Московский государственный университет печати

Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.


         

Промышленная электроника

Учебник для вузов


Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е.
Промышленная электроника
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление

Предисловие

Введение

1.

Полупроводниковые и микроэлектронные приборы

1.1.

Электропроводность полупроводников

1.2.

Процессы в электронно-дырочном переходе

1.3.

Полупроводниковые диоды

1.4.

Биполярные транзисторы

1.5.

Характеристики и параметры биполярных транзисторов

1.6.

Полевые транзисторы

1.6.1.

Полевые транзисторы с р-n переходом

1.6.2.

Полевые транзисторы МДП-типа

1.7.

Тиристоры

1.8.

Параметры и разновидности тиристоров

1.9.

Интегральные микросхемы

1.10.

Полупроводниковые оптоэлектронные приборы

1.11.

Контрольные вопросы и задачи

2.

Транзисторные усилители

2.1.

Передаточная характеристика усилительного каскада

2.2.

Режим покоя в каскаде с общим эмиттером

2.3.

Обратные связи. Стабилизация режима покоя

2.3.1.

Схема замещения и основные показатели каскада с ОЭ

2.4.

Виды связей и дрейф нуля в усилителях постоянного тока

2.5.

Дифференциальный каскад

2.6.

Каскад с общим коллектором

2.7.

Каскад с общим истоком

2.8.

Операционный усилитель

2.9.

Неинвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.10.

Инвертирующий операционный усилитель с обратной связью

2.11.

Операционные схемы

2.12.

Компенсация входных токов и напряжения смещения нуля

2.13.

Частотные свойства и самовозбуждение усилителей

2.14.

Избирательные усилители и генераторы синусоидальных колебаний

2.15.

Усилители с емкостной связью

2.16.

Каскады усиления мощности

2.16.1.

Каскад усиления мощности класса А

2.16.2.

Однотактный каскад класса В

2.16.3.

Двухтактный каскад усиления мощности класса В

2.17.

Контрольные вопросы и задачи

3.

Импульсные устройства

3.1.

Преимущества передачи информации в виде импульсов

3.2.

Ключевой режим транзистора

3.3.

Нелинейный режим работы операционного усилителя. Компараторы

3.4.

Преобразование импульсных сигналов с помощью RС-цепей

3.4.1.

Дифференцирующие (или укорачивающие) цепи

3.4.2.

Интегрирующие цепи

3.5.

Мультивибратор на операционном усилителе

3.6.

Одновибратор на операционном усилителе

3.7.

Генераторы линейно изменяющихся напряжении

3.8.

Магнитно-транзисторные генераторы

3.9.

Контрольные вопросы и задачи

4.

Логические и цифровые устройства

5.

Маломощные выпрямители однофазного тока

5.1.

Структура источника питания

5.2.

Однофазные выпрямители с активной нагрузкой

5.3.

Однофазные выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой

5.4.

Фильтры маломощных выпрямителей

5.5.

Особенности работы и расчета выпрямителя с емкостным фильтром

5.6.

Внешние характеристики маломощных выпрямителей

5.7.

Стабилизаторы напряжения

5.8.

Источники питания с многократным преобразованием энергии

5.9.

Контрольные вопросы и задачи

6.

Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности

6.1.

Применение вентильных преобразователей в энергетике и электротехнике

6.2.

Однофазный управляемый выпрямитель

6.3.

Однофазный ведомый сетью инвертор

6.4.

Трехфазный нулевой выпрямитель

6.5.

Трёхфазный мостовой выпрямитель

6.6.

Составные многофазные схемы выпрямления

6.7.

Реверсивные выпрямители и непосредственные преобразователи частоты

6.8.

Регулируемые преобразователи переменного напряжения

6.9.

Контрольные вопросы и задачи

7.

Влияние вентильных преобразователей на питающую сеть

7.1.

Коэффициент мощности вентильных преобразователей

7.2.

Вентильные преобразователи с повышенным коэффициентом мощности

7.3.

Источники реактивной мощности

7.4.

Контрольные вопросы и задачи

8.

Системы управления вентильными преобразователями

8.1.

Функции и структура систем управления

8.2.

Фазосмещающие устройства (ФСУ)

8.3.

Многоканальные системы управления

8.4.

