ФОРМЫ И ВИДЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ. 2 страница

Схемы делителя напряжения

В электронных схемах часто применяют делитель напряжения

	Uобщ.

Рис. 33. Делитель напряжения из двух резисторов

Дано:

R₁ = 50 (ом)

R₂ = 100 (ом)

U_общ. = 3В

U₁ = ? U₂ = ?

Заданное напряжение U_общ. разделяется на U₁ и U₂:

U₁ = R₁ : (R₁ + R₂) × U_общ. ;отсюда

U₁ = 50 : (50 + 100) × 3 ≈ 1В; U₂ = R₂ : (R₁ + R₂) = 100 : (50 + 100) × 3 = 2В

Проверка: U_общ. = U₁ + U₂

3В = 1В + 2В

Вычисления выполнены правильно.

В большинстве случаев указывается не значение напряжения на резисторах, а потенциал в отдельных точках схемы относительно выбранной (опорной) точки. Опорной точкой в данном случае является проводник с отрицательным потенциалом. Таким образом, потенциал в точке равен: U_вых. = U.

В схеме, представленной на рис. 33, один из резисторов может быть заменен элементом, сопротивление которого изменяется в зависимости от воздействия различных физических величин (температуры, освещенности и т.д.). В этом случае потенциал на выходе схемы зависит от указанных величин. В схеме указанной на рис. 34 делитель напряжения содержит термистор.

Термистором называется полупроводниковый элемент, значение сопротивления которого зависит от температуры

Термисторы подразделяются на терморезисторы и позисторы, то есть терморезисторы с положительным температурным коэффициентом. Сопротивление наиболее часто применяемых в технике терморезисторов уменьшается по мере повышения температуры. Их называют терморезисторами с отрицательным коэффициентом сопротивления.

Задача. Сопротивление резистора R₁ составляет 5 КОм. В качестве резистора R_t использован термистор TNK 15К; заданное напряжение = 12В. Определить выходной потенциал U_a при температуре 20 и 100°С.

Полученные данные занести в таблицу. Если выходной потенциал делителя напряжения должен зависеть от освещенности, то один из двух резисторов в схеме делителя напряжения заменяется элементом, сопротивление которого изменяется в зависимости от освещенности.

а) б)

Рис. 36. Условные обозначения фотодиода (а) и фототранзистора (б)

Рис. 37. Транзистор в схеме с общим эмиттером (используется в качестве

делителя напряжения)

Таким элементом может быть фотодиод или фототранзистор (рис. 36).

Фотодиодом называется диод, р-n переход которого реагирует на попадающий на него свет.

Включение фотодиодов производится в запирающем направлении. Их сопротивление увеличивается при уменьшении света. Наиболее высокое значение их сопротивления в темноте. При попадании света в р-n переходе под действием световой энергии происходит генерация свободных носителей зарядов (электронов и дырок), что приводит к уменьшению обратного сопротивления фотодиода. Фототранзистор может быть рассмотрен как фотодиод с подключенным к нему усилителем, чем объясняется его повышенная чувствительность к свету.

Как правило, с помощью транзисторов обеспечивается переменное сопротивление делителя напряжения (рис. 37).

В схеме транзистора, включенного с общим эмиттером, током базы транзистора I_Б регулируется более мощный ток коллектора I_К.

В общем виде это можно представить следующим образом:

где: β – коэффициент усиления тока. В зависимости от типа транзистора коэффициент усиления β имеет значение от 10 до 1200.

Во многих случаях схема, приведенная на рис. 37, управляется с помощью двоичных сигналов, при этом транзистор используется в качестве переключателя. При потенциале на входе U_вх = 0 сопротивление транзистора очень велико (R_v ≈ ∞), что соответствует уменьшению сопротивления транзистора для значения, близкого к R_v = 0 (что соответствует замкнутому положению переключателя)

Пример. Транзистор используется в качестве переключателя (рис. 37).

Лампа Н гаснет при перекрытии светового клапана. Она включается транзистором V, входной сигнал которого является сигналом на выходе фотоэлектрического датчика.

а) б)

Рис. 38. Индикация состояния фотоячейки: а) фотоэлектрический датчик;

б) транзистор в качестве переключателя

В качестве делителя напряжения может также быть использована резисторно-емкостная схема (рис. 39а), которая отличается от уже рассмотренных схем тем, что при замыкании переключателя S выходной сигнал изменяется во времени (рис. 39б).

