Текст
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА '
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ -
ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф. УШАКОВА»
<2
ЭЛЕКТРОННЫЕ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СРЕДСТВА
СУДОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Учебное пособие
Издание 3-е, дополненное и переработанное
Рекомендовано УМО по образованию в области
эксплуатации водного транспорта в качестве
учебного пособия для курсантов (студентов)
вузов водного транспорта по специальности
“Эксплуатация судовых энергетических установок"
А. Ю. Самойленко
Новороссийск
2014
УДК 629.5
ББК 32.965.ЗЯ73
С17
Рецензенты:
Доктор транспорта, профессор О.П. Хайдуков
Доктор технических наук, профессор Н Е. Жадобин
Самойленко, А.Ю.
С17 Электронные и микропроцессорные средства судовых систем
управления: учебное пособие.- 3-е издание, дополненное и перерабо¬
танное. - Новороссийск: ГМУ им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2014. - 210 с.
В учебном пособии рассматривается принцип действия, устройство и характе¬
ристики основных электронных приборов, типовых электронных преобразователей
аналоговых и дискретных сигналов. Изложены принципы построения на электрон¬
ных и микропроцессорных блоках ряда судовых систем автоматики. Рассмотрены
погрешности обработки сигналов, основы технического обслуживания электронных
устройств. По сравнению с предшествующим изданием в настоящей редакции об¬
новлен материал по примерам судовых систем автоматики.
Пособие предназначено для учащихся судомеханической и электромеханиче¬
ской специальностей морских учебных заведений, а также судовых механиков.
УДК 629.5
ББК 32.965.3Я73
Подписано в печать 16. 07. 2014
Формат 60x84 1/16. Бумага для множ. апп. Изд. № 1242
Уел, печ. д. 12,2. Уч. изд. л. 11,9. Тираж 100. Заказ 2801 .
Редакционно-издательский отдел ФГБОУ ВПО
«Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»
353918, Новороссийск, пр. Ленина. 93.
Налоговая льгота - общероссийский классификатор продукции ОК-005-93, том 2 - 953000
© Самойленко А.Ю., 2002, 2014л
О ГМУ им. адмирала Ф.Ф. Ушакова, 2014
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ : 9
1 ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 11
1.1 Проводимость полупроводников, р-п переход 11
1.2 Диод, стабилитрон 15
1.3 Устройство и принцип действия транзистора 19
1.4 Схемы включения, параметры и характеристики транзистора 22
1.5 Работа транзистора на нагрузку 24
1.6 Разновидности транзисторов 26
1.7 Тиристор 28
1.8 Оптоэлектронные приборы. Приборы индикации 31
1.9 Пассивные элементы электронных схем 37
1.10 Специальные типы резисторов : 42
1.11 Тепловой режим электронных приборов и устройств 50
2 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ 52
2.1 Принципы построения и характеристики усилителей 52
2.2 Обратная связь в усилителях 53
2.3 Операционный усилитель 55
2.4 Типовые схемы включения операционных усилителей 58
2.5 Преобразователи сигналов на основе операционных усилителей 61
2.6 Активные фильтры 65
2.7 Нелинейные функциональные преобразователи 66
2.8 Компараторы 68
2.9 Генераторы электрических сигналов 71
3 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ 76
3.1 Структурные схемы, характеристики источников питания 76
3.2 Выпрямители, фильтры источников питания...... 78
3.3 Стабилизаторы. Защита источников питания 81
4 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ 84
4.1 Общие сведения об устройстах дискретного действия 84
4.2 Логические функции и логические элементы 85
4.3 Триггеры 91
4.4 Счетчики. Двоичный код 92
4.5 Регистры. Сложные комбинационные устройства 96
4.6 Принципы построения и функционирования микроЭВМ 98
4.7 Память микроЭВМ. Средства реального времени 102
3
4.8 Структура МПСУ. Адаптеры датчиков и исполнительных
механизмов 107
4.9 Принципы реализации на микроЭВМ функций регулятора..., 110
4.10 Применение микроЭВМ для управления силовыми
полупроводниковыми преобразователями электроэнергии 113
4.11 Стандартные интерфейсы периферийных устройств микроЭВМ.. 116
4.12 Цифровые средства измерения. Тахометр. Угловой энкодер 118
4.13 Конструктивное исполнение электронных приборов и модулей... 124
5 СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
СИСТЕМЫ 128
5.1 Судовые информационно-измерительные системы 128
5.2 Структурные схемы систем АПС 131
5.3 Микропроцессорные блоки для построения судовых систем АПС. 133
5.4 Специализированные судовые информационные системы 135
5.5 Торсиометр 140
5.6 Информационно-диагностические системы судовых дизелей 143
5.7 Принципы построения судовых МПСУ 147
5.8 Судовая МГ1СУ "Data chief-2000" 149
5.9 Судовая МПСУ "Data chief-C10" 151
5.10 Микропроцессорная система управления двигателей серии ME .. 158
5.11 Программируемые логические контроллеры 166
5.12 Контроллеры PR-ELEKTRON1CS в судовой автоматике 170
6 ПОГРЕШНОСТИ И ПОМЕХИ В СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ
СИСТЕМАХ 174
6.1 Погрешности и способы их снижения 174
6.2 Защита электронных устройств от помех 178
6.3 Преобразователи аналоговых сигналов, устойчивые к
эксплуатационным факторам 181
6.4 Интеллектуальные датчики в судовой автоматике 187
7 ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И
МИКРО-ПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ 189
7.1 Общие положения 189
7.2 Принципы изображения и чтение электрических схем 192
7.3 Методы поиска неисправных блоков и электронных элементов 197
7.4 Определение работоспособности электронных приборов 200
7.5 Принципы замены неисправных электронных приборов и блоков. 208
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 210
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
АБ - аккумуляторная батарея; -
АЛУ - арифметико-логическое устройство;
АПС - аварийно-предупредительная сигнализация;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
БИС - большая интегральная микросхема;
БП - блок питания;
ВАХ - вольтамперная характеристика;
ВМТ - верхняя мертвая точка;
ГПН -генератор пилообразного напряжения;
ГОЧ - генератор образцовой частоты;
ГТИ - генератор тактовых импульсов;
ДАУ - дистанционное автоматизированное управление;
ДГ - датчик (давления) газов;
ДТ - датчик (давления) топлива;
ДЧ - делитель частоты;
ЕСКД - единая система конструкторской документации
ЗИП - запас и принадлежности;
ЗУ - запоминающее устройство;
ЗУД - запоминающее устройство данных;
ЗУП - запоминающее устройство программ;
ИИС - информационно-измерительная система;
ИК - индикаторный кран;
ИМ - исполнительный механизм;
ИМС - интегральная микросхема;
ИП - источник питания, измерительный преобразователь;
КПД - коэффициент полезного действия;
ЛВС - локальная вычислительная сеть;
ЛС - линия связи;
ЛФ - логическая функция;
ЛЭ - логический элемент;
МО - машинное отделение;
МОД - мапооборотный двигатель;
МП - микропроцессор;
МПСУ - микропроцессорная система управления;
МПУ - местный пост управления;
НБ - неподвижный блок;
ОБ - общая база;
ОЗУ - оперативное запоминающее устройство;
ОК - общий коллектор;
ООС - отрицательная обратная связь;
ОС - обратная связь;
ОУ - операционный усилитель;
ОЭ - общий эмиттер;
П - пропорциональный;
ПАВ - поверхностные акустические волны;
ПБ - подвижный блок;
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;
ПИ - пропорционально-интегральный;
ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальный;
ПК - поршневое кольцо;
ПКВ - поворот коленчатого вала;
ПОС - положительная обратная связь;
САР - система автоматического регулирования;
СКРП - система контроля рабочего процесса;
СПС - система пожарной сигнализации;
СУ - система управления, сравнивающее устройство;
СЦК - система централизованного контроля;
СЦКТ - система централизованного контроля температуры;
СЭУ - судовая энергетическая установка;
ТНВД -топливный насос высокого давления;
ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика;
УГО - условное графическое обозначение;
УП - угол поворота;
УУ - устройство управления;
УЭ - управляющий электрод;
ФВЧ - фильтр верхних частот;
ФНЧ - фильтр нижних частот;
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь;
ЦБ - центральный блок;
ЦПУ - центральный пост управления;
ШИМ - широтно-импульсная модуляция;
ЭВМ - электронно-вычислительная машина;
ЭДС - электродвижущая сила;
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
АНГЛИЙСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ
ACU
- Auxiliary Control Unit;
ADC
- Analog Digital Converter;
CAN
- Controller Area Network;
CCU
- Cylinder Control Unit;
CL
- Current Loop;
DAC
- Digital Analog Converter;
DGS
- Digital Governor System;
DIP
- Dual In line Package;
DPU
- Distributed Process Unit;
DRAM
- Dynamic RAM;
ECU
- Engine Control Unit; >
EEPROM
- Electrically Erasable and Programmable ROM;
El С U
- Engine Interface Control Unit;
ELFI
- Electronic Fuel Injection Unit;
ELVA
- Electronic Valve exhaust Activator;
EPROM
- Erasable end Programmable ROM;
FIVA
- Fuel Inject and Valve Activator Unit;
FRO
- Full Range Output;
GCU
- Generator Control Unit;
HART
- Highway Addressable Remote Transducer;
HCU
- Hydraulic Control Unit;
HPS
- Hydraulic Power Supply Unit;
IC
- Integrated Circuit;
IGBT
- Insulated Gate Bipolar Transistor;
IP
- Ingress Protection;
LCD
- Liquid Crystal Display;
LED
- Light Emitting Diode;
LGU
- Level Gauging Unit;
LOP
- Local Operating Panel;
LOS
- Local Operator Station; ‘
MCU
- Main Computer Unit;
MOP
- Main Operation Panel; '
MOSFET
- Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;
MPC
- Multi Purpose Controller;
OCP
- Operator Control Panel;
OP-AMP
- Operational Amplifier;
PC
- Personal Computer;
PCU
- Programmable Control Unit;
PLC
- Programmable Logic Controller;
RAI
- Remote Analogue Input;
RAM
- Random Access Memory;
RAO
- Remote Analogue Output;
RDI - Remote Digital Input;
RDO - Remote Digital Output;
RIO - Remote Input/ Output;
ROM - Read Only Memory;
ROS - Remote Operator Station;
SA U - Signal Acquisition Unit;
SAW - Surface Acoustic Wave;
SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition System;
SCR - Silicon Controlled Rectifier;
SPU - Signal Processing Unit;
SRAM - Static RAM;
UPS - Uninterruptible Power Source;
USB - Universal Serial Bus;
WBU - Watch Bridge Unit;
WCU - Watch Cabin Unit; '
WDT - Watch Dog Timer
8
ВВЕДЕНИЕ
Применение электронных и микропроцессорных средств для автомата-:
зации судовых энергетических установок стремительно растет. Электронные
регуляторы параметров энергетического оборудования, комплексные и ло¬
кальные системы автоматизации на основе микро-ЭВМ прочно вошли в по¬
вседневную морскую практику. Появление мощных IGBT - транзисторов да¬
ло новый импульс развития судовым гребным электрическим установкам,
судовым электроприводам с преобразователями частоты. Высокими темпами
идет внедрение на морских судах мощных средне- и малооборотных дизелей
с электронным управлением. '
В связи с этим существенно выросли требования к квалификации судо¬
вых инженеров-механиков в области электронной аппаратуры и систем
управления, сформулированные в Кодексе подготовки и дипломирования
моряков и несения вахты (ПДМНВ-78) в редакции 2010 г. В соответствии с
требованиями Кодекса, судовые механики должны обладать надлежащими
теоретическими знаниями в данной области техники, их компетентность
должна быть достаточной для эксплуатации электронного оборудования
управления, включая его проверку, обнаружение неисправностей, ремонт и
поддержание в рабочем состоянии (см. табл. А-ІІІ/1, табл. А-ІІІ/2 Кодекса).
В этом же, обновленном варианте Кодекса детально прописаны требования и
к судовому электромеханику в данной области судовой техники (см. табл.
А-ІІІ/6 Кодекса), чего не было в предшествующем варианте (Кодекс
ПДМНВ-78/95).
Настоящее учебное пособие предназначено для курсантов и студентов
морских учебных заведений, обучающихся по специальностям "Эксплуата¬
ция судовых энергетических установок", “Эксплуатация судового электро¬
оборудования и средств автоматики”, а также для судовых механиков и элек¬
тромехаников при их дополнительной профессиональной подготовке. Оно
является обновленным и частично переработанным изданием учебного по¬
собия, вышедшего в 2006 году под таким же названием.
В пособии рассмотрены принцип действия, устройство и характеристики
основных электронных приборов, типовых электронных преобразователей
сигналов. Изложены основы построения на электронных и микропроцессор¬
ных блоках ряда современных судовых систем автоматики. Рассмотрены по¬
грешности обработки сигналов, основы обслуживания электронных уст¬
ройств.
9
Пособие предназначено для специалистов эксплуатационного профиля.
Поэтому в нём значительное внимание уделено эксплуатационным вопросам
- основам технического обслуживания электронных устройств, эксплуатаци¬
онным особенностям, влиянию органов регулировки на параметры уст¬
ройств, опасным для электронных приборов и устройств режимам работы и
т.д. На судах, где работают российские моряки, применяются электронные и
микропроцессорные устройства и системы в основном зарубежного произ¬
водства, схемы и условные графические обозначения элементов которых от¬
личаются от отечественных стандартов. В этой связи в пособии приводятся
как отечественные, так и зарубежные обозначения и маркировки электрон¬
ных приборов, а также англоязычная терминология. •
Пособие изложено в форме текстов лекций, читаемых для учащихся су¬
домеханической специальности в ГМУ имени адмирала Ф.Ф.Ушакова по
дисциплине “Электронные и микропроцессорные средства судовых систем
управления”. Это обусловило специфику его построения - сжатое изложение
материала, ограниченное применение математических выкладок, в ряде слу¬
чаев - упрошенное, достаточное лишь для понимания основных процессов
изложение принципов действия рассматриваемых элементов и устройств.
Вместе с тем, отдельные разделы пособия изложены более детально и
рассчитаны на действующих судовых механиков и электромехаников. Посо¬
бие также может быть использовано учащимися электромеханической спе¬
циальности, при изучении ими ряда разделов таких предметов, как "Судовая
электроника и силовая преобразовательная техника", "Судовые информаци¬
онно-измерительные системы", "Микропроцессорные системы управления".
По сравнению с предыдущим, в третьем издании дополнен раздел по
электрическим датчикам и преобразователям их сигналов, рассмотрены не¬
которые новые, появившиеся сравнительно недавно на судах микропроцес¬
сорные системы, приведены сведения о программируемых логических кон¬
троллерах, исключен материал, потерявший актуальность.
10
. ib
1 ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
1.1 Проводимость полупроводников, p-а переход
Современная судовая электроника - полупроводниковая, т.е. основным
материалом, из которого изготавливаются электронные приборы, являются
полупроводники. По способности проводить электрический ток полупровод¬
ники занимают промежуточное положение между диэлектриками, не прово¬
дящими ток (пластмассы, резина и др.) и проводниками, хорошо проводящи¬
ми ток (медь, алюминий и другие металлы). Такое промежуточное положе¬
ние полупроводников весьма удобно, поскольку специальными технологиче¬
скими приемами (введением примесей и др.) можно смещать их свойства, как
в сторону диэлектриков, так и в сторону проводников.
Из большого количества материалов, являющихся полупроводниками, в
наибольшей степени предъявляемым требованиям отвечает кремний (сили-
циум, Si). Из кремния изготавливается подавляющее большинство полупро¬
водниковых приборов, начиная от простейших (диодов, транзисторов и др.) и
заканчивая интегральными микросхемами (ИМС), включающими от не¬
скольких десятков до миллионов компонентов. Одно из решающих преиму¬
ществ кремния, как исходного компонента электроники - достаточно высо¬
кая максимальная рабочая температура Sj=150V’.
Другие виды полупроводниковых материалов (германий, соединения
галлия и др.) используются для создания специальных разновидностей полу¬
проводниковых приборов.
Собственная проводимость полупроводника. Связь между атомами
кремния в кристалле полупроводника осуществляется валентными электро¬
нами. На внешней электронной орбите атом кремния содержит 4 валентных
электрона (рис. 1.1). Каждый из них образует совместно с одним из электро¬
нов соседнего атома пару, движущуюся вокруг двух атомов - собственного и
соседнего. Такая связь называется ковалентной.
При низких температурах практически все валентные электроны связа¬
ны с атомами. Но при внешнем энергетическом воздействии на кристалл (ос¬
вещении, нагревании и др.) некоторые электроны приобретают энергию, дос¬
таточную для разрыва валентных связей. Такие электроны становятся сво¬
бодными (см. рис. 1.1).
11
У того атома, от которого внешним воздействием электрон был переве¬
ден в свободное состояние, появилось вакантное место с недостающим элек¬
троном. Его называют "дыркой". "Дырка" ведет себя как положительно заря¬
женная частица. Какой-либо из электронов соседних атомов может занять
вакантное место, тогда "дырка" образуется в соседнем атоме. Такой процесс
происходит многократно. Поэтому "дырка" блуждает по кристаллу, как и
свободный электрон.
При повышении температуры полупроводника
число свободных электронов, а, следовательно,
и число "дырок" резко возрастает. Этим объяс¬
няется, в частности, уменьшение электрического
сопротивления полупроводника с повышением
температуры.
Наличие "дырок" и свободных электронов в
химически чистом полупроводнике обуславли¬
вает его собственную проводимость. Если к не-
Рис. 1.1. Собственная '
проводимость полупроводника МУ приложить электрическое напряжение, то че¬
рез полупроводник потечет ток.
Примесная проводимость полупроводника. Электрические свойства
полупроводников сильно зависят от вносимых в них примесей. Проводи¬
мость, обусловленная наличием примесей в полупроводнике, называется
примесной проводимостью.
Пусть, например, в кристалл кремния внесена примесь атомов сурьмы,
которые замещают в узлах кристаллической решетки часть атомов кремния.
Пятивалентный атом сурьмы вступает в ковалентные связи с четырьмя атома¬
ми кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях (рис. 1.2).
, , Энергия, необходимая для разрыва связи
пятого валентного электрона с атомом сурьмы,
значительно меньше энергии, необходимой для
отрыва электрона от атома кремния. Поэтому
при комнатной температуре почти все эти элек¬
троны являются свободными, не связанными с
атомами примеси.
Они обуславливают наличие у полупро¬
водника примесной проводимости, которая зна-
Рис. 1.2. Электронная проводи- чительно больше собственной проводимости,
мость полупроводника _ . rtnio/
Так введение 0,001% сурьмы увеличивает про- -
водимость полупроводника в 104 раз. Необходимо отметить, что собственная
12
■ . *■
и примесная проводимость существуют параллельно и независимо друг от
друга.
Полупроводниковый кристалл, в который внесена примесь и электроны
служат основными носителями заряда, называется полупроводником п-типа
(от лат. negatives — отрицательный). ;
При введении в кристалл кремния небольшого . ■
количества трехвалентного элемента, например ин¬
дия, часть атомов кремния замещается этими атома¬
ми. Атом индия может осуществлять связь только с
тремя соседними атомами, а связь с четвертым ато¬
мом кремния оказывается незавершенной (рис. 1.3).
Атом индия может захватывать электрон у одного из
соседних атомов кремния, чтобы ее укомплектовать.
Захват электрона от одного из атомов кремния при- рис 13 Дырочная прово-
водит к возникновению в нем "дырки". Таким обра- димость полупроводника
зом, "дырка" способна перемещаться как носитель электрического заряда,
обуславливая наличие примесной проводимости р-типа.
Полупроводники с примесью, в которых носителями заряда являются
"дырки", называют полупроводниками p-типа (от лат. positivus - поло¬
жительный).
Р-и- переход. Для образования р-п-перехода в кристалле создаются
две области - с дырочной проводимостью и с электронной проводимостью,
что показано на рис. 1.4. На рис. 1.4 знаком Ѳ показаны "дырки" как поло¬
жительные носители зарядов в p-области, а знаком Ѳ - свободные электро¬
ны в п-области.
ѳ
Q
Ѳ
©
©
©
ѳ
О
0
©
©
©
ѳ
О
Ѳ
©
©
©
О
© f
ѳ
1
©
©
07+
-ST®
©
©
© +
ѳ
1
©
п-область p-область Ер-п
а) б)
Рис. 1.4. Образование р-п -перехода: а - начальный этап; б - конечный этап
При хаотическом движении часть электронов из п-области проходит
границу раздела и попадает в p-область. Аналогично "дырки" из р-области
проникают в п-область. Свободный электрон из п-области заполняет вакант¬
13
ное место в парноэлектронной связи одного из атомов примеси р-области.
Будучи в исходном состоянии электрически нейтральным, после получения
дополнительного электрона этот атом примеси оказывается отрицательно
ионизированным, поскольку теперь суммарный отрицательный заряд его
электронов больше положительного заряда ядра. Таким образом, на границе
раздела, в p-области образуется тонкий слой неподвижных отрицательно ио¬
низированных атомов примеси (рис. 1.4,6). Аналогичное явление имеет место
в приграничной зоне п-области, где образуется тонкий слой положительно
ионизированных атомов примеси.
