
Внешне они похожи на сельсины. Статор и ротор вращающегося
трансформатора (ВТ) неявнополюсные. В пазах статора размещены
две обмотки с взаимно перпендикулярными магнитными осями—
обмотка возбуждения С1 и компенсационная обмотка С2 (рис. 6.18).
В пазах ротора находятся две также взаимно перпендикулярные
вторичные обмотки синусная Р1 и косинусная Р2. Количество
витков статорных и роторных обмоток попарно одинаково:
'и';! = %~с~= w~ j wp] = wing = wp. У вращающегося трансформатора с
неограниченным углом поворота подвод тока к обмоткам ротора
выполнен, как у контактных сельсинов, — через щетки и кольца. У
ВТ с ограниченным углом поворота ток к ротору подводится по
пружинам, допускающим поворот на 340'.
В зависимости от характера вырабатываемой функции
вращающиеся трансформаторы разделяют на синусно-косинусные
(СКВТ), линейные (ЛВТ) и масштабные (МВТ). Все они работают
при частоте 500 Гц.
Входное напряжение U& t; С ВТ подае ся на обмо ку возбужде
(рис. 6.18, а), компенсационная обмотка замыкается накоротко, а
выходное напряжение U~, зависящее от синуса или косинуса угла
@
Рис. 6.18. Схема включения вращающихся трансформаторов:
а) синусно-косинусного; б) линейного; в) масштабного
U", =Й -U, .cosa,
где А,, = — коэффициент трансформации ВТ.
гор
гс
Входное напряжение ЛВТ подается на обмотку возбуждения,
соединенную последовательно с косинусной обмоткой (рис. 6.18, б),
а выходное снимается с синусной обмотки. Оно равно:
k
гу т гу,
1+ ~т
В MBT выходное напряжение снимается так, как показано на
рис. 6.18, б. Трансформатор имеет устройство для поворота ротора и
фиксации его в любом положении. Поворачивая ротор на определенный
угол, можно получить на выходе напряжение ~У~, прямо
пропорциональное произведению напряжения сети ~У1 на угол поворота
а, т.е. изменить в соответствующем масштабе напряжение U&g
Электронные устройства измерения скорости (рис. 6. 19) состоят
непосредственно из индукционного импульсного датчика (1),
соединенного с безынерционным электронным счетным блоком (2).
Сам индукционный датчик
8 представляет собой жестко
Х закрепленный магнитный
I сердечник с катушкой
+ индуктивности и подвижного
I
И~ якоря (3) из магнитомягкого
материала, закрепленного на
валу (4).
При вращении вала штифт
(3), проходя мимо сердечни-
2
ка, создает пульсирующий
магнитный поток, под де-
йствием которого в катушке
(1) индуцируется ЗДС. Соз-
Рис. 6.19. Функциональная схема
электронного устройствадля
измерения частоты вращения
поворота ротора а, снимается с одной из обмоток ротора или с обеих
одновременно. Оно равно соответственно:
U', =Й .U, -sina
или

данные импульсы поступают на вход частотного преобразователя (2)
и затем преобразуются в выходной сигнал устройства у„.
Аналогично работают электронные устройства для измерения
частоты вращения с фотоэлектрическим датчиком (здесь импульсы
задаются прерыванием светового потока штифтом на коленчатом
вале). Принцип действия фоторезистора основан на эффекте
фотопроводимости, т.е. изменении сОпрОтивления полу/прОВОдника
при его освещении. Подробная информация о фоторезисторных
преобразователях дана в главе 2 «Основы оптоэлектроники» данного
издания; информация о тензорезис торных преобразователях
измерения скорости в главе 4 «Основы тензоэлектроники»;
информация о магниторезисторных преобразователях измерения
скорости — в главе 3 «Основы магнитоэлектроники».
Выходной сигнал измерителя, как правило, недостаточен для
непосредственного воздействия на регулирующий орган, поэтому
приходится повышать мощность этого сигнала в усилителях мощности.
Усилитель мощности (УМ) — это устройство, в котором
осуществляется увеличение мощности входного сигнала за счет
вспомогательной энергии (И~ постороннего источника (рис. 6.20).
Применяются усилители (по виду вспомогательной энергии):
механические (по принципу рычага), гидравлические,
пневматические, электрические и комбинированные. Принцип
действия усилителей одинаков. Рабочая среда с энергией И'подается
к управляющему устройству (УУ) типа распределителя и с помощью
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
сигнала Х осуществляется дозированный подвод вспомогательной
энергии к исполнительному механизму (ИМ). Здесь энергия И'
преобразуется в механическую работу по перемещению выходного
звена УМ. В УМ возможно наличие обратной связи (Ос),
повышающей устойчивость работы усилителя.
Х идравлические усилители с отсечным золотником и поршнем
исполнительного механизма (ИМ) двустороннего действия
представлены на рис. 6.21, а.
Масло под давлением Р„подводится к золотнику (3)
управляющего устройства„расположенному во втулке (2). При
нейтральном положении золотника, когда окна каналов к полости
исполнительного механизма (1) перекрыты (рис. 6.21, в), поршень (7)
ИМ неподвижен.
При смещении золотника Ае от среднего положения происходит
сообщение одной полости ИМ с напорной магистралью другой — со
сливной магистралью. Под перепадом давления поршень ИМ
перемещается на величину As.
Из условия неразрывности потока масла, поступающего через
площадь проходного сечения F, открытую золотником УУ за время
At, H IIpH пренебрежении OHJIRMH сопротивления движения IlopIIIHJI,
сжимаемостью масла и инерцией движущихся масс ИМ получается:
f V.At =F.As,
где V — скорость потока масла в окне;
F — площадь поршня ИМ
При прямоугольных окнах втулки шириной Ь:
b . Ae. V. At = F . As,
Рис. 6.2О. Структурная схема усилителя мощности: УУ вЂ” управляющее
устройство; ИМ â€”; GC — обратная связь
Рис. 6.21. Функциональные схемы гидравлических усилителей с ЖОС

ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
откуда
При условии, что ht (в течение которого происходит перемещение
Ae) бесконечно мало, возможно записать уравнение движения УМ:
F d(hs)
b-V й
Введем относительные координаты в полученное уравнение:
Ае hs
входная х =, выходная у =
IBaX
в
Тогда
F s
х = — „или х =Т
b.V e dt dt
F5
где Т = время действия ИМ, определяемое как время nepe-
bVe
мещения поршня из одного крайнего положения в другое при
максимальном значении входной координаты х = 1;
Если выходной сигнал ИМ необходимо получить в вцде поворота
и, (рис. 6.21, б), то вместо поршневого ИМ присоединяют к УУ
лопастной исполнительный механизм двустороннего действия.
Гидравлический усилитель с дифференциальным пор~аневым
исполнительным механизмом (рис. 6.21, в). Активная площадь
нижнего основания поршня (7) значительно больше площади
верхнего основания. Верхняя полость неуправляема, в нее по каналу
(8) поступает масло под давлением Р„из напорной магистрали. При
среднем положении золотник (3) закрывает канал (9), и поршень
неподвижен. Смещение Ае золотника вверх приводит к сообщению
нижней полости со сливом, и поршень перемещается вниз. Смещение
золотника вниз приводит под действием перепада давлений к
движению поршня вверх.
Если установить на магистрали, связывающей окно золотника с
полостью поршня ИМ, дросс ель, то появляется возможность
регулировать время действия УМ Т,.
Гидравлический усилитель с
жесткой обратной связью
(ЖОС) представлен на рис.6.22.
Он отличается от усилите-
ля (рис. 6.21, а) тем, что через
рычаг жесткой обратной свя-
8 зи (кинематической) АОВ
передается обратное возде-
Рс
йствие от поршня (3) ИМ на
~о подвижную втулку (1) УУ.
Если золотник (2) смещается
йв
е:~с
относительно втулки из сред-
~в
"ф ~ негоположениявверхнарас-
Б
стояние Ае, то верхняя
Рис. 6.22. Функциональная схема полость ИМ сообщается с на-
гицРа@лического усилителя c KOC порной магистралью, а ни-
жняя — со сливной. Поршень
(3) движется вниз и разворачивает рычаг АОВ в положение А'О'В',
перемещая втулку вверх на расстояние Ае и тем самым перекрывая
золотником окна. Движение поршня прекращается.
Такая обратная связь, принцип действия которой основан на
компенсации перемещений, является кинематической жесткой
обратной связью и обеспечивает - как бы слежение выходной
координаты за входной. Это следящая ЖОС. Таким образом:
Ле=Ле, -Ле
АО
где Ae = — As.
ОВ
После подстановки значения Ле в формулу (8) получим:
АО F d(hs)
Ле=Ле,—
ОВ b-V dt
Ае, д„д
После введения относительных координат х = ' и у = — полу-
е Ю
чаем выражение х =Т, - — +k у„
ф'
dt
где k„— коэффициент статической передачи ЖОС

АО s„„
ОВ е
В эксплуатации
встречаются и другие
ВИДЫ ГИДРавЛИЧЕСКИХ
усилителей, например, с
УУ типа дроссель
переменного сечения и
ИМ одностороннего
действия. 4
Пневматические
усилители с распредели-
Рис. 6.23. Функциональная схема
пневматического усилителя с
тепел воздуха типа со- сОплОм-заслонкой
пло-заслонка (рис. 6.23)
работают по принципу дросселирования.
УУ усилителя состоит из дросселя (1) постоянного сечения, к кото-
рому подводится рабочий воздух при постоянном давлении Р„, и дрос-
селя переменного сечения в виде сопла (6) инжекционного типа с
заслонкой (э), перемещаемой датчиком с помощью рычага (4). Последо-
вательно расположенные дроссели образуют делитель давления возду-
ха. Выходное давление Р„, в трубопроводе (3) и в полости ИМ (2)
зависит от зазора между заслонкой (э) и соплом (6), через которое воз-
дух стравливается в атмосферу.
Эти УМ называют расходными усилителями. Недостатком
подобных УМ являются затраты энергии на работу компрессоров и
очистку рабочего воздуха.
Пневматический безрасходный колпенсаиионный усилитель
(рис. 6.24, а) является однокаскадным усилителем. Он представляет
собой камеру (3), в которой расположен шток с клапанами. Верхний
клапан (2) прижимается пружиной (1) к неподвижному седлу
штуцера, к которому подводится воздух постоянного давления Р . На
нижний клапан (7) опирается подвижное седло (6), закрепленное на
эластичной мембране (8). Полость камеры (3) соединена
трубопроводом (4) с мембранным ИМ (э) одностороннего действия.
Работа УМ основана на принципе компенсации усилий. Входным
параметром является усилие F„ äeéñòâóloùåå от датчика на седло
мембраны.
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
15
Рис. 6.24. Функциональные схемы безраскоднык пневматических
усилителей
При установившемся режиме оба клапана закрыты, а величина
выходного сигнала Р„„„пропорциональна силе F„. При изменении
силы F открываются либо верхний, либо нижний клапан, что
соответственно приводит к изменению давления Рщ ~,( и
пропорциональному перемещению штока ИМ. Усилитель является
статическим.
При необходимости обеспечения высокого быстродействия при
большой выходной мощности применяют двухкаскадные усилители
с дроссельным УУ в первом каскаде и колпенсаиионным УУ во
втором (рис. 6.24, б).
Входным параметром усилителя является положение у„заслонки
(10) относительно сопла (11), которое однозначно определяет
давление воздуха, поступающего через дроссель (9) в
междр осе ельную камеру Г. Управляющее устройство второго
каскада состоит из трех раздельных камер А, Б, В.
5
Раб~чий воздух под давлением Р„= 1,4 . 10 Па подводится в
камеру А, которая через шариковый клапан (1э) сообщается с
камерой Б. В камере Б формируется выходной сигнал Р„„„, идущий к
мембранному ИМ одностороннего действия (на схеме не показан).
Камера В постоянно сообщена с атмосферой и образована двумя
мембранами (12) одинаковой активной площади с общим жестким
центром, отделяющим камеру Б от Г.
При перемещении датчиком заслонки (10) вверх давление в
полости Г уменылится, и жесткий центр с мембранами (12)

бЬ Un
РАЗДЕЛ II Судовая аяаятооавтооатояа
переместится вверх, снижая давление Р, за счет перетекания
воздуха из объема Б в объем В.
При движении у„вниз давление в полости Г повысится, что
обеспечит перемещение клапана (15) и увеличение давления Р,
Давление в камере Б изменяется до тех пор, пока не сравняется с
давлением в камере Г. Поэтому каждому значению у„соответствует
определенное значение выходного давления. УМ является
статическим звеном. Данная схема получила широкое применение в
судовой автоматике.
Электромагнитный усилитель (рис. 6.25). В реальных условиях
эксплуатации судовых систем очень часто необходимо в течение
продолжительного времени изменять или поддерживать
постоянными значения каких-либо физических величин (частоту
вращения, напряжение, температуру, давление и т.д.),
характеризующих работу машины, технологический процесс.
Процесс регулирования может осуществляться по разомкнутому
или замкнутому циклу (контуру). На рисунке 6.25 показаны схемы
систем регулирования частоты вращения электродвигателя
постоянного тока.
В системе разомкнутого цикла (рис. 6.25, а) перемещение
(вручную или каким-либо механизмом) движка (2) потенциометра
(1) изменяет напряжение на входе усилителя (3). Изменение
напряжения приводит к изменению тока в обмотке якоря
электродвигателя (4), что и вызывает изменение ero частоты
вращения, которая измеряется тахометром (5), соединенным с
вольтметром (6). Такие системы не обеспечивают высокой точности.
Схема рис. 6.25, б отличается от предыдущей тем, что напряжение
тахогенератора (5) сравнивается - на входе усилителя (3) с
PUc. 6.25. CxGMB cNcteM Реь~лиРоBBHNR RBGTQTbl вРаьДениЯ
электродвигателя: а — работающей по разомкнутому циклу;
б — работающему по замкнутому циклу
ГЛАВА 6 Элементы автоматических систем
напряжением, которое поступает с потенциометра (1). Если частота
вращения электродвигателя отличается от заданной, то возникает
сигнал ошибки AU = U„— U, который после усилителя (3) поступает
на обмотку якоря электродвигателя. При этом сигнал ошибки AU
уменьшается до допустимого значения, а частота вращения
возвращается к заданному значению.
Электронный усилитель. В судовых электроустановках наиболее
широко применяют полупроводниковые усилители. В зависимости
от вида входного сигнала различают усилители тока, напряжения и
мощности. Многокаскадные транзисторные усилители,
обеспечивающие высокий к.п.д. при низких напряжениях питания и
больших токах, протекающих через потребитель, широко
используют в силовых системах автоматики. В общем виде
усилительное устройство можно представить как активный
четырехполюсник, имеющий два входных зажима, к которым
подходит подлежащий усилению сигнал, и два выходных, с которых
усиленный сигнал поступает в цепь потребителя.
Рассмотрим работу схемы (рис. 6.26) усилительного каскада,
который нашел наибольшее распространение.
Входной сигнал U,„ïîäàåòñÿ на вход схемы между базой и
эмиттером транзистора, а выходной сигнал U„снимается либо
между коллектором и эмиттером, либо между коллектором и
источником питания. Резистор RK B цепи коллектора служит для
создания выходного напряжения каскада. Если R„= О, напряжение на
нем тоже равно нулю, и U, не меняется. Переменная составляющая
коллекторного напряжения ~У„через разделительный конденсатор Ср
подается на следующий каскад или в цепь потребителя R„. Резистор

Яб задает ток базы, и от резистора зависит, на какой из выходных
характеристик работает транзистор.
При U„= 0 в цепях базы и коллектора протекают постоянные токи
покоя Хб „и Х„„. На коллекторе устанавливается постоянное
отрицательное напряжение U„= Е„„— Х„„- R„. Под воздействием
входного переменного напряжения ток базы изменяется, вызывая
изменения тока коллектора, а значит, и коллекторного напряжения. Это
вытекает из того, что с увеличением тока коллектора увеличивается
напряжение ЛУд„на резисторе. Следовательно, фаза выходного
напряжения U„относительно входного ~У„отличается на 180'.
Исходную точку покоя Р на выходной характеристике транзистора
выбирают с учетом допустимых искажений и к. п. д. схемы.
Двухкаскадный усилитель (рис. 6.27) представляет собой два
усилителя. Предоконечный каскад — это однотактный усилитель,
основой которого служит транзистор VT3. Оконечный каскад
состоит из транзисторов VT1 и VT2 и работает по двухтактной схеме.
Если сигнал U(t) = О, то в цепях эмиттера, коллектора и базы
транзисторов каждого плеча протекают токи покоя, направления
которых показаны на схеме. Через делитель напряжения, состоящего
из резисторов R1 А2 и АЗ, проходит ток Х = Х,„+ (Хб1 + Хд~), создающии
напряжение, которое через вторичную обмотку трансформатора Т1
подается на базы транзисторов VT1 и VT2.
При подаче на вход усилителя сигнала U(t) через первичную
обмотку трансформатора Т1 потечет переменная составляющая
коллекторного тока г„транзистора VT3. Во вторичной обмотке Т1„
ГЛАВА 6 Элементы автоматических систем
которая имеет выход от средней точки„возникает переменное
напряжение, и на базах транзисторов VT1 и VT2 будут действовать
два равных напряжения, сдвинутых по фазе на 180'. При таких
фазовых соотношениях напряжений увеличение тока в коллекторной
цепи одного плеча будет сопровождаться уменьшением тока в
коллекторной цепи транзистора второго плеча усилителя.
Фазочувствительные усилители применяют для питания обмоток
управления электромашинных и магнитных усилителей, а также
обмоток асинхронных двигателей, дифференциальных реле,
возбуждения микродвигателей и др.
6.8. Регулирующие органы
Регулирующие органы (РО) служат для управления подводом
(отводом) вещества или энергии в объекты регулирования с целью
изменения регулируемого параметра.
По роду протекающего вещества или энергии РО делят на
пневматические, гидравлические и электрические.
Пневматические и гидравлические по конструктивному
исполнению делят на клапанные одно- и двухседельные (рис. 6.28, а
и б), поворотные заслонки (рис. 6.28, в), трехходовые клапана
(рис. 6.28, r), клапанно-золотниковые (рис. 6.28, д) и золотниковые
(рис. 6.28, е). Схема действия этих РО очевидна.
Входной координатой РО является перемещение штока или
разворот золотника, выходной координатой проходное сечение f
или расход И'рабочей среды под действием перепада давлений hp.
Рис. 6.28. Схемы регулирующих органов

Уравнение статики запишется в следующем в@де:
где расход рабочей среды определится перепадом давлений на
участке РО
4Р=Р, -р,.
Электрическими РО являются контакты электромагнитных реле и
пускателей, транзисторы, тир исторы, электр омашинные
преобразователи и т.п.
Уравнение статики линейно связывает входную и выходную
координаты, если РО представляет собою электронный прибор, или
дискретно, если РО представлен контактами электромагнитного реле.
Электрические регулирующие органы получили широкое
применение в системах судовой автоматики.
При проектировании регулирующих органов и в эксплуатации
стараются обеспечить линейную зависимость между входной и
выходной координатами.
Для того чтобы использовать положительные свойства
автоматических систем с управлением по ошибке и по
возмущающему воздействию, были предложены комбинированные
системы автоматического управления (рис. 6.29),
где g — задающее воздействие;
/' — возмущающее воздействие;
у — управляемая величина.
Рис. 6.29. Комбинированная система автоматического управления
ГЛАВА 6 . Элементы автоматических систем
Такие системы нашли широкое применение в системах
автоматического регулирования напряжения судовых синхронных
генераторов. В электроэнергетике они получили название систем
компаундирования. Основным возмущающим воздействием для
синхронных генераторов, вызывающим изменение величины
напряжения генератора, является ток нагрузки генератора. При
токовом компаундировании используется компенсирующий сигнал,
зависящий только от величины тока. При фазовом
компаундирон анин используется компенсирующий сигнал,
зависящий и от величины тока, и от напряжения фаз.
Компаундирующее действие схемы рис. 6.3О зависит только от
величины тока и не зависит от его фазы. Поэтому при индуктивной
нагрузке это действие слабее, чем при активной нагрузке.
Такое компаундирование называется токовым, и при этом
постоянство напряжения U в пределах диапазона нормальных
нагрузок удается сохранять с точностью до*(5 — 1О)%. Такая точность
для современных установок недостаточна, и поэтому в схемах
рис. 6.3О применяется дополнительный корректор или
автоматический регулятор напряжения (11), который соединен с
помощью трансформатора (1О) с зажимами генератора, а также с
установочным реостатом (8). Регулятор (11) реагирует на изменения
напряжения U и тока Х и питает постоянным током дополнительную
обмотку возбуждения возбудителя (5). Он состоит из статических
элементов (магнитный усилитель, насыщенный трансформатор,
Рис. 6.3О. Система возбуждения с токовым компаундированием

РАЗДЕЛ И . Судовая алектроавтоматика
Рис. 6.3т. Система самовозбуждения с фазовым компаундированием
полупроводниковые выпрямители и др.). Подобная система
возбуждения на современных судах давно не используется.
Типичная схема компаундированного генератора с
самовозбуждением изображена на рис. 6.31.
Вторичная ЭДС параллельного трансформатора (3)
пропорциональна U, a вторичная ЭДС последовательного
трансформатора (5) пропорциональна I. Вторичные обмотки этих
трансформаторов включены параллельно, и ток возбуждения ф — If
зависит не только от величины тока нагрузки Х, но и от ero фазы,
вследствие чего схема рис. 6.31 называется схемой фазового
компаундирования. Это позволяет усиливать компаундирующее
действие системы возбуждения при ицдуктивной нагрузке
генератора, поскольку ицдуктивная составляющая тока нагрузки
генератора вызывает наибольшее падение напряжения:
If =Хи+ Хг.
6.9. Эксплуатация систем судовой
автоматики и их диагностирование без
разборки в процессе эксплуатации
Регуляторы и элементы систем судовой автоматики в
значительной мере определяют технические и экономические
показатели судовых энергетических установок. В процессе
эксплуатации необходимо внимательно следить за работой и
ГЛАВА 6 ° Элементы автоматических систем
состоянием самих регуляторов и объектов регулирования, соблюдать
сроки и объемы профилактических осмотров, ремонтов.
Обслуживающий персонал должен быть ознакомлен с устройством и
особенностями конструкции регуляторов и объектов, знать
соответствующую информацию об элементах судовой автоматики по
техническим инструкциям и ТУ к изделиям
Проверку работы и правильности статической настройки
элементов судовой автоматики в эксплуатации производят
периодически. Это позволяет поддерживать установленные
параметры на требуемом уровне.
В первую очередь необходимо знать структурную и
функциональную схемы САР, места отбора регулируемого
параметра, способы воздействия и фиксации исполнительных
органов. У места отбора импульса должен быть включен
измерительный прибор, а у регулирующего органа — измеритель ero
положения: у регуляторов давлений, например, со скрытым
регулирующим органом должен быть включен манометр,
позволяющий (пусть и косвенно) судить об интенсивности
регулирующего действия на процесс. Должен быть продуман метод
измерения или оценка условия нагрузки автоматизированного
агрегата автоматизации.
В эксплуатации СЭУ часто выявляется несоответствие реальных
характеристик и показателей переходного процесса САР и ее
элементов паспортным. Необходимо установить место и причины
неисправности или нарушения настройки какого-либо звена системы.
Характеристики отдельных элементов можно определить при
неработающей САР, когда входное воздействие удается каким-либо
образом имитировать.
Главное, до начала проверки правильности настройки или ее
корректировки необходимо убедиться в том, что настроечные
приспособления регуляторов находятся в нужных положениях.
Часто достаточно убедиться визуально, что звено правильно
реагирует на входное воздействие.
Настройки элементов САР, при которых устанавливается
соответствие входных и выходных величин каждого звена, как
правило, взаимосвязаны. На рис. 6.32 представлен алгоритм
проверки правильности настройки системы автоматического
регулирования.
286

ГЛАВА 6 . Элементы автоматических систем
Обследование систем регулирования
1.Изучение схемы и положение се
злемснтов оа обьекте;
2. Наличие неисправных приборов для
измерения:
регулируемого параметра,
уровня нагрузки обьекта;
рсгулирутопгего воздсйствия.
1 '
3. Сведения о характеристиках ре1 улировапия,
Полготовка
Все ли учасгки схемы, приборы и
приспособления проверены?
нет
Установление характеристик
регулирования на минимальной,
максимальной и средней нагрузках
1. Анализ устройства всех звеньев
цспи управления..
2. Установка дополнительных
приборов и приспособлений
Анализ полученных характеристик
ре1 ул и рован ия
Получение характеристик всех
основных звеньев цепи
регулирования и их звеньев
Характеристики
удовлетворитель-
ные
Характеристики
требуют
корректировки
и настройки
Обнаружена недопустимая
колебат ел ьиос г ь переходного процесса,
нечувствительность
Место неисправности:
обнаружено пе обнаружено
Усгранение неисправности
Необходимьг дополнительные
исследования причин неудовлетворитель-
ег
ных показателей регулирования
Ла
Подготовка автомат ики к
испытаниям закопчена
Дальнейшие испытания проводить при
ручном обслуживании
Рис. 6.32. Алгоритм проверки правильности настройки CAP
МикроЭВМ четвертого поколения открывают широкие
возможности для организации непосредственного цифрового
управления, параметрического контроля, безразборной диагностики,
прогнозирования состояния отдельных объектов, оптимизации
работы судовых энергетических установок и обеспечения
комплексной проверки.
Ресурсные характеристики современных управляющих
микроЭВМ обеспечивают требования Регистра РФ и международной
ассоциации классификационных обществ (МАКО). Так, например,
межремонтный ресурс достигает 25000 часов, ежегодная наработка
без подрегулировок и наладок — 5000 часов, выполняются
требования по безотказности при длительном крене судна (до 22„5') и
длительном дифференте (до 10'), а также при бортовой качке до 45' с
периодом 5 — 17 с.
Значительно хуже дело обстоит со средствами так называемой
периферийной автоматики (датчики, сигнализаторы), общее
количество которых на современных судах достигает от 500 до 700
единиц. До 75% датчиков имеют ресурс порядка от 5000 до 7000
часов при фактической наработке от 2000 до ЗООО часов. Именно это
обстоятельство сдерживает и ограничивает широкое применение
микроЭВМ в эксплуатации.
Статистика аварий на автоматизированных судовых установках
утверждает, что 43% всех аварий происходят по вине
обслуживающего персонала, 26% связаны с недостатками в
конструкции и схемах, 14% — скрытые дефекты, 7% — износ, 10%
приходятся на случайные причины.
Диагностирование и прогнозирование состояния объектов
управления и их систем позволяют обнаружить скрытые дефекты и
назревающие отказы, в том числе связанные с ошибками
обслуживающего персонала.
Основной частью информационной модели диагностирования и
прогнозирования является математическая модель реального
объекта, описывающая ero функционирование в идеальном
состоянии и при различных режимах ero работы (рис. 6.33).
Отклонения текущих важнейших параметров от их идеальных
значений, определенных по математической модели при
аналогичных условиях работы реальности, позволяют оценить
снижение эффективности работы установки, ее износ, наличие
отказов и т.п.
Полученные значения отклонений сравниваются с их
допустимыми и аварииными значениями и при конкретных условиях
оператору выдаются сигналы о необходимости проведения ремонта,
снижению нагрузки или рекомендации по устранению
неисправностей Значения отклонений важнейших параметров,
вычисленные в предшествующие моменты времени, используются
для формирования долго- и краткосрочных прогнозов.