Свойства выходного сигнала можно лучше понять, рассмотрев сам принцип деления напряжения. В схеме (рис. 39б) в момент t_o прерыватель находится в положении «отключено». В момент включения конденсатор разряжен, напряжение U_c = 0. Вследствие этого все напряжение падает на резисторе, U_р = 10В. В момент t₁ = 30 c напряжение на конденсаторе возрастает до значения U_с = 9,5В, тогда падение напряжения на резисторе U_c = 0,5B. Сила тока через делитель многократно уменьшается по сравнению с силой тока в момент включения прерывателя Yt₀. Разрядка конденсатора происходит гораздо медленнее; это проявляется в слабом возрастании функции U_c(t) к моменту времени t₁.

Поэтому резисторно-емкостное устройство применяют для задержки того или иного процесса во времени.

а) б)

Рис. 39. Резисторно-емкостной делитель напряжения: а) схема; б) временная диаграмма

изменения напряжения на конденсаторе

Элементы переключения и усиления [6]

Несмотря на стремительное развитие электроники электротехнические элементы, используемые для переключения и усиления (например, реле), еще находят применение. Реле состоит из катушки и сердечника подвижного якоря или одного или более контактов переключения.

а)

Рис. 40. Схема включения реле: а) цепь управляющего тока; б) управляемый контур

Как правило, с помощью реле небольшой по силе ток преобразуется в многократно усиленный. В этом случае реле служит в качестве усилителя.

Пример. Электрическое отопление должно быть выключено при достижении определенной температуры, измеряемой контактным термометром. Сила тока нагрева отопления составляет 1А, в то время как максимальная нагрузка на контактный термометр 30 мА. Работа системы отопления осуществляется в данном случае по схеме, представленной на рис. 40. Из двух контактов реле использует тот, который в обесточенном состоянии катушки управления реле замкнут (цепь управления); второй контакт называется рабочим. При достижении заданной температуры цепь управляющего тока замыкается контактным термометром, якорь втягивается в катушку и происходит переключение контактов реле. Цепь нагревателя размыкается.

С падением температуры ниже заданной, реле выключается, что приводит к повторному включению отопления.

Преимуществами электронных средств переключения по сравнению с реле является более высокая скорость переключения и надежность. В качестве электронных переключателей могут быть использованы транзисторы и тиристоры (рис. 41).

а) б)

Рис. 41. Переключение транзистора (а) и тиристора (б)

Сравним особенности переключения транзистора и тиристора. При включении схемы управляющие входы транзистора и тиристора получают высокий потенциал. Обе лампы светятся. Транзистор и тиристор действуют в качестве переключателей в положении «включено». При включении схемы перевода контакта в открытое положение, в транзисторной схеме лампа гаснет, а в тиристорной – продолжает светиться.

б)

а) в)

Рис. 42. Тиристор в цепи переменного тока: а) схема; б) временные диаграммы I = f(t) при небольшом и большом сопротивлении.

Транзистор действует в качестве переключателя в положении «отключено» до тех пор, пока поступает ток базы. Тиристор включается в результате кратковременного воздействия токового импульса и отключается только после кратковременного прерывания тока в цепи.

Действие тиристора сравнимо с действием реле, снабженного устройством самоблокировки.

Как у транзистора, так и тиристора сила управляемого тока многократно превышает силу управляющего тока. Таким образом, транзистор и тиристор действуют в качестве усилителей.

Тиристор используют в качестве исполнительного звена. При использовании сила тока в цепи тиристора периодически равна нулю и поэтому требуется только его включение, момент которого определяется сопротивлением переменного резистора, включенного в цепь управляющего электрода.

Чтобы включить тиристор, управляющий ток должен достичь определенного значения (ток зажигания). При небольшом сопротивлении резистора R току зажигания соответствует низкое напряжение (в момент t1 – рис. 42а), а при большом сопротивлении R – высокое напряжение (в момент t2 – рис. 42б). В обоих случаях выключение производится в момент t3. Вследствие более быстрого нарастания тока в момент включения (во втором случае) в цепи тиристора потребляется меньшая мощность (рис. 42б, в).