Ионизированные слои атомов на границе раздела создают разность по¬
тенциалов, являющуюся потенциальным барьером для дальнейшего пере- .
движения дырок из р- в п-область, а электронов из п- в p-область. Эта раз¬
ность потенциалов создает на границе раздела электрическое поле напряжен¬
ностью Ер_п, а сама зона ионизированных атомов именуется р-п-переходом.
При подходе других свободных электронов из п-области к р-п-переходу
полем Ер-п они отбрасываются назад, в п-область. Аналогично "дырки" из
p-области не могут пройти р-п-переход (см. рис. 1.4,6, где знаками "+" и
обозначены ионизированные атомы). Поскольку в зоне р-п-перехода при
этом нет свободных носителей зарядов, то он фактически превращается в ди¬
электрик.
Прямое включение р-п-перехода. Если р-п-переход соединить с ис¬
точником тока так, чтобы положительный полюс был соединен с областью с
дырочной проводимостью, а отрицательный - с областью с электронной про¬
водимостью, то переход носителей зарядов через р-п-переход становится
возможным.
Приложенное извне
напряжение Цщ, создает
в р-п-переходе элек¬
трическое поле Ещ,, на¬
правленное встречно
Ер-п (рис. 1.5). Если
Е:Тр>Ер-п, то дырки из
Іпр p-области этим полем
вталкиваются в р-п-
переход и способны его
пройти. Аналогично
электроны п-области
_,пр
Ер-п
ѳѳѳ^
ѳѳѳ +
ѲѲ0-+
ѳѳ®
*-&®ѳ
n
+
О . О
U,
пр
Рис. 1.5. Прямое включение р-п-перехода
14
под воздействием Ещ, начинают проходить переход. Таким образом, появля¬
ется движение зарядов через кристалл, т.е. ток.
Сила тока при напряжении и^, превышающем разность потенциалов в
р-п-переходе ограничивается практически лишь сопротивлением внешней
электрической цепи. Этот способ включения называется включением в пря-;
мом направлении. Величина Ц^, достаточная для преодоления действия
р-п-перехода в кремнии составляет (0,6...0,8)В.
Обратное включение р-п-перехода. Если р-п-переход соединить с
источником тока так, чтобы с его положительным полюсом была соединена
n-область, а с отрицательным - p-область, то электроны в п-полупроводнике
и "дырки" в р-полупроводнике удаляются от запирающего слоя в разные
стороны, увеличивая его толщину. При этом приложенное извне напряжение
иоер создает в р-п-переходе электрическое поле Еобр, совпадающее с на¬
правлением Ер-П (рис. 1.6).
Этот способ включения р-п-перехода называется включением в обрат¬
ном направлении. Поскольку сопротивление р-п-перехода велико, то сила
тока мала. Обратный ток в
этом случае обусловлен
собственной проводимо¬
стью полупроводника, т. е.
наличием небольшого ко¬
личества свободных элек¬
тронов в р-полупроводнике
и "дырок" в zi-
полупроводнике. Этот ток
очень мал, однако сильно
увеличивается с ростом
температуры.
Таким образом, р-п-переход обладает односторонней проводимостью,
хорошо пропуская ток в прямом направлении и плохо - в обратном.
1.2 Диод, стабилитрон
Диод - это устройство с одним р-п-переходом, обладающее односто¬
ронней проводимостью. Свойства диода практически полностью определя¬
ются свойствами р-п-перехода. Условное обозначение диода приведено на
рис. 1.7. Вывод из p-области кристалла называется анод, из п-области -
катод.
Еобр
_,р-п
ѳѳ + +
- - ѳѳ
л
ѳѳ + +
- - ѳ®
м
Іобр
ѳѳ + +
- - 0Ѳ
+
-о
о—— — -—
Uo6p
Рис. 1.6. Обратное вкщочение р-п-перехода
15
Анод м Катод к
А \/
а) б) в)
Рис. 1.7. Условное графическое обозначение диода: а - принятое в России;
б, в - другие варианты обозначения
Наиболее полно свойства диода отражаются его вольтамперной характери¬
стикой (ВАХ), изображаемой как для прямого, так и для обратного включе¬
ний (рис. 1.8). С увеличением сопротивление запирающего слоя
(р-п-переход) уменьшается. При напряжении более 0,6...0,8 В запирающий
слой практически исчезает и остается только небольшое сопротивление п- и
p-областей, которое приближенно можно считать постоянным. Поэтому да¬
лее характеристика становится почти линейной, а прямой ток І„р резко уве¬
личивается с ростом Опр. Если его не ограничить некоторой величиной
Іпр „а*, кристалл перегреется, поскольку с его ростом увеличивается мощ¬
ность, выделяемая в кристалле: Pnp=*npUnp- Явление разрушения полупро¬
водника вследствие его перегрева именуется тепловой пробой.
Іпр, А
Іобр, мА
Рис. 1.8. Примерный вид ВАХ маломощного кремниевого диода
При обратном включении диода ток Х0бр очень мал. Однако, при неко¬
тором значении обратного напряжения, превышающем иойр ^ возникает
16
' ' . <•
электрический пробой р-п-перехода, при котором сопротивление запираю¬
щего слоя резко уменьшается, вследствие чего обратный ток резко возраста¬
ет. Электрический пробой, область которого обозначена на рис. 1.8 буквами
АБ, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит не¬
обратимых изменений (разрушений структуры вещества). •
Если не ограничить обратный ток в режиме электрического пробоя, то
он переходит в тепловой пробой, приводящий к перегреву и разрушению
кристалла (участок БВ на рис. 1.8). Поэтому, для обычного диода работа на
участке АБВ характеристики недопустима, для чего Uo6p не должно превы¬
шать иобр
Диоды выпускаются на значения Іпр ш от десятков миллиампер до не¬
скольких килоампер. Величина иобр ^ может составлять от десятков вольт
до нескольких киловольт. Если напряжение в цепи превышает С7овр ^ диода,
то применяется последовательное включение нескольких диодов.
Для улучшения охлаждения диоды, рассчитанные на токи Іпр>1 А, как
правило, устанавливаются на радиаторы. Наиболее мощные диоды, исполь¬
зуемые в силовом электрооборудовании, могут дополнительно иметь прину¬
дительное воздушное охлаждение.
Необходимо отметить, что все полупроводниковые приборы и диоды в
частности имеют малую перегрузочную способность. Вследствие малой мас¬
сы кристалл полупроводника способен быстро нагреться до максимальной
допускаемой температуры, если выделяемая на нем мощность превышает до¬
пустимую. Тепловой пробой прибора может длиться всего (20...40) мс. По¬
этому недопустимы даже кратковременные перегрузки. В этой связи, для за¬
щиты диодов (и других полупроводниковых приборов) от перегрузки или ко¬
роткого замыкания в цепи их нагрузки должны применяться быстродейст¬
вующие элементы. Обычные автоматические выключатели или плавкие пре¬
дохранители для этих целей непригодны. “
Из-за малой тепловой инерционности полупроводниковых приборов при
их техническом обслуживании требуется соблюдать особую осторожность.
Так, например, при выполнении измерений переносным электроизмеритель¬
ным прибором возможно случайное закорачивание его щупом близко распо¬
ложенных выводов проверяемого электронного прибора. Времени, необхо¬
димого на осознание этой ситуации и устранение закорачивания, к сожале¬
нию, будет достаточно, чтобы вызвать повреждение прибора.
Маркировка диодов выполняется по определенной системе. Например,
марка диода КД202А, выпущенного в России, расшифровывается так:
К - кремний; Д - диод; 2 - выпрямительный средней мощности; 02 - поряд-
17
ковый номер; А - модификация диода по C7o6p тах или Х„р тах. Маркировка
диода W2047, отмаркированного по принятой в США системе, расшифро¬
вывается следующим образом: 1 - количество р-п-переходор; N - знак-
разделитель; 2047-регистрационный номер.
Основное назначение диодов - выпрямление переменного тока. Они так¬
же широко используются в цепях автоматики для преобразования сигналов.
Стабилитрон (диод Зенера). Это разновидность диода, нормальным
режимом которого является состояние электрического пробоя.
В режиме пробоя на стабилитроне
поддерживается постоянное напряже¬
ние стабилизации ист (рис. 1.9), при
значительном изменении тока через
него. Ток ограничивается внешними
элементами и не должен превышать
некоторого максимального значения
Іпр
U обр
Uct
1
у іііф
^ст max, чтобы не произошел тепловой
ІСТ.І-
Іобр
Рис. 1.9. Обозначение и ВАХ стабилитрона
пробой. Основным параметром стаби¬
литрона является t7CT, которое для кон¬
кретного прибора может составлять от
единиц до десятков вольт.
Стабилитрон применяется в качестве источника эталонного или опорно¬
го напряжения в блоках питания, в цифровых измерительных приборах, при •
обработке сигналов, а также для защиты электрических цепей от перенапря¬
жения. Характерным примером его применения в целях защиты на морских
судах является так называемый "барьер Зенера" (зенеровский барьер, барьер
искрозащиты). Это электронный блок, основным компонентом которого яв¬
ляется стабилитрон. Через этот блок из взрывобезопасной зоны (на судне -
это надстройка) по кабелю подается электрическое питание к датчикам и
преобразователям сигналов, расположенным во взрывоопасной зоне. На мор¬
ском танкере это зона верхней палубы судна (рис. 1.10).
Пока все исправно, к датчику через предохранитель F и токоограничи¬
вающий резистор R от блока обработки поступает питающее напряжение,
которое по величине меньше напряжения стабилизации стабилитрона D. При
возникновении аварии в блоке обработки, сопровождающейся повышением
напряжения питания, стабилитрон начинает проводить ток, ограничивая на¬
пряжение на уровне £7СТ . Вслед за этим перегорает предохранитель и цепь
обесточивается. Если же в кабеле или датчике происходит короткое замыка¬
ние, резистор R ограничивает потребляемый ток.
18
В обоих случаях аварии энергия, подводимая к электрооборудованию
взрывоопасной зоны, ограничивается. Это снижает вероятность возникнове¬
ния электрической искры. -
Рис. 1.10. Применение барьера Зенера на танкере: Д - датчик, ЗБ - зенеровский барьер,
БО - блок обработки сигнала датчика, R - резистор, D -стабилитрон, F - предохранитель
Существуют и другие разновидности диодов, обладающие специфиче¬
скими свойствами: варикап, тунельный диод, и т.д. Их применение в судовой
электронике ограничено.
1.3 Устройство и принцип действия транзистора
Транзистор - это усилительный полупроводниковый прибор, имеющий
два встречновключенных р-п-перехода, выполненных в одном кристалле
полупроводника.
э
Б
К
э
Б
К
р
п
Р
- -
п
Р
п
а)
б)
Рис. 1.11. Структура и обозначения транзисторов:
а - р-п-р-транзистор; б - п-р-п-транзисгор
Возможны две структуры транзистора, показанные на рис. 1.11. В пер¬
вой из них (рис. 1.11, а) крайние зоны имеют примесную проводимость
p-типа, а средняя - п-типа. Транзистор, выполненный по такой структуре
именуется "р-п-р-транзистор". Левая по рисунку зона и вывод из нее назы¬
вается эмиттер. Правая зона и ее вывод - коллектор. Средняя зона - база. В
19
другом варианте (рис. 1.11,6) чередование зон противоположное. Такой ва¬
риант именуется "п-р-п-транзистор".
Принципиально важно, что база выполняется как можно тоньше, кон¬
центрация примеси в ней намного меньше, чем в эмиттере и коллекторе, по¬
этому почти вся она фактически используется на создание р-п-переходов.
Принцип действия рассмотрим на примере п-р-п-транзистора
(рис. 1.12). Приложим между коллектором и эмиттером напряжение от
внешнего источника питания Ек, в указанной на рисунке полярности (£к -
электродвижущая сила источника питания). Из двух р-п-переходов верхний,
коллекторный, будет в обратном включении, и ток через транзистор не будет
проходить. При этом коллекторный р-п-переход расширится вглубь базы,
почти вся она будет состоять из ионизированных атомов примеси. К коллек¬
торному переходу будет приложено напряжение Ек, создавая в нем электри¬
ческое поле Е*.
К
Ік
-4-
ѳѳѳѳѳо
ѳѳѳѳѳѳ
ѳѳѳѳѳѳ
+ + + + .+ + +Л+
Іб ^
+
Uo3
)ѲѲ00Ѳ
ѳѳѳѳѳѳ
ѳѳѳѳѳѳ
Коллекторный
£к переход
Эмитгерный
переход
Ек
О
э
л г Ь
Рис. 1.12. Принцип работы транзистора
Приложим теперь напряжение между базой и эмиттером СГбэ, в указан¬
ной на рисунке полярности. Поскольку "+" І7вэ подключен к базе (p-зона), а
С7вэ - к эмиттеру (n-зона), то эмиттерный переход окажется в прямом
включении и будет вести себя как диод. При сгвэ >(0,6...0,8) В электроны
начнут проходить из эмиттера в базу. Движением дырок из базы в эмиттер
можно пренебречь, т.к. их в базе мало - мала концентрация примеси. Попав в
базу, большая часть электронов захватывается нолем коллекторного перехо-
20
+
о
' ■ '<¬
да Ек и выбрасывается в коллектор, двигаясь затем к "+" Ек и образуя ток
коллектора X*. От минусового зажима Ек электроны поступают в эмиттер,
образуя ток эмиттера Іэ. Небольшая часть электронов, попавших в базу, че¬
рез вывод базы в виде тока базы Іб утечет к "+" и6э. .
Таким образом, через транзистор потечет ток. При этом общий поток'
электронов, вошедших из эмиттера в базу, разделяется на две части - боль¬
шая их часть проходит в коллектор, значительно меньшая - в базу.
Исходя из вышеизложенного, можно записать основное уравнение то¬
ков в транзисторе:
4 =4+4- . .
Примем ток эмиттера за единицу. Тогда для тока коллектора можно за¬
писать: '
4 = «4,
где а - коэффициент, показывающий какая часть электронов, вошедших в
базу, попала в коллектор.
При изготовлении транзистора стремятся сделать а как можно ближе к
единице (а=0,95-4-0,999), что достигается изготовлением базы возможно бо¬
лее тонкой.
Для тока базы можно записать:
/б = (1 - а)/э.
Вывод базы является управляющим выводом транзистора. Учитывая,
что Ів<<Хк можно сделать вывод: если рассматривать транзистор как при¬
бор, входной величиной которого является ток базы, а выходной - ток кол¬
лектора, то он способен усиливать ток. Его усилительные свойства оценива¬
ются коэффициентом усиления по току к±:
и = ^К — и^э _ а
1 І„ (1 — а)Іэ 1-сГ.
Другое название этого коэффициента - коэффициент прямой передачи
тока в схеме с общим эмиттером - й21э (международное обозначение - hra).
Поэтому для тока коллектора можно записать:
I* = кхІ6.
Для современных транзисторов й21э-.?с.і.-20...1000.
Процессы в р-п-р- іранзисторе аналогичны, но полярности напряже¬
ний нужно изменить на противоположные.
21
1.4 Схемы включения, параметры и характеристики транзистора
Транзистор может быть включен по трем основным схемам,-показанным
на рис. 1.13:
- схема с общим эмиттером (ОЭ);
- схема с общим коллектором (ОК);
- схема с общей базой (ОБ).
Усилительные возможности транзистора в этих схемах реализуются по
разному. Термин "общий" указывает на вывод транзистора, являющийся об¬
щим для подключения источника питания Ек и входного сигнала 17вх. На
рис. 1.13 последовательно с транзистором включен резистор R, который яв¬
ляется для него нагрузкой - через него протекает выходной ток 111ПС.
и,
Ли J6 Б/р?
- О » J
EX
+о—
9+
К—t
а)
б)
Рис. 1.13. Схемы включения транзистора: а - ОЭ; б - ОК; в - ОБ
Каждая из схем характеризуется коэффициентами усиления по току к±
по напряжению ки и по мощности кр:
1г — .
1 j '
"‘’ВХ
к - Нив. •
Р I и
Зг — ВЬРС _ ^ВЫХ^ВИХ _ 1- 1-
р р IV 1 u
вх вх вх
22
' ' . *
Весьма важными параметрами схем являются входное сопротивление
Я** и выходное IW Целесообразно, чтобы было как можно больше, то¬
гда от источника входного сигнала С7ВХ схема будет брать меньший ток. С
другой стороны целесообразно, чтобы схема обладала, возможно, меньшим
■Квіи, тогда в нагрузку она сможет отдать больший ток. •
Сравнительные характеристики схем включения транзистора приведены
в табл. 1.1. По комплексу параметров схема с общим эмиттером обладает
лучшими свойствами, обеспечивая усиление сигнала, как по току, так и по
напряжению. Поэтому она наиболее часто применяется. На ее примере рас¬
смотрен принцип действия транзистора.
Таблица 1.1
Основные параметры схем включения транзисторов
, . 1
1 *1
кр
Я.*
оэ
»1
»1
»1
среднее
(сотни Ом)
среднее
(кОм)
ок
»1
«1
>1
высокое
(сотни кОм)
низкое
(Ом)
ОБ
«1
»1
>1
низкое
(десятки Ом)
высокое
(сотни кОм)
Транзистор характеризуется большим числом параметров. В их числе -
приводимые в некоторых справочниках (здесь они не приведены) вольт-
амперные характеристики.
Однако, с позиции надежной работы транзистора в первую очередь важ¬
ны его предельно-допустимые параметры, значения которых не должны пре¬
вышаться во время его эксплуатации. К ним относятся:
- максимальный ток коллектора I* лах, который может составлять от де¬
сятков миллиампер до десятков ампер;
- максимальное напряжение между коллектором и эмиттером икэ - де¬
сятки, реже - сотни вольт;
- максимальная рассеиваемая мощность Рк шах - сотни милливатт ... де¬
сятки ватт;
- максимальная температура кристалла транзистора (его коллекторного
перехода), для кремниевых транзисторов может составлять 125°С, ино¬
гда до 150°С.
Эти параметры, а также коэффициент усиления по току Ь21э и ряд дру¬
гих приводятся в справочниках.
По принятой в нашей стране системе транзисторы маркируются так:
КТ315А - К - кремниевый, Т - транзистор, 3 - маломощный, высокочастот¬
ный, 15 - номер разработки; А - модификация по значению h2іэ и UK3 тах. Ес¬
ли транзистор отмаркирован по принятой в США системе, то его марка рас-
23
шифровывается так: 2Л'5249 - 2 - количество р-п-переходов, N - знак-
разделитель, 5249 - регистрационный номер.
До недавнего времени по своим предельным параметрам транзистор не
являлся мощным прибором, способным управлять силовым электрооборудо¬
ванием. Однако в 90-х годах были разработаны мощные транзисторы, рас¬
считанные на токи в единицы килоампер и напряжения в несколько кило¬
вольт.
Недостатки транзистора:
- большой разброс параметров при изготовлении;
- сильное влияние температуры на характеристики.
Особенно неприятным является влияние температуры. С увеличением
температуры значения всех предельно-допустимых параметров транзистора
снижаются на десятки процентов, а коэффициент усиления h2l3 увеличивает¬
ся в несколько раз. Этим объясняется нестабильная работа и увеличение чис¬
ла отказов электронной аппаратуры при работе в условиях повышенных
(обычно более 50°С) температур окружающей среды.
Отмеченные недостатки транзистора не имеют решающего значения. В на¬
стоящее время транзистор - основа электроники. Ресурс транзисторов, как и
других полупроводниковых приборов, практически не ограничен (десятки лет).
Для реализации своих усилительных возможностей транзистор всегда
включается последовательно с элементом, выполняющим для него роль на¬
грузки. На рис. 1.14 представлена схема включения с ОЭ, в которой резистор
R„ является нагрузочным элементом.
В качестве нагрузки может быть не только резистор, но и такие устрой¬
ства как сигнальная лампа, обмотка электромагнитного реле, исполнитель¬
ный двигатель системы автоматики и другие. Объединяет их то, что каждый
1.5 Работа транзистора на нагрузку
Разновидности нагрузки
О +
Ек
К
Іб
+ о ►
~
- о
Рис. 1.14. Совместная работа транзистора и наірузочного элемента
24
' ■ . *
из них обладает определенным электрическим сопротивлением, обозначен¬
ным в данной схеме как R*. Для основной силовой цепи, состоящей из тран¬
зистора, R* и источника питания Ег можно записать уравнение в соответст¬
вии со вторым законом Кирхгофа:
=ика + иВн = икэ + ikRh, :
где икэ - напряжение на транзисторе;
Up„ - напряжение на нагрузке;
Ік - ток коллектора, протекающий через нагрузку R„.
Представим его в другом виде:
ЦсЭ = Е* - I&. .
Возможны два предельных режима работы данной схемы.