РАЗДЕЛ И Судовая злектроавтоматика
ГЛАВА 6 Элементы автоматических систем
Как правило, процессы регулирования САР описывают с
помощью дифференциальных уравнений, а процессы управления—
с помощью уравнений алгебры Буля (логических уравнений). Сам
процесс математического описания поведения системы управления
называется алгоритмизацией.
Принято представлять весь процесс управления в виде отдельных
элементарных операций (А; — математических операторов), которые
записываются в строку и нумеруются слева направо в порядке их
выполнения. Если естественный ход зависит от получаемой
информации, то после оператора ставится логическое условие Р;,
которое может принимать два значения: 1 — при ero выполнении;
Π— если оно не выполняется. Н первом случае происходит переход к
следующему оператору, во втором — к тому оператору, на который
указывает стрелка 1. с ero ~~~~~~b~M H~MC~~M; у оператора,
которому передается управление, также ставится стрелка ' с
номером того логического условия, от которого произошел переход.
Запись алгоритма имеет следующий вид:
Рис. 6.33. йнформационная модель организации диагностического и
прогностического контроля: 1 — математическая модель идеального
объекта; 2 — реальный объект; 3 — идеальные значения параметров,
получаемые с помощью модели; 4 — текущие значения параметров,
получаемые с выхода реального объекта; 5 — определение отклонения
параметров; 6 — определение наличия сигнала «вызов оператором
прогностического контроля»; 7 — сравнение текущих значений и
отклонений параметров б аварийными уставками; 8 — результат
сравнения; 9 — анализ текущих и предшествующих значений отклонений;
10 — долго- и краткосрочные прогнозируемые периоды до ремонта
оборудования; 11 — выдача оператору данных о сроках проведения
ремонта; 12 — выдача оператору сигнала о необходимости проведения
ремонта; 13 — диагностика состояния объекта; 14 — выдача оператору
рекомендаций по устранению неполадок; 15 — сравнение текущих
значений параметров с допустимыми уставками; 16 — выдача оператору
сигнала об отсутствии отклонений параметров; 17 — выдача оператору
сигнала TpBBGI'M
Алгоритм читается так: выполнить оператор А1, затем А2 и далее
до А; „проверить полученный результат по условию Р;. Если Р; = 1,
то перейти к реализации следующего оператора А;+ъ иначе (при
Р,= О) выполнить оператор А, и А~&g
Для использования математического аппарата логических схем
( 1Ф
обозначения входных и выходных данных, операторов и логических
условий:
8'Д и 8'~ операторы начала и конца процесса управления (1 = 1, 2,
3 ... и — индексы номера алгоритма в общей схеме управления);
А;[[(хъ х2, ... х„)] — оператор арифметических и логических
вычислений (здесь ~(хъ х~, ... х„) — расчетная зависимость, х—
аргумент, принимающий различные значения для непрерывных и
дискретных функций);
В;[Т,~(О); Р~(у); ...] — оператор ввода информации от датчиков
(здесь Т и Р— вид датчиков, например, температуры и давления),

и — номер датчика, k — вид двигателя, системы, механизма, на
котором установлен датчик, (О),(у) текущие значения параметров;
С, [F,. = и:(пВ, ... эЯ, )] — оператор выдачи управляющих
воздействий на исполнительные органы (здесь F; двоичная
функция, определяющая состояние управляющего воздействия по
поступающим сигналам). Адрес исполнительного органа обозначают
тремя последовательными знаками: В, С, ... — тип исполнительного
органа (например, клапан, система сигнализации); номер
исполнительного органа; — вид двигателя, системы механизма, в
которых установлен исполнительный орган. Перед адресом
указывается род привода (э — электрический, п — пневматический).
Для обозначения открытия (закрытия) исполнительного органа
используют знаки и:(P:);
3;{ f; -+ < &gt ) — оп ратор запом нания промежу
результатов;
М(о: 3; w 1) — оператор воздействия на средства представления
информации, например, «сигнализировать, что г-клапан k-системы не
открылся&gt
Я; условный останов (пауза).
Логические условия:
Р,( f; а) — проверка результатов выполнения оператора (здесь f;—
результат расчета, логическое заключение; — знаки условия: &l ;, &
и т.д.; — постоянная величина, равная 1 или О);
q(ht & t; t ) контр ль врем ни (у ет реальн го масшт
времени).
Алгоритм функционирования можно представить в в@де
граф-схемы, если принять следующую интерпретацию ero
функциональных элементов. Конечное множество преобразователей
Х(хь х2, ... х„) соответствует деиствию при управлении
(управляющие воздействия, логические заключения, вычисления,
сигналы оповещения) и обозначается в виде прямоугольников,
внутри которых записаны операторы. Начало и конец алгоритма
условно обозначаются овалами.
Глава 7. Импульсные устройства
В различных областях электроники — в электронно-
вычислительной технике, в радиолокации, телевидении, в системах
радиосвязи, в судовой электроавтоматике — широко применяют
устройства, работающие в импульсном режиме.
Импульсным режимом работы называется такой релсим, при ко-
тором устройство вырабатывает электрическую величину или нахо-
дится под ее воздействием, имеющей характер импульсов и перепадов.
Импульсом называют электрическую величину (напряжение, ток,
мощность), которая в течение короткого промежутка времени,
соизмеримого с длительностью переходных процессов в устройстве„
изменяется от одного постоянного (начального) значения до
некоторого другого постоянного значения.
Перепадами называют быстрые (скачкообразные) изменения
электрической величины между двумя уровнями.
Форма импульсов (рис. 7.1) может быть прямоугольной (а),
трапецецдальной (б), линейно изменяющейся (треугольной) (в),
экспоненциальной (r) и т.д.
Рис. 7.1. Формы импульсных сигналов

РАЗДЕЛ II . Судовая алект оавтоматще
D
и
Ф
~с
~и
Рис. 7.3. Периодически-
последовательный импульс
Рис. 7.2. Реальный
прямоугольный импульс
Форма реальных импульсов обычно отличается от
представленных на рисунке геометрически правильных импульсов
из-за влияния, например, реактивных элементов и пр. Так,наиболее
часто встречающиеся прямоугольные импульсы обычно имеют
реальную форму, показанную на рис. 7.2.
Участки аб и ez быстрого нарастания и спада напряжения
называются соответственно фронтом и срезом (спадом) импульса,
участок бв, на котором напряжение изменяется сравнительно
медленно, называют вершиной. Наибольшее, по сравнению с
исходной, Uq значение напряжения импульса U называют
амплитудой (высотой) импульса.
Прямоугольный импульс характеризуют также длительностью
импульса t„„, которая графически определяется на уровне 0,1U;
длительностью фронта t~ и длительностью среза Р„которые
находятся между уровнями от 0,1 U до 0,9U. Изменение
напряжения на вершине импульсаД~/называется завалом вершины.
Если импульсы следуют друг за другом через равные промежутки
времени Т, их называют периодической последовательностью
импульсов (рис. 7.3). Дополнительными параметрами
периодической последовательности импульсов являются следующие
величины. Период повторения импульсов Т вЂ” отрезок времени
между одноименными фронтами двух соседних однополярных
импульсов. Величина, обратная периоду повторений, г'' = 1/Т,
называется частотой повторений. Скважность импульсов
отношение периода повторения к длительности импульса. q =- T/t,.
ГЛАВА 7 Импульсные устройства
Интервал времени между окончанием одного импульса и н
следующего называют паузой t„= Т вЂ” tÄ.
При анализе работы импульсных устройств и передаче импу
сигналов важно знать спектральный состав этих сигналов. С
исследования этой характеристики используется час
представление функции в виде спектра (рис. 7.4), представля
собой преобразование Фурье во временной облает
амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Эта характер
играет особую роль при переработке и передаче сигналов, т
определяет параметры и полосу пропускания аппаратуры. С
характеризуются активной шириной, т.е. диапазоном частот
1, в котором сосредоточено 95% энергии сигнала. Наприм
импульса прямоугольной формы 1, = 2/1„(рис. 7.4
колоколообразного 1 = 0,25/t„. Для неискаженной пе
прямоугольного импульса необходима полоса пропускания,
2/г„, а для колоколообразного — почти в восемь раз меньшая.
Введем понятие э
AtAа ческого сигнала. Эл
ческий сигнал
-Ф-Ф-
+Ф1- физическая величина
+-+-Ч--~- напряжение, электр
4й +-Ф-Ф- Ф-
яр + 1 p q ~ г „г мОщнОсть) параметрь
рой содержат инфор
~~т=й ь'~и 2/Ф и
Для образования сиги
среди многих других
Рис. 7.4. Амплитудно-частотная
бов могут. быть использованы
импульсы. Сигналы в виде
импульсов широко используются в современных цифровых вычис-
лительных машинах.
В современной судовой автоматике широко применяются
устройства, называемые электронными ключами. Основное их
назначение состоит в коммутации (замыкании, размыкании)
электрических цепей под воздействием управляющих сигналов.
Ключ в стационарном режиме находится в одном из двух состоя-
ний — замкнутом или разомкнутом. Когда ключ замкнут (включен),

РАЗДН1 И Судовая злект оавтоматака
сигнал от генератора проходит в нагрузку, когда ключ разомкнут
(выклочен), — не проходит. Во включенном состоянии ключ должен
обладать малым сопротивлением, в выключенном — большим.
Для построения электронных ключей используются полупровод-
никовые и магнитные приборы с нелинейными характеристиками—
диоды, транзисторы, ферромагнитные сердечники, туннельные дио-
ды и т.д. Уровни напряжения и импульсные сигналы в ключевых схе-
мах могут быть закодированы в двоичной системе счисления
цифрами 1 и О Низкий потенциал при отсутствии импульса кодиру-
ется О, высокий потенциал или наличие импульса кодируется 1,
допускается и обратная кодировка.
Для построения транзисторных ключевых схем используют такие
схемы включения транзистора, как «общий эмиттер» (ОЭ), «общая
база» (ОБ), «общий коллектор» (OK). Наибольшее применение
получили транзисторные ключи ОЭ.
При отсутствии на входе схемы импульса транзистор закрыт
(режим отсечки, близкий к режиму идеального разомкнутого ключа),
сопротивление в цепи коллектор-эмиттер большое, на выходе схемы
U = Up Когда на вход схемы подаются положительные импульсы
напряжения, транзистор переходит из закрытого состояния в
открытое (режим насыщения, близкий к режиму идеального
замкнутого ключа), сопротивление в цепи коллектор-эмиттер мало, и
на выходе схемы Uq.
Транзисторные ключи выполняются на биполярных или полевых
транзисторах. В свою очередь ключи на полевых транзисторах делят-
ся на МДП-ключи и клю-
чи на полевых транзис-
торах с управляющим
р — n-переходом. Уо
Ключи на биполярных вы.то 3
Ui ЯЬ
транзисторах делятся на ~~~д
насыщенные (рис. 7.5) и
ненасыщенные (рис. 7.6).
Я&a
Ключевой каскад на
рис. 7.5 представляет
собой каскад по схеме с
ОЭ, на входе которого
Включен езисто
Рис. 7.5. Схема насыщенного ключа с ОЗ
типа и-р-и
ГЛАВА 7 Импульсные устройства
+Uee
+Uee
Рис. 7.6. Схема ненасыщенных ключей с ОЗ типа и-р-и
обеспечивающий при заданном входном напряжении Ui требуемый
ток насыщения базы Показанный на рис. 7.5 конденсатор Cb
называется ускоряющим, он предназначен для повышения
быстродействия ключа. Благодаря ему увеличивается отпирающий
базовый ток в момент появления сигнала, и ускоряется процесс
запирания транзистора при отсутствии сигнала, поскольку в этом
случае ускоряющий конденсатор будет создавать на базе
запирающее напряжение отрицательной полярности.
Второй способ повышения быстродействия транзисторного
ключа заключается в применении отрицательной обратной связи
(рис. 7.6, б). Сущность способа заключается в предотвращении
насьпцения транзистора за счет использования в цепи отрицательной
обратной связи диода VD. Пока напряжение база — коллектор больше
падения напряжения на сопротивлении Aî, этот диод заперт,
обратная связь отсутствует. При увеличении входного сигнала (и
соответственно входного тока) увеличивается и ток коллектора. При
достаточно большом входном сигнале напряжение база — коллектор
становится равным падению напряжения на сопротивлении
резистора Aî, диод VD отпирается, и начинает действовать
отрицательная обратная связь. Теперь рост базового тока мало влияет
на режим транзистора, так как значительная часть входного тока
протекает в этом случае непосредственно через диод, и транзистор не
переходит в режим насыщения.
Рассмотренный способ реализуется с помощью диодов Мотки,
подключаемых параллельно переходу база — коллектор транзистора,
при этом такая комбинация в интегральном исполнении составляет
единую структуру — транзистор Мотки.
Существенного повышения быстродействия ключа на рис. 7.6, б
можно добиться только при использовании диодов, имеющих малое

время восстановления Если применять низкочастотные диоды, в
которых велико время рассасывания заряда, накопленного в базе, то
эффект от введения нелинейной обратной связи будет незначителен.
В этом случае диоды 1Цотки незаменимы. Они имеют малое время
восстановления (не более О,1 нс), низкое напряжение отпирания
(около О,25 В) и малое сопротивление в открытом состоянии (около
1О Ом). При применении диодов Мотки отпадает необходимость во
введении дополнительного напряжения смещения. Это обусловлено
тем, что диод отпирается при более низком напряжении между
коллектором и базой, когда транзистор еще находится на границе
активного режима.
На рис. 7.6„а приведена схема ненасыщенного ключа, в которой
насьпцение транзистора исключается из-за диода VD. В процессе
открывания транзистора отрицательный потенциал коллектора
уменьшается. Диод VD открывается, когда потенциал анода
превысит потенциал катода. После этого напряжение на переходе
эмиттер будет больше Е1 на значение падения напряжения на
открытом диоде VD. Полного насыщения транзистора не
происходит, так как напряжение U, не может уменьшиться.
После открывания диода VD увеличение тока коллектора Х
приводит к увеличению тока через диод VD, а ток через резистор A'
остается практически неизменным.
При поступлении запирающего сигнала начинают уменьшаться
ток „VD, а ток через резистор Я и выходное
напряжение не будут изменяться до тех пор, пока ток через диод не
станет равным нулю, т.е. пока не закроется диод. Задержка
закрывания транзистора является недостатком этой схемы.
Большим быстродействием обладает схема ненасыщенного ключа
с нелинейной отрицательной обратной связью, которая
осуществляется через диод VD (рис. 7.6, б). При подаче входного
сигнала транзистор начинает открываться, отрицательный потенциал
коллектора и анода диода VD уменьшается, и в какой-то момент
времени диод VD открывается. Теперь ток базы от входного
напряжения уменьшается, так как часть тока пройдет через переход
эмиттер — коллектор и открытый диод VD. До открывания диода
базовый ток был значительно большим, что способствовало
ускорению перехода транзистора из закрытого состояния в открытое.
Насыщение исключается из-за уменыпения базового тока. После
ГЛАВА 7 ° Импульсные устройства
открывания диода выходное напряжение остается практически
неизменным.
Базовый ток создает на резисторе Я падение напряжения, которое
увеличивает отрицательный потенциал катода диода. Поэтому диод
открывается раньше, чем транзистор окажется в режиме насыщения.
Если катод диода присоединить непосредственно к базе транзистора,
последний войдет в режим насыщения раньше, чем откроется диод, и
избежать насыщения транзистора не удастся. Однако напряжение на
резисторе A' зависит от переключающего тока базьп
Схема на рис. 7.6, в практически лишена этого недостатка. В
данной схеме вместо резистора используется диод VD2, который
открывается при определенном напряжении отсечки и имеет очень
малое прямое сопротивление. При подаче входного сигнала
открывается диод VD2, когда напряжение на нем превысит значение
отсечки. Положительный потенциал диода VD1 на катоде
увеличивается, и последний открывается до насыщения транзистора.
Падение напряжения на диоде VD2 практически не зависит от
базового тока.
Базовые схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим
р — и-переходом показаны на рис. 7.7. Коммутируемый сигнал
подается на вход U; и снимается с выхода U, (A'„— сопротивление
нагрузки). Сигнал управления направляется на вход U„„. Для
запирания ключа на затвор транзистора создается напряжение,
которое должно превышать напряжение стока и истока на величину,
большую напряжения отсечки на 2 — 3 В, но не превышающую для
конкретного транзистора предельно допустимых значений.
Рис. 7.7. Схема ключей на полевых транзисторах с р — n-переходом

РАЗДЕЛ 11 . Судовая злектроавтоматика
В закрытом состоянии сопротивление ключей достаточно велико
(более 10 Ом). Оно определяется не только сопротивлением канала,
но и током обратно смещенного р — и-перехода затвор-сток. В
закрытом состоянии емкость между управляющим электродом и
цепью переключаемого сигнала составляет 3 — ЗО пФ.
В открытом состоянии ключа напряжение на управляющем
электроде близко к нулю и зависит от значения коммутируемого
напряжения U; и сопротивления нагрузки A'„Çòo обусловлено тем,
что при увеличении напряжения на истоке транзистора и неизменном
потенциале затвора напряжение затвор — исток отлично от нуля и
транзистор частично заперт, при этом сопротивление сток — исток
увеличится, и падение напряжения в канале сток-исток возрастет.
Для ключа, работающего в режиме прерывателя, когда напряжение
U„- может меняться в широких пределах, это является существенным
недостатком. Поэтому в таких случаях необходимо применять
схемы, обеспечивающие автоматическую стабилизацию напряжения
между затвором и каналом. На схемах рис. 7.7 эту роль выполняет
последовательно включенный в цепь затвора диод VD, который для
запирающего напряжения включен в прямом направлении. Если
напряжение управления выбрать больше максимально возможного
значения коммутируемого напряжения, то при подаче открывающего
напряжения р — и-переход затвора открывается, а диод VD
закрывается. В этом случае при изменениях коммутируемого
напряжения р — и-переход останется открытым, и сопротивление ero
канала будет неизменным. Для этой же цели в схеме на рис. 7.7, б
между истоком и входом ключа дополнительно включается
высокоомный резистор Я. Используемый в схеме на рис. 7.7, а
конденсатор С предназначен для ускорения процесса перезарядки
емкостей затвор — исток и затвор — сток.
ЛД7Х-ключи могут быть реализованы на МДП-транзисторах как с
ицдуцированным, так и со встроенным каналом. Однако последний
тип' МДП-транзисторов нашел ограниченное применение на
практике, поэтому дальнейшее рассмотрение проведем
применительно к МДП-ключам с индуцированным каналом.
Базовые схемы МДП-ключей показаны на рис. 7.8. На рис. 7.8, а
показана схема простейшего ключа на МДП-транзисторе с
ицдуцированным каналом р-типа. Для отпирания транзисторов
рассматриваемых схем на их затвор нужно подать отрицательное
ГЛАВА У ° Импульсные устройства
Dec
Х а ~o~~~os
атьллогоаих сигхалоа
Кл а ~îîk~
услцюйсю а
Рис. 7.8. МДП-ключи с индукционным каналом р — типа
напряжение U;, превышающее напряжение на остальных электродах
на величину, большую цорогового напряжения затвор — исток U,„, при
котором и создается (ицдуцируется) токопроводящий канал,
характеризующийся уменьшением сопротивления по мере
увеличения (до предельно допустимого) напряжения затвор — исток,
когда сопротивление канала минимально. При этом в первом
приближении можно пренебречь падением напряжения на
транзисторе и считать, что потенциалы стока и истока у открытого
транзистора приблизительно одинаковы.
МДП-ключ на рис. 7.8, б отличается от своего предшественника
тем, что ero входное (коммутируемое) напряжение в общем случае
может быть разнополярным, однако для этого требуется специально
сформированный сигнал управления. Анализ этого ключа
показывает, что коэффициент передачи коммутируемого сигнала
зависит от величины ero напряжения. Для уменьшения погрешности,
возникающей в результате наличия нелинейности коэффициента
передачи„целесообразно увеличивать сопротивление нагрузки Я„.
Тиристорние ключи могут использоваться в силовых цепях
электрооборудования для включения потребителей постоянного и
переменного тока большой мощности и напряжения.
Простейший тиристорный ключ для нагрузки Я,„работающей на
постоянном токе, показан на рис. 7.9. При подаче питания на схему
тиристор закрыт. Конденсатор разряжен через резисторы Я„и R При
замыкании контакта В «Включение» через управляющий электрод
проходит ток управления, значение которого ограничивается
резистором A. Тиристор открывается лавинообразно за время 25 — ЗО
мкс, и в открытом состоянии ток ограничивается сопротивлением
нагрузки„падение напряжения на тиристоре при номинальном токе
300

РАЗДЕЛ II . Судовая алект оавтоматика
нагрузки составляет О,5 — 1 В, т.е. прямое +
сопротивление тиристора измеряется в
тысячных долях Ома. Таким образом,
время замкнутого состояния контакта В
должно быть не меньше времени
открывания тир истора. В открытом
состоянии тир истора конденсатор С
заряжается через резистор A'. УТ я
Для закрывания тир истора
замыкается контакт О «Отключение». О
Напряжение заряженного конденсатора
прикладывается к тиристору «плюсом»
Рис. У.9. Схема
на катод. Емкость конденсатора
подбирается такой, чтобы продолжительность импульса напряжения
была достаточной для снижения тока и ниже значения тока
удержания, когда тиристор закрывается.
Если нагрузка A' обладает ицдуктивностью, при отключении
возникает Э.Д.С. самоиндукции, которая может создать опасное для
ГЛАВА У ° Импульсные устроиства
Рис. УЛ2. Диодный ключ. Выравнивание амплитудных импульсов
тиристора перенапряжение Диод VD включает разрядный контур
для тока, создаваемого Э.Д.С.
В режиме электронного ключа также легко работают импульсные
диоды. Рассмотрим их работу в различных режимах.
Благодаря своим характеристикам импульсные диоды прекрасно
справляются со своими обязанностями в схемах логических
элементов различных конструкций и назначений, которые мы
подробно будем рассматривать далее.
I
с
!
Рис. УЛО. Диодный ключ с синусоидальным источником:
а) сигнал на входе; б) сигнал на выходе
R1 1
I
[ с
I
I I ! !
Рис. 7.11. Диодный ключ. Двусторонний ограничитель:
а) сигнал на входе; б) сигнал на выходе
7.3. Мул ьтивибраторы
В импульсных устройствах находят широкое применение
генераторы несинусоидальных релаксационных колебаний.
Релаксационными называются периодические колебания, в которых
медленные изменения чередуются со скачкообразными. Они бывают
прямоугольными, пилообразными, пилообразно-импульсными.
Генераторы релаксационных колебаний используют в качестве
пускающих и переключающих устройств, для деления частоты и т.п.
Они могут работать в автоколебательном, ждущем режиме, а также в
режимах синхронизации и деления частоты.
Этим определяется название «мультивибратор», означающее
«генератор множества колебаний». Чаще всего мультивибраторы
выполняют на транзисторах.
Основная схема транзисторного мультивибратора е аеиоколеба-
иельном релсиме представлена на рис. 7.13. Мультивибратор, собран-
ный по основной схеме, представляет собой двухкаскадное устройство,
в котором выходы каскадов связаны со входом цепочкой СЯб. Если
транзисторы, конденсаторы и резисторы каскадов (плеч) одинаковы, то
мультивибратор называется симметричным.