Одноканальные системы управления

8.5.

Контрольные вопросы и задачи

9.

Автономные вентильные преобразователи

9.1.

Способы регулирования постоянного напряжения

9.2.

Узлы коммутации однооперационных тиристоров

9.3.

Инверторы напряжения

9.4.

Инверторы тока

9.5.

Резонансные инверторы

9.6.

Контрольные вопросы и задачи

10.

Список литературы

Указатели
12   предметный указатель
148   указатель иллюстраций

Одной из характернейших особенностей развития нау­ки и техники нашего века является развитие электроники. Без электронных устройств ныне не может существовать ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи. Уси­ленное развитие и применение электроники стимулируются решениями съездов КПСС, постановлениями правительства СССР. Проблемы электроники обсуждаются на представи­тельных и авторитетных всесоюзных и международных на­учных конференциях. Достижения электроники влияют не только на экономическое развитие нашего общества, но и на социальные процессы, распределение рабочей силы, образование, электронные устройства, все шире применя­ются в быту.

Что же такое электроника? Это отрасль науки и техни­ки, занимающаяся изучением физических основ функцио­нирования, исследованием, разработкой и применением приборов, работа которых основана на протекании элект­рического тока в твердом теле, вакууме и газе. Такими приборами являются полупроводниковые (протекание тока в твердом теле), электронные (протекание тока в вакууме) и ионные (протекание тока в газе) приборы. Главное мес­то среди них в настоящее время занимают полупроводни­ковые приборы. Общим свойством всех названных прибо­ров является то, что они являются существенно нелиней­ными элементами, нелинейность их вольт-амперных характеристик, как правило, является признаком, опреде­ляющим важнейшие их свойства.

Промышленная электроника - это часть электроники, занимающаяся применением полупроводниковых, электрон­ных и ионных приборов в промышленности. Несмотря на различие областей применения и многообразие режимов работы промышленных электронных устройств, они стро­ятся на основе общих принципов и состоят из ограниченно­го числа функциональных узлов. Общие принципы постро­ения этих функциональных узлов-электронных схем - и рассматривает промышленная электроника.

Промышленная электроника делится на две обширные области:

    1. Информационная электроника, занимающаяся уст­ройствами для передачи, обработки и отображения ин­формации. Усилители сигналов, генераторы напряжений различной формы, логические схемы, счетчики, индикаторные устройства и дисплеи вычислительных машин - все это устройства информационной электроники. Характерными чертами современной информационной электро­ники являются сложность и многообразие решаемых задач, высокое быстродействие и надежность. Информационная электроника в настоящее время неразрывно связана с применением интегральных микросхем, развитие и совершен­ствование которых в главной мере определяет уровень раз­вития этой отрасли электронной техники.

    2. Энергетическая электроника (преобразовательная техника), занимающаяся преобразованием одного вида электрической энергии в другой. Почти половина электро­энергии, производимой в СССР, потребляется в виде по­стоянного тока или тока нестандартной частоты. Большая часть преобразований электрической энергии в настоящее время выполняется полупроводниковыми преобразовате­лями. Основными видами преобразователей являются вы­прямители (преобразование переменного тока в постоян­ный), инверторы (преобразование постоянного тока в пе­ременный), преобразователи частоты, регулируемые преобразователи постоянного и переменного напряжений.

Развитие электроэнергетики и электротехники тесно связано с электроникой. Сложность процессов в энергоси­стемах, высокая скорость их протекания потребовали ши­рокого внедрения для расчета режимов и управления про­цессами электронных вычислительных машин (ЭВМ), свя­занных с системой сложными электронными устройствами и снабженных развитыми устройствами для отображения информации. Основные процессы производства автомати­зируются на основе современных устройств информацион­ной электроники, в которых в последние годы широко при­меняются интегральные микросхемы и микропроцессоры. Не менее тесно связана с энергетикой и электромеханикой энергетическая электроника. Полупроводниковые преобра­зователи электрической энергии являются одним из основ­ных нагрузочных элементов сетей, их работа во многом определяет режимы работы сетей. Вентильные преобразо­ватели используются для питания электроприводов и электротехнологических установок, для возбуждения синхрон­ных электрических машин и в схемах частотного пуска гидрогенераторов. На основе полупроводниковых вентиль­ных преобразователей созданы линии электропередач по­стоянного тока большой мощности и вставки постоянного тока.