1. С7в*=!7вэ=0. Поэтому Гв=0 и IK=Jc1I6=0. Транзистор ток не пропускает,
обладая высоким сопротивлением. Напряжение на нагрузке равно ну¬
лю (Us^IxRn), как и ток через нагрузку. При этом все напряжение ис¬
точника питания приложено к транзистору: І7КЭ=Е*. Такая ситуация ха¬
рактеризуется термином "транзистор закрыт".
2. О’„=С7вэ>0 (реально 0,8...1,0 В). Поэтому І6>0 и Ік=к±Іб>0. Транзи¬
стор стал пропускать ток, т.е. его сопротивление снизилось. Если Ів
достаточно большой, то сопротивление транзистора становится пре¬
небрежимо малым. При этом ток ограничивается лишь сопротивлением
нагрузки на уровне ІХ=Е*/Кн. Все напряжение приложено к нагрузке
а 17кэ=0. Такое состояние характеризуется термином "транзи¬
стор открыт".
В режимах "открыт/закрыт" транзистор работает в устройствах дискрет¬
ного действия. Разброс его параметров и влияние температуры здесь прояв¬
ляются весьма слабо.
Возможен промежуточный, активный режим работы транзистора, обес¬
печиваемый при 0<С7ВХ<(0,6.. .0,8) В.
я г -
Для этого режима: — ,
где В** - входное сопротивление транзистора.
Ток коллектора можно выразить формулой:
U.r
Тогда:
ІК - Ьц }16 - h21 э~7Г
Ek-IKR„=Ek-h2l^
Кт
25
Изменяя иѣх в небольших пределах (0...1В) можно плавно перераспре¬
делять напряжение питания Ек между транзистором (UK3) и нафузкой (Um),
тем самым плавно регулируя ток через нагрузку. В таком режиме работают
аналоговые электронные устройства. Чтобы разброс параметров (Ь2іэ) и из¬
менение температуры меньше влияли на работу транзистора, здесь прихо¬
дится применять специальные меры.
Таким образом, транзистор может быть представлен в виде управляемо¬
го электрическим сигналом переменного сопротивления. Управляя величи¬
ной этого сопротивления мы можем перераспределять энергию источника
питания (Еу.) между нагрузкой (Rн) и собственно транзистором.
Наиболее экономично это управление осуществляется, когда транзистор
работает как ключ, то есть или открыт или закрыт (говорят - в ключевом ре¬
жиме). Если транзистор закрыт, то электрическая мощность, потребляемая от
источника питания равна нулю, поскольку Х=0. Когда же транзистор открыт,
по цепи протекает максимально возможный для нее ток, ограничиваемый
лишь значением R„. Мощность же, отбираемая от источника питания, подво¬
дится только к R„, поскольку падение напряжения на транзисторе икэ»0 и
выделяемая на нем мощность РК=ІКиКЭ~0. В обоих случаях, работая в ключе¬
вом режиме, транзистор почти не потребляет мощность и, как следствие - не
разогревается, что хорошо.
Поэтому, в большинстве электронных систем автоматики транзистор
используется в ключевом режиме работы.
В аналоговых устройствах транзистор плавно меняет свое сопротивле¬
ние. При этом через него всегда протекает какой-то по величине ток и на нем
падает часть напряжения питания {UK3). Поэтому на транзисторе всегда вы¬
деляется электрическая мощность PK=UKBIK^0, что вызывает его нагрев и для
надежной работы требуется охлаждение транзистора. Это неблагоприятное
обстоятельство, поэтому в современных системах автоматики стараются из¬
бегать, где только возможно, использования транзистора в данном режиме.
1.6 Разновидности транзисторов
Рассмотренный выше транзистор называется биполярным. Имеются и
другие разновидности транзистора, в частности - полевой транзистор. Он
управляется создаваемым в нем электрическим полем. Есть несколько разно¬
видностей такого транзистора. Наиболее широкое применение получила раз¬
новидность, именуемая как MOSFET-транзистор (англ. metal-oxide-
semicond.Tictox-field.-effeet transistor). Это усилительный при-
26
'' ' ■ 1r
бор (см. рис. 1.15) с тремя выводами. Вывод, именуемый "затвор" {gate) яв¬
ляется управляющим. При подаче на него входного напряжения сопротивле¬
ние транзистора между его выходами "сток"
{drain) и "исток" (source) снижается, т.е. транзи¬
стор открывается.
Такие транзисторы обладают рядом пре¬
имуществ и являются основным строительным
материалом больших интегральных микросхем,
насчитывающих сотни тысяч - миллионы таких
транзисторов. Вместе с тем, для них опасным является статическое электри¬
чество, накапливаемое, например, на теле человека. Поэтому перед началом
работы с такими устройствами (ремонт, замена блоков) следует снять с тела
человека статический электрический заряд, прикоснувшись, например, к ме¬
таллу корпуса судна.
Преимущества биполярных и полевых транзисторов в 90-х годах уда¬
лось объединить в новой разновидности мощного полупроводникового уси¬
лительного прибора, именуемого IGBT-транзистор (insulated grate bi¬
polar transistor - биполярный транзистор с изолированным затвором).
Этот транзистор внутри состоит из последовательно включенных двух тран¬
зисторов: MOSFET-транзистора и биполярного (см. рис. 1.16). При подаче на
затвор управляющего напряжения MDSFEr-транзистор открывается. Это
обеспечивает появление тока базы биполярного транзистора и он также от¬
крывается. Таким образом, входной MOSFET-транзистор управляет работой
выходного биполярного транзистора.
коллектор коллектор
затвор .
I г затвор I Г .
ч ч
эмиттер эмиттер
Рис. 1.16. Варианты обозначения /СВГ-транзистора
Такие транзисторы используются в ключевом режиме в силовых элек¬
трических цепях и способны управлять токами до 4200 А и напряжениями до
4500 В. Появление таких транзисторов дало мощный толчок развитию сило¬
вых полупроводниковых преобразователей электроэнергии, в том числе для
морских судов.
СТОК
исток
Рис. 1.15. MOSFET-трантсюр
27
1.7 Тиристор
Тиристор - это усилительный прибор, имеющий три р-п-перехода
(рис. 1.17). В настоящее время это один из наиболее мощных управляемых
полупроводниковых приборов. Другие названия тиристора - тринистор,
кремниевый управляемый выпрямитель, управляемый диод. В англоязычной
литературе широко используется термин "silicon controlled recti¬
fier”, сокращенно "SCR".
В простейшем случае тиристор имеет два вывода - анод (из крайней р-
зоны) и катод (из крайней n-зоны). Такая разновидность называется дини-
стор (рис. 1.17). У основной разновидности тиристора (от нее и пошло на¬
звание этого класса приборов) имеется, третий вывод - управляющий элек¬
трод (УЭ) (англ. gate).
Анод
Катод
Р
п
р
п
ІУЭ
УЭ
А
а)
К
б)
в)
Рис. 1.17. Тиристор:
а - структура тиристора; б - обозначение тиристора; в - обозначение динистора
Ввиду сложности процессов, протекающих в тиристоре, для объяснения
его принципа действия он представляется моделью в виде эквивалентной
схемы, состоящей из двух транзисторов, если его условно разрезать, как по¬
казано на рис. 1.18.
УЭ
Р
п /
~рП
п
р
п
I к
Рис. 1.18 Эквивалентная схема тиристора и схема ее включения
Если последовательно с тиристором включить нагрузку R„ и подать пи¬
тание Цдп, (рис. 1.18), то при малом напряжении итт протеканию тока через
тиристор препятствует второй, средний р-п-переход, который включен в
обратном направлении.
28
К
Существует небольшой обратный ток этого перехода, который вызван
собственной проводимостью.
Транзисторы схемы включены так, что стараются поддержать друг друга
в открытом состоянии - ток коллектора первого транзистора Хк1 является то¬
ком базы второго транзистора Хб2 и на¬
оборот. Однако, это возможно, если сум¬
марный коэффициент усиления транзи¬
сторов будет больше единицы. Коэффици¬
енты а транзисторов зависят от тока.
Примерный вид этой зависимости дан на
рис. 1.19. Если а<0,5, то транзистор теря¬
ет усилительные свойства, поскольку при
. а „
этом h21 з = < 1.
1 - а
Когда а1+а2£1, совместное усиление транзисторов становится больше
единицы, и транзисторы начинают открывать друг друга. Этот процесс идет
до полного их открывания. Чтобы он начался, необходимо увеличить ток ти¬
ристора (транзисторов эквивалентной схемы) до некоторого начального зна¬
чения. Это достигается увеличением напряжения между анодом и катодом до
величины Um, чему соответствует точка А на рис. 1.20. После открытия ти¬
ристора (или транзисторов его
модели) практически все
приложено к Rn (рис. 1.18), а па¬
дение напряжения на тиристоре
незначительно. Этому режиму со¬
ответствует точка С на рис. 1.20.
Чтобы закрыть тиристор, не¬
обходимо снизить ток через него
до некоторого тока выключения
Твикл (практически до нуля), при
котором а1+а2<1.
Для облегчения открывания тиристора на управляющий электрод пода¬
ют напряжение управления Цущ, (рис. 1.18) величиной несколько вольт. По¬
являющийся ток управления Іущ, приоткрывает транзисторы, увеличивая их
а. Теперь они включаются при меньшем напряжении между катодом и ано¬
дом. В итоге, вольт-амперная характеристика тиристора представляет семей¬
ство характеристик, показанных на рис. 1.20, для разных Ху,,,. Можно подать
такой ток управления (1ущ> спр), при котором характеристика тиристора спря-
29
а — f(XK) транзистора
мится, не будет иметь выброса, и по форме будет близка к характеристике
обычного диода. Поэтому тиристор и называют иногда управляемым диодом. .
Сигнал управления может подаваться кратковременно, поскольку открыв¬
шись транзисторы затем поддерживают друг друга в открытом состоянии.
Закрыть тиристор через управляющий электрод нельзя, для этого необ¬
ходимо снизить ток в его главной цепи до уровня Івыкл. Поэтому тиристор
называют однооперационным прибором, т.е. прибором с односторонним
управлением. Это его основной недостаток.
Основные параметры тиристора:
- 0вкл - десятки вольт - киловольты;
- Іцр.иа*-до нескольких килоампер;
- Дзбр.тах- сотни вольт - киловольту;
- Івшсл-несколько процентов от Іцр.иа^;
- иущ, - несколько вольт;
- Іупр- несколько процентов от ІпріШис;
- время переключения - десятки микросекунд.
Сложность применения тиристора обусловлена его односторонним управ¬
лением. Однако в цепях переменного тока это больших проблем не создает.
В качестве иллюстрации - применение тиристора для выпрямления пе¬
ременного тока (рис. 1.21).
На рис. 1.21 параметр а выражает электрический угол, на который
управляющий сигнал С^ір, поступающий от системы управления (СУ) задер- -
живается относительно начала полуволны синусоиды. После подачи 0^, в
виде импульса, тиристор открывается и удерживается в этом состоянии, пока
ток через него не снизится практически до нуля. Точки 1 и 2 - это моменты
времени, в которые питающее напряжение, а соответственно и ток через ти¬
ристор, снижается до нуля, вследствие чего он закрывается.
-U
<—>
+ -
R„ U„
а
О
1
п
t
СУ
Рис. 1.21. Простейшая схема управляемого выпрямителя
30
Изменяя с помощью системы управления угол а, можно регулировать
среднее значение выпрямленного напряжения, пропуская в нагрузку боль¬
шую или меньшую часть полуволны синусоиды. Это и есть-принцип дейст¬
вия управляемого выпрямителя. Такой способ управления называется им¬
пульсно-фазовым. ;
Таким образом, тиристор открывается сигналом управления, а закрыва¬
ется естественным путём, без дополнительных мер, при значении тока Х=0.
В цепях постоянного тока напряжение питания не достигает нулевого
значения, поэтому открытый тиристор без специальных мер в закрытое со¬
стояние не перейдет. При этом система управления кроме сигнала на откры¬
тие должна формировать также сигнал и на его закрытие, но прикладывается
он не к УЭ, а между анодом и катодом тиристора.
Применение тиристоров. Тиристоры применяются в управляемых вы¬
прямителях переменного тока, в сварочных аппаратах, преобразователях час¬
тоты тока, в качестве бесконтактных коммутационных элементов и в других
силовых электроэнергетических устройствах.
Существует ряд разновидностей тиристоров. Так есть тиристор, который
можно и закрыть, подавая сигнал на управляющий электрод. То есть, полно¬
стью управляемый тиристор. Однако по другим характеристикам он уступает
обычному тиристору.
В цепях переменного тока, когда нужно управлять прохождением тока в
обоих направлениях, широко используется симистор - симметричный тири¬
стор (рис. 1.22). По существу это два обычных тиристора, включенных
встречно-параллельно и имеющих общий управляющий электрод. Другое на¬
звание такого тиристора - триак (англ. triac).
Рис. 1.22. Варианты обозначения симистора
В настоящее время тиристоры постепенно вытесняются другими, более
перспективными мощными, полностью управляемыми приборами - MOSFET
и IGBT - транзисторами, в частности, в цепях постоянного тока.
1.8 Оптоэлектронные приборы. Приборы индикации
В этих приборах совместно используются оптические и электронные яв¬
ления.
Они делятся на три группы:
31
- приемники света; •
- источники света;
- оптроны. •
Фоторезистор (приёмник). Это полупроводниковый резистор, сопро¬
тивление которого уменьшается с ростом освещенности.
В конструкции фоторезистора имеется окно, через которое на его фото-
чувствительный слой попадает свет. Если к фоторезистору подключить ис¬
точник напряжения, то протекающий через него ток Хф будет увеличиваться
с ростом падающего на него светового потока Ф (рис. 1.23). В зависимости от
освещенности, сопротивление фоторезистора может изменяться в десятки
раз, т.е. фоторезистор является весьма чувствительным приемником света.
Величина тока Хф зависит также от питающего напряжения U и длины волны
X светового излучения (рис. 1.23).
Фоторезисторы используются в судовых системах пожарной сигнализа¬
ции, как датчики дыма, в системах автоматики паровых котлов, для контроля
наличия факела, и др.
Фотодиод (приёмник). Это полупроводниковый диод, обратный ток че¬
рез который зависит от освещенности его р-п-перехода. Если фотодиод
включить в обратном направлении, то с увеличением падающего на него
светового потока обратный ток будет возрастать (рис. 1.24).
' ' Іобр
Рис. 1.24. Обозначение и характеристики фотодиода
Он также характеризуется спектральной характеристикой, примерно та¬
кого же вида, как у фоторезистора.
а)
б)
в)
Рис. 1.23. Фоторезистор: а-обозначение и схема включения;
б - световая характеристика; в - спектральная характеристика
Іпр
Unp
32
Изменяя с помощью системы управления угол а, можно регулировать
среднее значение выпрямленного напряжения, пропуская в нагрузку боль¬
шую или меньшую часть полуволны синусоиды. Это и есть принцип дейст¬
вия управляемого выпрямителя. Такой способ управления называется им¬
пульсно-фазовым. ;
Таким образом, тиристор открывается сигналом управления, а закрыва¬
ется естественным путём, без дополнительных мер, при значении тока Х=0.
В цепях постоянного тока напряжение питания не достигает нулевого
значения, поэтому открытый тиристор без специальных мер в закрытое со¬
стояние не перейдет. При этом система управления кроме сигнала на откры¬
тие должна формировать также сигнал и на его закрытие, но прикладывается
он не к УЭ, а между анодом и катодом тиристора.
Применение тиристоров. Тиристоры применяются в управляемых вы¬
прямителях переменного тока, в сварочных аппаратах, преобразователях час¬
тоты тока, в качестве бесконтактных коммутационных элементов и в других
силовых электроэнергетических устройствах.
Существует ряд разновидностей тиристоров. Так есть тиристор, который
можно и закрыть, подавая сигнал на управляющий электрод. То есть, полно¬
стью управляемый тиристор. Однако по другим характеристикам он уступает
обычному тиристору.
В цепях переменного тока, когда нужно управлять прохождением тока в
обоих направлениях, широко используется симистор - симметричный тири¬
стор (рис. 1.22). По существу это два обычных тиристора, включенных
встречно-параллельно и имеющих общий управляющий электрод. Другое на¬
звание такого тиристора - триак (англ. triac).
Рис. 1.22. Варианты обозначения симистора
В настоящее время тиристоры постепенно вытесняются другими, более
перспективными мощными, полностью управляемыми приборами - MOSFET
и IGBT - транзисторами, в частности, в цепях постоянного тока.
1.8 Оптоэлектронные приборы. Приборы индикации
В этих приборах совместно используются оптические и электронные яв¬
ления.
Они делятся на три группы:
31
В отличие от фоторезистора, это очень быстродействующий прибор.
Фотодиоды могут быть выполнены для работы в видимой части спектра из¬
лучения или в инфракрасной области.
Фототранзистор (приёмник). Световой поток
для фоторезистора выполняет такую же роль, как и
управляющий ток базы обычного транзистора - с рос¬
том освещенности увеличивается ток коллектора тран¬
зистора (рис. 1.25). Фототранзистор обладает наи- Рис. 1.25. Обозначение
большей чувствительностью к световому потоку. фото-транзистора
Светодиод (источник света) (рис. 1.26). Для изготовления светодиодов
используются специальные полупроводниковые материалы - арсенид галлия
и другие. В этих полупроводниках имеет место, сле¬
дующее явление: при прямом включении р-п-перехода
дырки и электроны в зоне его р-п-перехода взаимно
компенсируют друг друга (рекомбинируют) и этот про¬
цесс сопровождается высвобождением энергии, излу¬
чаемой в виде света. Существуют светодиоды, излу- ® Unp ®
чающие в красном спектре, зелёном, желтом. Его ВАХ рис j 2(, Включение
аналогична характеристике обычного диода. Светодио- светодиода
ды обеспечивают достаточную яркость свечения уже при [^=2-^3 В, при
этом прямой ток Іпр=3-ь20 мА. Эти параметры хорошо согласуются с пара¬
метрами других электронных приборов - транзисторов, микросхем и т.д., что
обеспечивает их широкое применение.
В зарубежной технической документации вместо термина "светодиод"
обычно используется аббревиатура LED, от английского "light emitting
diode".
Как источник света светодиод обладает рядом преимуществ - большое
быстродействие, неограниченный срок службы, начинает светиться при
весьма малой подводимой мощности. Светодиоды могут работать и в ин¬
фракрасном спектре (как и фотодиоды). Они широко применяются для по¬
строения устройств индикации, мнемосхем, в качестве элементов световой
сигнализации, в различных датчиках и др.
В 90-годы были разработаны, так называемые, сверхяркие светодиоды,
которые все шире используются как источники искусственного освещения. У
лучших образцов таких светодиодов КПД по световой отдаче достигает
75...80%, что в 4...5 раз лучше, чем у газонаполненных (энергосберегающих)
ламп, ив 15...20 раз лучше, чем у ламп накаливания.
N
V
33
-«**чиу
Оптрон. Это полупроводниковый прибор, объединяющий в одной кон¬
струкции источник и приёмник света. Электрический сигнал подается к ис¬
точнику света, обычно это светодиод, в котором преобразуется в световой
сигнал, воспринимаемый приемником света. В качестве приемника света мо¬
гут использоваться фотодиод, фототранзистор и другие, чувствительные к
свету электронные приборы (рис. 1.27).
диодный оптрон транзисторный оптрон
1.27. Обозначение оптронов
Применение оптронов позволяет обеспечить гальваническое разделение
электрических цепей. Например, системы управления, выполненной на элек¬
тронных приборах с низкими питающими напряжениями и силовой схемы,
включающей такое оборудование, как электродвигатели, генераторы и др., пи¬
тающейся напряжением 220/ 380 В и потребляющей большие токи (рис. 1.28).
Рис.
Система управления
(транзисторы,
микросхемы и др.)
Силовая
электрическая схема
(двигатели,
генераторы и др.)
ипит - единицы -
Упит- сотни вольт
десятки вольт
Рис. 1.28. Гальваническая развязка электрических цепей
При этом обеспечивается безопасность в обслуживании системы управ¬
ления, поскольку при аварии
в силовой схеме высокое на¬
пряжение не попадает в сис¬
тему управления. Обеспечи¬
вается также защита от по¬
мех, которые создаются си¬
ловой схемой и могут нару¬
шить работу системы управ¬
ления.
Электронные источни¬
ки и приемники света широ¬
ко используются в качестве
Рис. 1.29. Датчик, реагирующий на прозрач- элементов датчиков судовых
ность контролируемой среды
34
систем автоматики. Наиболее часто используемая конструкция датчика при¬
ведена на рис. 1.29. Он реагирует на прозрачность контролируемой среды -
жидкости или газа. Источник света - светодиод (или миниатюрная лампа на¬
каливания) - освещает через проходящую сквозь датчик среду приемник све¬
та. В качестве приемника света может использоваться фототранзистор (или
фотодиод, фоторезистор). Если прозрачность среды снижается, изменяется
ток, проходящий через приемник света. Датчики такого типа называются фо¬
тоэлектрическими (фотоэлектронными). Они используются в судовых систе¬
мах пожарной сигнализации, реагируя на дым, в устройствах контроля кон¬
центрации масляного тумана в картере дизеля, для контроля загрязнения
льяльных вод нефтепродуктами и др. Существуют и другие применения фо¬
тоэлектронных датчиков.