РАЗДЕЛ 11 . Судовая элект оавтоматика
Vie|
Т
1
Рис. 7.13. Мультивибратор: а) схема; б) диаграмма напряжений
Исходное состояние схемы определяется кривыми напряжений
(рис. 7.13, б). Цо момента tq транзистор VT1 открыт (напряжение на
переходе эмиттер — коллектор Ц„мало), а транзистор VT2 закрыт,
напряжение Удк = Е„. Соответственно напряжение Uqq на переходе
эмиттер — база VT1 небольшое, а положительное напряжение U6
приложено к базе VT2 от конденсатора С1, который в момент t = О
полностью заряжен, конденсатор С2 разряжен. Конденсатор С1
разряжается через резистор R~q, внутреннее сопротивление источника
питания Е„и открытый транзистор VT1. По мере разряда конденсатора
С1 напряжение Uqq обратной полярности, действующее между
эмиттером и базой транзистора VT2, уменьшается.
В открытом состоянии транзистора VT1 базовый ток проходит
через резистор R16 и параллельно через конденсатор С2 и резистор
R2„„, причем конденсатор С2 заряжается Зар~щный ток создает на
резисторе Я2„падение напряжения. Поэтому напряжение на переходе
эмиттер — коллектор У~„транзистора VT2 увеличивается постепенно
во время импульса 12„. Заряд конденсатора С2 закончится раньше,
чем разрядится конденсатор С1, так как резисторы схемы подобраны
при условии Rq & t; „. По ле зар да конденсат ра С2 насыщен
состояние транзистора VT1 поддерживается током базы через
резистор Rlq.
ГЛАВА 7 Импульсные устройства
В момент tq конденсатор С1 полностью разр~щится, и под
действием напряжения источника питания Е„возникнет базовый ток
транзистора VT2 через резистор R2q и конденсатор С1, что приведет к
толчку отрицательного напряжения Uq@ В результате транзистор VT2
лавинообразно откроется, и напряжение обратной полярности через
конденсатор С2 прикладывается к переходу эмиттер — база
транзистора VT1, последний закроется. Так как конденсатор С2
зароился до напряжения питания Е„, обратное (положительное)
напряжение на переходе эмиттер — база U~q транзистора VT1 скачком
достигнет этой величины.
Напряжение на переходе эмиттер — коллектор У~„транзистора VT1
возрастает постепенно по мере зарха конденсатора С1 и уменьшения
зарядного тока и падения напряжения на резисторе R1„,
соответственно уменьшается отрицательное напряжение Uqq.
Одновременно конденсатор С2 разряжается через резистор R1q,
внутреннее сопротивление источника питания и открытый транзистор
VT2. В момент tq происходит новое скачкообразное переключение
схемы, транзистор VT2 закрывается, à VT1 открывается. Таким
образом, мультивибратор чередует плавное изменение напряжений во
время импульса со скачкообразным, т.е. генерирует релаксационные
колебания с формой импульса, близкой к прямоугольной.
Мультивибратор с улучшенной формой импульса и
регулированием скважности представлен на рис. 7.14.
Ток заряда конденсаторов С1 и С2 протекает в этой схеме не через
коллекторные резисторы Я1„и R2„, а через резисторы R1 и R2, что
обеспечивается диодами VD1 и VD2.
Uk
Рис. 7. т4. Мультивибратор с улучшенной формой импульса и
регулированием скважности: а) схема; б) диаграмма импульса

РАЗДЕЛ 11 Судовая электраавтоматика
После разряда конденсатора С1 через базовый резистор R26,
внутреннее сопротивление источника питания Е„, открытый
транзистор VT1 и диод VD1 транзистор VT2 начинает открываться.
базовым током, который имеет две составляющие: ток через резистор
Я2в и ток заряда конденсатора С1 через резистор R1. Диод VD1 не
пропускает ток заряда конденсатора С1 через резистор R1„, поэтому
напряжение на переходе эмиттер — коллектор транзистора VT1
нарастает быстрее, чем в основной схеме мультивибратора, и
передний фронт импульса ближе к прямоугольному. На графике
рис. 7.14, б пунктиром показан передний фронт импульса в основной
схеме мультивибратора.
Скважность регулируют потенциометром. Плечи потенциометра
включаются последовательно с базовыми резисторами. Таким
образом, изменяя положение движка поте нциометра, можно
регулировать сопротивление в базовой цепи. Чем больше
сопротивление в цепи базы, тем дольше разряжается конденсатор и
поддерживает закрытое состояние одного из транзисторов. При этом
увеличивается время импульса на выходе закрытого транзистора и
уменьшается время паузы на выходе открытого, период колебаний
остается неизменным.
Мультивибратор в ждущем режиме показан на рис. 7.15.
Для автоколебательного режима работы мультивибратора
характерно неустойчивое состояние, поэтому схема непрерывно
генерирует импульсы. В ряде схем требуется получать отдельные
импульсы в определенные моменты времени. Это обеспечивается
надежным и устойчивым закрыванием транзистора в одном из плеч
мультивибратора. Для возникновения импульса на выходе
Рис. У.тб. Схема ждущего мультивибратора с змиттерной связью:
а) схема; б) диаграмма напряжений
1 ЛАВА 7 ° Импульсные устройства
необходим внешний запускающий импульс До ero подачи схема не
генерирует импульсов и находится в ожидании пуска. Такой режим
работы называется ждущим.
При подаче питания в схему транзистор VT2 открывается до
насыщения, так как возникает ток в цепи базы через резисторы Я2в и
R1„, конденсатор заряжается до напряжения, меньшего, чем
напряжение источника, на значение падения напряжения на
резисторе R,. Транзистор VT1 закрывается, так как положительное
напряжение, подаваемое с резистора R2 на базу, оказывается больше,
чем напряжение на резисторе R,. Это достигается подбором
резисторов. Такое состояние схемы сохраняется до появления
запускающего импульса. Напряжение на выходе равно падению
напряжения на резисторе R,.
При возникновении запускающего импульса входной
конденсатор заряжается током базы транзистора VT1, и последний
открывается. Через конденсатор С1 подается обратное напряжение
на переход эмиттер — база транзистора VT2. Эмиттерный ток
транзистора VT2 уменьшается, что приводит к уменьшению
напряжения на резисторе R,. Положительный потенциал эмиттера
VT1 становится больше, чем базы, что приводит транзистор И1 в
насыщенное состояние. Процесс заканчивается закрыванием
транзистора VT2.
После открывания транзистора VT1 конденсатор С1 разряжается
по цепи резистор Я2в — внутреннее сопротивление источника—
резистор R, открытый транзистор VT1. В процессе разряда
конденсатор С1 своей полярностью поддерживает закрытое
состояние транзистора VT2. Когда напряжение на конденсаторе
окажется близким к нулю, транзистор VT2 откроется, и схема
лавинообразно перейдет в исходное устойчивое состояние.
Как пример применения мультивибратора рассмотрим схему
двухтональной тревожной сигнализации в центральном посту
управления (ЦПУ) при потере питания на ГРЩ (рис. 7.16).
За основу схемы берется транзисторный мультивибратор
автоколебательного режима, собранный на полевых транзисторах
и-типа с управляющим переходом.
При разряде конденсатора СЗ на базе транзистора И1 начинает
доминировать положительный потенциал, что приводит к ero
открытию и свечению светодиода HLL Положительный потенциал

ЗО9
РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроавтоматика
Рис. 7.16. Двухтональный сигнал тревоги ЦПУ
поступает на генератор частоты U1, который выдает через динамик
DM1 сигнал определенной тональности. После полной разрядки
конденсатора СЗ транзистор VT4 открывается и начинает ero
заряжать, транзистор VT1 закрывается. Транзистор VT2 открывается,
потому что конденсатор С4 разряжается, и на базе транзистора VT2
доминирует положительный потенциал, что приводит к его
открытию. Загорается светодиод HL2 и динамик DM2 выдает сигнал
уже другой тональности. Это происходит до тех пор, пока
присутствует сигнал тревоги
Бло кинг-генераторы позволяют получать кратковременные
импульсы большой мощности, близкие по форме к прямоугольным.
Скважность импульсов больше, чем у мультивибраторов, т.е. время
импульса много меньше периода колебаний. В схемах
электрооборудования блокинг-генераторы используют для
переключения триггеров, управления тиристорами и т.п.
Ълокинг-генератор в автоколебательном режиме является
однокаскадным генератором импульсов, в котором сильная
положительная обратная связь обеспечивается с помощью
трансформатора (рис. 7.17, а).
При увеличении коллекторного тока, проходящего по первичной
обмотке трансформатора, во вторичной базовой обмотке наводится
ЭДС с такой полярностью, которая приводит к дальнейшему
увеличению тока коллектора, так как плюсовая полярность
подключается к эмиттеру. При уменьшении тока коллектора ЭДС в
базовой обмотке меняет направление, и плюс подключается к базе,
что способствует дальнейшему уменьшению тока коллектора. В
ГЛАВА 7 . Импульсные устройства
Рис. 7.17. Схема блокинг-генератора с ОЭ в автоколебательном
режиме: а) схема; б) диаграмма напряжения
результате сильной обратной связи нарастание и уменьшение тока в
цепи коллектора происходит лавинообразно, что обеспечивает
крутой передний и задний фронт импульса. Выходное напряжение
(импульс) снимается ' со специальной нагрузочной обмотки
трансформатора.
Рассмотрим работу блокинг-генератора с момента времени tb когда
напряжение на конденсаторе С падает до нуля (рис 7.17, б, кривая Uc) и
транзистор начинает открываться. С этого момента в коллекторной
цепи появляется ток, и первичная обмотка трансформатора
намагничивает сердечник. Увеличивающийся магнитный поток
сердечника наводит в базовой обмотке трансформатора ЭДС
положительной полярности относительно эмиттера. Увеличиваются ток
первичной обмотки, магнитный поток сердечника, ЭДС базовой
обмотки и в итоге коллекторный ток. Процесс развивается
лавинообразно. В момент времени 4 транзистор оказывается в зоне
насыщения, и напряжение на коллекторном переходе становится
минимальным (кривая Ук). За интервал времени t~ — г2 ЭДС базовой
обмотки достигает максимальной отрицательной величины еб.. На
этом формирование переднего фронта импульса заканчивается.

РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроавтоматика
Интервал времени tq — г2 чрезвычайно мал, и электрическое
состояние конденсатора С практически не меняется (кривая Uc).
После достижения транзистором режима насьлцения конденсатор
начинает заряжаться под действием ЭДС базовой обмотки через
открытый переход эмиттер — база. Сопротивление цепи заряда
невелико, и к моменту времени t3 напряжение на конденсаторе
достигнет максимума U~ . При этом уменьшаются отрицательное
напряжение иб и ток в цепи базы.
В трансформаторе первичная обмотка оказывает намагничи-
вающее действие, а вторичная — размагничиваю щее. При
неизменном токе коллектора в интервале t2 — 4 и уменьшающемся
токе базы размагничивающее действие вторичной базовой обмотки
уменьшается, и, следовательно, результирующий магнитный поток
сердечника растет приблизительно прямолинейно. Если магнитный
поток увеличивается с постоянной скоростью, то наводимые в
обмотках ЭДС сохраняют неизменные значения, и напряжение U~
остается практически постоянным. Этим объясняется формирование
плоской вершины импульса.
Резкое уменьшение тока базы выводит транзистор из
насыщенного состояния и восстанавливает его усилительные
свойства. После момента времени t3 коллекторный ток начинает
уменьшаться, что вызывает снижение скорости нарастания
магнитного потока сердечника трансформатора. Уменьшение ЭДС
базовой обмотки, отрицательного напряжения Уь приводит к
уменьшению коллекторного тока.
Из выражения Ув = — Еь+ Ус следует, что, как только ЭДС базовой
обмотки еб по абсолютному значению станет меньше напряжения на
конденсаторе Uc, напряжение на переходе эмиттер — база UI;
окажется положительным. Это приведет к закрыванию транзистора.
Колл екторный ток и нам агничивающий поток сердечника
трансформатора будут резко падать. При этом изменится полярность
вторичных ЭДС трансформатора. Электродвижущая сила
самоиндукции первичной обмотки превысит напряжение и„на
величину AU~ а напряжение на переходе эмиттер — база станет
больше напряжения заряженного конденсатора на величину Либ. Для
уменьшения ЭДС самоиндукции первичной обмотки
трансформатора параллельно последней включают цепочку R„, — VD,
которая создает разрядный контур для ЭДС. Резистор R„
Рис. УЛ8. Блокннг-генератор в
ждущем режиме
Т & t; (5 —:1О)Я
ГЛАВА 7 ° Импульсные устройства
ограничивает выброс напряжения ЛУк и силу коллекторного тока до
допустимого значения. Таким образом, с момента t3 наступает
формирование среза импульса.
После закрывания транзистора начинается медленный разряд
конденсатора С через базовую обмотку трансформатора, резисторы
Rq и R~, внутреннее сопротивление источника питания Е„. Время
разряда конденсатора много больше времени импульса, а
индуктивность базовой обмотки не оказывает влияния на процесс
разряда. Время разряда конденсатора, которое зависит от емкости
последнего и сопротивления цепи разряда, определяет время паузы
между импульсами. Когда конденсатор полностью разрядится,
начнется формирование нового импульса.
По аналогии с мультивибратором, для блокинг-генератора ждущий
режим характерен тем, что схема генерирует импульсы только при
поступлении на ее вход запускающих импульсов произвольной формы.
Для получения ждущего режима в блокинг-генератор должно быть
включено запирающее напряжение (рис. 7.18).
В исходном состоянии транзистор закрыт отрицательным
смещением на базе ( — Еб) и прямой блокинг-процесс начинается
только после подачи на базу транзистора положительного импульса
достаточной амплитуды. Формирование импульса осуществляется
так же, как и в автоколебательном режиме. Разряд конденсатора С1
после окончания импульса происходит до напряжения — Еб. Затем
транзистор остается закрытым
до прихода следующего
запускающего импульса. Форма
D& t и длительно ть импуль
формируемых блокинг-
генератором, зависит при этом
71 от параметров схемы.
Для нормальнои работы
ждущего блокинг-генератора
необходимо выполнить
неравенство:

РАЗДЕЛ 11 . Судовая элект оавтоматика
где Т, период повторения запускающих импульсов.
Для устранения влияния цепей запуска на работу ждущего
блокинг-генератора включают разделительный диод VD2, который
закрывается после открывания транзистора, в результате чего
прекращается связь между блокинг-генератором и схемой запуска.
Приведем пример использования блокинг-генератора в одной из
судовых схем. В качестве проблесковых огней на спасательных
средствах морских судов современной постройки начали
использоваться импульсные лампы, импульсный источник света
высокой интенсивности, в котором используется свечение плазмы,
возникающее, например, при конденсированном искровом разряде в
инертном газе или при сжигании металлической фольги в кислороде.
От газ оразрядных источников света непрерывного горения
импульсные лампы отличаются большими значениями плотностей
тока и более высокой температурой плазмы, достигающей 30000 К.
Проблесковый огонь на спасательных средствах представляет
собой огонь, дающий проблески через регулярные интервалы с
частотой 120 или более проблесков в минуту. В качестве источника
света используются импульсные лампы типа ИФК-120.
Подача питания на импульсную лампу производится посредством
высоковольтного преобразователя, показанного на рис. 7.19, основу
которого составляет блокинг-генератор, формирующий на обмотке П
ЛФХ.-.120
Рис. У.т9. Преобразователь для проблескового огня на
блокинг-генераторе
1
ГЛАВА 7 . Импульсные устройства
трансформатора Т1 импульсы напряжения с необходимой
амплитудой. Через диод VD3 они заряжают конденсатор С5, который
становится, таким образом, источником питания импульсной лампы.
В цепь питания блокинг-генератора введен транзистор VT2,
коллекторный ток которого находится под влиянием тока базы,
зависящего, в свою очередь, от тока стока полевого транзистора VT3.
Напряжение на затворе этого транзистора зависит от напряжения на
стабилитроне VD1 (транзистор VT1 — его токозадающий «резистор»)
и соотношения «плечей» делителя R3 + R4, R6 (резистором R3
выставляют нужное напряжение на лампе).
Немаловажным прибором для судового электромеханика является
устройство определения места межвиткового замыкания в обмотках
электродвигателей и различных катушек индуктивности.
Прибор содержит бло-
7Р кинг-генератор (см.
рис. 7.20), собранный на
транзисторе Тр1. К об-
мотке Ш трансформато-
ра блокинг-генератора
через выпрямитель на ди-
одах D1 и D2 подключен
В1 измерительный прибор
R8 ИП1, в качестве которого
используется тестер со
шкалой измерения 50
Рис. 7.20. Прибор поиска межвиткового
замыкания в обмотках
мотан на стержневом
сердечнике из феррита 160х8, обмотки выполнены в один слой про-
водом ПЭВ-2 и Ф вЂ” 0,15. На свободный конец сердечника
трансформатора устанавливают проверяемую катушку.
При подаче кнопкой КН1 напряжения питания на
блокинг-генератор последний вырабатывает колебания частотой
85 кГц. Измерительный прибор регистрирует величину
выпрямленного тока. При наличии короткозамкнутых витков за счет
большого вносимого затухания в контуре бло кинг-генератора
колебания не возникают, и стрелка прибора остается на нулевой
отметке шкалы.

РАЗДЕЛ 11 Судовая электроавтоматика
7.5. Триггеры
Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых
состояния, т.е. наличие или отсутствие сигнала на выходе.
Изменение состояния триггера производится внешним запускающим
(переключающим, стартовым) сигналом, вызывающим в схеме
лавинообразный процесс. Чрезвычайно быстрый переход триггера из
одного состояния в другое создает форму выходного напряжения,
близкую к прямоугольной. Поэтому триггерные схемы являются
генераторами прямоугольных импульсов с внешним запуском.
В отличие от мультивибраторов временное положение и частота
следования выходных импульсов триггеров определяются
параметрами запускающего напряжения. Это позволяет получать
выходные импульсы в строго определенные моменты времени и с
.нужной частотой повторения.
В интервале между переключающими сигналами состояние
триггера не меняется, т.е. триггер «запоминает» поступление сигнала,
что отражается значением потенциала на выходе. Это дает
возможность использовать триггер как элемент памяти. При
поступлении каждой пары переключающих импульсов потенциал на
выходе триггера меняется от высокого к низкому и обратно, т.е. на
выходе формируется один импульс. Таким образом, триггер можно
использовать как делитель частоты переключающих импульсов надва.
Триггеры находят широкое применение в счетно-решающих
устройствах и в схемах дистанционного автоматизированного
управления.
Симметричный триггер с внешним смещением показан на рис. 7.21.
Триггер представляет собой двухкаскадный усилитель, где выход
одного каскада связан со входом другого делителем напряжения на
резисторах Я вЂ” Ад. Обычно схему выполняют симметричной, т.е.
соответствующие резисторы плеч (каскадов), конденсаторы и
транзисторы имеют одинаковые параметры. В схеме используется
источник внешнего положительного смещения Еб, и база каждого
транзистора имеет потенциал, значение которого лежит между +Еб и
отрицательным потенциалом коллектора Е„другого транзистора.
Предположим, что транзистор VT1 закрыт, и напряжение на
переходе эмиттер — коллектор равно U~„=- Е„(начало отсчета на
кривой Ц„). При определенном подборе резисторов делителя R1 — R26
потенциал базы транзистора VT2 может быть достаточно
б)
Рис 7.21. Симметричный триггер с внешним смещением:
а) схема; б) диаграмма напряжений
отрицательным для насыщения последнего. В открытом состоянии
транзистора VT2 потенциалы эмиттера и базы транзистора РТ1
примерно равны, даже если не учитывать запирающего действия
напряжения смещения Еб. Следовательно, в триггере при одном
открытом транзисторе второй надежно закрыт.
В отличие от мультивибратора, где потенциал базы транзистора
зависит от электрического состояния связывающего конденсатора и
при разряде происходит процесс опрокидывания схемы, триггер из
одного устойчивого состояния в другое перейти не может.
жет. Чтобы
вывести схему из устойчивого состояния, необходимо подать на базу
закрытого транзистора отрицательный запускающий импульс
(кривая U„„) или на базу открытого — положительный.
Допустим, что под действием импульса откроется транзистор
VT2. В емя соответствует началу координат на кривых напряжений.
р
!!ри этом возникнет ток в цепи коллектора транзистора VT2„и
потенциал коллектора станет менее отрицательным. Это состояние
через делитель R2 — R&g ;< пере ае ся н базу транз стор
которого уменьшается ток в цепи коллектора, и потенциалы
коллектора VT1 и базы VT2 станут более отрицательными, что
приведет к дальнейшему открыванию транзистора VT2. Процесс
переключения триггера протекает лавинообразно и чрезвычайно
быстро, что позволяет считать форму кривых коллекторных
напряжений прямоугольной. При регулярной подаче на вход
~ риггера разнополярных запускающих импульсов на выходе
возникают импульсы прямоугольной формы.
315

РАЗДЕЛ П Судовая алент оавтоматика
Конденсаторы С1, С2 называются ускоряющими. Они служат для
форсирования процесса переключения триггера. В период паузы
между переключениями триггера конденсатор, присоединенный к
коллектору закрытого транзистора, заряжается базовым током
открытого. В это же время второй конденсатор, прикрепленный к
коллектору открытого транзистора, разряжается. При лавинообразном
переключении базовый ток открывающегося транзистора проходит
через разряженный конденсатор и не ограничивается резисторами R1 и
R2„C1 и С2 ограничивают минимальное
время паузы между переключениями триггера. Очередной
запускающий импульс приходится подавать после того, как
напряжение на ускоряющих конденсаторах достигло установившегося
значения. Другое отрицательное влияние ускоряющих конденсаторов
— некоторое искажение прямоугольной формы выходного импульса
из-за времени заряда и разряда конденсатора.
Несимметричный триггер с эмиттерной связью (триггер
Шмидта) показан на рис. 7.22.
В схеме триггера Шмидта выход левого каскада на транзисторе
VT1 связан со входом правого на транзисторе VT2 делителем
напряжения (резисторы R — Rq), как в схеме симметричного триггера,
а связь правого каскада с левым осуществляется через общий
резистор Я, в цепи обоих эмиттеров. Параллельно общему резистору
нельзя подключать конденсатор, так как в этом случае на R, не будет
возникать быстрых изменений напряжения. Конденсатор С является
ускоряющим, а конденсатор Ср разделительным.
Делитель напряжения (резисторы R1 — Я2) обеспечивает
необходимый режим работы транзистора VT1. Как и в симметричном
тпиггепе. эта схема имеет два устойчивых состояния. Любой
fl/
Ua й
ааюсрьт И 1 о~ърыт жисраоп
I' !
Рис. 7.22. Триггер Шмидта
ГЛАВА 7 ° Импульсные устройства
транзистор может быть закрыт, если его эмиттер имеет потенциал
ниже, чем база.
Допустим, транзистор VT1 насыщен, тогда коллекторное
напряжение U~„ìoæíî считать равным падению напряжения на
резисторе Я„которое на графике представлено величиной U'„.
Напряжение У~„делится резисторами R1 — 14, и часть его подается на
базу транзистора VT2
Если насыщен транзистор VT2, то транзистор VT1 будет закрыт,
когда потенциал эмиттера будет ниже, чем базы. Для выполнения
этого условия падение напряжения на резисторе R, должно быть
больше, чем на резисторе R2 (на графике представлено величиной
Ugg). Этот режим устанавливают подбором резисторов R1 — R2.
В открытом состоянии транзистора VT1 напряжение U~q больше,
чем U',. Когда транзистор VT1 закрыт, напряжение Uqq меньше, чем
U" Так как напряжение Uyg на резисторе Я2 не меняется, должно
выпОлняться услОвие:
Процесс переключения триггера происходит следующим
образом. Допустим, на базу открытого транзистора VT1 подается
положительный импульс, под действием которого транзистор
выходит из насыщенного состояния. В результате ток в цепи
коллектора VT1 становится меньше, а потенциал коллектора — ниже.
('оответственно ниже становится потенциал базы транзистора VT2.
Увеличиваются ток, проходящий через резистор R„, è напряжение на
и см. Потенциал эмиттера VT1; что способствует
дальнейшему закрыванию транзистора VT1.
В итоге транзистор VT1 закрывается, à VT2 насыщается. При
подаче отрицательного импульса на базу транзистора VT1
и роисходит лавинообразный процесс опрокидывания триггера,
когорый заканчивается закрыванием транзистора VT2. На выходе
шггникает напряжение, примерно равное напряжению источника Е„.
Триггер Шмидта в схемах автоматизации часто используется для
пи гания катушек реле исполнительных механизмов. Примером тому
может быть схема дистанционного включения клапанов балластных
i.øêîâ (см. рис. 7.23).
При наборе схемы балластирования или кренования судна с
~одового мостика нажимаются кнопки «Пусю& t; ех танк в, кото

РАЗДЕЛ 11 . Судовая элект оавтоматика
ГЛАВА 7 ° Импульсные устройства
Рис. 7.23. Электронное управление клапанами балластных танков
необходимо заполнить или осушить. После нажатия на кнопку
«Пуск» на базу транзистора VT1 поступает положительный
потенциал и открывает его по схеме: +12  — кнопка «Пуск»вЂ”
резистор R1 — база VT1.
После открытия транзистора VT1 транзистор VT2 закрывается, т.к.
на его базе наблюдается полное отсутствие положительного
потенциала из-за падения напряжения на резисторах R7 и R3, причем
на резисторе R7 падение напряжения больше, чем на R8 (так
подобраны резисторы), и на базе транзистора VT2 присутствует даже
небольшой отрицательный потенциал.
Так как транзистор VT2 закрылся, то транзистор VT3 откроется (по
цепи «+12 В» — R7 — база транзистора РТЗ) и будет держать
открытым транзистор VT1 ( по цепи «+12 В» — база транзистора РТЗ
— R1 — база транзистора VT1). Кнопку «Пуск» можно отпускать.
При закрытии клапана нажимается кнопка «Стоп», и транзистор
VT2 открывается, а транзистор РТЗ закрывается, и клапан теряет
питание. Также теряет положительный потенциал и транзистор VT1,
тем самым подавая положительный потенциал на транзистор VT2,
кнопку «Стоп» можно отпускать.
7.6. Операциоииые усилители
Операционные усилители представляют собой усилители посто-
янного тока с низкими значениями напряжения смещения нуля и
входных токов и с высоким коэффициентом усиления. По размерам и
цене они практически не отличаются от отдельного транзистора. В то
же время, преобразование сигнала схемой на ОУ почти исключитель-
но определяется свойствами цепей обратных связей усилителя и от-
личается высокой стабильностью и воспроизводимостью. Кроме
гого, благодаря практически идеальным характеристикам ОУ, реали-
зация различных электронных схем на их основе оказывается
1
значительно проще, чем на отдельных транзисторах.
На рис. 7.24 дано схемное обозначение операционного усилителя.
Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя,
гак что операционный усилитель имеет два входа. В дальнейшем будем
при необходимости обозначать неинвертирующий вход буквой р
(positive — положительный), а инвертирующий (тот, что с кружоч-
ком) — буквой n (negative — отрицательный). Выходное напряжение
U„находится в одной фазе с разностью входных напряжений:
~~вых ~1 ~2.
Чтобы обеспечить возможность работы операционного усилителя
как с положительными, так и с отрицательными входными сигнала-
ми, следует использовать двухполярное питающее напряжение. Для
этого нужно предусмотреть два источника постоянного тока, кото-
рые, как это показано на рис. 7.24, подключаются к соответствую-
щим внешним выводам ОУ. Обычно интегральные операционные
усилители работают с напряжением питания Н5 В. В дальнейшем,
рассматривая схемы на ОУ, выводы питания указываться не будут.
Наконец, очень важное обстоятельство: операционный усилитель
почти всегда охвачен юубок~ж отрицательной обратной связью, сво-
йства которой и определяют свойства схемы с ОУ.
Часть выходного напряжения
возвращается через цепь обрат-
+ [
ной связи ко входу усилителя.
Если, как это показано на
рис. 7.25, напряжение обратной
VI связи вычитается из входного
V2
В + 3
— напряжения, обратная связь на-
зывается отрицательной.
- VnU7n
Для физического анализа
схемы, представленной на
Рис. 7.24. Операционный усилитель

РАЗДЕЛ 11 . Судовая элект оавтоматика
рис. 7.25, допустим, что вход-
ное напряжение изменилось оТ
нуля до некоторого положи-
тельного значения U„. В пер-
вый момент выходное
напряжение U,, а следова-
Рис. 7.25. Принцип отрицательной
связи PU, также равны нулю. обратной связи
При этом напряжение, прило-
женное ко входу операционного усилителя, составит U = U„. Так
как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициен-
том усиления К1, то величина U, быстро возрастет до некоторого
положительного значения и вместе с ней возрастет также величина
PU, . Это приведет к уменьшению напряжения U приложенного ко
входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует
на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в
сторону, противоположную изменениям входной величины, и есть
проявление отрицательной обратной связи. После достижения
устойчивого состояния выходное напряжение ОУ будет равно:
U, =KvU,=Кр(ӄ— PU, ).
Решив это уравнение относительно U„, получим:
К= U,„„/U,„=К1д+ P-ÊU.
При PE~ » 1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной
связью, составит К: 1/р.
Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент
усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно
только обратной связью и мало зависит от параметров самого
усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет
собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ
работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого
определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной
связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то
образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной
связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные
преобразования сигналов с высокой точностью.
JlABA 7 - Импульсные устройства
Дифферент/иапьное включе-
ние ОУ показано на рисун-
ке 7.26. Вследствие одного из
R8 свойств идеального операцион-
УЛ ного усилителя разность потен-
циалов между ero входами U è
01 1~4 ~ У„равна нулю. Соотношение
— 1 входного напряжения U2 и на-
пряжения У„между неинверти-
Рис. 7.26. Дифференциальное рующим входом и общей
шиной определяется коэффи-
циентом деления делителя на резисторах R3 и R4:
Up = U1R4I(R3 + R4)
Поскольку напряжение между инвертирующим входом и общей
шиной U„= U òoê Х1 определится соотношением:
11 = (Uz — Цр)®1-
Вследствие одного из свойств идеального ОУ (нулевые входные
токи) Х1 = Х~. Выходное напряжение усилителя в таком случае равно:
U„= Uð — Х1R2.
Подставив первую и вторую формулу в последнюю, получим вот
такую формулу:
1 2) 4 2
2 4у 2у
1( 3 4) 1
При выполнении соотношения R1R4 = R2R3,
~/вых (~/1 +2)R2~~1-
Два последних соотношения справедливы и в случае, если вместо
резисторов R1 и R2 включены двухполюсники, содержащие в общем
случае конденсаторы и катушки индуктивности, с операторным
входным сопротивлением, соответственно, Zl (s) и Z2(s).
Онвертирую и~ее включение ОУ (рис. 7.27) — это такое
включение, при котором неинвертирующий вход ОУ соединяется с
общей шиной.
Коэффициент усиления будет определяться соотношением:
К = U,~/U2 = А2/Я1.

РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроавтоматика
Выходное напряжение R~
усилителя в инвертирующем
включении находится в
противофазе по отношению ко т/~
входному. Коэффициент Е7вых
усиления входного caraaaa no
напряжению этой схемы в
зависимости от соотношения
Рис. 7.27. Инвертирующее включение
сопротивлений резисторов
может быть как больше, так и
меньше единицы.
Поскольку напряжение на неинвертирующем входе относительно
общей шины равно нулю, согласно второму свойству идеального ОУ
входной ток схемы Х~ = U2/R1. Следовательно, входное
сопротивление схемы R„= R1. Поскольку напряжение на
неинвертирующем входе усилителя равно нулю, а согласно второму
свойству идеального ОУ разность потенциалов между его входами
равна нулю, то инвертирующий вход в этой схеме иногда называют
виртуальным (т.е. воображаемым) нулем.
Неинвертируюи/ее включение — это такое включение, при
котором входной сигнал подается на не инвертирующий вход ОУ, а
на инвертирующий вход через делитель на резисторах R1 и Я2
поступает сигнал с выхода усилителя (рис. 7.28). Здесь коэффициент
усиления схемы К будет определяться следующим выражением:
К = U„ /U~= 1 + R2/ß1.
В такой схеме выходной
сигнал синфазен входному.
Коэффициент усиления по
напряжению не может быть
меньше единицы. В
предельном случае, если выход
ОУ накоротко соединен с
инвертирующим входом (тот,
что с кружочком), этот
коэффициент равен единице.
Такие схемы называют
неинвертирующими
ГИАВА 7 ° Импульсные устройства
повторителями, или просто повторителями на ОУ. Такие ОУ могут
изготавливать серийно в виде отдельных интегральных микросхемах
(ИМС) по нескольку усилителей в одном корпусе. Входное
сопротивление этой схемы в идеале бесконечно. На самом же деле,
сопротивление у такой схемы есть, хотя оно достаточно велико.
7.7. Компараторы
Компаратор это сравнивающее устройство. Аналоговый
компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся
сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть U„—
анализируемый сигнал и U,„— опорный сигнал сравнения, а
выходной U„— дискретный или логический сигнал, содержащий 1
бит информации:
у1
U,
игдх
при U,„— U.„&gt
при U,„— U.„&lt
Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы
логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их
входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от
аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют
однобитным аналого-цифровым преобразователем.
Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой
разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как
реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент
усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 7.29).
Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную ве-
личину ]U~, — U~„„~ при бесконечно малом изменении входного
сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффици-
Рис. 7.29. Характеристики компараторов

ент усиления (эпюра 1 на у „
рис. 7.30) при полном
отсутствии шумов во у~д,
входном сигнале. Такую
t 1 f
характеристику можно
4
имитировать двумя спо- 1
собами: или просто
использовать усилитель с
очень большим коэффи-
1
Т 3 1
циентом усиления, или ~™
t
ввести положительную
обратную связь.
I
t
U'âûх
I 1
Рассмотрим первый 3
путь. Как бы велико
усиление не было, при
! I
t
Т
I 3
U,„, близком к нулю, ~ ь'" 4
характеристика будет
иметь вид рис. 7.29, а.
t
то приведет к двум Рие. у 36. Проц~ее~, nepexnw~e~~a
неприятным KGMABpBTGpGB
последствиям. Прежде
всего, при очень медленном изменении U,„âûõîäíîé сигнал также
будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе
последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 7.30). Еще хуже то,
что при таком медленном изменении U,„îêîëî нуля выход
компаратора может многократно с большой частотой менять свое
состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра
3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и
к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для
устранения этого явления обычно вводят положительную обратную
связь, которая обеспечивает переходной характеристике
компаратора гистерезис (рис. 7.29, б). Наличие гистерезиса хотя и
вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра
4 на рис. 7.30), но существенно уменьшает или даже устраняет
дребезг ~У„,~.
В качестве компаратора может быть использован операционный
усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 7.31. Усилитель
включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо
ГЛАВА 7 Импульеные уетройетва
резистора в цепи обратной
я~а связи включены параллельно
!
стабилитрон И31 и диод VDq
пвх
Пусть Я1 = Я2. Если
1. !
U.. ~4„& t; О, то д од ИЬ
Q."~ó;,
Ue&gt <x к ыт, и вы одное напр
1 схемы небольшое отрицатель-
ное, равное падению напряже-
ния на открытом диоде. При
U,„— U,„& t; О, на стабилитр не установи ся напряжен е, рав ое
напряжению стабилизации U„. Это напряжение должно соответство-
вать единичному логическому уровню цифровых интегральных мик-
росхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора.
Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих
усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допус-
кают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное на-
пряжение. Включение по схеме на рис. 7.31 обеспечивает работу ОУ
в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальны-
ми и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной
схемы является относительно низкое быстродействие, обусловлен-
ное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в
линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для
построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время
переключения менее 1 мкс.
Аналоговый интегральный компаратор — это
быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного
тока с большим усилением, малым дрейфом и смещением нуля и
логическим выходом. Ero входной каскад должен обладать большим
коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС) и
способностью выдерживать большие синфазные и
дифференциальные сигналы на входах, не насыщаясь, т.е. не попадая
в режимы, из которых компаратор будет долго выходить. Для
повышения помехозащищенности желательно снабдить компаратор
стробирующим логическим входом, разрешающим переключение
компаратора только в тактовые моменты.
Выходные каскады компараторон обычно обладают большей
гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В
обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который

обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями
напряжения питания (например, НЗ В для ОУ типа 14ОУД7,
работающего от источников Н5 В). В выходном каскаде компаратора
эмитхер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с
«открытого коллектора». Выходные транзисторы некоторых типов
компараторов, например, 521САЗ или LM311 имеют открытые, т.е.
неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы
включения компараторов такого типа приведены на рис. 7.32.
На рис. 7.32, а выходной транзистор компаратора включен по
схеме с общим эмиттером. Если требуется изменение выходного
напряжения компаратора в пределах от U„до U „, выходной
каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 7.32, 6).
При этом заметно снижается быстродействие компаратора, и
происходитинверсия en' âõîäîâ.
Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790,
МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную
связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с
шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля.
На рис. 7.33, а приведена схема включения компаратора с
открытым коллектором на выходе, переходная характеристика
которой имеет гистерезис (рис. 7.29, б). Пороговые напряжения этой
схемы определяются по формулам:
у оп 2
Я, +Я,
ГЛАВА 7 Импульсные устройства
ж R2 я,,& t;
Рис. 7.33. Компаратор с положительной обратной связью
1 ои( 2 к)
Я, +Я, +Я„
Из-за несимметрии выхода компаратора петля гистерезиса
оказывается несимметричной относительно опорного напряжения.
В заключение, перечислим некоторые особенности компараторов
по сравнению с ОУ.
Несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные
усилители, в них почти никогда не используют отрицательную
обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии
внутреннего гистерезиса — гарантировано) самовозбуждение
компараторов.
В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи,
напряжения на входах компаратора неодинаковы.
Из-за отсутствия оттицательной обратной связи входное
сопротивление компаратора относительно низко и может меняться
при изменении ВхОдных сиГналОВ.
Выходное сопротивление компараторов значительно и различно
для разнОй полярнОсти ВыхОднОГО напряжения.
Рис. 7.32. Схемы включения выходного каскада компаратора 521САЗ
7.8. Генераторы линейно измеряющегося
напряжения (ГЛИН)
В системах автоматического регулирования, цифровых измери-
тельных приборах, осциллографических индикаторах, в ЭВМ непре-
рывного действия и др. используют линейно нарастающие
(пилеобразные) колебания. Пилообразный импульс (рис. 7.35) имеет
передний фронт (прямой или рабочий ход) в виде линейно изменяю-

! !
+
гг
щегося напряжения и задний
фронт (обратный ход),
изменяющийся по экспоненци-
альному закону.
Пилообразный импульс
характеризуется начальным
уровнем Uq, амплитудой U„
длительностями прямого t„и
обратного 1,6 ходов, а также
средней скоростью нарастания
Рие. 7.35. Пилообразный импульс
переднего фронта.
Линейно изменяющееся напряжение (ЛИН) используется для
развертки электронного луча в электронно-лучевых трубках с
электростатическим отклонением, например в осциллографах, в
импульсно-фазовых схемах управления тиристорами и др.
Примером генераторов линейно изменяющегося напряжения
(ГЛИН), имеющих простейшую схему при невысоких требованиях к
линейности напряжения, может быть схема заряда конденсатора
(рис. 7.3б, а). В верхнем положении переключателя конденсатор
заряжается током i„~T ~cT~~H~K~ c HB~~~~CH~CM E через резистор Я.
По мере заряда ток i, уменьшается, а напряжение на конденсаторе
растет по экспоненте (рис. 7.3б„б, кривая U,), т.е. зависимость
напряжения U„от времени t нелинейная. Действительно, за время
t = Зт, где т — постоянная времени цепи заряда, конденсатор
заряжается до напряжения U, = 0,95Å. Если же выбрать т много
больше требуемой длительности прямого хода «пилы» tÄ~ то за время
1, конденсатор зарядится до напряжения меньше Е. Как видно из
Рис. 7.36. Конденсатор: а) схема заряда; б) диаграмма напряжений
ГЛАВА 7 импульсные уетройетва
рис. 7.3б, б, начальный участок экспоненты соответствует переднему
фронту пилообразного импульса.
Схема ГЛИН, в которой не предусмотрена стабилизация тока
конденсатора, изображена на рис. 7.37, а. Схема включает в себя
интегрирующую ЯС-цепь и транзисторный каскад, переключающий
конденсатор с заряда на разряд.
При отсутствии управляющего сигнала на входе U транзистор
VT находится в насыщенном состоянии за счет тока базы в цепи
резистора Яд. Напряжение на его коллекторе и конденсаторе С
примерно равно нулю.
Формирование ЛИН происходит во время действия на входе
управляющего прямоугольного импульса (рис. 7.37, б), длительность
которого t„ равна требуемой длительности 1, пилообразного
напряжения. С поступлением на базу транзистора VT
прямоугольного положительного импульса транзистор закрывается,
и конденсатор С начинает заряжаться через резистор Я„. Постоянная
времени заряда конденсатора т, = СЯ„. На выходе схемы (на
конденсаторе С) происходит нарастание отрицательного напряжения
U„„. После окончания входного импульса транзистор открывается, и
конденсатор быстро разряжается через переход эмиттер — коллектор.
При регулярном поступлении на вход управляющих импульсов на
выходе схемы формируется последовательность пилообразных
импульсов.
Чтобы обеспечить линейность прямого хода, выбирают т, » t„. В
результате заряд конденсатора соответствует начальному
относительно линейному участку экспоненты. Амплитуда импульса
U, зависит от того, во сколько раз т, превосходит длительность
Рие. 7.37. ГЛИН: а) схема; б) диаграмма напряжений

прямого хода t . Чем больше это отношение, тем меньше
напряжение U„., до которого зарядится конденсатор за время t, и тем
меньше в импульсе U, пользуется напряжение источника Е„.
Обычно длительность обратного хода <&lt пилы t,6ð н много
С учетом этого параметры схемы должны удовлетворять
пер авенжу:
4 ~пр
где тр — постоянная времени разряда конденсатора.
Чтобы выполнить оба требования, емкость коцденсатора
выбирают небольшой, а увеличение r, получают за счет
сопротивления резистора Я,.
Генераторы линейно изменяющегося напряжения с
токостабилизирующими элементами имеют лучшие результаты.
Напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно из-за
уменьшения тока в процессе заряда (разряда) конденсатора. Для
поддержания постоянства тока в цепи конденсатора необходимо
использовать токостабилизирующий элемент (рис. 7.38).
На транзисторе VT2, постоянно работающем в усилительном ре-
жиме, собран стабилизатор тока, а на транзисторе VT1 — каскад, ком-
мутирующий импульсы. В отсутствии сигнала U транзистор VT1
насыщен, и поэтому благодаря сравнительно малому сопротивлению
1<„& t .1  U, = Е . При посту лении вх дного управл ющего им
транзистор VT1 закрывается, и конденсатор С начинает разряжаться
через стабилизатор
тока на транзисто- @
ре VT2. Необходи-
МОЕ ПОСТОЯНСТВО
эмиттерного тока i,
обеспечивается от- о~р Г-~
рицательной об-
ратной связью,
обусловленной на-
личием резистора
Я,. По мере разряд-
ки конденсатора С
ток 1, снижается,
падение напряже-
ГЛАВА 7 ° Импульсные устройства
ния Ug, уменьшается. Сумма напряжений источника Е, и U„„„стано-
вится больше. В результате увеличивается напряжение между
эмиттером и базой VT2. Сопротивление перехода эмиттер — коллек-
тор VT2 уменьшается, и ток разряда поддерживается постоянным.
При снятии сигнала U транзистор VT1 открывается, и
конденсатор С снова заряжается. Заряд конденсатора происходит
значительно быстрее, чем разряд, так как цепь заряда имеет меньшее
сопротивление.
ГЛИН имеют широкое применение в цифровых измерительных
устройствах и судовых информационных системах
аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Такое преобразование
выполняется квантованием измеряемой величины и кодированием
результата измерения в принятой системе счисления.
В АЦП с образцовой мерой времени измеряемое напряжение U„
преобразуется в пропорциональный интервал времени путем
сравнения U, с пилообразным эталонным напряжением U
Функциональная схема АЦП показана на рисунке 7.39, а. Временная
диаграмма показана на рисунке 7.39, б.
По сигналу «Запуск» устройство управления УУ (см. рис. 7.39, а)
переводит счетчик Сч в состояние, при котором отсчет начинается с
пуля, и приводит в действие генератор линейно изменяющегося
папряжения ГЛИН, с которого на сравнивающие устройства СУ1 и
СУ2 поступает напряжение ~У„„„(см. рис. 7.39, б) пилообразной
формы. Напряжение начинает нарастать с некоторого начального
уровня, превышающего нулевой. При прохождении напряжения U
через «нуль» сравнивающее устройство СУ2 выдает сигнал на
6]
~PCM'
Ф
Рис. 7.39. Функциональная схема АЦП времяимпульсного кодирования

открытие ключа K. Импульсы частотой f с генератора образцовой
частоты (ГОЧ) начинают поступать на счетчик Сч. В момент
равновесия измеряемого напряжения U, и линейно изменяющегося
напряжения U,„„ñðàâíèâàþùåå устройство СУ1 выдает сигнал на
закрытие ключа К, прекращая тем самым поступление импульсов1, с
ГОЧ в счетчик Сч.
Таким образом, время Т, (см. рис. 7.39, 6)„в течение которого
ключ К (см. рис. 7.28, а) находится в открытом состоянии,
пропорционально измеряемому напряжению U, (см. рис. 7.39, 6).
Рассмотрим электронную схему АЦП время импульсного
кодирования, которая отображает элементы функциональной схемы
рисунка 7.39, а.
Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН)
представляет собой управляемый генератор с отрицательной обратной
связью по напряжению (рис. 7.40). Ключ генератора имеет транзистор
VT1, а сам генератор имеет составной транзистор VT2, VTÇ.
Резистор R2 и конденсатор С1 определяют время прямого хода
ГЛИН. Ключ генератора VT1 в исходном состоянии открыт,
транзисторы VT2, VTÇ закрыты. Конденсатор С1 заряжается через
открытый транзистор VT1 и резистор ЯЗ по цепи « — 12 В» ЯЗ вЂ” C1—
эмиттерно-коллекторный переход транзистора VT1 — «+12 В».
ГЛАВА 7 - Импульеные уетройетва
С приходом на вход импульса положительной полярности
транзистор VT1 закрывается, транзисторы VT2, УТЗ открываются, и
конденсатор С1 начинает разряжаться через открытые транзисторы и
резистор Я2 по цепи: « — 12 В» — Я2 — С1 — эмиттерно-коллекторный
переход транзистора VTÇ вЂ” Я4 — «+12В».
Через время, равное 40 — 42 мс, на вход транзистора VT1 поступает
импульс отрицательной полярности, и .схема возвращается в
исходное состояние, т.е. ключ VT1 открыт, а транзисторы VT2 и VTÇ
~акрыты, и на выходе ГЛИН появляется отрицательный потенциал,
который расходится на входы сравнивающих устройств СУ1 и СУ2
»а входные диоды VD2 и VDÇ.
Сравнивающие устройства (СУ1 и СУ2) представляют собой
балансный диодно-регенеративный компаратор напряжений с
грансформаторной обратной связью (рис. 7.40). '1'ранзисторы VT4 и
VT5 при помощи делителей на резисторах Я6 — Я7 и Я14 — Я15
выводится на активный участок характеристики и играют роль
усилителей, в цепи положительной (обмотка II) и отрицательной
(обмотка III) обратной связи которого включены соответственно
диоды VD1, VD2, VDÇ и VD4. В момент равенства напряжений на
сравнительном устройстве СУ1 (измеряемого U u
линейно-изменяющегося от ГЛИН) в схеме преобладает
положительная обратная связь, и схема действует как обычный
блокинг-генератор.
Так как на входе СУ2 (И34) постоянно присутствует «0», то на выходе
СУ2 (коллектор VT4) появится отрицательный потенциал только тогда,
когда на выходе ГЛИН (коллектор VTÇ) и на втором входе СУ2 (VDÇ)
будет отсутствие отрицательного потенциала (см. рис. 7.39, 6).
Счетный ключ представляет собой триггер на два входа. При
появлении отрицательного потенциала на выходе СУ2 транзистор
МТ6 открывается, VT7 — закрывается, VT8 — открывается. Счетчик
импульсов (Сч) начинает принимать сигналы от генератора
образцовой частоты (ГОЧ).
Как только на выходе СУ1 появляется отрицательный потенциал,
i ранзистор VT7 открывается, и триггер опрокидывается. Счетчик
импульсов прекращает получать сигналы от ГОЧ.
Преобразование постоянных напряжений по этому методу нашло
широкое распространение. Достоинство метода состоит в
сравнительной простоте практической реализации. Быстродействие

РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроавтоматика
АЦП не превышает нескольких тысяч измерений (преобразований) в
секунду. Погрешность не превышает 0,1% и определяется
линейностью напряжения ~1„„„(см. рис. 7.39, б) и нестабильностью
частоты /,' (см. рис. 7,39, а).
7.9. Стабилизаторы напряжения
Параметрические стабилизаторы напряжения являются наиболее
простыми стабилизирующими устройствами, широко применяемыми
в схемах малой мощности. В основе принципа действия
параметрических стабилизаторов напряжения лежит использование
свойств нелинейности полупроводниковых стабилитронов,
вольтамперная характеристика которых обладает большой крутизной.
На рис. 7.41, а представлена простейшая схема параметрического
стабилизатора, выполненная на стабилитроне Ст. Резистор Яд
выполняет роль балластного сопротивления, ограничивающего ток в
стабилитроне и воспринимающего избыток напряжения источника
питания.
Входное напряжение
U, = Ug+ U„=Х,„Яб+ U„=(Х„+Х)Яд+ U„,
где Uq — падение напряжения на резисторе Щ
U„— напряжение стабилизации;
Хщ~ — ВХОднОЙ ток;
Х„ток нагрузки;
Х„. — ток, проходящий через стабилитрон.
При изменениях входного напряжения меняется входной ток и
падение напряжения на Яд, а напряжение стабилизации остается
+
Рие. 7А1. Стабилизаторы напряжения: а) схема параметрического
стабилизатора напряжения; б) схема компенсационного типа
ГЛАВА 7 Импульсные уетройетве
практически неизменным. Качество стабилизации напряжения
оценивается с помощью коэффициента стабилизации, который
показывает, во сколько раз относительное изменение входного
напряжения больше относительного изменения стабилизированного
выходного напряжения.
Для обеспечения нормального режима стабилизации необходимо,
чтобы ток в стабилитроне находился в диапазоне Х„& t; „& t;
Х„ и Մ— допустимые значения токов в стабилитроне, которые
указываются для каждого типа стабилитрона в справочниках. По мере
увеличения тока Х„нагрузки ток через стабилитрон уменьшается,
поэтому величина резистора Яб выбирается по режиму холостого хода,
когда нагрузка не подключена.
Для повышения рабочего напряжения применяют
последовательное соединение стабилитронов. Параллельное
соединение стабилитронов для уменьшения токов и нагрева не
используется„так как ток проходит через тот стабилитрон, который
обладает меньшим сопротивлением.
Стабилизаторы напряжения непрерывного оейетвия
используют зависимость вольтампер ной характеристики
транзистора от базового тока. Транзистор можно рассматривать как
резистор с регулируемым сопротивлением перехода эмиттер—
коллектор, которое определяется током базы. В качестве
регулируемого сопротивления переход эмиттер — коллектор
транзистора может включаться последовательно или параллельно с
нагрузкой и выполнять функции основного исполнительного органа
в процессе регулирования (стабилизации) выходного напряжения.
Наиболее широко применяют стабилизаторы напряжения
компенсационного типа (рис. 7.41, б), действие которых основано на
использовании принципа отрицательной обратной связи. Усиленный
сигнал подается с выхода схемы на ее вход таким образом, чтобы
компенсировать изменение выходного напряжения.
В цепи обратной связи включен усилитель на транзисторе У2.
Последний усиливает разность потенциалов, образованную опорным
напряжением U, и падением напряжения на резисторе R2, который
входит в состав делителя ЯХ вЂ” R2. Стабилитрон Ст обеспечивает
неизменный потенциал эмиттера транзистора VT2.
Допустим, что при увеличении U,„íàïðÿæeíèe U„„a первый
момент начнет возрастать. это приведет к увеличению падения

РАЗДЕЛ 11 * Судовая элект оавтоматика
напряжения на резисторе Я2, и потенциал базы транзистора VT2
станет ниже. Увеличатся ток базы и ток коллектора транзистора VT2,
который пройдет через резистор Я„. Потенциал базы транзистора VT1
станет выше. Сопротивление перехода эмиттер . — коллектор
транзистора Т1 и падение напряжения на нем возрастут. Напряжение
~У,„„становится приблизительно равным прежнему значению.
Существует много модификаций схем рассмотренного типа,
отличающихся, в основном, системой управления, в частности
числом транзисторов усилительного звена и использованием в схеме
дополнительных источников питания элементов системы
управления.
Рассмотрим схему преобразователя-стабилизатора индивидуаль-
ного питания усилителя микрофона судового телефона парной связи
(рис. 7.42).
КПД стабилизатора составляет не менее 70%. Стабилизация
сохраняется при уменьшении напряжения источника питания ниже
выходного стабилизированного напряжения преобразователя, чего
не может обеспечить традиционный стабилизатор напряжения.
При включении преобразователя ток через резистор Я1 открывает
транзистор VT1, коллекторный ток которого, протекая через обмотку
II трансформатора Тр1, открывает мощный транзистор VT2.
Транзистор VT2 входит в режим насыщения, и ток через обмотку 1
трансформатора линейно увеличивается. В трансформаторе
происходит накопление энергии. Через некоторое время транзистор
Рис. УА2. Преобразователь-стабилизатор судового телефона парной
связи
ГЛАВА 7 ° Импульсные устройства
VT2 переходит в активный режим, в обмотках трансформатора
возникает ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна
приложенному к ним напряжению (магнитопровод трансформатора
»е насыщается). Транзистор VT2 лавинообразно закрывается, и ЭДС
самоиндукции обмотки I через диод VD2 заряжает конденсатор СЗ.
Конденсатор С2 способствует более четкому закрыванию
гранзистора. Далее циклы повторяются.
Через некоторое время напряжение на конденсаторе СЗ
увеличивается настолько, что открывается стабилитрон VD1, и
базовый ток транзистора VT1 уменьшается, при этом уменьшается и
гок базы, а значит, и ток насыщения транзистора VT2. Поскольку
накопленная в трансформаторе энергия определяется током
иасыщения транзистора VT2, дальнейшее увеличение напряжения на
конденсаторе СЗ прекращается. Конденсатор разряжается через
иагрузку. Таким образом, обратная связь поддерживает на выходе
иреобразователя постоянное напряжение. Выходное напряжение
~адает стабилитрон VD1. Изменение частоты преобразования лежит в
пределах 20 — 140 кГц.
Импульсные стабилизаторы построены на использовании
i ранзисторных или тиристорных ключей, которые, работая в
импульсном режиме, прикладывают к нагрузке импульсное
иапряжение. Среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть
от соотношения времени закрытого и открытого состояний ключа.
В силовой технике используются широтно-импульсные
преобразователи (ШИП) постоянного напряжения, предназначенные
для регулирования среднего значения напряжения. Такие
преобразователи применяют для мощностей от единиц Barr до сотен
киловатт. С помощью ШИП можно регулировать частоты вращения
двигателя постоянного тока изменением напряжения. Их используют
иа электрифицированном транспорте (трамваи, метро, электропоезда,
гроллейбусы), в электрокарах и катерах с питанием от аккумуляторов.
В последнем случае исключаются контактные коммутаторы для
переключения элементов аккумуляторной батареи или для
регулирования сопротивления резисторов в цепи якоря
1лектродвигателя. Принцип действия ШИП основан на импульсном
питании якоря двигателя с частотой переключения порядка 1 кГц.
На рис. 7.43, а представлена схема трехфазного ШИП. На схему
подается постоянное напряжение, катушка индуктивности Lb„n