Оптоэлектронные элементы [6]

К оптоэлектронным элементам относятся, прежде всего, приемопередающие устройства светового излучения.

Рис. 43. Передача сигналов с помощью оптоэлектронных средств (оптопары)

Светодиод является передающим устройством светового излучения, работающим с прямым смещением перехода. При прохождении тока в области р-n перехода происходит рекомбинация носителей зарядов электронов и дырок. При этом излучается квант света. Светодиоды используют, например, для индикации сигналов.

Фотодиод является приемным устройством светового излучения. В качестве оптических проводников служат стеклянные линзы очень малых диаметров (<1 мм).

Передача информации с помощью оптических проводников обладает рядом преимуществ по сравнению с передачей информации с помощью электроприемников и медного кабеля, например, независимостью от внешних электромагнитных помех, малой материалоемкостью.

Вследствие этого с развитием экономичных оптоэлектронных элементов передача сигналов в вычислительной технике, технике управления и обработки информации во все возрастающей мере осуществляется с помощью световодов (рис. 43).

Электронные устройства приема и передачи светового излучения, взаимодействующие между собой с помощью оптического проводника, называют оптопарой.

ПОЛУЧЕНИЕ И ЗАПОМИНАНИЕ ИНФОРМАЦИИ [6]

Получение данных о физико-технических величинах[6]

В технике автоматизации получение данных производится преимущественно измерением величин, осуществляется с помощью измерительной техники.

Основными функциями техники измерения параметров процесса являются: измерение параметров отображения в виде сигнала соответствующих данных, собранных для последующей отработки в системах автоматического управления:

1. Определение предельных значений параметров и сигнализация в случае их
превышения.

2. Обеспечение заданного качества производимых изделий;

3. Контроль за протеканием процессов;

4. Сбор данных об измеряющих задающих параметрах вне устройства управления и последующая подача соответствующих сигналов в устройство.

Указанные функции выполняются без прерывания процесса, на определенных местах измерений, непосредственный доступ человека к которым затруднен или невозможен.

Измерение физико-технических величин (табл. 14) и их последующее отображение в виде сигналов, является основной функцией техники измерения параметров процесса. Так в технике регулирования с помощью измерительных устройств должны производиться измерения регулируемых параметров; в технике управления измерения переменных задающих параметров.

Контроль за параметрами производится на контрольно-измерительных пунктах. При отображении информации о параметрах процесса в форме, пригодной для ее восприятия человеком, индикация и регистрация параметров имеют значение преимущественно для наблюдения и контроля за протеканием процессов на централизованных контрольно-измерительных пунктах.

Таблица 14

Физико-технические величины

Сигнальное измерительное устройство[6]

Измерительное устройство предназначено для измерения физико-технических величин. Его основными элементами являются датчики и преобразователи (рис. 44).

Входная величина измеряемого устройства, называемая величина, сначала измеряется датчиком, а затем на основе соответствующих физических закономерностей отображается другой физической величиной.

Такое отображение измеряемой величины называется естественным сигналом, отображающим измеряемую величину. Для согласования естественного сигнала с другими звеньями, следующими в цепи за измерительным устройством, как правило, требует его преобразования в иные сигналы отображения с целью получения сигналов, обработка и последующая передача которых более просты.

Рис. 44. Схема измерительного устройства

Данным рядом преимуществ обладают электрические сигналы (например, постоянное напряжение или постоянный ток) в качестве носителей информации. Поскольку большую часть параметров процесса составляют неэлектрические величины, возникает необходимость их отображения в измерительном устройстве как электрических величин. Практическое значение имеет установление для всех сигналов с идентичным носителем информации единого диапазона параметров, а также преобразование сигнала, отображающего измеряемую величину в нормированный сигнал. Благодаря этому устройство становится универсальным устройством управления. В зависимости от характера дальнейшей обработки сигналов измерительное устройство может быть снабжено усилителем. Функциональная схема, приведенная на рис. 45 поясняет возможности преобразования сигналов в измерительном устройстве.

Рис. 45. Функциональная схема измерительного устройства: 1 – измеряемая величина;

2 – измерительный датчик (аналоговый или цифровой); 3 – сигнал датчика

Пример: Устройство для измерения давления в трубопроводе состоит из измерительного преобразователя давления (пластинчатого пружинного манометра), натяжение мембраны которого преобразуется с помощью системы рычагов и делителя напряжения с регулируемым соотношением деления (потенциометра) в электрическое напряжение (рис. 46).