Приборы индикации (цифровые дисплеи). Служат для отображения
информации в визуальной форме, в виде цифр или других знаков.
Существуют два способа формирования изображения знака:
- с фиксированным начертанием знака (изображение заготовлено заранее);
- знакосинтезирующие приборы, которые могут быть сегментного, мат¬
ричного или столбикового типа.
Более широко применяются синтезирующие приборы, которые содержат
определенное число элементов индикации, каждый из которых может быть
засвечен индивидуально (рис. 1.30).
По принципу действия элементов индикации приборы индикации делят¬
ся на четыре основных типа: полупроводниковые, газоразрядные, вакуумные
люминесцентные, жидкокристаллические.
Элемент индикации
Элемент индикации
н
7
С
Матрица
5x7-35 элементов
а) б) в)
Рис. 1.30. Разновидности знакосинтезирущих индикаторов:
а - семисегментный; б - матричный; в - столбикового типа
Полупроводниковые приборы индикации используются наиболее
широко. Они строятся как синтезирующие индикаторы, каждый элемент ко-
35
. t-
торых является одиночным светодиодом. Основные их достоинства - высо- .
кая надежность, низкое напряжение питания, миниатюрность.
Газоразрядные (плазменные) приборы индикации имеют стеклянный
баллон, заполненный инертным газом. Если к электродам прибора подвести
напряжение 150-^200 В, то возникнет непрерывный разряд в газе, при кото¬
ром его атомы ионизируются и возникает видимое свечение. Форма светя¬
щейся области такая же, как и у катода, возле которого скапливаются ио¬
низированные атомы (рис. 1.31, а).
газ (аргон, криптон)
Анод
"1 * ь*
0тт 0
Катод
Катода <
(256 пгг.)
и более
1 ГѴ-
—►
Светящаяся
^ точка
Ѵт
Аноды
(256шт.)
и более
а) б)
Рис. 1.31. Г азоразрядные индикаторы: а - простейший; б - матричный
На основе этого принципа изготавливаются матричные индикаторы для
вывода большого объема информации (рис. 1.31,6). Если подвести питающее
напряжение к одному из анодов и к одному из катодов, выполненных в виде
натянутых проволок, (между ними имеется небольшой зазор), то на их пере¬
крестии будет возникать разряд в газе, видимый как светящаяся точка.
Сложность применения газоразрядных индикаторов - в высоком пи¬
тающем напряжении.
Основными элементами вакуумного люминесцентного индикатора яв¬
ляются катод, сетка и несколько анодов, размещённых друг за другом (рис. 1.32).
Раскаленный катод, выполненный в виде
нити накаливания, служит источником электро¬
нов. Аноды выполнены в виде металлических
сегментов, покрытых слоем люминофора. Каж¬
дый сегмент имеет вывод, к которому прикла¬
дывается напряжение положительной полярно¬
сти относительно катода. Под действием этого напряжения электроны, ис¬
пускаемые катодом, движутся в направлении анода и, соударяясь с ним, вы¬
зывают свечение люминофора.
Сетка расположена между катодом и анодами и служит для управления
свечением индикатора.
П Катод
Рис. 1.32. Люминесцентньш
индикатор
36
Жидкокристаллические индикаторы работоспособны только при их
внешнем освещении или при внутренней подсветке. Если к такому элементу
индикации приложить напряжение, то его жидкие кристаллы ориентируются
в пространстве определенным образом, поглощая свет. Такой элемент виден
как темный участок на общем светлом фоне. В отсутствие напряжения кри-'
сталлы ориентированы хаотично, рассеивая падающий на них свет, вследст¬
вие чего элемент индикации виден как светлый участок, не отличающийся на
общем фоне. Уступая другим типам индикаторов по основным характеристи¬
кам (узкий диапазон рабочих температур, инерционность и др.), жидкокри¬
сталлические индикаторы значительно компактнее их, обладают сверхниз¬
ким потреблением энергии, что позволяет их использовать в автономных
электронных устройствах с питанием от химических источников тока огра¬
ниченной емкости. ’
Характеристики жидкокристаллических приборов индикации (англ.
LCD - liquid crystal display) быстро улучшаются. Они все шире используются
в судовых системах автоматики, в частности - для построения сравнительно
небольших по объему выводимой информации специализированных цифро¬
вых дисплеев, а также в составе судовых компьютерных панелей управления.
1.9 Пассивные элементы электронных схем
К пассивным элементам относятся в основном резисторы и конденсато¬
ры. Катушки индуктивности в электронных системах судовой автоматики
применяются крайне редко.
Резистор - устройство, обладающее определенным электрическим со¬
противлением. Основное его назначение - ограничить ток в цепи. Резистор
как изделие характеризуется тремя основными параметрами:
- номинальное сопротивление;
- допуск, выражаемый в процентах и отражающий отклонение реального
сопротивления от номинального;
- номинальная рассеиваемая мощность.
Поскольку токи в электронных устройствах небольшие, то номинальные со¬
противления применяемых резисторов находятся на уровне единиц - сотен
килоом. Резисторы выпускаются с различными допусками, от сотых долей
процента до (5-И0)%. Характерные допуски для резисторов, используемых в
судовой автоматике (1 +5)%. Номинальная рассеиваемая мощность - пара¬
метр, ограничиваемый допустимым нагревом резистора. При протекании че¬
рез него тока I и падении напряжения U на нем выделяется мощность
P=UI=I2R, которая преобразуется в тепло - резистор разогревается. Если
37
.■ lf-
МОЩНОСТЬ будет чрезмерна, резистор перегреется и выйдет из строя ("сго¬
рит"). Это наиболее типичная причина повреждения резисторов. В электрон¬
ных устройствах используются резисторы на весьма небольшие мощности -
от 0,125 Вт до 2 Вт. Резистор, рассчитанный на большую мощность, имеет и
большие размеры, т.е. увеличенную площадь охлаждения. Пример обозначе¬
ния резисторов в схемах приведен на рис. 1.33. Обозначение параметров на
корпусах резисторов, ввиду их малых размеров, как правило, кодированное
или сокращенное. Широко используется цветовой код, в виде 4-х или 5 колец
наносимых на корпус резистора (табл. 1.2). Кольца смещены к одному' торцу
резистора, чтобы можно было определить с какой стороны начинать рас¬
шифровку. Цвет первого кольца выражает значение первой значащей цифры
сопротивления. Второе кольцо - вторая.цифра сопротивления, третье кольцо
- множитель, четвертое - допуск.
+0-
RI
R7 2к7 2%
Ubx= ііпит
R2
Ubux
0-
а)
б)
в)
Г) д)
Рис. 1.33. Примеры обозначений резисторов:
а) резистор с номером 7, сопротивлением 2,7 кОм и мощностью 0,125 Вт, показанный в со¬
ответствии с отечественным стандартом; б) резистор 2,7 кОм с допуском ±2%, в схеме за¬
рубежного производства; в) переменный резистор с номинальным сопротивлением 10 кОм;
г) переменный резистор, включенный по потенциометрической схеме;
д) делитель напряжения
Таблица 1.2
Цветовая маркировка резисторов
Цвет кольца
Сопротивление, Ом
Допуск, %
первая цифра
вторая цифра (и третья)
множитель
Серебристый
1
10'2
±10
Золотистый
1
10‘‘
+5
Черный
! 0
10“
-
Коричневый
1
1
ю1
±1
Красный
2
2
10"
±2
Оранжевый
3
3
10J
-
Желтый
4
4
ю4
-
Зеленый
5
5
10!
±0,5
голубой
6
6
10"
±0,25
Фиолетовый
7
7
10'
±0,1
Серый
8
8
10*
±0,05
Белый
9
9
10"
-
38
' ’ . *■
Так, например, на резистор нанесены 4 кольца следующих цветов (по
порядку): желтое (цифра 4), фиолетовое (цифра 7), оранжевое (множитель
103), золотистое (допуск ±5%). Данный резистор имеет- сопротивление
47-103 Ом = 47 кОм, допуск +5%.
Следует отметить, что обычный резистор - один из самых надежных-
компонентов электронных устройств. В отличие от него, переменный рези¬
стор, имеющий подвижный механический контакт, позволяющий изменять его
сопротивление (рис. 1.33), является одним из самых ненадежных элементов
электронных устройств. Причина - в механическом износе и окислении под¬
вижного контакта. Поэтому их стараются использовать в блоках судовой ав¬
томатики как можно реже. Однако полностью их исключить, пока не удается.
Переменные резисторы используются в судовой автоматике как органы
настройки и регулировки, а также как составная часть некоторых датчиков.
Возможны два основных варианта их использования.
В первом случае этот элемент используется по существу как перемен¬
ный резистор (рис. 1.33,в). Для этого между подвижным контактом резистора
и одним из его неподвижных контактов устанавливается внешняя перемычка,
закорачивающая часть резистора. Изменяя положение подвижного контакта
можно, таким образом, плавно изменять величину введенного в электриче¬
скую цепь сопротивления переменного резистора (по рис. 1.33,в — от 0 до
10 кОм). Поэтому регулируемым параметром здесь является сопротивление.
С его помощью регулируется ток I в данной цепи.
Во втором варианте переменный резистор включается по схеме потен¬
циометра (рис. 1.33,г). К крайним выводам резистора подключается питающее
напряжение и^, а между одним из крайних выводов и подвижным контактом
снимается выходной сигнал UB1IX. При этом 17вых будет зависеть (при постоян¬
ном Цв,,,) от положения а подвижного контакта. Изменяя это положение мож¬
но плавно менять VBiBL от нуля до максимального значения, равного итт.
Изменять параметр а можно как вручную, так и с помощью другого воз¬
действия. Например, за счет прогиба мембраны, или сжатия сильфона, вос¬
принимающих давление Р, бар некоторой среды. При этом t7BUX будет про¬
порционально изменяться при изменении давления Р среды, т.е. получим не
что иное, как датчик давления. Такие датчики именуются потенциометриче¬
скими и весьма широко используются в судовой автоматике.
Из громадного многообразия вариантов использования резисторов сле¬
дует остановиться на одном, часто встречающемся вариан те, который имену¬
ется делителем напряжения (рис. 1.33,д). Во многих случаях требуется из не¬
которого входного (UBX) или питающего (и^т) напряжения получить мень¬
39
шее по величине выходное напряжение (ивих), которые соотносятся в опре¬
деленной пропорции ("поделить напряжение"). Протекающий через резисто- '
U
ры ток I = 525:5— создает на резисторе R2 напряжение C7BKX=IR2, кото-
Rl +
рое и является выходным. Для него можно записать
Дробь в этой формуле есть коэффициент деления. Так, если І7ПИТ^10 В, а
Ri=R2, то 17^=0,5 10=5 В. Очевидно, изменяя соотношение резисторов мож¬
но всегда получить требуемое ивых из С7ПИТ. Если же коэффициент деления
требуется изменять (например, при эксплуатации электронного устройства),
то для этого можно использовать потенциометрическую схему рис. 1.33,г.
При этом роль резистора R1 будет выполнять верхняя часть переменного ре¬
зистора, а роль R2 - нижняя часть. Таким образом, потенциометр - это регу¬
лируемый делитель напряжения.
Вторым наиболее распространенным пассивным элементом электрон¬
ных схем является конденсатор. Основным его свойством является способ¬
ность накапливать электрический заряд, т.е. аккумулировать электрическую
энергию. Отдавая накопленный электрический заряд, т.е. разряжаясь, он спо¬
собен создать в подключенной к нему внешней цепи ток, уменьшающийся по
мере его разряда. Принципиально он состоит из двух обкладок, разъединен¬
ных слоем диэлектрика, что отражено в его условном графическом обозначе¬
нии (рис. 1.34).
С7 Clg
0ДМК С7 /іі 4,7мк *1бВ С18 4Д7 35 Ѵ
41- HI- HI-
а) б) в) г)
Рис. 1.34. Примеры обозначений в схемах конденсаторов:
а) конденсатор с номером 7, емкостью ОД мкФ; б) конденсатор емкостью 0,1 мкФ, в схеме
зарубежного производства; в) электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ на но¬
минальное напряжение 16В; г) электролитический конденсатор емкостью 4,7 мкФ на на¬
пряжение 35 В в схеме зарубежного производства
Основной параметр конденсатора - его номинальная емкость, выражае¬
мая в фарадах. Однако фарада - достаточно большая единица емкости. Кон¬
денсатор такой емкости трудно создать, но в этом и нет необходимости. В
электронных устройствах используются конденсаторы емкостью от несколь¬
ких пикофарад (1пФ=1012Ф) до нескольких десятков тысяч микрофарад
40
' ■ • . *
(1мкФ=10‘6Ф). Используется также единица измерения нанофарада:
1нФ=10'9 Ф (англ. lnF=10 9 F).
Как и резисторы, конденсаторы характеризуются допуском.
Один из важнейших параметров конденсатора - номинальное напряже¬
ние. Это такое постоянное напряжение, которое способен выдержать диэлек-і
трик, разделяющий обкладки конденсатора. Если его превысить, то диэлек¬
трик электрически пробивается, и через конденсатор будет проходить посто¬
янный ток, т.е. образуется короткое замыкание. Это серьезная авария, наибо¬
лее типичная для конденсаторов. Поскольку диэлектрик часто выполняется
из органических материалов (бумага, синтетические пленки), то протекаю¬
щий через него при пробое ток оказывает тепловое действие, идет газообра¬
зование, внутри корпуса конденсатора растет давление, что в итоге деформи¬
рует его, а в критических случаях разрывает.
Следует отметить, что конденсатор - один из самых ненадежных эле¬
ментов электронных схем. Несмотря на то, что доля конденсаторов в общем
количестве компонентов электронных устройств весьма мала, как показывает
практика, на них приходится значительная часть отказов электронной аппа¬
ратуры. Особенно неблагоприятны в этом смысле так называемые электроли¬
тические конденсаторы. Изготавливаемые по специальной технологии, они
обладают малой массой и габаритными размерами при большой емкости,
достигающей десятков тысяч микрофарад. Практически все конденсаторы
емкостью от 1 мкФ и выше выпускаются по такой технологии. В отличие от
обычных конденсаторов, они являются полярными, т.е. прикладываемое к
ним постоянное напряжение должно иметь определенную полярность. На
обкладке, обозначенной "+" (рис. 1.34,в) напряжение должно быть положи¬
тельного знака относительно другой обкладки. У таких конденсаторов кроме
пробоя диэлектрика иногда имеет место постепенное, по мере эксплуатации
снижение их емкости, вплоть до нуля.
Как известно из электротехники, конденсатор проводит переменный ток.
Однако электронные устройства автоматики питаются постоянным напряже¬
нием и в них конденсаторы работают в основном в режиме "заряд - разряд".
Наиболее типичное применение конденсатора - в цепях питания электрон¬
ных устройств, с целью улучшения качества питания. Весьма часто конден¬
саторы используются для задержки прохождения сигналов в системах авто¬
матики. Простейшая цепь задержки показана на рис. 1.35.
В отсутствие входного сигнала ивх конденсатор С разряжен и UBUX=Q.
При скачкообразном появлении иах (см. рис. 1.35,6) конденсатор начинает
заряжаться током, протекающим через R. Напряжение на конденсаторе иВЬІХ
41
нарастает по экспоненте, стремясь достичь уровня С7ВХ. Время, за которое оно
достигнет определенного уровня Ucp можно рассматривать как время задерж¬
ки появления выходного сигнала. Если принять 0^ на уровне «0,6 от І7ВХ, то
время задержки составит: v*RC. Такая цепь способна создать задержку на
уровне десятков секунд. Так, если R= 100000 Ом=ЮОкОм, а
С=100мкФ=10010‘6Ф,то: т* 105 100 1 0'6=10с.
Резистор и конденсатор с указанными параметрами имеют весьма не¬
большие размеры и массу. Если вместо постоянного резистора использовать
переменный, то время задержки можно регулировать, что и предусмотрено
во многих судовых системах автоматики.
Электронные системы автоматики обрабатывают информацию, посту¬
пающую от самых разнообразных датчиков. Для усиления и преобразования
сигналов датчиков используются электронные преобразователи, принципы,
построения которых целиком определяются свойствами датчиков. Поэтому
целесообразно иметь представление о свойствах некоторых широко исполь¬
зуемых датчиков, в частности - ведущих себя в электрических схемах как ре¬
зисторы, чье сопротивление зависит от прикладываемого к ним неэлектриче¬
ского воздействия.
Терморезисторы. Терморезистор - элемент, чье сопротивление зависит
от температуры. Имеются две основные разновидности терморезисторов -
металлические и полупроводниковые.
Металлические терморезисторы (другое название - термометры сопро¬
тивления) выполняются в основном из платины (Pt) и представляют собою
проволочный проводник в форме спирали, помещенной в защитный кожух,
выполненный в виде щупа. В таком датчике используется известное для ме¬
таллов явление - с увеличением температуры растет его электрическое со¬
противление. Вид характеристики металлического терморезистора приведен
на рис. 1.36. В международной практике такие датчики обозначаются как
R
U
Ubx
1.10 Специальные типы резисторов
42
' ' . *
PtlOO, PtlOOO, где 100 и 1000 - значения сопротивления в омах при t=0°С. В
нашей стране такие терморезисторы выпускаются под маркой ТСП - термо¬
метр сопротивления платиновый.
Платиновые терморезисторы
обладают стабильной характеристи¬
кой, высокой точностью и надеж¬
ностью, работоспособны до 600°С и
более вследствие чего очень широ¬
ко применяются на судах. Их харак¬
теристика стандартизирована, в ви¬
де таблицы. Однако они имеют не¬
высокую чувствительность - около
0,4%ГС. Так, если при t=0°C тер- ’
морезистор имел начальное сопротивление R0~ 100 Ом, то при t=100°C оно
увеличится на AR=40 Ом и составит Rt=R0+AR= 100+40= 140 Ом.
Из-за малой чувствительности и наличия начального сопротивления R0,
для выделения полезного сигнала металлические терморезисторы включают¬
ся в измерительный мост (мост Уитстона). К питающей диагонали моста
(рис. 1.37,6) подводится постоянное напряжение питания и^. Выходное на¬
пряжение ивыуі снимается с измерительной диагонали, между точками "а" и
"Ъ". Оно равно разности напряжений в точках "а" и "ѣ": ивых- Ua-Ub. Сопро¬
тивления моста выбираются так, чтобы при t=0°С мост был сбалансирован
(С^чх^)- Для этого достаточно все резисторы взять одинаковыми:
Rt=R0=Ri =R2^Ri . Тогда токи I, и І2 будут равны и протекая через Rt и Я3,
будут создавать на них одинаковые напряжения Ua=Ub. При этом £Твых-0. При
увеличении температуры будет расти сопротивление Rt и, как следствие уве¬
личится Ua. А поскольку Ub=const, то появится и будет пропорционально
увеличиваться выходной сигнал I7Bln[=t7a-t7b.
В реальных условиях судна терморезистор может быть удален от мосто¬
вой схемы на десятки метров и соединен с ней медным кабелем. Сопротив¬
ление медных жил кабеля также хорошо реагирует на температуру, как и
платиновый терморезитор. Чтобы это не создавало погрешности, терморези¬
стор подключают в мост по трехпроводной схеме (рис. 1.37,в). При измене¬
нии температуры среды в месте прокладки кабеля, сопротивления его жил
Rcui и Rcu2 будут изменяться в одинаковой степени. В одинаковой степени
будут изменяться и суммы сопротивлений RCu2^Ri и RCul+RTD и как следст¬
вие - напряжения Ua и иъ. Выходной же сигнал UB^-Ua-Ub останется неиз¬
менным и будет зависеть только от RTD. Для устранения этого влияния ис-
43
tmax^r600 °С
Рис. 1.36. Характеристика
платинового терморезистора
пользуется также более сложная, четырехпроводная схема включения термо¬
резистора.
Кроме платиновых , используются терморезисторы из никеля (ТѴі 100) и
меди (Си 100), но они работоспособны при более низких температурах.
Рис. 1.37. Варианты условного обозначения (а), схема включения терморезистора
в измерительный мост (б) и трехпроводная схема включения (в)
Вследствие малого уровня (милливольты) выходной сигнал моста нужно
усиливать. Кроме этого, металлический терморезистор имеет значительную
массу и, как следствие, инерционность. Этих недостатков лишены полупро¬
водниковые терморезисторы. Температура сильно влияет на свойства всех
полупроводниковых приборов. В данном случае это влияние специально уве¬
личено и доведено до полезного применения. Имеется две основных разно¬
видности полупроводниковых терморезисторов - термистор и позистор.
С увеличением температуры сопротивление термистора уменьшается
на 7-10%/°С (рис. 1.38). Это самый чувствительный из известных датчиков
температуры. Работоспособен до tmax=120-180°C (отдельные образцы до
280°С), малоинерционный. Недостаток - большой разброс характеристик при
изготовлении (R0 - до ±20%).