6) T!Õ
Рие. 7.43. Транеформаторный KMfl:
а) схема; б) диаграмма токов и напряжений &l
! ! 1 ! 1 ! ! I I I ф
I ! ! ! ! I ! !
емкость С„образуют Х.С-фильтр для уменьшения искажений
напряжения питающей сети. В схему включены тиристоры VT1 — ГТЗ,
которые переключаются в соответствии с графиком (рис. 7.43, 6).
Время открывания тиристоров сдвинуто на одну третью часть
периода Т. В цепь каждого тиристора включены сглаживающие
фильтры (дроссели) с индуктивностью Х.1 — Х.З. В открытом состоянии
тиристора на индуктивности дросселя создается падение напряжения
и1 — иЗ, закрытое состояние — t„~. В открытом состоянии тиристора
токи фаз i1 — i3 нарастают постепенно, так как им противодействует
ЭДС самоиндукции дросселей. В закрытом состоянии тиристора ток
уменьшается постепенно под действием ЭДС сам оицдукции,
направленной в сторону тока. Цепи токов в фазах замыкаются через
диоды VD1 — ИЗЗ. Ток нагрузки i„, протекающий через резистор Х&lt
равен сумме токов в фазах. Ток нагрузки пульсирует с частотой, в 3
раза большей, чем частота тока в отдельных фазах. Входной ток i,„
имеет импульсный характер, причем импульс тока возникает во
время открытого состояния двух тиристоров. Входной ток также
пульсирует с тройной частотой.
Схемы управления тиристорами должны предусматривать узлы
коммутации для принудительного запирания тиристоров. При
ГЛАВА 7 . Импульеные уетройетеа
изменении времени импульса изменяется среднее выходное
напряжение„которое может поддерживаться постоянным или
изменяться по заданному закону регулирования.
Еще недавно, в конце 90-х годов прошлого столетия, в нашей
стране утверждение о том, что обычный общепромышленный
асинхронный двигатель может с успехом использоваться в
регулируемом по скорости электроприводе, вызывало удивление или
недоверие у многих главных и не очень главных конструкторов и
инженеров. Сегодня же можно сказать, что страна вполне активно
включилась в общемировой процесс по использованию
регулируемого по скорости асинхронного электропривода во всех
областях промышленности и хозяйства.
Развитие асинхронного электропривода и вытеснение им других
гипов управляемых электроприводов, в первую очередь, связано с
непревзоцденными эксплуатационными свойствами асинхронного
ыектродвигателя. Эта «рабочая лошадка» мирового прогресса не
имеет аналогов по простоте и надежности.
Примерно в одно и то же время в России, Германии и Японии
были разработаны принципы векторного регулирования скорости
асинхронного двигателя, но реализовали эти принципы впервые в
фирме «Сименс» в системе «Трансвектор».
В основу принципа регулирования оборотов заложена
широтно-импульсная модуляция (ШИМ) напряжения,
прикладываемого к обмоткам двигателя„т.е. использование
широтно-импульсного преобразователя на базе биполярных
~ранзисторов с изолированным затвором (1GBI). В простейшем
случае частотного регулирования управление скоростью вращения
вала осуществляется с помощью изменения частоты и амплитуды
i рехфазного напряжения, подаваемого на двигатель.
На рассматриваемом рисунке (см. рис. 7.44) изображена схема
преобразователя частоты с автономным инвертором напряжения как
получившая наибольшее распространение. В инверторе
осуществляется преобразование постоянного напряжения Ц» в
i рСхфазное (или однофазное) импульсное напряжение U@
и ~меняемой амплитуды и частоты. По сигналам системы управления
каждая обмотка электрического двигателя подсоединяется через
i.îîòâeòñòâóþùèe силовые транзисторы инвертора к
н нюжительному и отрицательному полюсам звена постоянного

1
I
Звено посгпоянноао тока „
Uas = соиМ
fez =соней
Утих = вам
fewer = var
Рис. 7. 44. Частотный преобразователь асинхронного двигатели
тока. Длительность подключения каждой обмотки в пределах
периода следования импульсов модулируется по синусоидальному
закону. Наибольшая ширина импульсов обеспечивается в середине
полупериода, а к началу и концу полупериода уменьшается. Таким
образом, система управления обеспечивает широтно-импульсную
модуляцию (ШИМ) напряжения, прикладываемого к обмоткам
двигателя. Амплитуда и частота напряжения определяются
параметрами модулирующей синусоидальной функции.
При высокой несущей частоте ШИМ (2 — 15 кГц) обмотки
двигателя вследствие их высокой индуктивности работают как
фильтр. Поэтому в них протекают практически синусоидальные
токи.
В схемах преобразователей с управляемым выпрямителем (1)
изменение амплитуды напряжения U@ может достигаться
регулированием величины постоянного напряжения Ц», а изменение
частоты — режимом работы инвертора.
При необходимости на выходе автономного инвертора
устанавливается фильтр (4) для сглаживания пульсаций тока (в
схемах преобразователей на IGBT в силу низкого уровня высших
гармоник в выходном напряжении потребность в фильтре
практически отсутствует).
ГЛАВА 7 . Импульсные устройстве
Таким образом, на выходе преобразователя частоты формируется
грехфазное (или однофазное) переменное напряжение изменяемой
частоты и амплитуды (U„„= var, f„= var).
В ОАО «Электровыпрямитель» в течение уже ряда лет
целенаправленно ведутся работы по созданию и освоению
производства силовых модулей на базе биполярных транзисторов с
изолированным затвором (IGBT). Эти приборы объединили в себе
достоинства мощных высоковольтных тиристоров и частотных
транзисторов с МОП управлением. Они являются сегодня во всем
мире наиболее популярными и используемыми силовыми ключами
для преобразователей частоты нового поколения, в том числе и для
управляемого асинхронного электропривода.
В ОАО «Электровыпрямитель» разработана и внедрена в
производство широкая гамма силовых модулей на основе IGBT u
быстрых диодов с мягкими характеристиками обратного
восстановления (5FRD) на токи от 25 до 3600 А и напряжение
коллектор-эмиттер от 600 до 3500 В. Данная серия, включающая в
себя около 200 типов модулей, реализована в десяти конструктивных
исполнениях по схемам одиночных ключей.
Такие электроприводы могли бы иметь широкое применение в
судовых грузовых и швартовных устройствах и в электроприводах
тяжелого пуска.

ГЛАВА 8 Сенаеы микроэлектроники и вычислительной техники
Готфрид Вильгельм Лейбниц (I.eibniz) немецкий философ,
математик, физик, языковед, предвосхитил принципы современной
математической логики (< lt;Об иск сстве комбинато ики», 66
создал первую механическую счетную машину, способную
производить сложение, вычитание, умножение и деление.
Независимо от Ньютона создал дифференциальное и интегральное
исчисление и заложил основы двоичной системы счисления
Изготовил механический калькулятор, в частности, чтобы облегчить
труд своего друга астронома Христиана Гюйгенса.
В машине Лейбница использовался принцип связанных колец
суммирующей машины Паскаля, но Лейбниц ввел в нее подвижный
элемент (прообраз каретки настольного калькулятора), позволивший
ускорить повторение операции сложения, необходимое при
перемножении чисел. Вместо колесиков и приводов в машине
Лейбница находились цилиндры с нанесенными на них цифрами.
Каждый цилиндр имел девять рядов выступов или зубцов. При этом
первый ряд содержал один выступ, второй ряд — — два выступа и так
вплоть до девятого ряда, который содержал соответственно девять
выступов. Цилиндры с выступами были подвижными и приводились в
определенные положения оператором. Специально для своей машины
Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо
обычных для человека десяти цифр две: 0 и 1. Принципы двоичной
системы счисления Лейбниц объяснял на примере коробочки с
отверстиями: открытое отверстие означало 1, закрытое — О. Единица
обозначалась выпавшим шаром, ноль — отсутствием выпавшего шара.
Двоичная система счисления Лейбница нашла впоследствии
применение в автоматических вычислительных устройствах.
Двоичная система счисления основана на простой идее.
Технически легко реализовать элемент в виде реле, например, или
транзистора, который может принимать всего два значения. В
двоичной системе это 0 и 1. Соответственно, набором 0 и 1 можно
закодировать некоторое количество знаков, чисел. Сколько нулей и
единиц может быть всего — это и есть разрядность. То есть, говорят,
что ЭВМ 8 — разрядная, когда максимальное число, которое может
воспринимать ЭВМ, — это число из 8 разрядов.
Например, возьмем число 01010000. Соответственно, встает
вопрос: а сколько всего можно закодировать чисел? Но этот вопрос
дает ответ статистика. Сколько будет перестановок из 2 элементов со
степенью свободы 8? Получается:
28' = 256.
Это не просто число, а количество кодируемых символов.
Например, в таблице символов ASCII, которая используется для
отображения символов, всего 256 знаков. И эти знаки нужно
распределить среди специальных символов, английских букв и,
например, русских букв.
О таблице ASCII нужно говорить отдельно. Как же работать с этой
системой счисления? Есть правила математических операций. Также
важен порядок цифр. Первая цифра в двоичной системе <& t
последняя — «1». Это правило. Если последняя цифра «1», а нужно
еще больше, то добавляется новый разряд. Смотрим:
000 0
001 1
010 2
011 3
100 4
101 5
и так далее.
Правила сложения:
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1 + 1 = 0 (единица переносится в следующий разряд)
Правила вычитания:
0 — 0=0
1 — 0=-1
1 — 1 =-0
10 — 1 = 1 (единица берется из старшего разряда)

ГЛАВА 8 ° Осиоеы микроэлеюпроиики и еычислипюельиой пюехиики
Попробуем сложить:
011 3
010 2
Еще:
11 3
11 3
101
(11 х 1) 11
(11 х 1) 11
Еще:
1001
0101
(011+ 110)
1001 9
1110
Как видите, умножение свелось к сдвигу и сложению.
А теперь вычитание:
011 3
010 2
А деление очень похоже на обычное деление.
последовательное вычитание делителя из делимого:
1001(9): 11 (3)
1001
11
11 11 (3)
11
Еще:
101
010
Еще:
101101 (45): 1001 (9)
1
10
101 (5)
Пробуем:
10 2
11 3
(10 х 1) 010
(10 х 1) 10
Называемая в честь английского математика Дж. Буля булевой
алгеброй, алгебра логики составляет теоретическую основу логики,
теории алгоритмов и логического проектирования. От обычной,
привычной нам алгебры, булева алгебра отличается тем, что ее
(010+ 100)
110 6
345
РАЗДЕЛ ! I ° Судоеан элекпюроаепюомапюика
Oll 3
Мы заняли единицу из старшего разряда при вычитании.
Правила умножения:
Ox 0=0
Oxl=l
lxO=O
lхl=l
101101
1001
100
1001
1001
0
8.2. Основы алгебры логики

логические аргументы (переменные) могут принимать лишь два
значения, а основных функций в булевой алгебре всего три:
логическое умножение «И», логическое сложение <&l ;
отрицание «НЕ».
Два возможных значения логических переменных называют
И(:ТИНА (ТЯГЕ) и ЛОЖЬ (FALSE), иногда их называют ДА и НЕТ, а
чаще всего их обозначают «1» и <& t;О . Пр этом с едует по нит
эти логические «О» и «1» нельзя трактовать как числа, над ними
нельзя производить арифметические действия.
Логическая функция может быть задана четырьмя способами:
° словесно (описанием ситуации),
алгебраическим выражением,
таблицей истинности,
электрической схемой, состоящей из контактов переключателей.
Поскольку в цифровых устройствах используются только два символа
«Î» и «1», алгебра логики использует логические переменные и функции
от них, которые также принимают только два значения < l ;О»
К более сложным функциям алгебры логики относятся.
функция равнозначности (эквивалентности),
функция неравнозначности (сложение по модулю два),
функция Пирса (логическое сложение с отрицанием),
функция Шеффера (логическое умножение с отрицанием)
Для булевой алгебры справедливы следующие законы и правила:
распределительный закон,
правило повторения,
правило отрицания„
. теорема де Моргана,
тождества.
(:хемы, реализующие логические функции, называются
логическими элементами. Основные логические элементы имеют,
как правило, один выход (У) и несколько входов, число которых
равно числу аргументов (Хь Х2, Хз, ... Х„). На электрических схемах
логические элементы обозначаются в виде прямоугольников с
выводами для входных (слева) и выходных (справа) переменных.
Внутри прямоугольника изображается символ, указывающий
функциональное назначение элемента.
В отличие от обычной математики, в алгебре логики операции
сложения и умножения заменяют операцией логического
умножения, которая обозначается термином <<конъюн ц
ГЛАВА 8 ° Осиоеы миклоэлекпюроиики и еычислипюельиой пюехиики
операцией логического сложения — <<ди ъюнкц ней
обозначения операций сложения и умножения используют
специальные символы: л — логическое сложение, v логическое
умножение, но мы для простоты будем обозначать операции
привычными нам «+» и <&
Операция логического сложения обозначается союзом «ИЛИ».
Выражение (а + h) означает <& t или а и и h» т.е  с и и а и Ь
нулю, то и результат равен нулю. Результат равен единице, если хотя
бы одна из переменных равна единице. Результат также будет
единицей, если обе переменных равны единице.
Логическое умножение обозначается союзом «И». Выражение
(а x h) означает «а и h», т.е. если а и Ь равны нулю, то и результат
равен нулю. Если одна из переменных равна единице, а другая нулю,
то результат все равно равен нулю. Результат равен единице, если обе
переменных равны единице. Все вышесказанное можно суммировать
в двух словах: для логического сложения результат равен нулю
только при совпадении нулей, для логического умножения результат
равен единице только при совпадении единиц.
Есть еще понятие отрицания, обозначаемое «НК». Обозначается
отрицание чертой над обозначением переменной или символом «-»,
стоящим перед переменной. Например, а означает отрицание а.
По-другому это отрицание называется инверсией. То есть, если а = 1,
то а = О и наоборот. Отрицание может быть не только одной
переменной, но и целого выражения.
Понятие двоичной переменной, логических операций И, ИЛИ,
HK образуют систему аксиом алгебры логики.
Аналогично обычной алгебре, в булевой действительны свойства
перестановки, сочетательности и распределительности:

/ / /
ави
F--АхВхС.
РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроаепюоматика
Помимо этих есть и другие, свойственные только алгебре логики,
законы:
Эти правила и законы позволяют значительно упростить
логические уравнения и функции.
Пример.
1. (:удов ой дизель можно запустить, если включен
маслопрокачивающий насос и давление масла в норме, включен
топливный насос и давление топлива в норме, клапан на пусковом
баллоне открыт и давление пускового воздуха в норме.
2. Если давление масла в норме обозначить как А =- 1, давление
топлива в норме — В = 1, давление пускового воздуха в норме — С =
1, возможность запуска дизеля обозначить как F = 1, а логическую
функцию «И» обозначить знаком умножения «х», то алгебраическое
выражение будет иметь вид:
3. В таблицу истинности заносятся все возможные комбинации
входных аргументов и соответствующие этим комбинациям
значения выходной функции. Входные комбинации записываются в
порядке возрастания их значений от всех нулей до всех единиц
сверху вниз. Таблица истинности, соответствующая данному
примеру, будет иметь следующий вид:
4. Электрическая контактная схема обладает хорошей
наглядностью, но может быть легко построена лишь для самых
простых логических функций. Для нашего примера эта схема может
иметь следующий вид:
А О в
о
о-1 — -~"'
Рис О.т. Электрическая контактная схема
8.3. Логические операции, виды логики и
типы логических элементов
(:истема логических элементов, на базе которой можно строить
логическую схему любой сложности, называется функционально
полной. Как мы уже отмечали, основными и наиболее простыми
логическими элементами являются элементы, выполняющие
операции отрицания (HE), конъюнкции (И), дизъюнкции (ИЛИ). Они
составляют функционально полную систему и являются системой
минимального базиса. Каждая из этих операций и логических

РАЗДЕЛ 11 - Судоеал элект оаетоматика
элементов имеет и другое название (табл. 8.1). В этой таблице даны
названия логических элементов, обозначение данной операции,
показано, как читается запись операции, обозначаются логические
элементы в функциональных схемах, а также таблица истинности для
случая, когда имеется два входа и один выход. Таблица истинности
содержит правила выполнения операций. В каждой ее строке
записывают состояние сигналов на входах (х1, х2) и результат
логической операции на выходе (у). В общем случае логический
элемент может иметь и входов и и выходов.
Табл
Функционально полную систему могут обеспечить составные
(комбинированные) логические элементы, выполняющие логические
операции И вЂ” НЕ, ИЛИ вЂ” НЕ Их названия и обозначения также даны
в табл. 8.1.
Логические элементы выполняют как на дискретных приборах
1
так и методами интегральной технологии. Для большинства серий
интегральных микросхем базисной системой являются логические
элементы «И — НЕ» или «ИЛИ вЂ” НЕ». Их выпускают в виде
отдельных микроминиатюрных устройств в герметичном корпусе.
Если сигналы подают в виде высокого (положительной,или
отрицательной полярности) и низкого (близкого к нулю) уровня
напряжения, то такой способ подачи сигнала называют потенциальным.
Если высокому уровню напряжения U~ приписывают значение
«единица», а низкому И вЂ” «нуль», то логику называют
положительной (позитивной), в противном случае — отрииательной
(негативной). Разность уровней единицы и нуля называют логическим
перепадом U„„= U~ — И. Он должен быть значительным, иначе нельзя
будет четко отделить один уровень от другого.
Если сигналы подают в импульсной форме, то такой способ
подачи сигнала называют импульсным. При этом логической
единице соответствует наличие импульса, логическому нулю—
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
8 4 Схемы ЦиФровых (логических)
эЛЕМЕНТОВ
Рассмотрим основные принципиальные схемы, реализующие все
логические операции, их таблицы истинности и их графические
обозначения.
Схема «НЕ». Логическая схема HE в интегральном исполнении
на основе транзисторного усилителя показана на рисунке 8.2.
отсутствие импульса (положительная логика). Сигналы,
соответствующие «1» (или «О»), могут быть на входе и выходе
разными. Наибольшее распространение получили потенциальные
логические элементы, так как их можно изготовлять по технологии
интегральных микросхем.
Рассмотрим логические элементы на полупроводниковых
приборах. Логические элементы < l ;И» и «ИЛИ» могут выпол ят
резисторах, диодах, биполярных и полевых транзисторах и
туннельных диодах. Элемент <& t;НЕ» выпол яе ся на транзис
Составные логические элементы на разных ступенях могут
выполняться на различных приборах (резисторах, диодах,
транзисторах, как биполярных, так и полевых), т.е. могут иметь
разные схемные варианты. В соответствии с конструкцией их
называют логикой типа рези сторно-транзисторной (РТЛ),
диодно-транзисторной (ДТЛ), транзисторно-транзисторной (на
биполярных транзисторах — ТТЛ; на полевых — р-канальная
МОПТЛ, л-канальная МОПТЛ; на комплементарных полевых
транзисторах — КМОП или КМОПТЛ, на транзисторах с
эмиттерными связями — ТЛЗС или ЗСЛ).
Специфической логикой на транзисторах является инжекционная
логика ИЛ, она не имеет аналогов в транзисторных схемах на
дискретных элементах Связь между ступенями логических элементов
осуществляется либо непосредственно, либо через резистор, либо
через ЯС-цепочку. Тогда в название логики добавляют
соответствующие буквенные обозначения: НСТЛ вЂ” транзисторная
логика с непосредственной связью; HCT JIM — транзисторная логика с
непосредственной связью на МОП-транзисторе; РЕТЛ
транзисторная логика с резистивно-емкостной связью.
350

РАЗДЕЛ II - С доеая элекпюроаепюомапюика
Электирижскюй ачалол
Зщф~бююам
услоаное ободыр~~рц~д
Рис. 8.2. Логический элемент «НЕ»
Наиболее часто встречаются следующие названия этой функции:
логическое отрицание, инверсия, дополнение, NOT, НЕ.
Возможные виды алгебраической записи функции НЕ:
F = ]А; F = А', F = А.
На языке цифровой техники «НЕ» означает, что этот элемент
является инвертором электронным устройством, выходной сигнал
которого противоположен входному.
При рассмотрении логического элемента «НЕ» на рисунке 8.2 в
электрическую цепь включается реле. Пока кнопка 8В1 разомкнута,
обмотка реле обесточена, ero контакты К1.1 остаются замкнутыми, и,
следовательно, лампа HL1 получает питание и светит. При нажатии
на кнопку 8В1 контакты замыкаются, имитируя появление входного
сигнала высокого уровня, в результате реле срабатывает, контакты
ero размыкаются, нить лампы гаснет, тем самым имитируя появление
на выходе сигнала низкого уровня.
Логический элемент НЕ (рис. 8.2) имеет один вход и один выход.
Он представляет собой усилительный каскад на биполярном или
полевом транзисторе, работающий в ключевом режиме. На рис. 8.3
показан элемент НЕ на биполярном транзисторе, включенном по
схеме с 03. Элемент предназначен для работы с сигналами
положительной полярности в положительной логике. Транзистор Т
закрыт отрицательным потенциалом на базе, подаваемым от
источника ЕБ. При подаче на вход элемента сигнала низкого уровня
U,„= И, соответствующего логическому «О», транзистор остается
закрытым, коллекторный ток равен нулю, т.е. через резистор ЯК ток
не проходит, и на выходе напряжение U, = +ЕК, т.е. высокого
уровня U~, соответствующего логической «1».
При высоком уровне напряжения на входе U„= U транзистор
находится в режиме насыщения, появляется коллекторный ток, и на
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной пюехиики
+ ~ резисторе ЯК создается
падение напряжения, примерно
равное ЕК, а на выходе
напряжение примерно равно
нулю (U, = И), т.е. будет
логический нуль. Итак, если
Вх х=О,тоу=1, еслих=1,тоу=О,
т.е. элемент является
инвертором — выполняет
операцию отрицания.
Следует отметить, что если
элемент выполнен на кремние-
Рис. 8 3 ®чектронная схема Вом тРанзистоРе п — ~У вЂ” п-стРУк-
элемента «НЕ» туры, источник смещения ЕБ
можно не включать, так как и
при положительных потенциалах на базе (до 0,6 В) транзистор
практически закрыт
Пример. В качестве примера приведем схему контроля
присутствия напряжения на электронном устройстве (ЗУ) через
предохранитель (Пр) (см. рис. 8.4).
При работоспособном предохранителе (Пр) логическая единица с
зажима (1) через предохранитель Hp, диод D1 поступает на базу
транзистора Т1 и держит ero в открытом состоянии, на ножке (2)
присутствует логический нуль за счет падения напряжения на
резисторах ЯЗ и R2.
Как только предохранитель Пр прерывает свою цепь, транзистор
1
Т1 закрывается, и на ножке (2)
появляется логическая «1» в
+12В качестве +12 В, таким образом,
2
замыкая электрическую цепь
Q- — — -,
Dz катушки ревуна и обеспечивая
!
Tr звуковую сигнализацию при
~ ( ~-У потере питания на ЭУ
ЭУ д~
Я Схема «ИЛИ». Логический
элемент «ИЛИ» (табл. 8.1) может
- ~лВ иметь два (и более) входа, один
выход и работать как при
потенциальных, так и при
Рис 84 Схема контроля
предохранителя

РАЗДЕЛ 11 ° Судовая элекп>роаеп&gt ома
импульсных сигналах. Наиболее часто встречаются следукицие названия
функции <&lt ИЛИ»: логи еское сло ение, дизъю кци , ОК
Алгебраическая запись функции «ИЛИ»:
F =А vB;F =А +В.
ж;«У6~=Ры~
обозна ими
С' ''ч:* 3 ~'юс
~'СЛ 26РФ. е
С'Ь:3 Ы44~Т1М
Элей.рачески6 а..млс.
Талы.у:1 ист»нвжти
Рис. 8.5. Логический элемент «ИЛИ»
Аналогом ero может служить схема из параллельно включенных
реле. Пока кнопки 5В1 и 5В2 на рис. 8.5 разомкнуты, лампа ХН.1 не
светит, имитируя на выходе сигнала «О». При нажатии на кнопку 581
или 8В2 нить лампы загорается, тем самым имитируя появление на
выходе сигнала «1».
Логический элемент «ИЛИ» преобразует два сигнала, поданных
на вход, в один сигнал на выходе по следующему принципу: если на
любой вход (или на два одновременно) логического элемента «ИЛИ»
будет подана логическая единица, то на выходе элемента будет
логическая единица; если на оба входа подан логический нуль, то на
выходе элемента <&l ;ИЛИ» также будет
Рассмотрим элемент <&lt ИЛИ», выпол ен ый на и
предназначенный для работы от сигналов в виде напряжений
(импульсов) положительной полярности в положительной логике
(рис. 8.6). Для того чтобы элемент реализовал операцию <<
необходимо, чтобы сигнал на выходе имел значение < lt;1»
тогда, когда хотя бы на одном из входов действует сигнал «1». При
этом сигнал «1» на входе должен обеспечивать запирание всех
диодов, на которые со стороны входа воздействует сигнал «О&gt
(:оотношение потенциалов источника сигналов низкого &lt 1
высокого U уровней и источника питания Е схемы такое же, как и в
схеме элемента «И»: U &lt Е& t; U' ( сли U lt;Е, то ди ды буд
закрыты, и выходное напряжение не будет изменяться)
(:опротивление диода в открытом состоянии Я„„„„= О.
ГЛАВА 8 . Основы микроэлекп>рон к и вычислитель ой п>
Входа
Вх'Ы»
Э
Вз «&g
а) 6) в)
Рис. 8.6. Электронная схема элемента «ИЛИ» на диодах
Если на все входы подано низкое напряжение Uo, все диоды
закрыты, так как потенциал их анодов ниже потенциала катодов
(< д = Ђ” ); следователь о, напряже ие на вых де ра н  &lt U/' т
выходе сигнал соответствует логическому «О&gt &gt . При одач х
на один из входов, например Вхп высокого напряжения < l~ открое
диод D1, который подключен к этому входу, а так как сопротивление
открытого диода равно нулю, то потенциал < & t;K = +U и на
имеется сигнал U~ (логическая <&l ;1»)  сли в это вр мя на ка
диоды со стороны входа будет подан низкий потенциал U, они
окажутся закрытыми, так как их катодам сообщится потенциал
дх = +U~. Таким образом, на выходе сигнал будет соответствовать
логической «1&gt > есл х тя бы на од ом из ходо (или п рво
втором, или третьем) сигнал соответствует логической <&
Рассмотрим элемент «ИЛИ» на биполярных транзисторах
n — р — и-перехода положитель-
4 .= -+ &a
1 ной логики При подаче на базу
одного из транзисторов VT1
или 1'Т2, или одновременно на
к~: ч
оба сигнала, соответствующего
логической единице (см.
»хай РФ
ъ' рис. 8.7), на выходе будет
логическая единица.
+
Пример. В качестве приме-
ра использования элемента
Рис. 8.7. Электронная схема «ИЛИ» «ИЛИ» приведем схему защи-
на биполярных транзисторах

~?д??Л
— ~' -?в
ятR
— ~?-
в?;.св?
вход«
?
в??эз
?о= ф.
-1ж'
??с'= g.
в м
вхою
3црЗбг~~îå
Ó?." ??О 0? ?Ое",
С~ ?? ?,?'Ы???? ".
С?'??«~бас???й0??Р?? Р к~
?~С??ОД??. ?
~Ьл??? ?а?,?у~ ~
.???~л?~~в??~~?."??Й QA. ??~~2
'?
Ю'2?Ш4Х lu."ÏÆ7Ó÷Ñ" ???И
Рис. 8.9. Логический элемент «И»
РАЗДЕЛ 11 Судовая элекгпроаегпомапюика
- 128
Рис. 8.8. Защита дизеля по предельным параметрам
ты дизеля по предельным параметрам (рис. 8.8).
При срабатывании одного из параметров предельного значения
работающего дизеля: низкого давления масла (НДМ), высокой
температуры воды (ВТВ) или реле предельной скорости (РПС) на
базу соответствующего транзистора подается логическая «1».
Транзистор открывается, и срабатывает реле К1, вследствие чего
размыкается н.з. контакт К1.1, и обесточивается клапан подачи
топлива (КПТ). Дизель останавливается.
Схема «И». Наиболее часто встречаются следующие названия
этои функции: логическое умножение, конъюнкция, совпадение,
AND, И.
Возможные виды алгебраической записи функции «И»:
F = А dL В; F = А ЛВ. F = А х В- F = А - В. F = АВ
Логический элемент «И» (табл. 8.1) может иметь два (или более)
входа и один выход и работать как при потенциальных, так и
импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из
последовательно включенных контактов (рис. 8.9). Рассмотрим
работу элемента «И», выполненного на диодах (рис. 8.10).
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлекгпроники и еычислигпельной гпехники
Рис. 8.10. Электронная схема «И» на диодах
Элемент, предназначенный для работы с сигналами в виде
напряжений (или импульсов) положительной полярности в
положительной логике, показан на рис. 8.10, а. Он имеет три входа и
один выход. Элемент реализует операцию «И», если сигнал «1»
появляется на выходе только тогда, когда одновременно на всех
входах присутствует сигнал «1». При этом, если хотя бы на одном
входе присутствует сигнал, соответствующий логическому нулю, он
должен передаваться через открытый диод на выход и обеспечивать
запирание тех диодов, на которые со стороны входа воздействуют
сигналы, соответствующие логической «1». Будем считать, что
сопротивление открытого диода Я„„& t; Я а потенци лы сигн л
источника питания Е схемы имеют значения, удовлетворяющие
соотношению U &lt Е&
Если на одном из входов цепи, например Вхь действует сигнал U0,
то диод D1 будет открыт, и ток пройдет по цепи +Š— резистор
R — диод D1 — источник U0. Все напряжение источника Е приложится
к резистору Я, и на выходе напряжение окажется равным U0, т.е.

