现代工业电子学1

现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关1现代工业电子学1ModernIndustrialElectronics（FourthEdition）国外高校电子信息类优秀教材TimothyJ.Maloney科学出版社培生教育出版集团1900年才出现现在称之为电子的器件，1904年发明了真空二极管（1906年，三极管），1930年开始使用现代意义的术语“电子学”。电子器件首先在收音机中得到应用。固态电子学时代的根源要回溯到20世纪20年代量子理论的导出（Weiner1973）。A.H.Wilson开发了半导体的理论模型，其中他引入了“空穴”的概念，即价电子失去后留下的空间（Wilson1931）。由于晶体管的发明，William，JohnBardeen和W.H.Brattain共同获得了1956年诺贝尔物理奖，出版了有关半导体的论文“电子和空穴”（Shockley1950），对该理论进行了综述。晶体管的产生还要归功于20世纪30年代和40年代制造业技术的发展，因为要获得高纯度的半导体样晶是一项很复杂的工作。尽管1947年BellTelephone实验室发明的晶体管在电子学领域掀起了一场革命，但公众对它的响应并不热烈，纽约泰晤士报在其日报专栏“无线电新闻”中发布了这一新闻（1948）：“一种叫做晶体管的器件昨天在BellTelephone实验室，WestStreet463号（它的发明地）进行了展示，它可以取代无线电技术中的真空管，具有多种不同的用途”。三个简短的段落就结束了这条消息。而有关晶体管的更合适的论述是由三封给PhysicalReview刊物的信提供的，在1948年出版的《电子技术》刊物中使用“晶体管-一种晶体三极管”作为其封面文章。尽管已使用晶体三极管（Crystaltriode）和半导体三极管（semiconductortriode）来描述晶体管，晶体管的英文名字“transistor”还是日益流行，transistor就是transferresistor（转换电阻）的缩写，由JohnR.Pierce提出的。在固态电子学时代，晶体管不仅扮演着重要的角色，而且以它为基础开发了全新的电子器件。晶体管和集成电路使得发展数字系统成为可能。现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关2第一章作为逻辑控制的晶体管开关TheTransistorSwitchAsaDecision-Maker前言：控制电路（controlcircuits）接收处理系统的（状态）信息，包括：机械可动部分的（动作）位置（position）；不同位置温度（temperature）（分布）；管路（道）腔室等压力（pressure）分布状况；流体的速率（rate）（分布）；不同检测器外加力（force）；运动速度（speed）等。控制电路接收（采集得到的）信息并结合操作员（人工）输入（/设定）（如开关、电位器设定等），以得到（即）期望的结果（反应）。系统信息与输入比较后，作出反应，决定下一步的动作，如开关马达/运动加或减速/开关阀门/关闭系统等。总言之，决策电路（decision-making）（或称逻辑控制电路）：反映设计者的思想，预见可能的输入，得到期望的输出（反应）。学习目标：1工业控制电路分成3部分，描述其功能2描述继电器的功能；区别继电器的常开（开关）和常闭（开关）3描述零件分类系统（应用继电器/固态solid-state逻辑电路设计）的原理4解释固态逻辑电路中的不同输入电路工作原理/输出放大器原理5讨论继电器逻辑电路与固态逻辑电路的优劣6解释3个应用固体逻辑电路的实际控制系统原理：工具机循环工作系统（machinetoolroutingsystem）/首次故障报警系统（firstfaultannunciator）/工具机钻孔循环工作系统（machinetooldrillingsystem）1-1包含逻辑电路的系统（SystemsContainingLogicCircuits）工业逻辑控制电路分成3部分：输入（input）/逻辑（logic）/输出（output）。1输入input，有时称为信息采集（information-gathering）如按钮（pushbutton）、机械式微动开关（mechanicallimitswitch）、压力开关、光电管（photocell）等。2逻辑logic，有时称为决策部件（decision-making）根据输入和采集的信息，决定输出（动作）。如（电磁magnetic）继电器、分立晶体管（transistor）、集成（integrated）晶体管电路等。3输出output，有时称为执行器件（actuatingdevicesection）根据逻辑电路给予的信号，转换（或放大）成可用形式，驱动相应部件。如马达（motor）启动器、电磁线圈（solenoidcoil）、指示灯等。1-2应用继电器的逻辑电路（LogicCircuitsUsingMagneticRelays）现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关3在逻辑电路中，多年来，直到今天，继电器的使用一直极为广泛。继电器基本原理：电流流经继电器线圈（coil），产生激励（energize），通过开关（switch）/触点（contact）完全闭合通电。