R
Позистор
Применяется как дат¬
чик температуры в систе¬
мах пожарной сигнализа¬
ции, в системах кондицио¬
нирования воздуха и ряде
других систем.
t
Ro
Сопротивление позис-
20"С tcp
б)
тора (рис. 1.38, б) при не¬
котором, свойственном ему
значении температуры
резко возрастает, на не¬
сколько порядков.
Рис. 1.38. Условное обозначение (а) и характеристики
полупроводниковых терморезисторов (б)
44
' . <•
Позисторы выпускаются каждый на свою температуру срабатывания.
Применяются в системах пожарной сигнализации, для контроля температуры
обмоток мощных электродвигателей и генераторов. .
В качестве датчика температуры может использоваться маломощный
диод илир-и—переход транзистора. Падение напряжения на диоде в прямом;
включении снижается с ростом температуры его кристалла (рис. 1.39). Такие
датчики обладают достаточно высокой чувствительностью («2мВ/°С), ли¬
нейностью характеристики, имеют малую массу и габариты и работоспособ¬
ны до ~150°С.
Рис. 1.39. Характеристики диода:
а - ВАХ при разных температурах; б - зависимость Ощ. от температуры
Термопара (термоэлектрический преобразователь, англ. - thermocouple)
- датчик температуры, часто используемый для измерения температуры вы¬
пускных газов судовых дизелей.
Термопара не относится к резисторным датчикам. В ней используется
прямой термоэлектрический эффект (эффект Зеебека). Как известно, если со¬
единить два проводника (А и В, рис. 1.40, а), сделанных из разных металлов
(или сплавов), и места соединений проводников (спаи) поместить в среды с
разными температурами, то в этой цепи возникнет термоЭДС:
Е * е(г, - О
где е - чувствительность термопары, мкВ/°С;
tr, - температура горячего спая (англ. - hot junction)-,
tx - температура холодного спая (англ. - cold junction).
ТермоЭДС "Е" является выходным сигналом термопары, температура t„
- измеряемой температурой, at,- температурой окружающей среды, в кото¬
рой находятся выходы термопары и преобразователь ее сигнала.
В качестве проводников А и В термопары могут использоваться разные
металлы и сплавы, от чего зависит ее чувствительность е и максимальная ра¬
бочая температура t,,. В судовой автоматике почти исключительно исполь¬
зуется термопара типа "К", один проводник которой выполнен из сплава
NiCr, а второй из сплава NiAl (сокращенно NiCr-NiAl). Такая термопара
45
имеет чувствительность е»40 мкВ/°С, работоспособна до 600°С и более. Оте¬
чественной промышленностью такие термопары выпускаются под маркой
ГХА - термопара "хромель-апюмель". .
Горячим
спай
Холодный
спай
<1
-0 +
К tx
-0-
а)
б)
Рис. 1.40 Термопара (а) и схема преобразования ее сигнала (б)
Однако, несмотря на предельную простоту термопары, как датчика, ей
присущ ряд недостатков, для устранения которых ее выходной сигнал дол- .
жен определенным образом преобразовываться электронными средствами
(рис. 1.40,6).
Во-первых, термоЭДС зависит от температуры холодного спая tx (см.
формулу), которая не постоянна, что создает значительную погрешность. Для
ее устранения сигнал термопары "Е” сначала поступает в блок термокомпен¬
сации (рис. 1.40, б). Этот блок с помощью отдельного датчика температуры
(на рис. 1.40, б - платиновый терморезистор RTD) фактически измеряет tx и
вносит в сигнал термопары добавку, пропорциональную tx. Если tx возрас¬
тает, что снижает Е, добавка увеличивается и наоборот. Поэтому на выходе
блока термокомпенсации сигнал С7ТК практически не зависит от изменения tx.
Во-вторых, сигнал термопары весьма мал по уровню. Так, при
Бг=40 мкВ/°С tx=20°С и tj.=520°С термоЭДС составляет всего 20 мВ. Поэтому
в состав преобразователя сигнала термопары всегда входит усилитель (на
рис. 1.40 - "У"), усиливающий сигнал до уровня нескольких вольт.
В-третьих, длина проводников А и В, составляющих термопару, ограни¬
чена. При необходимости передачи ее сигнала на большие расстояния (еди¬
ницы... десятки метров) необходим удлинительный кабель (проводники С и
D), соединяющий выводы собственно термопары (точки 1 и 2) со входами
преобразователя сигнала. В точках соединения 1 и 2 при этом образуются
нежелательные дополнительные термопары АС и ВЦ находящиеся под дей- .
ствием некоторой промежуточной температуры t^. Фактически это темпе¬
ратура в клеммной коробке термопары. Эти дополнительные термопары соз¬
дают соответствующие термоЭДС, которые складываются с термоЭДС ос-
46
■ . <•
новной термопары и в итоге создают значительную погрешность выходного
сигнала. Чтобы этого не происходило, проводники С и D выполняются из таких
металлов (или сплавов), при которых термопары АС и BD создают одинаковые
по величине, но направленные встречно друг другу термоЭДС. При этом они
компенсируют друг друга и не влияют на выходной сигнал. Отсюда название -;
компенсационные провода. Так, для термопары типа "К" (NiCr-NiAl) один из
проводов выполняется из меди, а второй из константана (сплав).
Кроме указанных особенностей, термопара обладает (как, впрочем, и
терморезисторы) нелинейностью характеристики. Это также затрудняет ее
применение. Радикальным способом преодоления этого недоставка является
построение преобразователя сигнала термопары на основе микро-ЭВМ. При
этом точная, стандартная характеристика термопары в виде таблицы посто¬
янно хранится в памяти ЭВМ. '
Термопара менее точный, менее стабильный датчик температуры по
сравнению с платиновым терморезистором. Однако у нее есть и существен¬
ное преимущество - она значительно менее инерционна и гораздо быстрее
реагирует на изменение температурного режима судового оборудования. По¬
этому они широко применяются, например фирмой Wartsila, для темпера¬
турного мониторинга не только выпускных газов, но и подшипников и ци¬
линдровых втулок судовых средне- и высокооборотных дизелей
Тензорезисторы. Тензорезистор - элемент, чье сопротивление изменя¬
ется при его деформации. Могут быть металлическими или полупроводнико¬
выми.
Электрическое сопротивление любого металлического проводника вы¬
ражается формулой:
где р - удельное электрическое сопротивление; ,
I - длина;
S - площадь сечения.
Для изготовления металлических тензорезисторов применяются специ¬
альные сплавы металлов - константан, нихром, сопротивление которых
практически не зависит от температуры. Проволока из такого сплава уклады¬
вается в виде петель и приклеивается к основанию (специальная бумага, ме¬
таллическая пластина), которое крепится на испытывающей деформацию де¬
тали (рис. 1.41). В металлических тензорезисторах изменяется I и S. Если
проводник растягивать, его длина / увеличивается на величину Ы, а сечение
S уменьшается. Поэтому R растет.
47
-ф-
Рис. 141. Устройство и обозначение металлического тензорезистора
При практическом использовании характеристику тензорезистора выра¬
жают формулой:
Д R
R
= К
Д/
I
где
AR
R
Ы
I ’
■ относительное изменение сопротивления;
- относительное удлинение;
К- коэффициент тензочувствительности (К= 1,8^2,5 для металлов).
Тензорезистор должен работать только в пределах упругих деформаций,
иначе он будет поврежден. Чтобы деформация не переросла в пластическую,
А/
его относительное удлинение не должно превышать -у- £ 0,1 %, что при ма¬
лом к обусловливает очень незначительное изменение его сопротивления.
Поэтому у такого датчика низкая чувствительность и его используют в со¬
ставе мостовой схемы (рис. 1.42), все плечи которой (резисторы) являются
тензорезисторами. Это обеспечивает в 4 раза больший выходной сигнал от
моста, тем не менее, его уровень измеряется милливольтами, что требует
значительного усиления.
Тензорезисторы являются составной частью датчиков давления
(рис. 1.42), используются для измерения крутящего момента на гребном валу
судна. В упрощенном виде датчик давления (рис. 1.42, б) содержит мембрану,
защемленную в корпусе и упруго воспринимающую деформацию контроли¬
руемой среды под давлением Р, бар. На внутренней поверхности мембраны за¬
креплены 4 тензорезистора, воспринимающие эту деформацию. Причем их на
мембране ориентируют так, чтобы два из них растягивались (например, R3 и
R2), а два других (R1 и R4) - сжимались (рис. 1.42, в). Это обеспечивает в 4
раза больший выходной сигнал по сравнению с одиночным тензорезистором.
48
. <-
Рис. 1.42. Мостовая схема включения тензорезисторов (а), их использование в датчике
давления (б) и мембрана датчика давления с выполненной на ней мостовой схемой из тен¬
зорезисторов (в)
Датчики давления, в свою очередь, могут использоваться для измерения
уровня жидкости в судовых цистернах. Будучи помещенными- на дно цистер¬
ны, они воспринимают давление, которое пропорционально высоте столба
этой жидкости, т.е. ее уровню. >
У полупроводниковых тензорезисторов под воздействием деформации
изменяется в основном удельное сопротивление полупроводника. Они обла¬
дают гораздо большей чувствительностью - коэффициент тензочувствитель-
ности находится на уровне JC-30...200. Полупроводниковые тензорезисторы
изготавливаются, в основном из кремния, методами интегральной техноло¬
гии. При этом в едином технологическом процессе выращивается мембрана
датчика давления, в тело мембраны внедряются тензорезисторы, включенные
по мостовой схеме, и создается схема усиления и преобразования сигнала.
Получается монолитная законченная конструкция, обладающая хорошими
характеристиками, именуемая преобразователь давления.
Варистор. Это полупроводниковый резистор, чье сопротивление зави¬
сит от приложенного к нему напряжения. Когда напряжение на варисторе
достигает некоторого свойственного ему значения XJ^, ток через него резко
увеличивается, что свидетельствует о снижении сопротивления. При этом
напряжение на варисторе остается почти постоянным.
Варистор используется как элемент защиты полупроводниковых прибо¬
ров от перенапряжения. Так, если в схеме (рис. 1.43,в) отключить питание,
то, ток Г, протекающий через катушку индуктивности L, снизится.
Рис. 1.43. Характеристика и обозначение варистора: а - вольтамперная характеристика;
б - условное обозначение; в - использование варистора для защиты диода от пробоя
49
В соответствии с законом электромагнитной индукции это изменение
тока приведет к появлению в катушке ЭДС самоиндукции, величина которой
может составить сотни вольт. В отсутствие варистора эта ЭДС будет прило¬
жена в обратном направлении к диоду и вызовет его пробой. Варистор огра¬
ничит эту ЭДС на уровне Ѵ^, что защитит диод.
1.11 Тепловой режим электронных приборов и устройств
Одним из основных факторов, влияющих на надежность и работоспо¬
собность полупроводниковых приборов, является их тепловой режим. Рас¬
смотрим этот вопрос на примере транзистора, параметры которого в сильной
степени зависят от температуры.
Между кристаллом транзистора и окружающей средой идет теплопере¬
дача, описываемая известным выражением:
Q = KF[tn - t^),
где Q - количество теплоты, Вт, отдаваемой транзистором в окружающую
среду в единицу времени, в системе СИ численно равно мощности Р,
рассеиваемой транзистором;
JC - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2'К);
2
F— площадь теплопередающеи поверхности, м ;
tn - температура р-п-перехода транзистора (его кристалла), градусов
Цельсия; ■
tcp - температура окружающей среды, к которой от транзистора отво¬
дится тепло, градусов Цельсия.
Параметр, обратный произведению KF называется тепловым сопротив¬
лением "переход - среда" транзистора: д = _L, °С/Вт. Тогда последнее
т”-= KF
выражение можно представить в виде:
tn = «ТП-СР + te*.
Чем выше температура окружающей среды, чем больше рассеиваемая на
гранзисторе мощность Р и чем больше тепловое сопротивление Rj , тем
более высокой будет температура перехода tn. Под действием этих факторов
температура кристалла транзистора не должна превышать tn во всех ус¬
ловиях эксплуатации (для кремния tn„« = 150oC).
Тепловое сопротивление Rrn_c отражает нагрев кристалла транзистора
относительно окружающей среды при рассеивании на нем мощности 1 Вт.
л
Чем оно меньше, тем лучше, т.к. меньше будет tn. Очевидно, что 7п-= бу¬
дет меньше при большей площади и при увеличении коэффициента теплопе¬
редачи К. Коэффициент теплопередачи может быть повышен принудитель-
50
' .
ным обдувом транзистора (вентилятор), площадь теплопередачи F - установ¬
кой транзистора на дополнительный теплоотвод (радиатор) и т.д. Эти меры
предусматриваются для мощных транзисторов, диодов, микросхем, элек¬
тронных блоков на этапе проектирования электронного устройства.
Передача тепла от кристалла транзистора к окружающей среде идет в
несколько этапов: от кристалла - к корпусу транзистора (тепловое сопротив¬
ление переход - корпус ); от корпуса к радиатору (сопротивление кор¬
пус - радиатор RT _ ); от радиатора к воздуху окружающей среды (сопро-
'к-р '
тивление &тр_с )■ Схематично это показано на рис. 1.44.
Корпус Радиатор Окружающая
Кристалл среда
tK tp tcp
Рис. 1.44. Схема передачи тепла от транзистора к окружающей среде
Поэтому в RTn c учитывается сумма всех тепловых сопротивлений:
Rt — R'r "4" Rt "f Rt .
/п-с ‘ n—к /к-р /p-с
Рассмотренный механизм теплопередачи от кристалла транзистора к ок¬
ружающей среде имеет большое практическое значение. В эксплуатации лег¬
ко нарушить тепловой режим. Для транзисторов и других электронных при¬
боров судовой электронной аппаратуры окружающей средой является воздух
внутри корпуса прибора. Корпус часто имеет вентиляционные отверстия. Ес¬
ли они загрязняются или их случайно закрыть, то теплопередача между воз¬
духом внутри прибора и наружным воздухом ухудшится, температура возду¬
ха внутри прибора возрастет (т.е. увеличится tcp) и синхронно с ней возрас¬
тет tn- При этом возможно достижение tn Температура среды tcp, а вме¬
сте с ней и температура кристалла tn может значительно возрасти, например,
при переходе судна из умеренных широт в тропики.
Рассмотренный механизм теплопередачи справедлив для любых полу¬
проводниковых приборов и блоков. Большое влияние теплового режима на
надежность судовых электронных устройств выделено отдельным пунктом в
Правилах технической эксплуатации судовых технических средств и конст¬
рукций: Если отказы электронного устройства носят повторяющийся харак¬
тер Правилами рекомендуется улучшить его тепловой режим. Реально на
судне это можно сделать повышением коэффициента теплопередачи - с по¬
мощью дополнительного обдува воздухом, открыв дверки шкафа с электрон¬
ными блоками дня дополнительного притока более холодного воздуха и др.
51
2 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
2.1 Принципы построения и характеристики усилителей
К аналоговым относятся электронные устройства, в которых информа¬
ция о судовых процессах выражена уровнем электрического напряжения или
тока, способного изменяться в определенном диапазоне. Такие сигналы на¬
зываются аналоговыми.
В мировой практике уровни аналоговых сигналов унифицированы. На¬
пример: 0...10 В; 0...5 В; 1...5 В; -10 В...+10 В; 1...5 мА; 4...20 мА и т.д. Ана¬
логовый сигнал своим уровнем пропорционально отражает величину какого-
либо параметра. Так, например, если унифицированным токовым сигналом
4...20 мА выражается давление в диапазоне 0... 10 бар (в какой-либо из судовых
систем), то давлению 5 бар будет соответствовать уровень тока 12 мА.
При обработке сигнала внутри электронного блока более удобным явля¬
ется сигнал напряжения. При необходимости передачи аналогового сигнала
на значительные расстояния, от единиц до сотен метров, часто используется
сигнал в виде тока, как более устойчивый к дестабилизирующим факторам.
Существует много разновидностей электронных преобразователей ана-
тоговых сигналов. Практически всегда они строятся на основе усилителя, по¬
скольку преобразования сигналов без их усиления неизбежно снижают уро¬
вень сигнала.
Усилитель - устройство, предназначенное для увеличения уровня сигна¬
ла, при заданном уровне его искажений, за счет энергии источника питания.
Усилители различаются по ряду параметров:
По роду тока и форме усиливаемого сигнала:
- усилители переменного тока;
- усилители постоянного тока.
По параметру, подвергаемому наибольшему усилению:
- усилители напряжения, характеризуемые коэффициентом усиления
по напряжению ки=ив1а/ивх;
- усилители тока, характеризуемые коэффициентом усиления по току .
-^ИНХ /% К •
- , усилители мощности, характеризуемые коэффициентом усиления по
мощности *p=PBbIX/PBX=Jcufci.
Усилитель усиливает сигнал за счет энергии источника питания (ИП).
Самая общая схема усилителя дана на рис. 2.1, где показаны его входные и
выходные параметры.
52
Источник
питания
Ubx
Ik
І8ЫХ
Во время усиления усилитель должен как можно меньше искажать
нал. Уровень искажений зависит
от вида некоторых характеристик
усилителя. Одна из важнейших
его характеристик - амплитудно¬
частотная (АЧХ) - зависимость
коэффициента усиления от часто¬
ты усиливаемого синусоидального
сигнала (рис. 2.2, рис. 2.3).
КІ
сиг-
Усилитель
Ub
Rh
Рис. 2.1. Общая схема усилителя
1
0,70'
Ки
1
0,707
Полоса про¬
пускания
fe ft>
Рис. 2.2. АЧХ усилителя сигналов
переменного тока
Г.ГЦ
—>
Полоса пропус¬
кания
£Гц
fH=0 &
Рис. 2.3. АЧХ усилителя
постоянного тока
Диапазон частот от £н до £в, в котором усилитель равномерно усиливает
входной сигнал, называется полосой его пропускания. Чем она шире, тем
меньше искажения, вносимые усилителем при усилении сигналов сложной
формы.
В основе схемы любого усилителя лежит усилительный элемент, вклю¬
чаемый последовательно с некоторой нагрузкой R„ (рис. 2.4). Напряжение
питания распределяется между этими
элементами: ишеі=ик+Ѵуз.
Усилительный элемент служит
для перераспределения энергии источ¬
ника питания между ним и нагрузкой.
Он может быть представлен как управ¬
ляемое переменное сопротивление. Как
правило - это транзистор. Простейший
усилитель рассмотрен в п. 1.5.
2.2 Обратная связь в усилителях
Под обратной связью (ОС) понимается подача части выходного сигнала на
вход усилителя. Это мощное средство воздействия на свойства усилителя.
Параметр f) - коэффициент обратной связи, показывает, какая часть выход¬
ного сигнала подается на вход. Его значение может быть в диапазоне 0... 1.
53
Обратная связь может быть положительной (ПОС) - сигнал обратной
связи совпадает по знаку или по фазе со входным сигналом, или отрицатель¬
ной (ООС) - знаки противоположны. •
Рис. 2.5. Обратная связь в усилителе
Пусть имеется усилитель с коэффициентом усиления к, на вход которо¬
го подается входной сигнал Ц,. Для него можно записать:
V = U к.
вых у
Для ООС на входе усилителя действует разность входного сигнала схе¬
мы UBX и сигнала обратной связи рившс:
U - U - ри .
у вх вых
Подставив это выражение в предшествующее, после преобразований по¬
лучим:
а = ——— и .
вых і + р* вх
Эта формула дает связь выходного сигнала с входным,
Jc
где kQoc = — - коэффициент усиления для усилителя с ООС.
Из выражения для коос можно сделать два вывода:
- коос<к - ООС уменьшает коэффициент усиления;
к к 1
- если RJc »1, то к — » — = —.
оос 1 + pjc Э Jt р
Из последнего выражения следует, что коэффициент усиления усилите¬
ля с ООС не зависит от коэффициента усиления собственно усилителя, а оп¬
ределяется только параметром Р цени обратной связи, если произведение
рк » 1. .
Цепь обратной связи выполняется на пассивных элементах, которые мо¬
гут быть стабильными и точными, в отличие от к. Это обеспечивает ста¬
бильность и точность всего усилителя, независимо от изменений к. Кроме
этого, ООС увеличивает входное сопротивление усилителя, уменьшает вы¬
ходное и снижает искажения сигнала, расширяет полосу пропускания
фис. 2.6). Практически все усилители имеют ООС.
54
При положительной обратной связи коэффициент усиления имеет вид:
*поо = '
° 1 - рк
Действие ПОС диаметрально противоположно действию ООС: кпос>к,
т.е. коэффициент усиления растет; в противовес ООС уменьшается входное и
увеличивается выходное сопротивления; увеличиваются искажения; умень¬
шается полоса пропускания усилителя. Кроме того, если 0k ^ 1, то
кпос~>х- В этом случае усилитель теряет свои свойства, становится неуправ¬
ляемым и в таком режиме он превращается в генератор сигнала. Поэтому
ПОС и используется в генераторах.