РАЗДЕЛ И Судоеао элект оаепюомапюика
сигнал на выходе — логический нуль. На остальных входах
деиствует высокий потенциал U~, поэтому диоды закрыты, так как их
анод подсоединен к зажиму на выходе с низким потенциалом <. О
катоды — к высокому положительному потенциалу U .
Если на всех входах действует напряжение U', то все диоды будут
закрыты, ток в цепи +ЕК вЂ” К вЂ” закрытый диод — источник U íå
проходит, и падение напряжения на резисторе К равно нулю. На выходе
напряжение Е & t; ', то соответств ет логичес ой « ». Та им обра
2
если хотя бы на один из входов воздействует сигнал, соответствующий
логическому нулю, сигнал на выходе также соответствует логическому
нулю. Сигнал на выходе соответствует логической «1», только если
сигналы на всех входах соответствуют логической единице.
На ис.
рис. 8.10, б, г, д показаны элементы, предназначенные
соответственно для работы с сигналами отрицательной полярности в
положительной логике (рис. 8.10, r) и отрицательной (рис. 8.10, д)
полярности в отрицательной логике. Отметим, что один и тот же
элемент может работать как от положительных, так и от
отрицательных сигналов, но полярность включения источника
питания для положительных сигналов должна быть положительной
(+Е), для отрицательных сигналов — отрицательной ( — Е). Работают
элементы так же, как и элемент на рис 8.10, а. Наиболее
распространены элементы, показанные на рис. 8.10, а, д.
Элемент «И» может работать и без источника питания. В этом
случае возможны только два варианта включения диода, причем
элемент на рис. 8.10, в реализует операцию «И» только от сигналов
отрицательной полярности в положительной логике, а элемент на
рис. 8.10, е — только от сигналов положительной полярности в
отрицательной логике. Элементы без источника питания менее
предпочтительны, чем с источником питания.
Сравним рис. 8.10, а, на котором показан элемент «ИЛИ»
Э 9
предназначенныи для работы от сигналов положительной
полярности в отрицательной логике, с рис. 8.10, r. Они одинаковы.
Таким образом, можно отметить, что элемент «ИЛИ» в
положительной логике может выполнить операцию «И» в
отрицательной логике, и наоборот. Все элементы «И» на рис. 8.10, в
другой логике, чем для элемента <& t;И», реа изуют оп рацию
Элемент «ИЛИ», как и элемент «И», может не содержать
источника питания. Элемент на рис. 8.10, б предназначен для работы
ГЛАВА 8 - Основы микроэлектроники и вычислительной пюехники
1"-~& t; от сигна ов положител
полярности в положительной
логике, а на рис. 8.10, в от
сигналов отрицательной поляр-
ности в отрицательной логике.
Логическая схема <
(«2И» на два входа) в
электронном исполнении при-
ведена на рис. 8.11.
Ь VT
Элемент «И» представляет
собой диодный ключ с двумя
В входами. При нулевом значе-
нии напряжения, хотя бы на од-
ном из входов (логический О),
диод VD1 или VD2 будет от-
крыт, а транзистор VT закрыт.
Значит, напряжение на выходе
Pöc g.''/ f электронная схема также бУдет Равно нУлю. Р
.Пи
элемента «И» на биполярном одновременной подаче логи-
транзисторе ческих единиц на оба входа ди-
оды закрываются, а транзистор VT открывается. На эмиттере
появляется положительный потенциал (логическая единица).
Пример. В качестве примера использования элемента «И»
приведем упрощенную схему подготовки главного двигателя к пуску
и работе (рис. 8.12).
При отсутствии логических < lt 1» н всех ходах прои
падение напряжения на всех параллельных ветвях по цепи: &l ;&l ; Ђ” 12
К7 — К — Ш вЂ” К1 — «+12 В»; — 12  — К7 — К — D2 — R2 — <& t; 1 В»
При запуске масляного насоса логическая «1» подходит к диоду D1,
но пройти через него не может, тем самым запирая его.
При наличии логических < lt 1» н всех ходах ди ды
заперты, и потенциал — 12 В (логическая <& t;1») устрем яе ся н
транзистора VT и открывает ero. Лампа ЛЗ загорается, получая
питание через эмиттерно-коллекторный переход транзистора, тем
самым сигнализируя о готовности 1 Д к пуску и работе.
Операции <& t;И И в ” НЕ» и & t;& t;И вЂ” HE обра уются пу
результатов, получаемых при выполнении операции <&l ; ЛИ»
соответственно:

»уск л{{лсля{{{{{ос» {{ясОсй
r {{'.{{ {{{о{{л{{о{{ос« н<ке
а{{{ еле{{ {{е л{осзю, е {{орл{е
{{{с {{е{оа{{{{{ра {{{о{{л{{оа. е {{оол{е
куск {{асоса {{рес{{о{{ ее{{о
{{p{".R Р{осОсс, е{лГОя{{{{{о{л ВОды
Эорфеоео{ое
л'слоюиое
оооя{{о{{е{{ 4ж
.{.{?
-Я--
{ Л{ ео{{{ое
{ {{{оооо{{{о
!
&l ;
-л- + ~ю
<,{{{ еч зсм ?{ ее{{{
,есло е{{ое
оЬооиоче{{{{е
Эле{{{{{{о{{{{еск{{Л о'{слое{
3.{{к{ о
Рис. 8.14. Электронная схема
элемента «И вЂ” HE» ДТЛ
360
РАЗДЕЛ 11 Судовая электрооаетоматика
Рис. 8.12. Подготовка ГД к пуску и работе
ИЛИ НЕ (х,,х ) х, х,— х -х,
И НЕ (х,,х,) — х, х,— х, +х
Логические элементы в интегральном исполнении предназначают
для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут
выполняться по логике разных типов. Тип логики влияет на
характеристики элемента. В интегральных микросхемах чаще
используют кремниевые транзисторы и — р — и-типа (см. замечание к
элементу HE). В режиме насьпцения напряжение между эмиттером и
коллектором таких транзисторов сравнительно велико (0,4 В и выше).
Схема «И вЂ” НЕ».
Элемент &lt &lt И в ” HE» на ывают акже: штрих Ш ффера (5
stroke), NANO (сокращенное от NOT ANO).
Алгебраическая запись функции И вЂ” НЕ:
F =АВ; F =АВ.
В ходные сигналы подаются на элемент «И», выходной сигнал
снимается с элемента «НЕ». Таким образом, на выходе элемента «И—
НЕ» сигналом будет логическая «1», если на входе элемента «НЕ»
присутствует сигнал, соответствующий логическому «О».
Принцип действия такого логического элемента можно рассмотреть
на следующей электрической эквивалентной схеме (рис. 8.13).
При включении обоих выключателей 5В1 и ЛВ2 (см. рис. 8.13)
получает питание катушка реле К, контакт данного реле К1.1.
размыкается, и лампа HL гаснет. При включении одного из
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
табл{{{{{{{ {{стпел{{{ос{{{{л
Рис. 8ЛЗ. Логический элемент «И — HE»
выключателей катушка реле К не получает питание, потому что
выключатели соединены последовательно, контакт К1.1. остается
замкнутым, и лампа продолжает получать питание.
Логический элемент «И — НЕ» для сигналов положительной
полярности показан на рис. 8.14. Он представляет собой соединение
через диоды ГО с двух элементов: диодного элемента «И» и
транзисторного элемента «НЕ» (см. соответственно рис. 8.10, а и
рис. 8.3). При этом элемент «НЕ» не имеет источника смещения ЕБ,
исходя из сделанного ранее замечания о работе кремниевых
транзисторов. Кроме того, значения напряжений, соответствующих
логическим «О» и «1», необходимо выбрать должным образом, так
как при напряжении на базе, несколько меньшем 0,6 В, транзистор
будет закрыт, а в режиме насыщения напряжение между эмиттером и
коллектором равно 0,4 В (и выше).
Рассмотрим работу элемен-
та. Если на все входы подано
напряжение U~ (логическая
«1»), все диоды (VD1, VD2,
VD3) будут закрыты, и ток в
цепи от источника Е1, через ре-
зистор Я1, открытые диоды VD,
пройдет в базу транзистора.
Вследствие падения напряже-
ния на резисторе Я1 потенциал
о
&lt р1 окаже ся нескол ко н
потенциала +Е1, диод VD1 бу-
дет открыт, и потенциал базы

РАЗДЕЛ I I Судовая элекпюроаепюомапюика
ГЛАВА 8 Основы микроэлекпюроиики и еычислипюельиой пюехники
&lt рь транзист ра мен ше потенци ла lt р~ на зн чение п дения на
ния на диодах VD, (но выше 0,6 9, так что транзистор будет находить-
ся в режиме насыщения). На выходе элемента «НЕ» установится
низкое напряжение U, соответствующее логическому <& t;О» Есл
бы на один вход, например ВХ1, будет подано напряжение & t; О, то со
ветствующий диод VD1 будет открыт, и потенциал &lt р   . ок от
точника Е1 будет проходить через резистор Я1. Часть тока замкнется
через открытый диод VD1; источник U, источник Е1, часть — через
смещающие диоды ИЗ„резистор 1&l ; и источ ик Е1 Потенц ал б
&lt р = ;э бу ет н же потенци ла lt р1 на зн чение п дения напр
на смещающих диодах VD,. При этом элемент рассчитывают таким
образом, чтобы падение напряжения на диодах VD, было таким, что-
бы &lt р = &l ; lь & t; О, но зн читель о м нь е 0,6 . В эт м случае
тор будет закрыт, и на выходе элемента «НЕ» напряжение окажется
равным Ек & t; U, т е. полу им логичес ую «
Простейший элемент &lt &lt И в ” E» на транзисторно-транзис
логике (ТТЛ). показан на рис. 8.15, а. Он состоит из двух частей:
элемента < lt И» на многоэмит ерном транз ст р Т1 и эл мента
на транзисторе Т2. Связь непосредственная: коллектор Т1 соединен с
базой транзистора Т2. Смещение в цепи базы транзистора Т2
выполняет коллекторный переход Т1. Три эмиттерных перехода Т1,
подключенных к входу элемента (рис. 8.15, а,), выполняют функции
входных диодов в схеме «И» на диодах. По сравнению с
ДТЛ-элементами элементы ТТЛ обладают более высоким
Рис. 8Л5. Логический элемент «И — НЕ» на ГГЛ
Рис. 8Л6. Логический элемент
«И — НЕ» со сложным инвертором
быстродействием. Элемент выполнен по технологии интегральных
микросхем, поэтому он не содержит реактивных элементов. Он
работает от сигналов в виде напрюкений положительной полярности.
Рассмотрим принцип работы подобных элементов. Если на все
входы подать напряжение U~, то все эмиттерные переходы сместятся
в обратном направлении. Потенциал коллектора транзистора Т2
окажется близким нулю, переход база — коллектор смещен в прямом
направлении за счет источника +ЕК. Транзистор Т1 будет в
инверсном режиме, транзистор Т2 — в режиме насыщения.
Коллекторный ток транзистора Т1 втекает в базу транзистора Т2,
оставляя последний в режиме насыщения. Таким образом, на выходе
будет напряжение низкого уровня U, т.е. логический «О».
Если на один из входов подано напряжение U, то потенциал базы
транзистора Т1 станет выше потенциалов эмиттера и коллектора,
поэтому Т1 окажется в режиме насыщения, и ток базы замкнется
через эмиттерные переходы Т1 и не поступит в ero коллектор, а
следовательно, и в базу Т2. Поэтому транзистор Т2 будет закрыт, а на
его выходе — напряжение высокого уровня (логическая «1»). Таким
образом, элемент выполняет операцию «И — НЕ», так как сигнал
логического нуля на выходе может быть только тогда, когда на все
входы будет подан сигнал логической единицы.
В промышленности для повышения нагрузочной способности ло-
гических элементов ДТЛ и ТТЛ используют схемы со сложным ин-
вертором. Рассмотрим работу универсального логического элемента
«И — НЕ» со сложным инвертором на выходе в интегральном испол-
нении (рис. 8.16). Операция «И» выполняется входным многоэмит-
.+ терным транзистором Т1.
Es
Инвертирование фазы сигнала
С f8
осуществляется сложным ин-
вертором на транзисторах Т2,
Т3, Т4, питание элемента — ис-
В*еМ
точником постоянного напря-
жения ЕК= 5 В. Элемент
работает от входных импуль-
Р3 сов напряжения прямоуголь-
ной формы с уровнями: U' = 3,3
а)
В (логическая <&l ; ») U -
(логический <&l

Пусть на оба входа относительно общей заземленной шины
одновременно поданы положительные импульсы напряжения U
3,3 В. В этом случае оба эмиттерных перехода транзистора Т1
закрыты, так как они имеют обратное смещение. Транзисторы Т2 и Т4-
находятся в режиме насыщения. Ток проходит по цепи: +ЕК вЂ” Я1—
открытый колл екторный р — л-переход транзистора Т1
эмиттерно-базовые переходы насыщенных транзисторов Т2 и Т4 — О.
Многоэмиттерный транзистор Т1 находится в инверсном режиме
включения. Так как транзистор Т2 открыт и находится в насыщении,
между точками А и В элемента имеется малый перепад напряжения,
из которого вычитается падение напряжения на диоде Д. В силу этого
транзистор ТЗ надежно закрыт и находится в режиме отсечки.
Насыщенный транзистор Т4, представляя собой в этом режиме
эквипотенциальную точку, подсоединяет узел С схемы к
заземленной точке D, закорачивая тем самым сопротивление
нагрузки RH. Таким образом, на выходе напряжение равно
логическому нулю. Появление хотя бы на одном входе Т1 импульса
напряжения низкого уровня приводит к открытию соответствующего
эмиттерного перехода Т1. Транзистор Т1 выходит из инверсного
режима, а транзисторы Т2 и Т4 закрываются, так как их базовые токи
становятся равными нулю. В это время входит в насыщение
транзистор ТЗ. Его базовый ток насыщения протекает по цепи +ЕКв
Я2 — эмиттерно-базовый переход ТЗ вЂ” прямо включенный диод Д—
сопротивление нагрузки RH — ЕК. На сопротивлении Я падает
напряжение У„ & t; ,3 В, то соответств ет логичес ой едини
Пример. В качестве примера использования элемента «И вЂ” НЕ»
приведем упрощенную схему контроля синхронизации генераторов
(рис. 8.17).
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
При отсутствии совпадения параметров синхронизации
транзисторы VT1 — VT3 закрыты, и горит красная лампа ЛК. При
совпадении напряжений открывается транзистор VT1, и логическая
«1» подходит к коллектору транзистора И 2. При совпадении частот
открывается транзистор И 2, и логическая «1» подходит к
коллектору транзистора VT3. При совпадении сдвига фаз
открывается транзистор VT3, гаснет лампа ЛК, срабатывает реле
включения автомата (РВА) генератора, и загорается лампа ЛЗ.
Схема «ИЛИ вЂ” HK».
Элемент ИЛИ вЂ” НЕ называют также: стрелка Пирса (I'i cree arrow),
NOR (сокращенное от NOT OR).
Алгебраическая запись функции ИЛИ вЂ” HK:
F =À1Â; F--А+В.
Аналог для логического элемента «ИЛИ вЂ” НЕ» на рис. 8.18
представляет собой последовательно соединенные источник
питания, контакты К1.1, К2.1 и лампу накаливания ИХ,1.
Переключатели 5В1 и 5В2 имитируют электрические сигналы на
входе аналога, а нить лампы индицирует уровень сигнала на выходе.
Разомкнутое состояние контактов переключателей соответствует
напряжению низкого уровня (логический нуль), замкнутое
высокому уровню (логическая единица).
Таблица истинности состояния показывает, что на выходе
элемента может быть единица только при одном условии: если на
обоих входах будут логические нули.
Рассмотрим работу логического элемента «ИЛИ вЂ” НЕ» л-каналь-
ной МОП-транзисторной логики (МОПТЛ) (рис 8.19). В логических
схемах на полевых транзисторах используют только МОП-транзис-
торы с диэлектриком ЯО2. Основные преимущества схем на
СО ь ук1 ае'уе и е
нШсяя ее~~ейй
Зеруое:Фоеое
услоапое
оооепйлпиа
Олеачеспеаепное
услоапое
оиоеееепепие
Элеиперииесиий аполое
Собесагус7аи~
еассс?ПОИ
СС'6ГОХ7ейe
СЪи.--ее Фа о
Рис
ЛК
-Q
Са вил Еч,*ее
1 с'?77~уулсуиотюм
1
гэ I
1
Г-~И--~
~ Ву"Алуесеус ил'
П-л ..
.л„. „„„.
1
РВА
8.17. Контроль синхронизации генераторов
тоБлиии исепенпоеупи
Рис. 8.т8. Логический элемент «ИЛИ вЂ” HE»

РАЗДЕЛ И . Судовая электроавтоматика
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
МОП-транзисторах по срав-
Ео
нению с другими схемами—
это высокая степень интегра-
ции и повышенная помехоус-
тойчивость.
В отличие от рассмотрен-
ееея
ных ранее схем в ней вместо Х1
нагрузочного резистора RK
имеется МОП-транзистор (на
схеме рнс. 8.19 он обозначен &l
ТК). Это связано с тем, что
нагрузочный резистор cHJIbHo
увеличил бы площадь схемы. Рис. 8.т9. Логический элемент «ИЛИ—
Логические транзисторы Т1 и НЕ" на Мо~ тРанзистоРак
Т2 включены параллельно. Входное напряжение на каждом из них
равно напряжению затвора: U 1 = U 1 Um = U з, выходное
напряжение равно напряжению стока: U, = U,„. Напряжение
питания обычно выбирают в три раза большим порогового U ð
(У„,р — напряжение на затворе, при котором образуется канал).
Если У„,р — 2,0 В, то логическии перепад (разность между входным и
пороговым напряжениями) составляет 4 В. Логические уровни
соответствуют выходным напряжениям открытого и закрытого
транзисторов. Если на оба входа подать напряжение меньше порогового
(соответствующее логическому нулю), то транзисторы Т1 и Т2 окажутся
закрытыми, а ток стока — практически равным нулю При этом ток
стока нагрузочного транзистора ТК тоже будет равен нулю. Поэтому на
выходе установится напряжение, близкое к напряжению источника
питания ЕС и соответствующее логической «1».
Если на вход хотя бы одного транзистора подать напряжение,
превышающее пороговое (соответствующее логической «1»), то этот
транзистор откроется, и появится ток стока. Тогда на выходе схемы
будет остаточное напряжение, значительно меньшее порогового, что
соответствует логическому «О».
Следует отметить, что схемы на М ОП-транзисторах менее
быстродействующие, чем на биполярных. Это связано со скоростью
перезарядки выходной емкости, которая весьма значительна. Все
способы повышения быстродействия ведут к появлению -других
существенных недостатков.
лз
л елетзератнура
~ еаазрме
i
,я
1
I
I
~ телткератн ура
О-~ар.б.
4а28
Пределькая тнеятзтеткз нура
облзатнки а-й Фазы
Предельная тнелтнератнура
обятатззки 3-й Фалы
Пре Ьельзчаятеелзтзетзатяура
облатки о-Й Фооьт
Рис. 8.2О. Контроль предельной температуры обмоток
электродвигателя
Аналогично работает (с учетом полярностей) схема КИЛИ вЂ” НЕ» с
р-канальными МОП-транзисторами. Тип схемы влияет на
характеристики (потребляемая мощность, быстродействие и др.), но
принцип работы схемы остается неизменным.
Пример. В качестве примера (рис 8.20) использования элемента
«ИЛИ вЂ” НЕ» приведем схему контроля предельной температуры
фазных обмоток электрического двигателя.
При нормальной температуре обмоток электродвигателя
сопротивления терм одатчиков ТС1 — ТСЗ велики, транзисторы
VT1 — ~'ТЗ закрыты, и горит зеленая лампа ЛЗ. При повышении
температуры, близкой к предельной одной из обмоток,
сопротивление термодатчика резко падает, и на базе
соответствующего транзистора появляется логическая «1», что
4' В=
=Я В
Рис. 8.2т. Реализация функций И, ИЛИ, НЕ:
а) на логических элементах И вЂ” НЕ; б) на логических элементах ИЛИ вЂ” НЕ

тзар1 + тзар2з
где.с„р1 = с1 1n(U'/U p);
тзар2 т2 1П(~/ /~/пар)
РАЗДЕЛ 11 . Судовая электроавтоматика
Рис. 8.22. Первый этап
комбинации Рис. 8.23. Второй этап комбинации
приводит к открытию соответствующего транзистора. После чего
лампа ЛЗ гаснет, и загорается лампа ЛК
На основании универсальных логических элементов «И вЂ” НЕ»,
«ИЛИ вЂ” НЕ» можно реализовать любые логические функции, например
«И», «ИЛИ», «НЕ» и другие, приведенные на рисунке 8.21, а, б.
Как правило, построение и расчет любой схемы осуществляется,
начиная с ее выхода.
Допустим, задано булево выражение:
F= ВА+В А+С В.
Первый этап: выполняется логическое сложение, логическая
операция «ИЛИ», считая входными переменными функции В А, В А
и С В (см. рис. 8.22).
Второй этан: к входам элемента «ИЛИ» подключаются
логические элементы «И», входными переменными которых
являются уже А, В, С и их инверсии (см. рис. 8.23).
Третуу эшйп: для
получения инверсий А и В
а%
на соответствующих
входах ставят инверторы
л 1 л 1
(см. рис. 8.24).
ла к
Данное построение осно-
вано на следующей особен- а i к
ности: поскольку значениями
логических функций могут
быть только нули и единицы,
Рис. 8.24. Третий этап комбинации
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
то любые логические функции могут быть представлены как аргу-
менты других более сложных функций.
Таким образом, построение комбинационной логической схемы
осуществляется с выхода ко входу.
8.5. Типовые функциональные схемы
На базе логических элементов можно построить различные
генераторы импульсов. Наиболее широкое применение в цифровых
устройствах нашли два типа — несимметричный и симметричный
мультивибраторы. Но также часто применяются и одновибраторы.
В несимметричном мультивибраторе (рис. 8.25, а) резистор Я
выводит в усилительный режим первый инвертор, а выходное
напряжение этого инвертора должно удерживать в режиме усиления
второй инвертор. Положительная обратная связь через конденсатор
С вызовет мягкое (не нуждающееся в первоначальном толчке)
самовозбуждение автоколебательного релаксационного процесса.
Период Т импульсов, вырабатываемых мультивибратором,
определяется в первом приближении постоянной времени с = ЯС (Т=
ат, где а обычно имеет значение 1 — 2). Частоту следования импульсов
можно оценить (с точностью до 10%) из выражения /'= 1/2ЯС.
Схема симметричного мультивибратора показана на рис. 8.25, б.
Симметричность выходных импульсов может быть достигнута при
выполнении условий: Я1 = Я2; С1 = С2. Период следования
импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда
конденсаторов, т.е.:
Рис. 8.25. Мупьтивибраторы: a) Hec~MMBT~~~H1 ~~; б) симметричный