Рис. 46. Схема устройства измерения давления

Таблица 15

Анализ устройства для измерения давления (измеряемая величина – давление)

1 2 3 4

Рис. 47. Функциональная схема устройства измерения давления: 1 – измерительный преобразователь давления, 2 – преобразователь сопротивления, 3 – делитель напряжения с измеряемым соотношением деления, 4 – трансформатор напряжения.

Бесперебойное протекание того или иного технологического процесса, а также качество продукции во многом зависят от точности измерений параметров процесса. В устройствах регулирования измерительное устройство является непосредственным элементом процесса регулирования. Таким образом, любое ошибочное измерение отражается на протекании процесса и является причиной негативных конечных результатов его регулирования. Поэтому к измерительным устройствам предъявляются следующие требования:

− предельно точное определение параметров процесса с помощью измерительных датчиков;

− точное преобразование сигналов измеряемых параметров с помощью измерительных преобразователей;

− малая чувствительность устройств к помехам.

Аналоговое измерение величин[6]

Большую часть параметров процесса составляют аналоговые параметры, т.е. обладающие свойством в определенных границах принимать любое значение.

При аналоговом измерении выходным сигналом измерительного устройства является аналоговый сигнал.

На рис. 47 приведена функциональная схема устройства измерения давления.

В качестве примера аналогового измерения можно привести измерение давления (рис. 46).

Аналоговое измерение температурных параметров [6]

Большинство материалов в той или иной степени чувствительны к воздействию температуры. Поэтому обеспечение многих технических процессов в существенной мере определяется их температурой. В технике автоматизации особое значение имеет измерение температуры.

Так, от температуры зависит агрегатное состояние материалов, а также протекание химических реакций. Кроме того, прокаливание металлов должно производиться при определенной температуре. Соблюдение режима рабочей температуры двигателей внутреннего сгорания уменьшает степень их износа и расход энергии.

В технике автоматизации практическое значение имеют только такие технические способы измерения температуры, при использовании которых возможно получение сигнала, пригодного для последующей обработки; это преимущественно электрические способы измерения (табл. 16)

Таблица 16

Технология электрического измерения температуры

Термоэлемент (термопара) состоит из двух спаянных друг с другом проводников из различных металлов (рис. 48).

	tM

Рис. 48. Термоэлемент: 1 – место измерения, 2 – термоэлектроды, 3 – медные проводники,

4 – места сравнения, 5 – измерительный прибор.

Если различные участки термоэлектродной ЭДС подвергнуты воздействию различной температуры, между этими участками создается некоторое постоянное напряжение (термоэдс), составляющее до 50 MB. Это напряжение зависит от разницы температур на различных участках термоэлектродной ЭДС, а также от материалов, используемых для ее изготовления. Если температура места сравнения поддерживается термостатом постоянной, то между температурой места измерения и термоэдс прослеживается прямая зависимость.

Рис. 49. Температурная зависимость измерительных сопротивлений:

а) платиновое сопротивление; б) сопротивление с отрицательным температурным

коэффициентом

В технических устройствах для измерения температуры место сравнения расположено снаружи присоединительной головки термоэлемента (рис. 49).

Рис. 50. Устройство с термоэлементом для измерения температуры: 1 – термоэлектроды; 2 – защитная трубка; 3 – места сравнения; 4 – термостат; 5 – термоэлемент; 6 – соединительные провода.

Принцип действия термометра сопротивления заключается в том, что сопротивление металлического проводника или полупроводника изменяется с изменением температуры.

Металлические измерительные термосопротивления (термопары) обладают положительным температурным коэффициентом. Это означает, что при повышении температуры сопротивление возрастает.

Полупроводниковые измерительные термосопротивления обладают отрицательным температурным коэффициентом, поэтому при повышении температуры их сопротивление понижается. Измерение температуры с помощью термоэлемента и термометра сопротивления называется контактным измерением. Для переноса теплоты объект измерения должен соприкасаться с измерительным датчиком (рис. 48 и 49).

Цифровое измерение величин [6]

Данный вид измерения применяют в том случае, когда необходима обработка цифровых сигналов в устройстве, следующем в цепи после измерительного устройства.