2.3 Операционный усилитель
Операционный усилитель (ОУ) - это высококачественный усилитель
постоянного тока с большим коэффициентом усиления, выполненный по ин¬
тегральной технологии и предназначенный для использования с цепями об¬
ратной связи.
ОУ (англ. "Operational Amplifier", сокращенно - ОР-АИР) явля¬
ется основным элементом для построения аналоговых информационных
электронных устройств. ’
Под интегральной технологией понимается создание в одном кристалле
полупроводника в едином технологическом цикле функционально завер¬
шенного электронного устройства - интегральной микросхемы (ИМС). В
англоязычной технической литературе аббревиатуре ИМС соответствует аб¬
бревиатура "ХС" - integrated circuit.
Выполнение электронных устройств в виде ИМС обеспечивает их ми¬
ниатюризацию, снижение стоимости, энергопотребления и, что очень важно
в эксплуатационном аспекте - резкое повышение надежности и упрощение
применения. Интегральные микросхемы могут содержать различное число
компонентов на одном кристалле, от нескольких десятков до миллионов (в
55
основном - это транзисторы). Вместе с тем, надежность самой сложной мик¬
росхемы не ниже надежности отдельно изготовленного транзистора. Так, по
отечественным стандартам, на одиночный транзистор и на весьма сложные
ИМС гарантируется рабочий ресурс в среднем не менее 10000 час. Реальный
же ресурс большинства полупроводниковых приборов и ИМС находится на
уровне сотен тысяч часов и более.
Термин "ИМС" характеризует технологию изготовления электронного
устройства, функциональное же назначение ИМС может быть самым различ¬
ным. ГІо такой технологии могут быть выполнены устройства разного назна¬
чения, одно из них - ОУ. Микросхема ОУ относится к простым ИМС, содер¬
жит несколько десятков элементов, в основном транзисторов и резисторов.
Применение ОУ не требует знания его внутренней схемы (она и недоступна
для пользователя), важно знать характеристики его входов и выходов. По¬
этому ОУ на схемах электронных устройств имеет собственное условное
графическое обозначение, варианты которого показаны на рис. 2.7.
инвертирующий
вход
неинвертирующий
вход
а) б) в) г)
Рис. 2.7. Варианты обозначения ОУ:
а - полное обозначение; б, в, г - варианты упрощенного обозначения
ОУ имеет один выход и два входа - инвертирующий и неинвертирую¬
щий. При подаче входного сигнала на инвертирующий вход, усиленный вы¬
ходной сигнал будет иметь полярность, противоположную входному. Если
входной сигнал подается на неинвертирующий вход, то сигнал на выходе
совпадает по знаку с входным.
Операционный усилитель питается двухполярным напряжением. Схема
подачи питания показана на рис. 2.8, где приведено условное обозначение
ОУ, часто используемое за рубежом.
На рис. 2.8. инвертирующий вход обозначен знаком минус, а неинверти¬
рующий - знаком плюс. ОУ питается от двух одинаковых источников пита¬
ния 15 В. Разнополярные выводы этих источников объединены между собою
и точка их соединения принята в качестве общего провода схемы. Он обозна¬
чен знаком "-L". За рубежом применяются и другие обозначения общего про¬
вода: " ",м "," ". у ^ ^
выход
ъ
С>оо
питание
питание
„и
rQr =1
56
*
Рис. 2.8. Схема подключения к ОУ питания, входных и выходного сигналов
Электрический потенциал общего провода условно принят за ноль. От¬
носительно общего провода в электронных устройствах подаются входные
сигналы и снимается выходной. На рис. 2.8 обозначения "_1_" разных точек
схемы означают, что все они соединены с общим проводом схемы. Относи¬
тельно общего провода ОУ получает двухполярное питание - плюс 15 В
(OUi) и минус 15 В (итт2)- Это позволяет получить на выходе ОУ сигналы
как положительной, так и отрицательной полярности.
Основные параметры ОУ:
fcoy=104... 10б - коэффициент усиления по напряжению;
Ц»,=±15 В;
Оси®* - это напряжение, которое нужно подать на вход ОУ, чтобы его сба¬
лансировать - обеспечить С7ВЬІХ=0 при 17вх-0; у "идеального" ОУ
ОсмедЮ, реально Цсиек=2...10мВ.
Овых шах - максимальное выходное напряжение, которое не может быть
больше напряжения питания и обычно находится на уровне 10... 12В;
- входное сопротивление, сотни кОм...МОм;
Кия - выходное сопротивление, десятки Ом;
fi- частота единичного усиления, на которой Jcoy=l (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Амплитудно-частотная характеристика ОУ
Кроме этого ОУ характеризуется рядом других параметров.
57
2.4 Типовые схемы включения операционных усилителей
ОУ - это универсальный, очень удобный и простой в применении пре¬
образователь сигнала.
Для схемы включения, представленной на рис. 2.8 связь между входны¬
ми и выходным сигналом определяется выражением:
^вых = ^ОуО^вхі ~ ^вхг)-
Таким образом, ОУ усиливает разность входных сигналов. Входные
сигналы могут подаваться как на оба входа, так и на один из них. При этом
второй вход, не используемый, подключается к общему проводу..
Если выходной сигнал достиг уровня ивых шах, то на дальнейшее увели- •
чение UBX ОУ реагировать не будет. ,
По схеме включения, представленной на рис. 2.8. ОУ используется от¬
носительно редко, ибо его огромный коэффициент усиления в большинстве
случаев не требуется. Вместе с тем, существуют сотни (!) вариантов схем на
основе ОУ. Это многообразие вариантов обеспечивается совместным приме¬
нением ОУ с небольшим количеством внешних, подключаемых к ОУ, эле¬
ментов. Как правило, это пассивные элементы - диоды, резисторы, конденса¬
торы, предназначенные для создания обратных связей, как ООС, так и ПОС.
Применение цепей обратной связи совместно с ОУ позволяет получить от
электронных устройств точные, стабильные, предсказуемые характеристики,
обеспечивает простую регулировку и эксплуатацию схем на ОУ.
Для сотен вариантов использования ОУ базовыми, основными являются
три схемы: инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, диф¬
ференциальный усилитель.
І„< Roc Инвертирующий усилитель.
Его схема показана на рис. 2.10.
Единственный входной сигнал по¬
дается на инвертирующий вход.
Резистор Вое создает обратную
связь (ООС).
При анализе схемы делают до¬
пущения: *оу=®, ВвХ=оо; ^^=0. Такой ОУ считается идеальным.
Для точки "а" в соответствии с первым законом Кирхгофа можно запи¬
сать:
ІІ+Іос+Х^О .
Поскольку RBX =оо, то Хвх = 0. Тогда уравнение токов примет
вид: І!+Хос=0 или
58
<-
Поскольку коу=да, то входной сигнал ОУ ио, необходимый для получе¬
ния конечного значения 17вых, будет бесконечно мал. Можно принять его
СГо*0. Тогда потенциал точки "а" можно считать равным потенциалу общего
провода, как если бы точка "а" была соединена с общим проводом. По¬
скольку ток І! теперь протекает через Ru точку "а" и, якобы, на общий
провод, а ток Іос аналогичным путем протекает только через Roc, то для то¬
ков можно записать выражения:
а и
I = вх \ J — вых .
1 R, 00 R
1 ОС
и и '
Поскольку токи равны, получим: = .
, ^ОС
Откуда: а = - Rpc а ■
Отношение резисторов в последней формуле определяет величину ко¬
эффициента усиления этой схемы по напряжению:
R
^ияв _ ос
17 *1
Знак " указывает на то, что выходной сигнал по знаку противополо¬
жен входному. Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется
лишь отношением сопротивлений резисторов.
Так, например, если С7ВХ-+1 В, Кос=100 кОм, 1^=20 кОм, то
0ВЫХ= -(100/20) 1= - 5 В. Коэффициент усиления схемы будет настолько
точным, насколько малы допуски на резисторы. Свойства же собственно ОУ,
в частности - его Jtoy, на коэффициент усиления схемы влияния не оказыва¬
ют. Данный вывод подтверждает положительное влияние ООС на свойства
усилителя, рассмотренное в разделе 2.2.
При необходимости регулировки выходного сигнала один из резисторов
(JRj. или RaC) делается переменным.
Неинвертирующий усилитель. Его схема показана на рис. 2.11. Един¬
ственный входной сигнал подается на неинвертирующий вход.
59
Считаем ОУ идеальным: коУ=ао, RBX=®, ^„=0.
По первому закону Кирхгофа для точки "а" запишем: І!+Хос+JBX=0.
Поскольку Rbx=oo, то івх=0. Тогда получим: Х1+Іос=0, іі=-Хос.
Обозначим:
Ток X, протекая через Rls создает на нем напряжение в точке ”а"
= IR!-
и тт
Поскольку: X = 5455—, то Ua =
Напряжение в точке "а" отличается от ивх на величину U0. Но, т.к.
коу=оо, то можно считать Uo=0. Поэтому Ua=Uax
вых
+ «ос
После преобразований получим: сгв
= + 1
В последней формуле выражение в скобках является коэффициентом
усиления этой схемы:
к в
Ки
= 1 +
Как и в схеме инвертирующего усилителя, он зависит только от сопро¬
тивлений Roc и Ri. Ценным свойством схемы является ее большое входное
сопротивление (сотни мегаом), значительно большее, чем в собственно ОУ.
Чем оно выше, тем меньший ток будет потребляться от источника входного
сигнала иьх.
Во многих случаях от электронного устройства требуется именно высо¬
кое входное сопротивление, а коэффициент усиления по напряжению при
этом может быть равным 1. При этом исполь-
_д зуется схема повторителя (рис. 2.12), являю-
„ в Ub“x щаяся частным случаем схемы неинверти-
Ubx 0 к Т
Т рующего усилителя. Она обладает макси-
Рис. 2.12. Повторитель мальным возможным входным сопротивле¬
нием, а коэффициент усиления точно равен 1 (выходной сигнал "повторяет"
входной). Это следует из выражения для - если принять f?oc=0 (зако¬
ротить его), то каким бы ни было ku=l. Поэтому Ri не устанавливается.
Дифференциальный усилитель. Это усилитель, усиливающий раз¬
ность двух сигналов. По существу это комбинация инвертирующего и неин¬
вертирующего усилителей, выполненная на одном ОУ.
60
Если задать Rac=R2 и Ki=R3, то после преобразований, аналогичных
вышеизложенным получим:
а
R
= —°5- (и
*1
-а )■
вх2 sxl
Т>_
Здесь ІСдифф = —— - коэффициект усиления разности входных сигналов.
*4.
Такие усилители используются, в частности, для усиления сигналов с
измерительного моста.
2.5 Преобразователи сигналов на основе операционных усилителей
На основе трех базовых схем включения ОУ строятся преобразователи
аналоговых сигналов, способные выполнять математические преобразования.
Некоторые из них рассмотрены ниже.
Суммирующий усилитель. Это усилитель, выходной сигнал которого
является суммой входных. По существу это инвертирующий усилитель с не¬
сколькими входными сигналами.
Считая ОУ идеальным, для точки "а" можно записать:
X, +!,+!, = X
Поскольку ил = 0, то для токов можно записать выражения:
^ВХІ .
Х2 =
*1 ’
^вхЗ.
х„„
R3 ’
ОС
Яоо
*3 =
61
Подставив выражения для токов в первую формулу, получим:
- и.
Отсюда:
—
У.
хЗ •
Таким образом, выходной сигнал является суммой входных, причем
вклад каждого из них определяется индивидуальным коэффициентом в виде
отношения сопротивлений: Roc/Ri, Roc/R2 и т.д. Если принять Ri=R2=R3=R,
то будет вычисляться "чистая" сумма:
foxl + Ѵвх2 + СГвх3) .
R
Интегрирующий усилитель. Его выходной сигнал пропорционален ин¬
тегралу от входного сигнала. В нем в цепи ООС вместо резистора использу¬
ется конденсатор. Как известно, ток через конденсатор емкостью С опреде¬
ляется формулой:
dU
= с —-.
dt
где Uc - напряжение на конденсаторе.
Считая ОУ идеальным, можем записать для точки "а":
I* = —Хс, Uo=0.
Токи будут определяться выражениями:
_ U
ВХ ,
R
dU
Іс = С 91SL
dt
Приравняв выражения для токов, получим:
R '
- С
вых
dt
и,
dt
вх_
RC
После интегрирования получим окончательно:
ГТ
Таким образом, выходной сигнал пропорционален интегралу от вход¬
ного. Напряжение 17нач (постоянная интегрирования) может быть сделано
нулевым, если перед подачей С7ВХ конденсатор разрядить, закоротив его на
короткое время. Произведение RC=T„ обычно называют временем интегри¬
рования. Тогда окончательно можно записать: ■
U.
и О
Знак указывает на то, что противоположно по знаку ивх. В каче¬
стве примера, на рис. 2.16 показана форма выходного сигнала интегрирую¬
щего усилителя при ступенчато-изменяющемся входном сигнале.
Рис. 2.16. Диаграммы работы интегрирующего усилителя
Дифференцирующий усилитель. Выходной сигнал такого преобразо¬
вателя пропорционален производной от входного. Эта схема отличается от
предшествующей тем, что резистор и конденсатор поменялись местами. Счи¬
тая ОУ идеальным (IR = Іс , Uo=0) можно сделать преобразования, анало¬
гичные вышеизложенным:
-С^
dt
, dU
ВЬОС . гт т»/"* ВХ
—, Пят--вс—.
Как следует из последней формулы, выходной сигнал пропорционален
скорости изменения входного. Произведение Ta=RC обычно называют вре¬
менем дифференцирования.
Рассмотренные выше преобразователи широко применяются для по¬
строения судовых систем автоматики, в электронных регуляторах различных
судовых систем регулирования (температуры, давления, напряжения). Регу¬
63
ляторы реализуют определенный закон регулирования. Наиболее универ¬
сальным является ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально¬
дифференциальный), выходной сигнал которого связан с входным выраже¬
нием (имеются и другие формы записи этого выражения):
= knUBX(t) + J U„{t)dt + кяТд dU™}^ ■
Ти 0
Выходной сигнал такого регулятора является суммой трех
составляющих:
- пропорциональной, суммируемой с коэффициентом fcn;
- интегральной, суммируемой с коэффициентом Jc„; '
- дифференциальной, суммируемой с коэффициентом кд.
Данный регулятор может быть составлен из ранее рассмотренных пре¬
образователей на основе ОУ. Возможный вариант его построения приведен
на рис. 2.18.
На ОУ DA1 выполнен пропорциональный преобразователь с коэффици¬
ентом преобразования kn=R2/R1, который может регулироваться перемен¬
ным резистором R2.
На DA2 выполнен интегрирующий преобразователь. Время интегриро¬
вания Ttt=R3C1 может регулироваться с помощью К3, а ки - переменным ре¬
зистором R5.
64
. *■
Ha DA3 выполнен дифференцирующий преобразователь. Время диффе¬
ренцирования ГД=С2І?4 регулируется резистором FU, акд- резистором Re.
Составляющие выходного сигнала С7ВЫХ (t) суммируются преобразова¬
телем на DA4.
2.6 Активные фильтры
Электрический фильтр - это устройство с заданной амплитудно¬
частотной характеристикой, то есть, пропускающее синусоидальный сигнал в
одном диапазоне частот и не пропускающее в другом.
Активные фильтры строятся на ОУ и применяются для ослабления по¬
мех, проникающих в электронное устройство, для формирования сигналов
требуемой формы и др. Основная характеристика фильтра - амплитудно¬
частотная.
Наиболее часто используются фильтры нижних частот (ФНЧ), пропус¬
кающие сигналы с частотой от нуля, до некоторой частоты среза f,.p (рис.
2.19). Находят применение фильтры верхних частот (ФВЧ) и фильтры поло¬
совые, чьи характеристики даны на рис. 2.19.
ФВЧ
К
ФНЧ
к
,
полоса '\
полоса
пропускания ■
У ослабления
А »f
fcp
ослаб¬
ление
Полосовой фильтр
Г
I пропус-1
і кание і
ослаб¬
ление
fcpl fcp2
Рис. 2.19. Амплитудно-частотные характеристики фильтров
Схема простейшего ФНЧ на ОУ дана на рис. 2.20. Частота среза харак¬
теристики фильтра:
fcp 2KRC
При возрастании частоты сигнала от f=0 до f=fap ивъіхв>ив>17 поскольку
фильтр выполнен на основе повторителя. При частоте входного сигнала
большей, чем f^, Рвшс снижается тем сильнее, чем больше частота сигнала
превышает Это объясняется тем, что конденсатор С, сопротивление ко¬
торого на переменном токе уменьшается с увеличением частоты, все в боль-
65
К
шей степени закорачивает сигнал, поступающий на неинвертирующий вход
ОУ. При использовании ФНЧ для ослабления помех, частоту fcp выбирают
такой, чтобы полезный сигнал попадал в полосу пропускания, а помеха - в
полосу ослабления. Если R и С поменять местами, то получим ФВЧ.
При увеличении числа конденсаторов, используемых в схеме фильтра,
качество фильтра улучшается - в полосе .ослабления характеристика снижа¬
ется более круто. Существует несколько вариантов построения таких фильт¬
ров, отличающихся при заданной fcp соотношением параметров конденсагго-
ров и резисторов. Чаще других используется вариант, именуемый фильтром
Баттерворта.
2.7 Нелинейные функциональные преобразователи на ОУ
Такие преобразователи реализуют определённую нелинейную функцио¬
нальную зависимость между входным и выходным сигналами. Обычно ис¬
пользуется метод кусочно-линейной аппроксимации, когда плавная кривая
представляется отрезками прямых. В качестве примера на рис. 2.21 приведе¬
на схема, реализующая степенную зависимость вида С/вьпс=[/„", где п>1. Ее
характеристика дана на рис. 2.22. Схема построена на ОУ в инвертирующем
включении. Первоначально положительное по знаку (Увх меньше опорных от¬
рицательных напряжений О'опі и Uon2- Поэтому на анодах диодов имеются от¬
рицательные потенциалы и они находятся в обратном включении, не пропус¬
кая ток. При этом входной ток проходит только через R\ и коэффициент уси¬
ления схемы определяется отношением Аинв=і?0СУі?і. Этой ситуации соответст¬
вует участок ОА характеристики (рис. 2.22). Когда UBX>Uml, потенциал анода
диода VD1 становится положительным, и он начинает проводить ток, кото¬
рый протекает к узлу "а" через R2. Поскольку R1 и R2 теперь включены па¬
раллельно (на рис. 2.22 это обозначено знаком Rlj|R2), то их общее сопро¬
тивление становится меньше, чем R1 и коэффициент усиления схемы возрас¬
тает до величины Roc/ RlljR2. Поэтому на участке АВ характеристика идет
более круто.
Рис. 2.20. Фильтр НЧ на ОУ
66
'*-
Рис. 2.21. Функциональный преобразователь на ОУ
Когда ивх>иап2, начинает проводить ток диод VD2, что еще более увели¬
чивает коэффициент усиления схемы (теперь параллельно включен и рези¬
стор R3) и участок ВС характеристики становится еще круче.
Такие преобразователи могут использоваться в судовых измерительных
системах для линеаризации характеристик датчиков. Например, в судовой
системе централизованного контроля "Шипка-М" таким образом
линеаризованы характеристики термопар, контролирующих температуру
выпускных газов дизеля.
Рис. 2.22. Характеристика преобразователя
67
2.8 Компараторы
Компаратор - это устройство для сравнения двух электрических сигна¬
лов, сравнивающее устройство. Компараторы широко используются в судо¬
вых системах регулирования, сигнализации и измерения. Кроме сравнения
обычно имеет место и усиление сигнала. Выполняются на основе ОУ, реже
на транзисторах.
Компараторы по своим характеристикам могут быть двух видов: без
гистерезиса и с гистерезисом.
Схема простейшего компаратора, построенного на ОУ без обратной свя¬
зи, без гистерезиса и его характеристика приведена на рис. 2.23. Входное на¬
пряжение UBX сравнивается с заданным опорным І7оп. Они имеют разную по¬
лярность. Операционный усилитель имеет большой коэффициент усиления,
поэтому незначительное, на несколько милливольт превышение UBX над Ѵоп
вызывает переключение выходного сигнала ОУ с максимального отрица¬
тельного значения 1ГВЫХ ^ на максимальное положительное Е7*ВШІ лах. А ра¬
бота схемы описывается формулой:
^вых =*оу(^оп -О-
Рис. 2.23. Компаратор без гистерезиса и его характеристика
На рис. 2.24 показана схема компаратора сигналов одинаковой полярности.
Компараторы без гистерезиса обладают низкой помехоустойчивостью.
Вследствие того, что у них уровень срабатывания равен уровню отпускания
Ucpat=Uom в условиях воздействия помех они могут создавать ложные сиг¬
налы.
68
' .