РАЗДЕЛ ! ! ° Судовая электроавтоматика
Значения с1 и с2 определяются с учетом выходных сопротивлений
ИНВЕРтОРОВ 1~вых Э1~ ~вых Э2-
с, =С,(Я, +Я,„„~,),
2 2( 1 выха2)
Частота следования выходных импульсов симметричного
мультивибратора определяется из соотношения:
1 1 1
/И вЂ”вЂ”
Т т1 4т2 2ЯС
Одновибраторы предназначены для вырабатывания одиночных
импульсов с заданной длительностью. При этом длительность
запускающего импульса особой роли не играет, лишь бы она была не
больше длительности вырабатываемого одновибратором импульса,
T.e- ~изап & t;
где t„„„— длительность запускающего импульса;
t„— длительность выходного импульса одновибратора.
Схема одновибратора приведена на рис. 8.26, а. Он выполнен на
двух элементах логики типа «2И вЂ” НЕ» путем введения
положительной обратной связи (выход второго элемента соединен с
входом первого).
В исходном состоянии на выходе элемента Э2 имеется уровень
«1», а на выходе элемента Э1 — «О», так как на обоих его входах
имеется «1» (запускающие импульсы представляют отрицательный
перепад напряжения). При поступлении на вход запускающего
отрицательного перепада напряжения на выходе первого элемента
появится уровень «1», т.е. положительный скачок, который через
ив11ь обосглр0эй связи
Ь'с
Рис. 8.26. Одновибратор: a) схема; б) временные диаграммы
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
конденсатор С поступит на вход второго элемента. Элемент Э2
инвертирует этот сигнал, и уровень «О» по цепи обратной связи
подается на второи вход элемента Э1. На выходе элемента Э2
поддерживается уровень «О» до тех пор, пока не зарядится
конденсатор С до уровня U, „,р = U — U„,ð, а напряжение на резисторе
1
Я не достигнет порогового уровня U„,ð (рис. 8.26, б).
Длительность выходного импульса одновибратора может быть
определена с помощью выражения:
у1
fu = С(Л - Л,„„) 1п
пор
где R»» выходное сопротивление первого элемента;
U„,ð — пороговое напряжение логического элемента.
Пример. Использование мультивибраторов в судовой электрони-
ке имеет широкий аспект. Рассмотрим один из них. На рис. 8.27 при-
ведена принципиальная схема электронной сирены, собранной на
одном транзисторе и микросхеме. По существу, схема состоит из
трех генераторов с различными временными характеристиками. Так,
транзистор V1, элемент D1.1, конденсатор С1 и резисторы Я1 — ЛЗ об-
разуют генератор с тактовой частотой около 1 Гц. Желаемая частота
повторения сигналов может быть подобрана подстроечными резис-
торами Ю и ЯЗ.
ж 1400
Элемент D1.3, ре-
Г l
+И +
зистор Я4, конден-
СЗ Z,0 ! сатор С2 и элемент
ХН.Л R4
I ого хн.4 I D1. 4 составляют
4Г
А
А 1
второи генератор с
частотой генера-
I I
ХН. 1 ции около 1000 Гц.
д.' I Инаконец,элемент
Vf
D1.3 вместе с ре-
зистором R5, кон-
!
лго
Ш.8
денсатором СЗ и
I с~ ьо сз элементом D1.4 об-
M&a
!
+ + рмуют 1ий re-
О.о
нератор, но уже
более низкой час-
тоты, около 200 Гц.
Рис. 8.27. Принципиальная схема электроннои
сирены

РАЗДЕЛ 11 ° Судовая электроавтоматика
Конечной нагрузкой сирены является динамик В1, подключенный к
выходу элемента D1.4.
Триггер — это логическая схема с положительной обратной
связью, способная неограниченно долго находиться в одном из двух
устойчивых состояний («О» и «1»), которые обеспечиваются
положительной обратной связью, а не входным сигналом. Триггер
скачком, лавинообразно меняет одно состояние на другое под
воздействием входного сигнала.
Триггеры делятся на симметричные и несимметричные (триггеры
Шмидта). Триггеры Шмидта рассматриваются как импульсные
устройства, а симметричные делятся:
1. По способу записи информации:
а) асинхронные,
б) синхронные (тактируемые).
2. По способу управления записью информации.
а) статические,
б) динамические — по фронту переднему или заднему„
в) двухступенчатые — по двум фронтам.
3. По способу организации логической связи:
а) элементарные с раздельной установкой «О» и «1» — RS-триггеры,
б) с приемом информации по одному входу — D-триггеры,
в) со счетным входом — Т-триггеры,
г) универсальные с раздельной установкой «О» и «1» JE-триггеры,
д) комбинированные (смешанные).
AeBBxpoBBblB ЯЬ'-BlpBzze1J (pNO. 8.28) NMCCT два выхода: прямой N
инверсный. Перевод триггера в состояние g = 1 называют установкой
(set), и вход, по которому это осуществляется, обозначается К
Рис. 8.28. Асинхронный RS-триггер: а) триггер на логическом элементе
ИЛИ вЂ” НЕ; б) условное обозначение;
в) триггер на логических элементах И вЂ” НЕ; r) условное обозначение
ГЛАВА 8 Основы микроэлектроники и вычислительной техники
Перевод триггера в нулевое состояние g = 0 называют сбросом
(reset), и вход сброса обозначают Я. Триггер является асинхронным,
если его переключение прОисхОдит в момент поступления
управляющих сигналов.
При состоянии на входах 5 = 1, Я = 0 состояние на выходе
соответствует единице (g = 1; О = О), при 5 =.0; Я = 1 — соответствует
нулю (@=0; 0= 1).
При нулевом значении сигналов на входах триггера состояние на
выходе не изменяется, а при единичных значениях сигналов на
входах состояние на выходе принимает неопределенное значение.
Триггер еще можно назвать устройством с обратными связями. На
рисунке 8.28, а изображена схема триггера на логических элементах
«ИЛИ вЂ” НЕ». Такая схема называется асинхронным RS-триггером.
Первый (сверху) выход называется прямым, второй — инверсным. Если
на оба входа (Я и 5) подать логические нули, то состояние выходов
определить невозможно. Триггер установится как ему
заблагорассудится, т.е. в произвольное состояние. Допустим, на выходе
g присутствует логическая «1», тогда на нижнем выходе обязательно
будет логический «О». И наоборот. Чтобы установить триггер в нулевое
состояние (когда на прямом выходе логический «О», а на инверсном—
логическая «1») достаточно на вход Я подать напряжение высокого
уровня. Если высокий уровень подать на вход S, то это переведет его в
состояние «1», или, как говорят, в единичное состояние (на прямом
выходе логическая «1», на инверсном — логический «О»). И в том, и в
другом случаях напряжение соответствующего уровня может быть
очень коротким импульсом — на грани физического быстродействия
микросхемы. То есть триггер обладает двумя устойчивыми
состояниями, причем эти состояния зависят от ранее воздействующих
Сигналов, ITO IIO3BOJBICT OJ|eJIRTb Следующий BBIBOQ — TpKITep XBJIJIeTCII
простейшим элементом памяти.
RS-триггер можно собрать и на элементах «И — НЕ», как показано на
рисунке 8.28, в, г. Такая конструкция встречается довольно часто.
Принцип работы такой же, как у триггера на элементах «ИЛИ вЂ” НЕ», за
исключением инверсии управляющих сигналов, т.е. установка и сброс
триггера производит не логическая «1», а логический «О». Другими
словами, входы такого триггера инверсные. В описанных триггерах
изменение состояния происходит сразу после изменения состояния на
входах Я и 5. Поэтому такие триггеры называются асинхронными.

РАЗДЕЛ И ° Судовая электроавшомаптка
енине 8 . pcooeor иикеихлеиириники и еычиелителении техники
Ðèñ. 8.29. Триггеры на логических элементах И вЂ” НЕ: a) синхронный„
б) условное обозначение; в) O-триггер; г) условное обозначение
Синхронный Ш'-триггер изображен на рисунке 8.29, а. В таком
триггере вводится дополнительный вход С, называемый тактовым
или синхронизирующим Изменение состояний трип ера происходит
при подаче сигналов логической «1» на входы Я и 5 и последующим
воздействием на вход С тактового (синхронизирующего) импульса.
Если на тактовый вход импульс не воздействует, то состояние
триггера не изменится Другими словами, изменение состояния
триггера происходит под действием синхроимпульса, поэтому такие
триггеры называются синхронными.
D-триггер отличается от синхронного Ж'-трип ера тем, что у него
только один информационный вход D. D-трип ер показан на рисунке
8.29, б. D-триггер (от английского DELA У) называют
информационным триггером, также триггером задержки. D-триггер
бывает только синхронным. Он может управляться (переключаться)
как уровнем тактирующего импульса, так и его фронтом. Для
триггера типа D состояние в интервале времени между сигналом на
входной IIHHHH H следующим cocToIIHHCM триггера формируеTOII
проще, чем для любого другого типа.
Если на вход D подать логическую единицу, затем на вход С под-
ать импульс, то на выходе g (прямой выход) установится логическая
«1». Если на вход D подать логический «0», на С импульс, то на g
установится логический
«0». T.e. D-триггер осу- п
ществляет задержку ин- о о л
I
формации, поступающей
!
на вход D. Причем эта
информация хранится в
D-триггере, пока не Рис. 8.3О. О-триггер: а) таблица управления;
б) временные диаграммы
придет следующий бит («0» или «1») информации По сути это
ячейка памяти.
Если вход D замкнуть с инверсным выходом, то останется только
один вход С. При подаче на вход С импульса триггер переключится,
т.е. если на выходе
|ходе был логический «0» то станет логической «1».
7
При следующем импульсе триггер снова переключится, т.е.
логическая «1» сменится логическим «0». Таким образом, триггер
осуществляет деление частоты входных импульсов на 2 (ведь
уровень сигнала на выходе меняется в два раза реже). В таком режиме
D-триггер называют счетным или Т-триггером. Этот режим (pежим
д
еления частоты) используется довольно широко.
ХК-триггер имеет три входа — J, К, С(рис. 8.31). ВходУ вЂ” вместо
Я вход К вместо 5 С так и остается синхронизацией. Если на вход У
х
подана логическая «1», на К вЂ” логическии «0» или наоборот, то он
работает как синхронный RS-триггер; если на оба входа JH К поданы
7
логические «1», то он работает, как счетный Т-триггер Триггер имеет
по три входа JиК, ,связанных операцией «И», а также асинхронные
входы Яа и 5а для установки трип.ера в состояние «1» и «0»
независимо от сигналов на информационных и синхронизирующем
входах.
Асинхронная установка триггера в единичное или нулевое
состояние производится импульсами низкого ур овня (логический
«0» при положительнои логике), поступающим д '
инавхо ыЯаилиЯа.
Состояние входов J, К и С при асинхронном управлении
безразлично. В отличии от ЯЯ-триггера здесь одновременная подача
переключающих сигналов на входы Яа и Яа допустима. Когда эти
a)
6)
Рис. 8.31. Структурная схема синхронного JK-триггера

РАЗДЕЛ й ° Судовая электроавтоматика
входы не задействованы, на них следует поддерживать напряжение
высокого уровня.
Таблица состояний триггера К155ТВ1 приведена в табл. 8.2.
Символ Т означает, что синхроимпульс С изменяется от низкого
уровня до высокого уровня (перепад «0», «1»); символ 4 означает,
что синхроимпульс С изменяется от высокого уровня до низкого
уровня (перепад «1», «О»).
Таблица 8.2
Таблица переключений триггера К155ТВ1
JK-триггеры относятся к универсальным устройствам. Их
универсальность имеет двойственный характер.
Во-первых, aTII триггеры c paBHraM ycIIexoM MoryT быть
IIGIIoJIb30BRHLI B различных цифровых устройствах: регистрах,
цифровых счетчиках, делителях частоты и т.д., во-BTOphIx путем
определенного соединения выводов они легко обращаются в
триггеры других типов. Структурная схема JK-триггера с
динамическим управлением приведена на рис. 8.31.
D-триггер может быть получен из JK-Tðèããåðà с помощью
дополнительного инвертора (рис. 8.32, а)
Т-триггер это счетный триггер. Т-триггер имеет один вход (вспо-
могательные входы
принудительной уста-
6)
.Т ТТ
@
новки «О» и «1» не рас-
у",Т ТТ
сматриваются), куда
С
подают тактирующие
1
р-
@
(счетные) импульсы
(рис. 8.32, б). После
подачи каждого такти-
Рис. 8.32. Триггеры на базе JK
а) О-триггер; б) Т-триггер
ГЛАВА 8 - Основы микроэлектроники и вычислительной техники
рующего импульса состояние Т-триггера меняется в обратное (инвер-
сное) предыдущему состоянию (аналогично состоянию JK-триггера при
комбинации входных переменных J = 1 и К = 1). Т-триггеры строятся
только на базе двухступенчатых (RS, D, Ж) триггеров.
Т-триггер можно синтезировать из любого типа двухступенчатого
триггера. Рассмотрим пример синтеза Т-триггера из JK-триггера. Для
этого Т-триггер представим как совокупность комбинационного
устройства КУ и JK-триггера (рис. 8.33).
Приведенное на рис. 8.33, а комбинационное устройство должно
обеспечить на выходах J и К соьтветствующие сигналы управления
R5-триггером (при подаче на его входы сигналов g и Т), в
соответствии с таблицей состояний (рис. 8.33, 6).
Триггер Шмидта — это специфический вид триггера, имеющего
один вход и один выход. Такой триггер еще называют
несимметричным. В триггере Шмидта переход из одного
устойчивого состояния в другое осуществляется при определенных
уровнях входного напряжения, называемых пороговыми уровнями.
Триггер Шмидта изображен ниже (рис. 8.34).
Если на вход триггера Шмидта подавать нарастающее напряжение
(нижний график рис. 8.34, б), то при некотором уровне U„„I в момент tI
напряжение на выходе скачком переходит из состояния «О» в состояние
«1». Если уменьшать напряжение на входе до некоторого напряжения
У„г, в момент tq напряжение на выходе скачком переходит из состояния
«1» в состояние «О». Явление несовпадения уровней U„I и U~ называет-
ся гистерезисом. Соответственно, передаточная характеристика тригге-
ра Шмидта обладает гистерезисным характером. Триггер Шмидта, в
отличие от других триггеров, не обладает памятью и используется для
формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной
формы.
Т-иъриамр,УК-ьприажр
Рис. 8.33. Функциональная схема Т-триггера и таблица его состояния
377

РАЗДЕЛ И . Судовая электроавтоматика
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
Л
Рис. 8.34. Триггер Шмидта: a) схема; б) графики принципа работы
Триггеры довольно широко используются как самостоятельные
устройства, так и в качестве основы для более сложных устройств—
счетчиков, регистров, запоминающих устройств. В завершение
поглядим на типичную схему использования R8-триггера (рис. 8.35).
В исходном состоянии на выходе g микросхемы DD1 присутству-
ет высокий уровень напряжения, значит триггер установлен в еди-
ничное состояние. При
нажатии на кнопку 5В1 триггер
M3 I
обнуляется. При от пускании Я
БВ1
кнопки триггер переходит в
прежнее состояние (на выходе R
Я
g логическая «1»).
Следует помнить, что Рис. 8.35. Генератор одиночного
g$-триггеры в TTJ[-микросхемах импульса
(серии 133, 155, 1533, 531 и пр) управляются логическим «0», в
КМОП-микросхемах (серии 176, 561, 564, 1564 и пр.) — логической «1».
Пример. В качестве пускового устройства электромагнитного клапа-
на используем триггер как элемент памяти, собранный на двух логичес-
ких элементах «И» с обратной связью через резистор R2 (рис. 8.36).
Рис. 8.36. Пусковое устройство электромагнитного клапана
Электромагнитный клапан может стоять на любой судовой
жидкостной системе и управляться дистанционно. Для подачи
питания на клапан нажимаем кнопку «Пуск» (F1) и на выходе
элемента DD1.1 получаем логический «0», а на выходе элемента
DD1.2 логическую «1», которая возвращается на вход элемента
DD1.1, кнопу 5В1 можно отпускать. Через операционный усилитель
получают питание сигнальная лампа ХХХ,1 и катушка
электромагнитного клапана.
Для обесточивания катушки клапана и сигнальной лампы
достаточно нажать кнопку 5В2. На вход элемента DD1 2 поступает
логическая «1», следовательно, на выходе образуется логический
«0», который также поступает на вход элемента DD1.1. Таким
образом «обнуляется» элемент памяти. Кнопу «Стоп» можно
отпускать. Катушка электромагнитного клапана и сигнальная лампа
обесточиваются.
Регистром (to register — регистрировать) называют цифровое
устройство, предназначенное для записи и хранения числа. Регистры
обладают большими функциональными возможностями. Они
используются в качестве управляющих и запоминающих устройств
генераторов и преобразователей кодов, счетчиков, делителей
частоты, $3JIoB временнои задержки.
Элементами структуры регистров являются синхронные триггеры
D-, RS- или JE-типа с динамическим или статическим управлением.
Так как одиночный триггер может запомнить один разряд (бит)
двоичной информации, то его можно считать одноразрядным
регистром. Для запоминания многоразрядных чисел используют
«линейки» и3 HccKOJIbKHx TpHJTеров IIo количеству разрядов IIIccJI.
В схемы регистров входят также комбинационные элементы, роль
которых в данном случае вспомогательная.
Занесение информации в регистр называют операцией ввода или
считывания. Запись информации в регистр не требует его
предварительного обнуления (сброса).
Все регистры в зависимости от функциональных свойств
подразделяются на две категории: накопительные регистры (памяти,
хранения) и сдвиговые.
В свою очередь, сдвиговые регистры делятся: по способу ввода и
вывода информации на параллельные, последовательные и комби-
нированные (параллельно-последовательные и последовательно-па-

РАЗДЕЛ ! ! Судовая электроавтоматика
раллельные) „по направлению передачи (сдвига) информации — на
однонаправленные и реверсивные
Регистры памяти — простейший вид регистров. Их
назначение — хранить двоичную информацию небольшого объема в
течение промежутка времени. Эти регистры представляют собой
набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд
дВОичнОГО числа.
Ввод (запись, загрузка) и вывод (считывание) информации произ-
об
Bo)IHTOII Одновременно Во Всех рйзрядах параллельным КороМ. Зйп с
о еспечивается тактовым импульсом. С приходом очередного такто-
ВОГО ИМПуЛЬСй ПРОИСХОДИТ
обновление записанной
БХ
информации.
Структура реГистрй
памяти (хранения) на
D-триггерах показана на
рисунке 8.37. Каждый В г-" ~-"
триггер служит для
хранения одного разряда
T Т T
числа. Вход Я служит для
установки триггеров в ~О Ф' ~Х ~1 ~~~я М
НУЛЕВОЕ СОСТОЯНИЕ ПЕРЕД
записью информации.
O-триггерах
Входное двоичное число
подается на входы DO D2, и при подаче импульса на вход С в
триггеры записывается этот код, т.е. информация. Эта информация
может храниться сколь угодно долго, если на вход С не поступают
импульсы (или если не исчезнет питание). Информация может
выводиться как в прямом (с прямых выходов триггеров), так и в
инверсном коде (с инверсных выходов).
СТР
Регистр сдвига — другая разновидность регистров. Реги
сдвига предназначен для преобразования информации путем ее
сдвига под воздействием тактовых импульсов. Рассмотрим
структуру регистра сдвига на D-триггерах.
Как видно из рисунка 8.38, а в регистре сдвига также
объединяются входы Я- и С-триггеров. Перед записью информации
регистр устанавливается в нулевое состояние. Информация подается
на D-вход первого триггера. При подаче импульса на вход С бит
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
f) уатлл оллл цу
эалл
а)
В В В
° °
В °
\ I В
В °
а е
т К)
~аллллллл
еалл (Ю
° 1
Ю
Рис. 8.38. Регистр сдвига на В-триггерах: a) cxeMB; 61 диаграмма
информации (логический «0» или логическая «1») записывается в
триггер. При подаче следующего импульса этот бит записывается в
следующий триггер. При этом в первый триггер записывается
следующий бит информации и т.д. Другими словами, при
воздействии тактовых импульсов информация продвигается по
регистру от первого триггера к последнему. При заполнении всех
триггеров число в параллельном коде можно вывести с выходов
QO — g2. При этом первый бит информации будет присутствовать на
выходе g2, второй — на выходе g1 и т.п.
Показанный на рисунке регистр сдвигает информацию только в
одну сторону. Такие регистры называют регистром со сдвигом
вправо или регистр со сдвигом влево (смотря куда он сдвигает).
Существуют регистры, сдвигающие информацию в обе стороны.
Направление сдвига определяется управляющим сигналом,
подаваемым на специальный вход.
Пример. В качестве примера приведем схему кольцевого
счетчика, используемого для обегающего контроля параметров
судовых механизмов. На судах с классом автоматизации А1
(безвахтенное обслуживание) в обязательном порядке имеет место
система автоматического контроля параметров с выводом их на
печатающее устройство и включение тревожной сигнализации при
выходе параметров за пределы уставок.
На базе регистров сдвига можно построить кольцевые счетчики—
счетчики Джонсона. В частности, если счетчик состоит из трех
триггеров (т = 3), то он будет иметь шесть устойчивых состояний.
Рассмотрим схему трехразрядного счетчика, выполненного на
базе D-триггеров (регистр сдвига реализован на D-триггерах). Для
построения кольцевого счетчика достаточно соединить инверсный
выход последнего триггера регистра (последнего разряда) с входом D
(с входом, предназначенным для ввода последовательной
информации) первого тригтера (рис. 8.39, а).

магмах ь,ему
~ОЮГРМ б„'М
РАЗДЕЛ И Судовая электроавтоматика
Рис. 8.39. Кольцевой счетчик на О-триггерах: a) схема трехразрядного
счетчика; б) таблица состояния; в) диаграмма
Предположим, что вначале все триггеры находятся в состоянии
«О», т.е. Qo = g1 = Q2 = О. При этом на входе D первого триггера
присутствует уровень «1», т.к. = 1. Первым синхроимпульсом в
трипер Т1 запишется «1», вторым — единица запишется в первый
триггер, из первого — во второй и т.д. до тех пор, пока на всех
выходах регистра не будет «1».
При появлении, например, логической «1» на выходе g1
(рис. 8.39, а) этот сигнал подается на базу транзистора VT1 схемы
контроля одного из параметров контролируемого механизма (к
примеру — температура охлаждающей воды) (см. рис. 8.40), который
снимает напряжение, соответствующее определенной температуре
контролируемой среды, с выхода 9 операционного усилителя DD1, и
через эмиттерно-коллекторный переход транзистора И 1 подает этот
сигнал на печатающее устройство.
В случае нарушения параметра охлаждающей воды срабатывает
тревожная сигнализация.
Рис 8АО. Сигнальный канал кольцевого счетчика
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
После заполнения пегистра единицами, на инверсном выходе
триггера ТЗ появится g = О, и четвертым синхроимпульсом в Т1
запишется логический «О».
После поступления последующих трех синхроимпульсов регистр
обнуляется, и на ero вход D снова подается уровень «1». Таким
образом, цикл повторения состояния кольцевого счетчика состоит из
шести тактов синхросигнала. Как видим, при работе в начале от
первого триггера до последнего триггера распространяется «волна
единиц», а затем «волна нулей».
Цифровой счетчик импульсов — это цифровой узел, который
осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат
счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться
требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом
количество импульсов, которое может подсчитать счетчик,
определяется из выражения Ж = 2" — 1, где п — число триггеров, а
( — 1) соответствует логическому «О», принятому в цифровой технике
за начало отсчета. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет
на увеличение, и вычитающие — счет на уменьшение. Если счетчик
может переключаться в процессе работы с суммирования на
вычитание и наоборот, то он называется реверсивным. 'Так как
счетчики строят на триггерах, рассмотрим, как это работает.
В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех
выходах триггеров (g1 — ДЗ), т.е. цифровой код 000. При этом
старшим разрядом является выход ДЗ. Для перевода всех триггеров в
нулевое состояние входы Я-триггеров объединены, и на них подается
необходимый уровень напряжения (T ~. HMIp(JIbc обнуляющии
триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые
импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, т.е.
Рис. 8АМ. Схема счетчика с последовательным переносом на
Т-триггерах и графики, поясняющие принцип его работы

РАЗДЕЛ 11 ° С давая злект оавтоматика
после прихода первого импульса первый триггер переключается в
состояние «1» (код 001), после прихода второго импульса второй
триггер переключается в состояние «1», а первый — в состояние 0
(код 010), потом третий и т.д. В результате подобное устройство
может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2 — 1 = 7. Когда на всех
выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик
переполнен. После прихода следующего (девятого) импульса
счетчик обнулится, и начнется все с начала. На графиках изменение
состояний триггеров происходит с некоторой задержкой t,. На
третьем разряде задержка уже утроенная. Растущая с увеличением
числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с
последовательным переносом, что, несмотря на простоту,
ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом
разрядов.
!
Пример. В качестве примера приведем схему электронного замка
подачи питания на сепаратор льяльных вод во избежание случайного
включения установки в особых зонах мирового океана (рис. 8.42).
Его особенность — необычный ввод кодовых чисел (повторными
нажатиями на кнопки), что повышает «секретность» замка.
Замок прост в эксплуатации, не требует налаживания, некритичен
к параметрам источника питания. В ждущем режиме потребляет
очень мало энергии. Защита замка от несанкционированного доступа
обеспечивается применением счетчиков импульсов (10000
комбинаций) и введением таймера, ограничивающего время набора
кода.
Схема замка показана на рисунке 8.42. По функциональному
назначению устройство можно условно разбить на четыре части.
Первая — блок набора кода (элементы DD1, DD3 DD6, DD7.1);
вторая — элементы установки счетчиков в исходное состояние и
таймер (DD2.1 DD2.3, DA1); третья часть — исполнительная
(элементы DA2, VT2, V51, К1) и четвертая блок питания.
При кратковременном нажатии на кнопку ЯВ5 происходит
установка счетчиков DD3 DD6 p,нулевое состояние и запуск таймера
DA1. Последующие нажатия этой кнопки на работу таймера не
влияют, но позволяют сбросить показания при ошибке в наборе.
Набор кода необходимо произвести за время t = 1,1 х Я11 х Cl, где
Я11 — сопротивление резистора в мегаОмах, Cl — емкость
конденсатора в микрофарадах, t — время в секундах. Сопротивление