继电器的工作原理和特性继电器的定义继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器的继电特性继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即Kf=xf/xx触点上输出的控制功率PC与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关4Kc=PC/P0电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器的分类方法较多，可以按作用原理、外形尺寸、保护特征、触点负载、产品用途等分类。输入装置控制继电器线圈的继电器逻辑控制电路如下所示。LS1/PS4同时闭合，RA将被激励（致能energized），或称拾起（pickup/pick）。任一个开关打开，RA将被释放（消能deenergized），或称掉落（dropout/drop）。现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关5当RA被激励时，相关触点改变其状态，N.C触点打开，N.O触点闭合。当RA被释放时，RA控制的触点将回到它们正常状态，即常闭（N.Cnormallyclosed）触点闭合，常开（N.Onormallyopen）触电打开。实际继电器有数个N.C触点和N.O触点。1．在逻辑电路中，欲得到正面性结果，依据各控制电工作条件而定（串/并，如图例，若串联，需二者都闭合，若并联，之一闭合即可）2．一旦逻辑电路产生正面结果，其输出可分支其他不同控制点，可控制其他须同时控制的电路或装置。反之，也可通过受其结果控制的电路，查知RA工作情形。[一个小例子]设RG为控制系统中一个水管通水与否的主控制继电器（通常就是一个电磁阀valve），水管是否通水，依据条件：1．3#汽缸必须充分扩张，（RB必须被激励）；2．系统中水压必须足够，（RD必须被激励）；3．系统中水必须清洁（无杂物），（RE必须被释放）；现设：3#汽缸（可能安装于此工业系统的机械装置的某一地，并附有某种凸轮可致动LS3），当LS3常开触点闭合时，激励RB，RB影响了RF/RG/RH，3个继电器逻辑控制电路，称为分支控制（branching-out），也称RB共扇出（fan-out）3个逻辑电路。RD：是一压力控制的阀门，一旦水管中压力达到一定水平即可令其致动（激励）RE：专门侦测水中杂物，一旦水中有某种杂物，即可令其致动（激励）因此，决策条件有3（都须满足）：1．RB（N.O）（闭合），2．RD（N.O）（闭合），3．RE（N.C）（闭合），（上述例子中的逻辑关系实际就是一个与的逻辑关系实现）1-3传送带/自动分类系统中的继电器逻辑控制电路（RelayLogicCircuitforaConveyor/ClassifyingSystem）工艺原理：传送带从左至右传送零件，（检测后）按高/矮/轻/重4类（4种组合：矮且轻，矮且重，高且轻，高且重）分类并予以喷码包装。3个工作区，侦测区（TestingZone）、喷码区（PaintingZone）、转换区（DivertingZone），依次进入。现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关6现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关7逻辑控制电路原理：1．LS1激励（致动）RPZ，进行喷码区的工作2．LS2激励（致动）RDZ，进行转换区的工作（同时释放RPZ，关闭喷码阀门）3．L23-6激励（致动）RCLR，清除所有状态，恢复系统（进行下一零件处理）4．高度/重量检测，高/重激励（致动），零件离开后恢复，（电路中有锁定状态）5．其他一些继电器，组合逻辑（4种分类），进行相应处理（喷码/转向）6．微动开关（LS），离开后恢复状态关键在于由微动开关LS1-LS6进行不同工作区的逻辑区分工作，触发相应逻辑处理（进入何区，清除所在区的状态等）；相应的几组继电器的几组接点实现记忆功能并组合实现相现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关8应工作。1-2，3-4，5-8，9-12，13-16，17-20，21-24。回环锁定状态。1-4晶体管逻辑电路（LogicPerformedByTransistors）（关于晶体管的补充知识）一些需了解掌握的知识点（概念）1导体/绝缘体/半导体2价电子/自由电子/空穴/载流子（多子、少子）3本征半导体/杂质半导体（P型/N型）4PN结/二极管/空间电荷区/耗尽层/内电场/电位壁垒（阻挡层）/扩散运动/漂移运动5正向偏置（正偏）/反向偏置（反偏）现代工业电子学1第一章作为逻逻辑控制的晶体管开关96发射区/集电区/基区发射极/集电极/基极e/c/b截止/导通发射/复合扩散/收集一言以蔽之：NPN为例，基区为P型，掺杂度比较低，因此与发射极的电子流复合的空穴较少，基极电流较小，而自由电子流为集电极所收集，集电极电流较大（Ib+Ic=Ie），即放大原理。（基射极正偏，基集极反偏，导致电流的流向）。对于晶体管（NPN型），基极电压为低（一般小于0.7V），集电极与发射极截止；基极电压为高（一般大于0.7V），集电极与发射极导通，即输入0，输出1，输入1，输出0。晶体管工作原理概述（NPN为例）：内部结构（2个特点）：1．发射区高掺杂，多子浓度高（N型，自由电子多）2．基区很薄，低掺杂，多子浓度低（P型，空穴少）外部条件（即外加电源）：1．发射结正偏（自由电子，扩散运动）2．集电结反偏（收集，自由电子）上述内外2个条件，载流子运动3个过程：1．发射，电子电流空穴电流（因为浓度的原因）2．复合（形成基