Так, в условиях помех или нестабильности контролируемого процесса
окончательное срабатывание компаратора произойдет в момент времени ti
(рис. 2.25,а) и ему будут предшествовать несколько кратковременных сраба¬
тываний. Возврат компаратора в исходное состояние произойдет не сразу, а в
момент времени t2. .
Если же обеспечить Ucpa6>UOTn, то есть создать некоторую зону нечувст¬
вительности AtJr=Ucpa6-D'0,rn, то переключение компаратора будет более чет¬
ким (рис. 2.25,6). Наличие гистерезиса AUr фактически загрубляет работу
компаратора, но делает его работу более стабильной.
Рио. 2.25. Работа компаратора без гистерезиса (а) и с гистерезисом (б) в условиях помех
или нестабильности процесса
Компараторы с гистерезисом строятся на основе ОУ с положительной
обратной связью. Типичная схема компаратора с гистерезисом приведена на
рис. 2.26.
Рис. 2.26. Компаратор с гистерезисом (а) и его характеристика (б) при Uo„=0
69
Положительная обратная связь создается резисторами К2 и Rx. При этом
и Ri _ *
коэффициент обратной связи составляет Р - ^ + . Если изначально при¬
нять, что Uon=0 (такой вариант называется нуль-компаратор), то работа ком¬
паратора может быть объяснена следующим образом. Пусть UBX=0. При этом
в реальном ОУ имеется напряжение смещения нуля, которое приведет к по¬
явлению максимально возможного положительного напряжения U*vlxmax,
что соответствует точке 1 характеристики. Часть этого напряжения, а именно
Р ^вых max > чеРсз R2 оказывается приложенной к неинвертирующему входу ОУ.
Операционный усилитель ведет себя в соответствии с выражением
U = к (и -U )
вых оу Ѵѵ неикв вх /
Поскольку UBX=0, а £7неинв есть и положительного знака, то оно будет
усиливаться в коу раз и на выходе ОУ будет удерживаться максимально воз¬
можное выходное напряжение , также положительного знака. Это и
есть действие положительной обратной связи.
Эта ситуация с ростом ивх не будет меняться до тех пор, пока входное
напряжение не сравняется по величине с напряжением С7неинв =
В момент их равенства (точка 2) напряжение СГВЫХ устремится к нулю. В этом
процессе UHBtms начнет снижаться, разность напряжений ипемші-ипх сместит¬
ся в пользу Ѵвх, что дополнительно "подтолкнет" процесс в том же направле¬
нии и т.д. В итоге компаратор по характеристике перейдет в точку 3, а на его '
выходе установится максимальное выходное напряжение отрицательной по¬
лярности ^.
Если и далее увеличивать Ѵъх, то ситуация не изменится, поскольку те¬
перь инеинв = ри~ы, тах отрицательного знака и оно действует на ОУ со¬
гласно с С7ВХ (см. формулу).
Если теперь уменьшить ишх даже до нуля (точка 4), то ничего не изме¬
нится, поскольку поступающее на неинвертирующий вход отрицательное на-
лряжение (Зі7ВШІ удерживает ОУ в прежнем состоянии. И только когда
Vsx станет отрицательным и достигнет по величине уровня Ривых шах, нач¬
нется переюіючение компаратора в исходное состояние (точка 5). И т.д.
Таким образом, если Uon=Q, характеристика компаратора имеет вид,
представленный на рис. 2.26,6, при этом исраб = , а
При подключении Uon характеристика сдвигается на его величину по оси
С7ВХ (рис. 2.27,а). Характеристику' можно регулировать: если Rx увеличивать,
то и Д Ѵѵ увеличится, поскольку возрастет Э, если же R? увеличивать, то иг
снизится. При і?2=оо (т.е. Я2 отсутствует) гистерезис исчезает и схема фак¬
тически вырождается в схему рис. 2.24. ;
Компаратор с гистерезисом имеет собственное исторически сложившее¬
ся название - триггер Шмитта. На функциональных схемах его часто показы¬
вают упрощенно, с изображением петли гистерезиса (рис. 2.27,в).
Существуют и более сложные варианты компараторов и их характери¬
стик. Одна из них, весьма широко применяемая в системах автоматического
регулирования, показана на рис. 2.27,6.
и вых'
Ucrrn
1
! 1
JUon
Г
Ucpa6
і
1
‘ :
U*J 1
О
LW
Uon2 0
1
f
J
k
i
i
г ' i
1
w 1
Uonl
а) б) в)
Рис. 2.27. Характеристика компаратора при С7ОП>0 (а), один из вариантов более сложной
характеристики (б), упрощенное обозначение триггера Шмитта (в)
Кроме собственно операции сравнения, компараторы широко применя¬
ются для формирования прямоугольных импульсов из сигналов произволь¬
ной формы (см. рис. 2.25,6).
2.9 Генераторы электрических сигналов
Генератором электрического сигнала называется устройство, способное
после подачи электрического питания вырабатывать периодический сигнал
заданной формы, амплитуды и частоты. Классификация генераторов приве¬
дена на рис. 2.28.
Рис. 2.28. Классификация генераторов
71
Частота вырабатываемого генератором сигнала определяется его коле¬
бательной системой (цепью), в качестве которой может использоваться коле¬
бательный ZC-контур, цепь из резисторов и конденсаторов (RC-гснератор) и
кварцевый резонатор (кварц). В судовой автоматике генераторы на основе
LC- контура в настоящее время не используются.
Наиболее часто генератор строится на основе усилителя с ГІОС
(рис. 2.29).
Рис. 2.29. Структурная схема генератора на основе усилителя с ПОС
Условия возникновения генерации:
1. Наличие ПОС (так называемое "условие баланса фаз").
2. р* S 1. При этом *гпос—и» и даже если І7ВХ=0, на выходе усилителя
появится £7ВЫХ, поскольку входящие в усилитель элементы являются источни¬
ками микросигналов (электрические шумы) (так называемое "условие балан¬
са амплитуд").
3. Наличие реактивных элементов, способных запасать энергию (£, С);
они входят в состав колебательной системы.
Если одно из этих условий будет нарушено, генерация сорвется. При
(3*»1, генератор будет вырабатывать сигнал импульсной формы. Если
Рк=1, то форма сигнала будет синусоидальной.
Генераторы сигналов синусоидальной формы в судовой автоматике ис¬
пользуются относительно редко. Значительно шире применяются генераторы
импульсов, в основном пилообразной и прямоугольной формы.
Простейшие генераторы пилообразного напряжения (ГПН) выполня¬
ются на приборах, имеющих участок ВАХ с отрицательным сопротивлением,
лапример, на основе динистора. Более совершенные ГПН строятся на основе
интегратора и компаратора, которые рассмотрены ранее. Схема одного из ва¬
риантов такого ГПН приведена на рис. 2.30. Он состоит из интегратора на
DA1 и компаратора с гистерезисом на DA2. Транзистор VT1 выполняет роль
ключа. Если на вход интегратора через резистор R1 будет подано напряже¬
ние отрицательной полярности -и^ то вследствие заряда конденсатора С1
напряжение на его выходе станет линейно нарастать во времени (см. диа¬
грамму DA1 рис. 2.30): ѵ _ рі t .
U
ВЫХ
Цепь ПОС ^
(Р)
72
■ ' ' *
Это напряжение положительной полярности подается на вход компара¬
тора DA2. На второй вход компаратора подается опорное напряжение U2,
также положительной по¬
лярности. Как только на¬
пряжение на входе компа¬
ратора сравняется с напря¬
жением на неинвертирую¬
щем входе DA2, компаратор
переключается (см. диа¬
грамму DA2 рис. 2.30).
Появившееся на его выходе
напряжение отрицательной
полярности через резистор
R3 подается на базу VT1 и
транзистор открывается.
Открывшийся транзистор
("ключ" замкнулся) закора¬
чивает конденсатор С1, ко¬
торый быстро разряжается.
Напряжение на выходе DA1
снижается, компаратор воз¬
вращается в исходное со¬
стояние и процесс повторя¬
ется. Таким образом, на выходе DA1 формируется напряжение пилообразной
формы, линейно изменяющееся во времени.
Изменяя U1 можно изменять частоту повторения пилообразных импуль¬
сов, причем зависимость частоты от напряжения носит линейный характер.
Это свойство позволяет использовать ГПН в качестве преобразователя “на¬
пряжение-частота”, что находит применение в ряде судовых информацион¬
но-измерительных систем (см. п.5.5). В системах управления ГПН использу¬
ется для формирования сигналов широтно-импульсной модуляции (см.
п.4.10).
Генераторы прямоугольных импульсов имеют собственное название
- мультивибраторы. Схема мультивибратора на ОУ и диаграмма его работы
приведена на рис.2.31. Эта схема сделана на основе компаратора с гистерези¬
сом, в который вместо иях введена RC-цепь для задания периода колебаний.
Резисторы и JRj создают ПОС, причем pjc» 1. Здесь р = !—, а к -
R| + R2
Рис. 2.30 Генератор пилообразного напряжения
и форма его сигналов
73
коэффициент усиления ОУ. Частота сигнала определяется временем заряда-
разряда конденсатора С через резистор R Если после включения питания на
выходе ОУ установилось максимальное положительное напряжение и*т
(точка 1), то конденсатор С этим напряжением начинает заряжаться через
резистор R. В то же время, часть выходного напряжения ОУ приложена как
сигнал ГІОС к его неинвертирующему входу UHeMKB = Р^выхш**- По мере
заряда конденсатора напряжение ис на инвертирующем входе ОУ по экспо¬
ненте приближается к напряжению на неинвертирующем входе. Когда на¬
пряжение на конденсаторе (на инвертирующем входе) станет равным или чуть
больше чем напряжение !7неинв, ОУ переключится из точки 2 в точку 3. На его
выходе появится напряжение отрицательной полярности (точка 3), и конден¬
сатор начнет перезаряжаться на отрицательную полярность до момента, соот¬
ветствующего точке 4. В последующем процесс будет повторяться непрерыв¬
но. Выходной сигнал генератора - прямоугольные импульсы амплитудой
ивьіх шах и периодом Т (рис. 2.31,6), присутствующие на выходе ОУ.
Очевидно, что частота выходных импульсов зависит от всех параметров
схемы. Так, например, если увеличить емкость С, то процессы перезаряда бу¬
дут идти медленнее, что снизит частоту сигнала. Аналогичный результат
можно получить увеличением R, или увеличением Rb или уменьшением R2.
Рис. 2.31. Мультивибратор на ОУ (а) и временные диаграммы его работы (б)
Генераторы на основе RC колебательной системы не всегда обеспечива¬
ют необходимую нестабильность 6 частоты сигнала:
6 = м
f
где Af - отклонение частоты от заданного значения f.
74
' '<¬
Если от генератора требуется более высокая стабильность частоты, то он
выполняется на основе кварцевого резонатора (рис. 2.32). Пластина кварца
обладает резонансными свойствами. При включении пластины в электриче¬
скую цепь, для чего ее боковые грани металлизируются (рис. 3.32,а) прояв¬
ляются прямой и обратный пьезоэффект: при ее механической деформации •
на боковых гранях возникает разность потенциалов, а при воздействии элек¬
трического напряжения возникает механическая деформация.
По своим свойствам кварц эквивалентен колебательному контуру (рис.
2.32,6) с очень стабильными параметрами L и С, что обеспечивает высокую
стабильность частоты собственных колебаний кварца, и с очень малым со¬
противлением R, что обеспечивает медленное затухание колебаний.
Включив кварц в качестве звена ПОС, можно построить генератор с
очень малой нестабильностью частотбі, порядка тысячных долей процента:
а) 6) в)
Рис. 2.32. Кварцевый резонатор (а), его эквивалентная схема (б)
и условное графическое обозначение (в)
Такие генераторы используются в судовых измерительных устройствах
и системах, в электронных часах, в качестве тактовых генераторов ЭВМ.
Следует отметить, что свойства кварца являются уникальными и позво¬
ляют использовать его для построения разнообразных датчиков. В частности,
в большинстве электронных систем индицирования судовых дизелей исполь¬
зуются именно пьезокварцевые датчики давления газов в цилиндре дизеля.
Решающим преимуществом здесь является то, что такой датчик сохраняет
свои характеристики и работоспособен до 500°С. При изменении давления
газов, оказываемого на кварц, изменяется разность электрических потенциа¬
лов на гранях пластины. В последующем она усиливается специальным уси¬
лителем электрического заряда.
3 ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
3.1 Структурные схемы, характеристики источников питания
Судовая электрическая сеть работает на переменном токе. Для питания
электронного устройства требуется постоянный ток. Поэтому его источник
или блок питания (БП) должен обеспечить преобразование переменного тока
в постоянный, обеспечив на нагрузке заданное напряжение иш, при опреде¬
ленном токе нагрузки Ін. Эти параметры должны быть обеспечены при опре¬
деленном значении напряжения в сети Uc, зачастую в условиях его значи¬
тельных колебаний. .
Блок питания работает в напряженном режиме. В нём имеются значи¬
тельные тепловыделения, вызывающие его нагрев. Элементы, используемые
в БП, во многих случаях имеют малые запасы по предельным значениям.
КПД может находиться в диапазоне 30-ИЭ5 %,
Существует два основных варианта структурных схем БП.
Традиционный вариант, схема которого дана на рис. 3.1, содержит сле¬
дующие основные узлы: трансформатор (Т) служит для согласования уровня
напряжения сети Ѵа и напряжения питания электронного устройства и„
(трансформатор, как правило, понижающий); выпрямитель (В), выполненный
на диодах, преобразует переменное напряжение в постоянное; фильтр (Ф),
который строится на реактивных элементах - конденсаторах и катушках ин¬
дуктивности, служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряже¬
ния; стабилизатор напряжения (СТ), ключевым элементом которого является
стабилитрон, обеспечивает независимость выходного напряжения от колеба¬
ний напряжения в сети и тока нагрузки.
и.,
к нагрузке
ін
Рис. 3.1. Традиционный вариант БП
Такой БП является простым и надежным, однако в ряде случаев его масса и
габаритные размеры чрезмерны, а КПД недостаточно высокий (не более 50%).
Значительно меньшие габариты и массу и более высокий КПД имеет БП,
в котором используется промежуточное преобразование энергии на высокой
частоте (рис. 3.2).
76
Bi
Фі
Uc
fl-ЗОГц
-W
_L
T
В2
Ф2
СТ
-ы-
_L
т
2S
Uh
Рис. 3.2. Схема БП с преобразованием энергии на высокой частоте
В данной схеме переменное сетевое напряжение І7С, частотой ^=50 Гц,;
выпрямляется (ВД сглаживается (Фі) и подается для питания инвертора (И).
Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, частота которо¬
го f2 значительно выше, чем частота сети и может составлять десятки кило¬
герц. Затем это высокочастотное напряжение преобразуется как в предшест¬
вующей схеме. Поскольку f2»fi, то масса и размеры трансформатора полу¬
чаются значительно меньше, чем в традиционной схеме. Это является общей
закономерностью в электротехнике - чем выше частота переменного тока, тем
I
пропорционально меньше будут масса и габариты элементов преобразования
электроэнергии. По такой схеме строятся БП современных судовых систем ав¬
томатики на основе микропроцессорных устройств. Они работоспособны при
значительных колебаниях напряжения сети СГс, имеют высокий КПД.
Электрическое питание судовых систем автоматики резервировано. В
качестве резервного источника питания используются аккумуляторные бата¬
реи. Представленная на рис. 3.2 схема БП весьма удобна и является основой
для построения таких источников бесперебойного питания (англ. - Unin¬
terruptible Power Source - OPS). Если потребитель питается пере¬
менным напряжением 220 В (например - принтер, монитор и др.), то схема
такого UPS может иметь вид, представленный на рис. 3.3.
Устройство управления (УУ) постоянно контролирует наличие напряже¬
ния питающей сети -220 В, которое через переключатель S напрямую посту¬
пает к БП потребителя. Если напряжение в сети исчезает, УУ запускает ин¬
вертор И, который преобразует постоянное напряжение аккумуляторной ба¬
тареи (АБ) (24 В) в переменное напряжение частотой 50 Гц. В трансформато¬
ре Т оно повышается до 220 В и через управляемый от УУ переключатель S
подается к блоку питания потребителя. Блок питания потребителя может
быть выполнен по схеме рис. 3.1 или рис. 3.2.
77
т
и
Большинство блоков судовой автоматики питаются постоянным напря¬
жением 24 В. В этом случае их бесперебойное питание обеспечивается по
схеме, приведенной на рис. 3.4. '
Судовая1
Т
в
Ф
сеть »
-Е*
L
t24B
ж
1
і
-220В, •
50Гц !
1
1
ДБ
і
I
1
Г24ВІ Ч
і
і
1
і
UPS
уу
Потребитель “п”
Ип
Тп
Вп
Фп
СТп
/
г ллл.
X
-Е*
-L
Т
-*
£
] Блок питания
Рис. 3.4 Схема источника бесперебойного питания
группы потребителей 24 В постоянного тока
В схеме рис. 3.4 блок бесперебойного питания является общим для не¬
скольких потребителей, обеспечивая их питанием 24 В постоянного тока. В
.юрмальном режиме питания сетевое напряжение -220 В 50 Гц понижается
трансформатором Т, выпрямляется выпрямителем В, фильтруется фильтром
Ф и через переключатель S, управляемый от устройства управления УУ, пода¬
ется на блоки питания всех потребителей. Блоки питания потребителей (рис.
3.4) строятся по схеме с преобразованием энергии на высокой частоте (см.
рис. 3.2), но без выпрямителя В1 и фильтра *1. Они позволяют за счет ис¬
пользования трансформатора Т1 (рис. 3.4) получить из входного нестабили-
зированного напряжения постоянного тока 24 В требуемое, другое по вели¬
чине и стабилизированное напряжение питания потребителя Un.
При исчезновении основного питающего напряжения 24 В, обеспечи¬
ваемого судовой сетью, устройство управления УУ через переключатель S
подключает потребители к питанию от аккумуляторной батареи. .
3.2 Выпрямители, фильтры источников питания *
Выпрямители выполняются из диодов. Они могут быть реализованы в
нескольких вариантах. »
Простейшей является однофазная однополупериодная схема, показанная
на рис. 3.5. В ней используется всего один диод, пропускающий в нагрузку
одну полуволну переменного напряжения £72. Отсюда название - однополу-
78
периодная. Однако характеристики этой схемы весьма плохие, поэтому при¬
меняется она при малых мощностях в нагрузке, до 1 Вт.
VD1
Рис. 3.5. Однополупериодная схема выпрямления
При больших мощностях используются двухполупериодные схемы - с
нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора или мостовая. Наилуч¬
шими характеристиками среди однофазных схем выпрямления обладает мос¬
товая схема, приведенная на рис. 3.6.
Диоды здесь работают попарно: при одной полярности работают VD1 и
VD3, при другой - VD2 и VD4. Диаграмма работы выпрямителя дана на
рис. 3.5,6. Например, когда полярность мгновенного значения напряжения U2
на вторичной обмотке трансформатора соответствует рис. 3.4 (+ и - без ско¬
бок), ток проходит от верхнего вывода обмотки, через диод VD1, через нагруз¬
ку через диод VD3 и к нижнему выводу обмотки. При смене полярности
напряжения Ѵ2 (в скобках), ток будет проходить от нижнего вывода обмотки,
через VD2, R„, VD4 к верхнему выводу обмотки трансформатора. Заметим,
что в обоих случаях направление тока через R„ одинаково, т.е. ток не меняет
своего направления и поэтому является постоянным (по направлению).
Эта схема применяется при мощностях до нескольких сотен ватт, что
позволяет ее широко применять в блоках питания электронной автоматики.
С целью упрощения применения выпрямительные мосты выпускаются про¬
мышленностью и как готовые изделия. На схемах они изображаются упро¬
щенно (рис. 3.6,в).
“ и»
а) б) в)
Рис. 3.6. Однофазная мостовая схема выпрямления (а), форма напряжения и тока в на¬
грузке (б) и упрощенное изображение на схеме выпрямительного моста (в)
79
При мощностях больших 1 кВт используют трехфазную мостовую схему
выпрямления, показанную на рис. 3.7. В ней диоды образуют две группы:
диоды VDI, VD2 , VD3 - катодную группу; VD4, VD5, VD6 - анодную группу.
В любой момент времени пропускают ток два диода - один диод из ка¬
тодной группы, потенциал анода которого наивысший и один диод из анод¬
ной группы потенциал катода которого наинизший. Например, на участке 1,2
временной оси проводит ток VD1, поскольку напряжение фазы а здесь наи¬
более положительное, и диод VD5, так как в фазе Ь напряжение наиболее от¬
рицательное. На участке 2,3 наиболее отрицательное напряжение имеется в
фазе с, поэтому проводит ток пара диодов VDI, VD6, и т.д. Таким образом,
диоды пропускают в нагрузку "кусочки" линейных (межфазных) напряже¬
ний, из которых и формируется напряжение в нагрузке (рис. 3.7,в).
-Ua ~Ub ~Uc
.АІЛІЛШ
ІІ-5І1-6І2-6 2-4ІЗ-4 3-511-5!