РАЗДЕЛ И . Судовая электроавтоматика
резисторов ЯП, Я12 может меняться в пределах 1Π— 1ОО кОм. По
прошествии времени 1 на выходе таймера 13А1 (вывод 3) возникает
низкий уровень, и происходит установка счетчиков в исходное
состояние.
Программирование кода осуществляют распайкой
соответствующих перемычек. Набирают код нажатием на
соответствующую кнопку (ЯВ1 — ЬВ4) заданное число pàç
Предположим, что установлен код замка 1952 (показан на схеме).
Тогда на первую кнопку следует нажать 1 раз, на вторую 9, на
третью — 5, на четвертую — 2 раза. Кнопки подключены к счетчикам
через триггеры микросхемы 13131, позволяющие ликвидировать
«дребезг» контактов. При совпадении набранного кода с кодом,
заданным перемычками, на выходе элемента 13137.1 возникает
низкий уровень, и запускается таймер Х)А2, определяющий
длительность открытия замка. Задержка замка в открытом состоянии
особенно удобна, если наборное поле и исполнительное устройство
находятся на некотором удалении друг от друга. При запуске таймера
на выводе 3 DA2 возникает высокий уровень. Сигнал усиливается по
току эмиттерным повторителем VT2 и через резистор Я15 поступает
на управляющий электрод тиристора V51. Тиристор открывается,
срабатывает реле К1, запуская исполнительное устройство
(замыкаются контакты питания). По окончании импульса,
формируемого Х)А2, на выходе таймера возникает низкий уровень, и
тиристор закрывается, отключая исполнительное устройство.
Таймер ВА2 можно исключить (соответственно необходимо
исключить элементы СЗ, С4, Я12), а левый по схеме вывод резистора
Р13 подключить к выходу элемента ХЮ7.2. В этом случае время
открытия замка определяется как 1 минус время набора кода.
Источник питания построен по стандартной схеме. Диод ИЭ1
разделяет цепи питания микросхем и реле К1, которое питается
пульсирующим током. Это нужно для того, чтобы тиристор ЕП
закрывался при прекращении управляющего сигнала. Применение
KMOII-микросхем позволяет питать устройство напряжением от 5 до
15 В (соответственно подобрав стабилитрон ГВЗ).
Реверсивные счетчики в процессе работы могут менять
направление счета (рис. 8.43). Описанные выше счетчики
однонаправленные и считают на увеличение, однако на практике
часто необходимо менять направление счета в процессе работы.
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
Рис 843 Реверсивный счетчик
Для счетных импульсов предусмотрены два входа: «+1» на
увеличение, « — 1» — на уменьшение. Соответствующий вход (+1 или
— 1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой «ИЛИ»,
если установить ее перед первым триггером (выход элемента ко
входу первого триггера, входы — к шинам +1 и — 1). Система
подключения между триггерами (13132 и Х)Х)4) называется элементом
«И — ИЛИ». Этот элемент составлен из двух элементов «И» и одного
элемента «ИЛИ», объединенных в одном корпусе. Сначала входные
сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом
результат логически складывается.
Число входов элемента «И вЂ” ИЛИ» соответствует номеру разряда,
r.е. если третий разряд, то три входа, четвертый — четыре и т.д.
Логическая схема является двухпозиционным переключателем,
управляемым прямым или инверсным выходом предыдущего
триггера. При логической «1» на прямом выходе счетчик
отсчитывает импульсы с шины «+1» (если они, конечно, поступают),
при логической «1» на инверсном выходе с шины « — 1». Элементы
«И» (Х)Х)6.1 и Х)Х)6.2) формируют сигналы переноса. На выходе ~7
сигнал формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового
импульса на шине «+1», на выходе &l ;О сиг ал формируе ся ри к
ООО и наличии тактового импульса на шине « — 1».
Счетчик с предустановкой. СТ2 (рис. 8.44) означает, что счетчик
двоичный; если он десятичный, то ставится СТ10, если двоично-деся-
тичный СТ2/10. Входы Х)0 133 называются информационными

РАЗДЕЛ I I ° Судовая злектроавтоматика
DDi
входами и служат для записи в счетчик ка-
кого-либо двоичного состояния. Это состо-
яние отобразится на его выходах, и от него
будет производится начало отсчета. Други-
ми словами, это входы предварительной
установки или просто предустановки. Вход
V служит для разрешения записи кода по
входам 130 133, или, как говорят, разреше-
ния предустановки. Этот вход может об-
означаться и другими буквами.
Предварительная запись в счетчик произво-
дится при подаче сигнала разрешения запи-
си в момент прихода импульса на вход С.
Вход С тактовый. Сюда поступают импуль-
сы. Треугольник (С&l ;) означа т, то счет ик двоич ый счет
срабатывает по спаду импульса. Если треу-
гольник повернут на 180 градусов, т.е. С), значит, он срабатывает по
фронту импульса. Вход Я служит для обнуления счетчика, т.е. при
подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавлива-
ется логический «О». Вход PI называется входом переноса. Выход р
называется выходом переноса. На этом выходе формируется сигнал
при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливается
логическая «1») Этот сигнал можно подать на вход переноса следую-
щего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй бу-
дет переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто
выходы. На них формируется двоичный код, соответствующий числу
поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с кружочка-
ми, что бывает намного чаще, значит они инверсные„т.е. вместо ло-
гической «1» подается логический «О» и наоборот.
Шифратор (кодер) это устройство, представляющее собой
преобразователь позиционного кода в двоичный. В позиционном
коде число определяется позицией единиц в серии нулей, или
позицией нуля в серии единиц. Например, если в серии десять нулей,
имеется вот такой код ООО1ОООООО, то это эквивалентно числу 7 (счет
ведется справа налево от нуля). Такой код служит для включения
объектов или передачи данных на них. Для преобразования
позиционного кода в двоичный составим таблицу 8.3.
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
"~ ZV Хб Ха Х4 ХЗ Х2 Х1
Х1
УЗ у~
ХЗ
Х4
тс Хб
Хб
Х7
Рис. 8.45. Шифратор:; б) условное обозначение
Для наглядности единицы, как вИдно, располагаются по
диагонали. Если приглядимся к младшему разряду (2 ), то видно, что
единице соответствуют единицы в позиционном коде,
соответствующие числам 2, 4, 6, 8 (разрядам). Следовательно, эти
разряды объединяются через схему «ИЛИ». Аналогичные операции
проходят над старшими разрядами. В результате получим
следующую схему (рис. 8.45).
Дешифратор (декодер) устройство, преобразующее двоичный
код в позиционный (или иной). Другими словами, дешифратор
осуществляет обратный перевод двоичных чисел. Посмотрим на
габлицу 8.4.

х) х)а ~х
! 1 1 О 1 1
11011
! ![а 11)
ю ° ° ° в
в
° °
65561665
в. 1
° .' l l
I
~i
! 1 1
1 в ! 1
° ) '1
° ° 1') ° ! ) .! ° ° °
М- )9 ° ° °
в в °
° °
° ° ° ° ° ° °
° ° ) I
в ° ) ° !
° ° ' )' ' 1)1
ве в ° s . ° °
) ° ° ° ° ° ! ° )
) ° ° ° )
) 1 ! 9 ° 9 °
Ф °
° °
) I ' °
° °
° ! )
° )
° ° ° ° °
ЮФ ЮФ
° 1 ' °
° °
° °
) ! 9 ° ° °
° )- 999 ° 19 ° ° °
° )
° 9
°, °
1 ° ° 9 °
° в ° ° ею
° ° ° I ) ' ° ° 1
Н ° ° 9 ) °
1 ° ° ) ° °
1 1 ° ° ° 9 ° ! 1
1 ° ° 9 ° °
а ° ° Л ° в ° в, °, ее
° 9 ° ° 9 °
° в
° вв е °
° °
1 ! ° ) ° ! ) 1. .! 9 ° 1 1 ° ' 1
° в
1 1 ° ° ) ° ! ° 1)
!
° в ° ° ° в ° 1 ° ' ° ° 1 °
i ° )
° ) ° 1 ) ° 1 ° ° ) 1)i
g еф ввев m

РАЗДЕЛ 11 Судовая электроавтоматика
В любом случае, если вместо постоянного резистора включить
переменный, то частоту можно будет регулировать в некоторых
пределах. С выхода генератора импульсы поступают на счетчик,
выполненный на DD2. Это реверсивный двоично-десятичный
счетчик с предустановкой. Вход «Н» определяет направление счета,
вход 2/1О режим (двоичный или десятичный). Вход
предназначен для разрешения записи в счетчик состояния
информационных входов DÎ вЂ” DÇ Конкретно этому счетчику
(561ИЕ14, 564ИЕ14) надо подать уровень логической «1». Резистор
R2 и конденсатор С2 образуют дифференцирующую цепь. При
включении питания короткий импульс на входе V, формируемый
дифференцирующей цепью, разрешает запись в счетчик состояния
входов DÎ вЂ” DÇ. Поскольку эти выводы соединены с общим проводом,
в счетчик записывается ОООО, т.е. он обнуляется. Тактовый генератор
вырабатывает импульсы, счетчик их считает, и с его выходов
1 — 2 — 4 — 8 результат счета поступает на вход дешифратора ХЮЗ
(514ИД1). Это дешифратор двоичного кода в семисегментный. С
выходов дешифратора сигналы поступают на входы
семисегментного индикатора Ш,1, который показывает эту
информацию, т.е. ряд цифр от О до 9. Внутри микросхемы ХЮЗ
расположен дешифратор Х)С. На выходе переноса р (выв. 7) счетчика
DD2 при его переполнении формируется сигнал Если взять узлы
ХЮ2, ХЮЗ, Ш,1 и подключить их снизу счетчика ХЮ2, аналогично
соединить соответствующие входы, кроме С, выход переноса (выв. 7)
предыдущего счетчика соединить со входом С следующего, то
получим многозначный индикатор. После отсчета 1О импульсов
первым счетчиком, второй переключится на 1. Через следующие 10
импульсов второй счетчик увеличится еще на 1 и так далее. По
такому принципу деления частоты работают, например, часы.
Единственное, что в этом случае коэффициент пересчета другой (не
1О, а 6), так как в минуте 6О сек. Этот счетчик тоже можно заставить
считать до б.
Берем логический элемент «Н», его входы соединяем с выходами
2-4 (выв. 11 и 14), а выход подключаем к дифференцирующей
цепочке R2 — С2. Тогда при достижении числа 6 (О110) уровень
логической «1» на выходе элемента «Н» сформирует не без помощи
цепи R2 — С2 импульс, который запишет в счетчик ОООО.
ГЛАВА 8 Основы микроэлектроники и вычислительной текники
Пример. В качестве примера приведем схему электронного
счетчика оборотов (тахометра) судового главного двигателя, с
помощью выходных сигналов которого может происходить и
управление его газораспределением. Счетчик-тахометр считает
пришедшие импульсы и пересчитывает их частоту в об/мин. При
выключении питания или пропадании его данные сохраняются в
памяти чипа в течение недели (зависит от конденсатора).
Принципиальная схема тахометра показана на рис. 8.49. Сигнал с
датчика оборотов В1 (в качестве датчика оборотов используется
магниторезистор (см. раздел 1, глава 3, рис. 3.1Π— 3.11) попадает на
формирователь импульсов.
Функционально прибор состоит из кварцованного генератора,
собранного на микросхеме DDJ, входного узла на транзисторе VTJ,
утроителя частоты входных импульсов на элементах DD2.1 DD2. 3 и
счетчике ХЮЗ, счетчиков DD4 — ХЮ6, преобразователей кода
DD7 — ХЮ9, цифровых индикаторов HG1 HG3.
Цикл измерения равен 1 с, причем время индикации также равно 1
с, т.е. в течение времени индикации происходит очередное
измерение, смена показаний индикатора происходит один раз в
секунду. Тахометр имеет кварцевую стабилизацию тактового
генератора, поэтому погрешность измерений не зависит от
температуры окружающей среды и изменений напряжения питания.
После подачи напряжения питания триггер DD2.1, DD2.2 может
оказаться в любом состоянии (из двух возможных). Предположим,
по на выходе элемента ХЮ2.2 присутствует напряжение низкого
уровня, которое запрещает прохождение через элемент DD2. 3
импульсов частотой 1О24 Гц.
При резком уменьшении сопротивления магниторезистора (см.
раздел 1, глава 3, рис 3.10 — 3.11) транзистор VT1 откроется,
переключит триггер ХЮ2.1, DD2.2 и откроет элемент ХЮ2.3.
Счетчики DDÇ и ХЮ4 начнут счет импульсов частотой 1О24 Гц. По
спаду третьего входного импульса счетчика DDÇ на его выходе 2
сформируется импульс, который переключит триггер ХЮ2.1, DD2.2 в
исходное состояние, элемент D02.3 окажется снова закрытым, а
счетчик DDÇ обнуленным. При следующем импульсе процесс
повторится. Таким образом, при каждом падении сопротивления
магниторезистора число, записанное в цепь счетчиков DD4 — ХЮ6,
будет увеличиваться на 3.

ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
Процесс записи будет продолжаться в течение секунды, т.е. до
того момента., когда на выходе И счетчика,ИЭ1 появится очередной
положительный перепад напряжения. В этот момент информация,
накопившаяся в счетчиках Х)Х)4 — Х)Х)6, будет переписана в буферные
регистры преобразователей кода DD7 — ХАМ, а вскоре счетчики
DD4 — Х)Х)6 обнулит по входу Я сигнал с цепи C5 — E9. Сразу после
спада импульса высокого уровня на входе счетчиков DD4 — ХЮ6
начнется новый цикл записи и т.д. Для обеспечения необходимой
временной задержки между моментами перезаписи информации из
счетчиков Х)Х)4 — Х)Х)6 в буферные регистры преобразователя кода
И37 — Х)Х)9 и обнуления счетчиков служат дифференцирующие цепи
СЗ вЂ” Я6, С4 — Я8, C5 — R9 и элемент DD2.4.
Утроение частоты импульсов, поступающих с прерывателя,
необходимо для получения соответствия между показаниями
индикатора и частотой вращения коленчатого вала двигателя в
мин-1. Так как время счета входных импульсов равно 1 с, то в
счетчики запишется, а затем будет выведено на индикаторы число
2N3/60, где N — частота вращения коленчатого вала в мин-1, 2%в
частота распредвала.
Тахометр начинает работать сразу, и табло должно высветить
нулевое показание примерно через 2 с после включения питания. Если
~того не произошло, следует проверить наличие секундных импульсов
па выходе И счетчика DLU. Их отсутствие или заметное отличие
периода от 1 с означает, скорее всего, неисправность кварцевого
резонатора. Для проверки работоспособности остальных узлов
гахометра можно сигнал с вывода 3 счетчика DDL (импульсы с частотой
128 Гц) подать через резистор сопротивлением 10 кОм на базу
гранзистора VT1. При этом на индикаторе должно появиться число 384.
Мультиплексор — это устройство, которое осуществляет
выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему
выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими
словами, мультиплексор — переключатель сигналов, управляемый
двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К
выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному
коду. Мультиплексор это устройство, преобразующее
~}араллельный код в последовательный.
Структуру мультиплексора можно представить следующей
схемой (рис. 8.50, a).
I 1
P I I
1 1
fQ
аа
+
а }
:&
° .,& t
а& t; «&
а& t; а&
аа»
с -«"-а &gt »а
а&
:Ф,.& t; .. «&
К
}.&
Ф
}"
Ф
сГ
о
Q.
}"
Ф
2
о
М
&g
о
Ф
о
Q.
8.
й
х& t; - gt; X
& t  gt; х ~
,& t; с &g ;
«» аа а
а& t
&gt .
}-., и
}.а}.а~ '~ ~ 'а~
аа & t; &g ;' «& t;
««а
са
а&
}.& t
Га
}.а }
~ й«
»
&
аа
4l
~аг о,
?~
lq
аа
395

РАЗДЕЛ I I Судовая электроавтоматика
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
Рис. 8.5Î. Мультиплексор:
а) функциональная схема; б) условное обозначение
Схема мультиплексора состоит из дйухвходовых логических
элементов «И вЂ” ИЛИ», управляемых распределителем импульсов.
Промышленностью выпускаются мультиплексоры, которые могут
входить в состав микросхемы, а также в виде отдельных БИС
(например, восьмивходовый одноразрядный; двухвходовый
четырехразрядный; трехвходовый четырехразрядный и др.).
Входы DO — DÇ, называются информационными входами. Входы
АΠ— А1 называются адресными входами. Именно сюда подается
двоичный код, от которого зависит, какой из входов ХЮ D3 будет
подключен к выходу, на этой схеме обозначенному как Y. На этом
рисунке показан четырехвходовой, или как еще его называют,
4Х1-мультиплексор. Потому и адресных входов всего 2. Как нам
известно, максимальное число переменных определяется как 2", где
n — — разряд кода. Здесь мы видим, что переменных четыре, а значит,
разряд будет равен 2 (2 = 4). Для пояснения принципа работы этой
схемы рассмотрим таблицу истинности.
39б
Таким образом двоичный код выбирает нужный вход, если мы
имеем четыре объекта, которые подают сигналы, а устройство
отображения у нас одно. Условное графическое обозначение
отражено на рисунке 8.50, б, но мультиплексоры бывают разные:
сдвоенные, четырехвходовые, восьмивходовые, 16-тивходовые,
счетверенные двухходовые и т.д., что и отражается на условном
графическом обозначении.
Демультиплексор — устройство, обратное мультиплексору, т.е.
у демультиплексора один вход и множество выходов Двоичный код
определяет, какой выход будет подключен ко входу. Другими
словами, демультиплексор это устройство, которое осуществляет
выборку одного из нескольких выходов и подключает его к своему
входу, или это переключатель сигналов, управляемый двоичным
кодом и имеющий один вход и несколько выходов. Ко входу
подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию
двоичного кода.
Обычно в качестве демультиплексора используют дешифраторы
двоичного кода, в которых вводят дополнительный вход
стробирования. Из-за схожести структур мультиплексора и
демультиплексора в КМОП-сериях есть микросхемы, которые
одновременно являются мультийлексором и демультиплексором,
смотря с какой стороны подавать сигналы, например, К561КП1,
работающая как переключатель 8хl и переключатель 1 х8 (то есть,
как мультиплексор и демультиплексор с восемью входами или
выходами). Кроме того, в КМОП-микросхемах помимо
переключения цифровых сигналов (лог. 0 или 1) существует
возможность переключения аналоговых. Другими словами, это
переключатель аналоговых сигналов, управляемый цифровым
кодом. Такие микросхемы называются коммутаторами.
Пример. В качестве примера использования мультиплексоров
приведем структурно-функциональную схему видеонаблюдения
МКО из каюты вахтенного механика или с ходового мостика на судах
класса автоматизации A 1.
К информационным входам (DÎ вЂ” DÇ) подключаем четыре
видеокамеры кругового обзора, а к адресным входам (АО и А1)
подключаем контроллер (на схеме обозначенный в виде двух
пусковых кнопок) для избирательности видеокамер. Если применить
таблицу истинности (табл. 8.5) данного мультиплексора и

Ысд~окажрк
Контроллер
Г "l
Выходы
РАЗДЕЛ И ° Судовая электроавтоматика
Рис. 6.51. Пример использования мультиплексора
реализовать ее с помощью контроллера, то мы сможем поочередно
выводить изображение на монитор той или иной видеокамеры, таким
образом просматривая все помещения машинно-котельного
отделения судна. Для увеличения количества видеокамер
подбирается соответствующий мультиплексор, соответствующий
количеству информационных и адресных входов.
Сумматор — ' устройство, выполняющее операции
арифметического сложения над двоичными числами. Ранее
рассматривались математические операции над двоичными числами,
где говорилось о том, что сумма двух нулей есть нуль, сумма нуля и
единицы есть единица, сумма двух единиц есть нуль. Одноразрядный
цифровой сумматор имеет три входа; два входа слагаемых и вход
переноса (от предыдущего сумматора). При этом правила сложения
немного усложняются.
Сумматор имеет входы А и В—
слагаемые, С вЂ” вход переноса, 8—
выход суммы, Р— выход переноса.
Одноразрядный сумматор
обозначается так (рис. 8.52).
Таблица истинности выглядит
следующим образом (табл. 8.6).
На выходе Япредставляется сумма p„~ g gg Од„о
сложения трех переменных — А, В, С. цифровой сумматор
При переполнении сумматора, т.е.
ГЛАВА 8 ° Основы микроэлектроники и вычислительной техники
когда в результате сложения формируется единица в старшем
разряде выходного числа, на выходе переноса Р формируется
уровень логической «1», который подается на вход переноса С
следующего сумматора. В принципе, старшим разрядом суммы
является выход переноса Р. В целом работу сумматора полностью
иллюстрирует таблица 8.6. Из таких одноразрядных сумматоров
составляются многоразрядные сумматоры (обычно
четырехразрядные), которые бывают последовательного и
параллельного действия. Сумматоры последовательного действия
обладают более низким быстродействием.
Как можно осуществить на микросхемах-сумматорах операции
вычитания двоичных чисел? Допустим, что необходимо выполнить
вычитание: 11 — 5 = 6. В двоичных эквивалентах произведем
операцию сложения числа 1011 (число 11) и обратный код числа 5,
равный 1010 (прямой код 0101) Итак:
1011
+1010
10101
Если отбросить единицу в старшем (пятом) разряде, то получится
код 0101, который соответствует числу 5 Но это не число 6. Значит, к
рс ~ультату необходимо прибавить единицу. Кстати, операция
ч величения какого-либо числа на единицу называется инкрементол,
уменьшения на единицу — декрементол.
На рисунке 8.53 показана схема четырехразрядного устройства
вычитания. Инверторы микросхемы ХЮ1 формируют обратный код

РАЗДЕЛ 1| Судоввн ннвнтвонвтовнтонн
числа В. Число А поступает на
входы А1 — А4 сумматора DD2,
обратный код числа В на
входы В1 — В4 сумматора. На
вход переноса Р1 подан
уровень логической «1», что
обеспечивает прибавление к В
результату сложения единицы
(т.е. инкремент результата). На
выходах э'1 — Ж4 сумматора в
Рис. 8.53. Четырехразрядное
итоге получается разность
между числами А и В.
Чаще приходится суммировать десятичные числа. Ниже на
рисунке приведена схема сумматора двоично-десятичных чисел на
основе двоичных сумматоров (рис. 8.54).
Операцию сложения выполняет сумматор DD1. При сумме
большей или равной десяти на выходе микросхемы DD2, которая
Рис. 8.54. Сумматор двоично-десятичных чисел
400
ГЛАВА 8 ° Осноеы микроэлектроники и вычислительной техники
является схемой сравнения входов, формируется сигнал переноса
Р10. На второй вход (И вЂ” Y4) микросхемы DD2 подается двоичный
эквивалент числа 9 (1001). Сумматор DDÇ осуществляет десятичную
коррекцию результата суммирования.
При отсутствии сигнала переноса на выходе микросхемы ХЮЗ
повторяется код числа, который был на выходе DD1, поскольку на
входы В поданы логический «О». При наличии сигнала переноса
Р10 = 1 на входах В2 — ВЗ устанавливаются логическая «1», что
соответствует коду числа 6. Допустим есть числа А = 8 и В = 4. На
выходе сумматора DD1 появляется код числа 12 (8 + 4 =- 12). На
выходе,ИЭ2 формируется сигнал переноса, сумматор DDÇ
выполняет операцию 12+ 6 = 18.
Числу 18 соответствует код 1ОО1О. На выходах 8 сумматора DDÇ
устанавливается код ОО1О (собственный перенос микросхемы DDÇ не
учитывается). Поскольку на выходе Р10 наличествует число 1О, на
выходах сумматора — число 2 (ОО1О), то в результате получается
число 12.
Ариф метико — логическое устройство (АЛУ) — это
многофункциональное устройство, которое выполняет над
входными числами различные арифметические и логические
операции. Техническая схема АЛУ представлена на рисунке 8.55.
АЛУ имеет входы чисел АΠ— АЗ и ВΠ— ВЗ, входы управления 50 — ЬЗ,
М, вход переноса СО, выход результата FO — ЕЗ, выход переноса С4,
выход равенства кодов К, выходы Р и G для схемы быстрого
переноса. Работа АЛУ поясняется таблицей функционирования,
изображенной ниже. Вход М определяет вид выполняемых операций
(при М= 1 над А и В выполняется 16 логических операций, при М= О
выполняются арифметические операции).
Наращивание разрядности AЛУ делается так же, как и в
сумматорах, т.е. выход переноса С4 АЛУ младших разрядов
подключается ко входу переноса СО АЛУ старших разрядов. Но при
большом числе разрядов время выполнения операций увеличивается
из-за большого числа переносов из разряда в разряд. Для ускорения
этого процесса используются специальные микросхемы, которые
называются схемами ускоренного переноса (555ИП4, 564ИП4). Одна
гакая микросхема обслуживает до четырех АЛЛУ.
Выходы G и Р АЛУ подключаем на аналогичные входы б и Р
схемы ускоренного переноса, а выходы переноса последней

РАЗДЕЛ И Судовая злектроавтоматика
подключаем на входы переноса АЛУ. Вход
переноса АЛУ младшего разряда подключается
ко входу переноса микросхемы переноса. При
этом объединяются входы M всех AЛУ.
Получается 16-тиразрядное АЛУ.
АЛУ классифицируются следующим образом:
1. По способу действий над операндами.
Бывают АЛУ последовательного и параллельного
действия. В последовательных АЛУ действия над
операндами производятся последовательно
разряд за разрядом, начиная с младшего. В
параллельных АЛУ все разряды операндов
обрабатываются одновременно.
2. По виду обрабатываемых чисел АЛУ могут
производить операции над двоичными числами с
фиксированной или плавающей запятой и над
двоично-десятичными числами.
Каждая десятичная цифра записывается
четырьмя разрядами двоичного кода:
1971
0001 1001 0111 0001.
АЛУ при действии над двоично-десятичными числами должны
содержать схему десятичной коррекции, которая преобразует
полученный результат таким образом, чтобы каждый
двоично-десятичный разряд не содержал цифру больше 9.
При записи числа с фиксированной запятой запятая закрепляется
после младшего разряда, если число целое, и перед старшим, если
число меньше 1.
При записи чисел с плавающей запятой выделяется целая часть,
которая называется мантиссой, и показатель степени, который
характеризует положение запятой:
37 и 0,37 с фиксированной запятой,
37*-10~'-2 — c плавающей запятой.
ГЛАВА 8 . Основы микрозлектроники и вычислительной техники
3. По организации действий над операндами различают блочные и
многофункциональные АЛЛУ. В блочных АЛУ отдельные блоки
предназначены для действий над двоично-десятичными числами:
отдельно для действий над числами с фиксированной запятой,
отдельно с плавающей запятой. В многофункциональных АЛУ
(рис. 8.56) одни и те же блоки обрабатывают числа с фиксированной
запятой, плавающей запятой и двоично-десятичные числа.
Рис. 8.56. Многофункциональное АЛУ
Клапаны К1 и К2 объединяют сумматоры 1, 2 и 3 (XMAS 5M3) для
действий над числами с фиксированной запятой.
Для действий над числами с плавающей запятой клапан К2 объеди-
няет сумматоры 2 и 3 для обработки мантисс, а клапан К1 отсоединяет
первый сумматор от второго. Сумматор 1 обрабатывает порядки.
4. По структуре АЛУ бывают с непосредственными связями и мно-
~ освязными. В многосвязных АЛУ входы и выходы регистров приемни-
ков и источников информации
подсоединяются к ОднОЙ
шине. Распределение входных
,Рва~ислщ х
и ВыхОдных сигналоВ прОис-
Ф'Ф
м,
ходит под действием управля-
о (,'ф
В АЛУ с непосредствен-
ной связью (рис. 8.57) вход
С'
регистра приемника связан с
выходом регистра источника
операндов и регистра, в кото-
роМ происходит обработка.
Рис. 8.57. АЛУ с непосредственной
СВЯЗЬЮ