Таким образом, электронные устройства являются важ­ными и весьма сложными компонентами энергетических и электромеханических установок и систем, и для их соз­дания необходимо привлекать специалистов в области про­мышленной электроники, автоматики и вычислительной техники. Однако инженеры, специализирующиеся в обла­сти электроэнергетики и электротехники, не могут устра­ниться от решения вопросов, связанных с электроникой. Во-первых, они должны уметь четко сформулировать зада­чу для разработчика электронных схем и представлять те трудности, с которыми может столкнуться разработчик. Не полно заданные требования могут привести к созданию неработоспособного устройства, а неоправданное завыше­ние требований - к повышению стоимости и снижению надежности электронного оборудования. Для того чтобы говорить с разработчиком электронной аппаратуры на од­ном языке, надо отчетливо представлять себе, что может выполнить электроника и какой ценой и какими способа­ми это достигается. Последнее необходимо также для ква­лифицированного выбора оборудования, выпускаемого промышленностью.

Во-вторых, возникает необходимость грамотной эк­сплуатации электронных устройств. В-третьих, инженеры-электрики принимают активное участие в работах по мон­тажу и наладке оборудования, в том числе электроники. В-четвертых, проектирование ряда энергетических устано­вок, в том числе линий передач постоянного тока, требует совместной работы специалистов по энергетике и преобра­зовательной технике.

Все это требует больших знаний в области промышлен­ной электроники. Основу этих знаний закладывает изуче­ние курса "Промышленная электроника". В нем изложе­ны сведения о современных схемах информационной и энер­гетической электроники. Курс поможет принятию грамот­ных решений в инженерной практике. Однако не следует переоценивать результат проработки этого курса: в нем даны только основные решения, наиболее типовые и рас­пространенные варианты. Для сохранения и постоянного повышения своей инженерной квалификации инженер дол­жен регулярно следить за научной литературой. Особенно это касается такой бурно изменяющейся области, как про­мышленная электроника. Инженер должен сознавать огра­ниченность своих знаний и не пытаться принимать реше­ний в той области, где его компетенция ограничена. Поэтому одной из задач курса является подготовка к чтению специальной литературы в области схемотехнической элек­троники.

Многие важнейшие проблемы науки и техники возни­кают на стыках наук. Электроника, электротехника и энер­гетика ныне соприкасаются очень близко, требуют совмест­ной работы ученых и инженеров, больших знаний в смеж­ных областях. Для многих инженеров наш курс будет только первым шагом в проблеме электроники.

Электронная техника непрерывно развивается, каждую задачу можно решить на основе различных схемных вари­антов: можно построить схему на дискретных компонен­тах, можно выполнить ее на интегральных микросхемах, применить микропроцессорный комплект, провести обра­ботку информации в цифровом или аналоговом виде. Ка­кое решение выбрать? В конечном счете все решает эконо­мический анализ, и принятие неверного решения (скажем, отказ от использования микросхем) может не помешать решению локальной технической задачи, но в итоге ока­жется убыточным для народного хозяйства: увеличится стоимость оборудования, или возрастет стоимость его эк­сплуатации, или уменьшится срок службы. Почти каждый инженер на своем месте воздействует па техническую по­литику в своей области и при разработке и отстаивании технических решений должен выступать не только как спе­циалист, но и как гражданин.

В общем курсе "Промышленная электроника" исполь­зуется весьма простой математический аппарат. Его упро­щение связано со стремлением четче выявить основные за­кономерности, присущие электронным схемам. Но и этот аппарат дает возможность квалифицированного определе­ния основных параметров и характеристик электронных узлов. Овладение расчетными приемами является обяза­тельным при изучении курса, поэтому среди контрольных вопросов к разделам учебника много расчетных задач, ре­шение которых порой требует не только простой подста­новки данных в формулы, но и размышлений над этими формулами. Эти расчетные задачи'-первый шаг в овла­дении методами анализа и синтеза электронных схем, для расчета которых современная наука разработала серьез­ный математический аппарат, позволяющий создать систе­мы автоматизированного проектирования (САПР) элект­ронных узлов.

© Центр дистанционного образования МГУП