б)
Uh 1
/\ /\ м м і\
і \ і \ і \ і \ і \
I \ I \ I W \ I
t * у і *
а)
в)
Рис. 3.7. Трехфазная мостовая схема выпрямления (а), диаграмма её работы (б)
и форма напряжения в нагрузке (в)
Эта схема обладает наименьшими пульсациями выпрямленного напря¬
жения. Это одно из её преимуществ. Кроме этого, трёхфазная схема, по срав¬
нению с другими, допускает использование диодов с наименьшими значе¬
ниями таких параметров как максимальный прямой ток и максимальное об¬
ратное напряжение.
В трёхфазной схеме при прочих равных условиях размеры и масса
трансформатора меньше.
Фильтры. В качестве фильтров используются реактивные элементы,
способные запасать электрическую энергию (С, Z).
80
t
*
Чаще всего в БП электронной аппаратуры в качестве фильтра применяется
электролитический конденсатор С большой ёмкости (рис. 3.8) - от несколь¬
ких сотен до десятков тысяч микрофарад,
в
рязряд
£Ди-п
ульсация
'із 'ір
Рис. 3.8. Фильтр на конденсаторе и диаграмма его работы
Пока мгновенное значение напряжения синусоиды на выходе выпрями¬
теля высокое, конденсатор заряжается. Когда напряжение уменьшается, кон¬
денсатор, разряжаясь, отдает ток в нагрузку, за счет чего снижение напряже¬
ния в нагрузке (пульсации) ДГ7 будет меньше. С очередной полуволной кон¬
денсатор подзаряжается.
Сглаживание будет тем лучше, чем больше ёмкость конденсатора и со¬
противление нагрузки. Следует отметить, что эти конденсаторы относитель¬
но часто выходят из строя, в частности - из-за повышения напряжения на
входе выпрямителя.
3.3 Стабилизаторы. Защита источников питания
Выходное напряжение БП может изменяться при изменении напряжения
в сети и при изменении тока нагрузки. Поэтому почти всегда в составе БП
используется стабилизатор напряжения.
Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилиза¬
ции - отношение изменения входного напряжения к изменению выходного:
к т
стаб дин
Чем он больше по величине, тем качественнее работает стабилизатор.
Простейший параметрический стабилизатор содержит два элемента
(рис. 3.9) - стабилитрон VD и балластный
резистор Re.
Поступающее от фильтра БП напря¬
жение UBX всегда больше напряжения на
выходе стабилизатора U„. Это некоторый
R6
1 Кб
+ о-
ЧИП—►
Ік
Uh
Rh
-о
Рис. 3.9. Простейший стабилизатор
запас, резерв, за счет которого и происхо¬
дит стабилизация. Избыток напряжения выделяется на резисторе іѴ Если
UBX, например, возрастет, то возрастет и ток j =
При
81
этом на резисторе JRe увеличится падение напряжения, т.е. выделится прира¬
щение І7ВХ, за счет чего Е7„ останется примерно постоянным. Увеличившийся
ток Іцб пойдет через стабилитрон. •
Для такого стабилизатора JcOTa6 = 10... 50.
При необходимости получения более высокого коэффициента стабили¬
зации применяются более сложные схемы, в частности компенсационный
стабилизатор, у которого JcCTa6 может составлять десятки тысяч. Такие ста¬
билизаторы выпускаются в виде интегральных микросхем, готовых к приме¬
нению. Например, микросхема 7805 обеспечивает выходное стабилизирован¬
ное напряжение +5 В при токе нагрузке до 1 А и коэффициенте стабилизации
несколько сотен. Имеет всего 3 вывода и выпускается в корпусе, аналогич¬
ном корпусу транзистора. Выходное напряжение поддерживается на уровне '
+5 В при изменении входного в диапазоне 0^=7,5... 15 В, имеется защита от
короткого замыкания в нагрузке.
Электронной промышленностью выпускаются ИМС стабилизаторов на
различные фиксированные (и регулируемые) значения напряжений: -5 В
(7905); +5 В (78L05, маломощный, модификация микросхемы 7805, на ток до
0,15 А); +15 В (7815); -15 В (7915) и др. На рис. 3.10 показан пример практи¬
ческой схемы БП, построенной на интегральных стабилизаторах 7815 и 7915.
ІС1 7815
Ті
SI
‘■‘питание”
Uc =220В
<r
PV2 0.2А I
-&■
-15В, 1Л
X VD9
АЛ307А
“-15В’общий
провод
-15В, 1А
1С1 7915
Рис. 3.10. Практическая схема БП на основе интегральных стабилизаторов
Она обеспечивает выходные напряжения +15 В и -15 В, используемые
для питания преобразователей сигналов на ОУ. Трансформатор Т1 имеет две
вторичных обмотки, к каждой из которых подключен мостовой выпрямитель.
Конденсаторы С1 и С2 - фильтры. После стабилизаторов IC1 и IC2 уста¬
новлены дополнительные конденсаторы СЗ и С4, обеспечивающие более ка¬
чественную работу стабилизаторов. Светодиоды VD9 и VD10 обеспечивают
82
' • *■
визуальный контроль наличия выходных напряжений. Токи через них огра¬
ничены резисторами И. и R2. Предохранители FOT. и FU2 защищают пи¬
тающую Uc сеть от короткого замыкания в блоке питания. Защита от корот¬
кого замыкания в нагрузке обеспечивается стабилизаторами.
Выход из строя электронного устройства, питающегося от БП, может
привести к выходу из строя источника питания. В свою очередь, отказ БП
может привести к повреждению питающейся от него нагрузки. Поэтому БП
имеет ряд защит:
- от короткого замыкания в нагрузке;
- от перегрузки по току нагрузки;
- от превышения выходного напряжения;
- от исчезновения одного из питающих напряжений и т.д.
Поскольку выход из строя электронных приборов (диодов, транзисто¬
ров, ИМС) протекает весьма быстро, то все эти виды защит являются быст¬
родействующими, со временем срабатывания, измеряемым миллисекундами.
Строятся они на электронных приборах и реализуются чаще всего в схеме
стабилизатора. В ряде случаев, для защиты от повышения потребляемого БП
тока на входе блока питания устанавливают специальные быстродействую¬
щие предохранители (см. рис. 3.10).
Типичным примером реализации комплекса защит является блок пита¬
ния стационарных PC-компьютеров, обеспечивающий выходные напряже¬
ния: +5 В; +3,3 В; +12 В; -12 В. Защита снимает все выходные напряжения
БП в случаях:
- исчезновения одного (любого) из входных напряжений;
- превышения тока нагрузки по каналам +5 В и +12 В;
- превышения любого из выходных напряжений;
- слишком низком или слишком высоком напряжении в питающей сети.
83
4 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ
4.1 Общие сведения об устройствах дискретного действия
Дискретным называется устройство, элементы которого могут нахо¬
диться лишь в одном из двух возможных состояний - включен/ выключен,
открыт/ закрыт и т.д. Соответственно формируемые ими дискретные инфор¬
мационные сигналы могут иметь только два возможных уровня:
- низкий уровень, называемый нулевым ("О");
- высокий уровень, называемый единичным ("1").
Такое представление информации вполне естественно отображает со¬
стояние судового энергетического оборудования, управляемого электронными
средствами - клапан открыт или закрыт, насос в работе или остановлен и т.д.
Уровни сигнала "О" и "1" в электронном устройстве выражаются вели¬
чиной напряжения. При этом обычно низкое напряжение сигнала соответст¬
вует уровню "О", а высокое - "1".
Одиночный сигнал уровня "О” или "1", информация в котором выражена
его величиной, является простейшим, собственно дискретным сигналом
(англ. ''binary1'). Однако существуют разновидности дискретных устройств,
информация в которых выражена более сложно - импульсные и цифровые.
В импульсных устройствах информация представлена параметрами им¬
пульсов. Импульсы - токи или напряжения, действующие на определенных
промежутках времени и чередующиеся паузами (рис. 4.1). По существу это
дискретный сигнал, рассматриваемый в функции времени.
Информация содержится во времен¬
ных параметрах импульсов: длительности
импульса tj,, длительности паузы t,,, пе¬
риоде Т, частоте f=l/T.
Рис'4.1. Импульсный сигнал Амплитуда Пш (уровень "1"), как но¬
ситель информации не используется.
Импульсный способ представления информации имеет ряд преимуществ
перед аналоговым:
- большая помехоустойчивость: мощность импульса может быть высокой;
информация содержится во временных параметрах, на которые помехи
влияют незначительно;
- на импульсные устройства меньше влияет разброс параметров транзисторов
. t„ .
. т „
84
' ' . *•
и температура; транзистор работает в ключевом режиме - открыт/ закрыт, в
этом режиме он способен управлять более мощной нагрузкой;
- импульсные электронные устройства в лучшей степени приспособлены
для создания их в виде интегральных микросхем.
Цифровые (англ. - "digital") электронные устройства являются разное
видностью импульсных. Элементная база у них практически такая же, но у
цифровых устройств по другому кодируется информация (количеством им¬
пульсов за определенный промежуток времени, сочетанием импульсов на не¬
скольких выходах устройств и др.). Цифровыми устройствами являются ЭВМ.
В состав импульсных устройств входят:
- источники импульсных сигналов (генераторы);
- формирователи импульсных сигналов (компараторы);
- усилители импульсных сигналов;
- преобразователи импульсных сигналов;
- индикаторы.
Генераторы импульсов, компараторы, устройства индикации ранее были
рассмотрены. Усилители импульсов по принципам построения не отличают¬
ся от ранее рассмотренных. Наиболее многочисленными являются преобра¬
зователи импульсных (цифровых) сигналов, простейшие из которых - логи¬
ческие элементы.
4.2 Логические функции и логические элементы
Управление энергетическим оборудованием зачастую сводится к дейст¬
виям дискретного характера - включить/ выключить, открыть/ закрыть и т.д.
Эти дискретные управляющие сигналы должны формироваться на основе
информации о составе работающего (и резервного) оборудования и о режиме
его работы. Параметры, характеризующие режим работы оборудования, все¬
гда в первую очередь рассматриваются с позиции их допустимости. В этой
трактовке любой параметр может характеризоваться двумя уровнями - "нор¬
ма" или "отклонение", которые можно выразить понятиями "1" и "О".
Для управления этим оборудованием необходим некоторый блок авто¬
матики (блок логики), выполняющий логический анализ входных сигналов и,
в зависимости от их значений, вырабатывающий управляющее воздействие
на изменение режима работы или состава работающего оборудования. Такой
блок должен реализовывать определённую логическую функцию. Логическая
функция (ЛФ) - это записанное в математической форме логическое сужде¬
ние о событиях, которые могут принимать только два возможных значения:
«1» - событие произошло; «О» - событие не произошло.
85
Любая сложная логическая функция может быть представлена как сово¬
купность простейших элементарных логических функций: "И", "ИЛИ", "НЕ".
Логическая функция "И" (логическое умножение). Ее математическая
запись имеет вид: Р = а * b, а в устной форме она звучит так: событие Р про- '
изойдет, если произойдет событие а и событие Ъ.
Любая логическая функция характеризуется таблицей состояний (табли¬
цей истинности), в которой представлены все возможные комбинации вход¬
ных сигналов и соответствующие им выходные сигналы. Для логической
функции "И " таблица состояний имеет вид (для двух входных сигналов - а,
Ь, сигнал Р - выходной):
Таблица 4.1
Таблица состояний ЛФ "И"
а 1 і)’
р
о 1 0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
Логическая функция "ИЛИ" (логическое сложение). Событие произой¬
дет, если произойдет или одно событие, или второе, или оба вместе. Ее ма¬
тематическая запись имеет вид: Р = а + Ь.
Таблица 4.2
Таблица состояний ЛФ "ИЛИ"
а
ь
р
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
Логическая функция "НЕ " (логическое отрицание, инверсия). В устной
форме она звучит так: событие Р произойдет, если не произойдет событие а,
и наоборот. Ее запись имеет вид: Р = а.
Таблица 4.3
■ Таблица состояний ЛФ "НЕ"
а
р
0
1
1
0
Кроме трех простейших логических функций широко используются их
комбинации - логическая функция И/НЕ Р = а*Ь (инверсия произведения)
и логическая функция ИЛИ/НЕ Р = а + ѣ (инверсия суммы).
86
'<¬
Существует математический аппарат, оперирующий логическими пере¬
менными, называемый алгеброй логики ("булева алгебра"). Кроме логиче¬
ских функций в алгебру логики входят ряд законов и тождеств:
а + Ь = Ь + а - переместительный закон.
(а + Ь) + с = (а. + с) + Ь - сочетательный закон и др.
Большое практическое значение имеют законы инверсии:
a + b = a*b,
a* b = a + b.
Они позволяют перейти от логического сложения к логическому умно¬
жению и наоборот. .
Тождества: ‘
а + 1 = 1; а + 0 = а;
а* 1 = а; а* 0 = д; а + а = а. '
а = а; а*а = 0;
Используя законы и тождества алгебры логики сложные логические
функции можно упрощать. Эта операция называется минимизиация. Пример:
Р = (а+ аЬ) сЯ- (а+ с) с= а (1+ Ъ) с+ ас+ сс — ас+ ас= ас
В данном примере знак операции умножения опущен, как это принято
при записи обычных алгебраических выражений.
Рассмотрим пример составления логической функции блока дистанци¬
онного автоматизированного запуска дизеля. Пусть имеются сигналы:
а - сигнал пуска из ЦПУ (центральный пост управления);
Ъ- сигнал пуска из МПУ (местный пост управления);
с - давление пускового воздуха (в норме/ниже нормы);
d- давление масла (в норме/ниже нормы);
е - давление топлива (в норме/ниже нормы);
f - состояние валоповорогного устройства (сообщено/разобщено);
Р - сигнал начала запуска дизеля.
В устной форме условие запуска можно сформулировать так: запуск
двигателя должен начаться (Р=1) если поступит сигнал на запуск с ЦПУ ИЛИ
с МПУ И при этом будут в норме давление пускового воздуха И давление
масла И давление топлива И НЕ будет подключено вцлоповоротное устройст¬
во. Такая формулировка условия пуска позволяет записать следующую логи¬
ческую функцию:
P = (a + b)cdef.
Для этой логической функции можно было бы составить таблицу со¬
стояний, чтобы определить при какой комбинации сигналов запуск будет
87
возможен. Но она будет чрезмерно громоздкой. Поскольку имеется 7 вход¬
ных сигналов, то возможно 27=128 их комбинаций. Математический же ана¬
лиз логической функции позволяет весьма просто решать практические зада¬
чи в этой области техники. Так, запуск дизеля будет возможен, если а=1;
Ь= 0; c=d=e=1; f=0, ибо: Р = (l + О) ■ 1 • 1 • 1 • 0 = 1. А вот если датчик
положения валоповоротного устройства отказал и его выходной сигнал все¬
гда удерживается в состоянии "1" (f=l), то запуск дизеля будет невозможен
ни при каких других сигналах, поскольку: Р = (і + О) ■ 1 • 1 ■ 1 - 1 = 0. Отсюда
вывод - нужно заменить датчик.
Данный пример - учебный, иллюстрирующий применение элементар¬
ных логических функций. Однако с позиции технической эксплуатации дви¬
гателя в нем есть недостаток - возможность пуска дизеля одновременно с
двух постов управления, когда а=Ь=1. В реальной ситуации это должно быть
исключено. Приводимая ниже логическая функция это учитывает, блокируя
запуск двигателя при одновременном поступлении сигналов пуска с двух по¬
стов управления:
Р - (а.Ъ + ab^cdeB.
Так, если запуск осуществляется из ЦПУ, а сигнал пуска с МПУ отсут¬
ствует, то выражение в скобках примет вид:
(аЬ + аі) = (і • 0 + 1 • О) = (1 ■ 1 + 0 ■ О) = (і + О) = 1.
Если при этом остальные параметры в норме (с = d = е = 1 ,£ = то за¬
пуск двигателя произойдет, ибо:
Р = (аЬ + ab)cdef =(і-0 + 1-0)-1-1-1-0=1.
Аналогично двигатель удастся запустить с МПУ, если а = 0, Ь = 1.
Однако, если будет попытка одновременного запуска двигателя с двух по¬
стов управления (а = Ь = і), то запуск будет заблокирован, поскольку
(ab + aZ^ = (ll + l- j)=(l-0 + 0-l) =(0 + С) = 0и какими бы ни были сигналы
с, d, е, f, выходной сигнал будет Р = 0.
Логические элементы.
Логический элемент (ЛЭ) - это электронное устройство, реализующее
конкретную логическую функцию.
Пример схемы простейшего элемента "НЕ" приведен на рис. 4.2. Значе¬
ния логических переменных в нем представлены уровнями напряжения: "0":
U~ 0 В; "1": U- ипит. Для данной схемы при £7ВХ=0 В (а=0) транзистор закрыт
и все VmT приложено к нему, т.е. на выходе схемы С7ВЬІХ» (Р=1). Когда
[7ВХ»0 (а=1) через R« протекает ток базы транзистора, он открывается, и все
С7пиТ приложено к R*. При этом UBilx=0 (Р=0).
88
В настоящее время ЛЭ выпускаются исключительно в виде интеграль-
Элементы "И/НЕ", "ИЛИ/НЕ" являются уни- 1>ис 4.2. Простейшая схема
.. _ логического элемента "НЕ"
версальными. Используя законы инверсии любую
логическую функцию можно реализовать не элементах только этого типа.
Логические элементы выпускаются сериями. В состав серии может вхо¬
дить несколько десятков типов ЛЭ, как представленных на рис. 4.3, так и бо¬
лее сложных. В пределах серии параметры ЛЭ унифицированы - они имеют
одинаковые питающие напряжения, однотипную элементную базу, одинако¬
вые уровни напряжений логических сигналов, быстродействие и т.д.
Для построения блоков логики широко используются ЛЭ серии 74, раз¬
работанной в 60-е годы одной из американских фирм. Микросхемы этой се¬
рии и ее модификаций выпускаются многими фирмами. В нашей стране ана¬
логом данной серии является серия К155 и ее последующее развитие - серии
К555, К531, К1533 и т.д. Микросхемы серии 74 характеризуются параметра¬
ми: C7n„T=+5 В; £7..0..£0 ,4 В; І7..х„^2,4 В (до 5 В); время переключения из со¬
стояния "1" в "0" - на уровне 15+25 не. Логические элементы этой серии от¬
носятся к транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ, англ. TTL) - построены
на биполярных транзисторах. Уровни сигналов, используемые в таких ЛЭ,
часто сокращенно именуют ТТЛ-уровнями. В судовой автоматике применя¬
ются ЛЭ и других серий (4000 и др.).
Пример маркировки одной из микросхем ЛЭ показан на рис. 4.4, где:
SN - знак фирмы изготовителя; 74 - номер серии; L - с малым энергопо¬
треблением; S - с диодом Шотгки (разновидность диода с высоким быстро¬
действием); 00 - порядковый номер микросхемы в серии; N - пластмассовый
корпус.
ных микросхем, внутренняя схема которых не
раскрывается. Они имеют собственные условные
графические обозначения на схемах. Имеется иях Rf
несколько систем условных обозначений ЛЭ, не- ?—Q
которые из которых приведены на рис. 4.3. [””
НЕ
ИЛИ
И ИЛИ/НЕ И/НЕ
- Россия, Европа
- устаревшие
обозначения
Рис. 4.3. Условные обозначения ЛЭ
89
+ 0-
14 13 12 И Ю 9 8
По порядковому номеру 00 из спра¬
вочника можно определить, что эта мик¬
росхема содержит четыре ЛЭ И/НЕ, каж¬
дый с двумя входами. Ее аналогом в се¬
рии К555 является микросхема К555ЛАЗ.
Унификация параметров ЛЭ упро¬
щает построение блоков логики. Не тре¬
буется никаких промежуточных связую¬
щих элементов - выходы ЛЭ можно напрямую соединять со входами после¬
дующих элементов. Блок логики пуска дизеля, чья логическая функция рас¬
смотрена ранее, будет иметь вид, показанный на рис. 4.5.
В
0
SN74 LSOON
о
11 II
12 3 4
> 6
1
Рис. 4.4. Маркировка микросхемы ЛЭ
а+Ь
-43-
а)
Рис. 4.5. Блок логики пуска двигателя:
а - в соответствии с функцией Р = (а + bjcdef ;
б - в соответствии с функцией Р (аЪ + a.b)cdef
Реализация сравнительно простых блоков логики в системах управления
судового энергетического оборудования выполняется на логических элемен¬
тах, как это описано выше. Однако, при комплексном подходе к автоматиза¬
ции судовых процессов с учетом многообразия решаемых задач и видов
энергетического оборудования, всевозможных ограничений и блокировок,
логические функции управления получаются весьма сложными. В этих усло¬
виях их реализация на ЛЭ приводит к усложнению, повышению стоимости и
снижению надежности электронных блоков автоматики. В связи с этим, в на¬
стоящее время сложные ЛФ реализуют средствами микропроцессорной тех¬
ники. Любой микропроцессор, являясь составной частью микроЭВМ, спосо¬
бен выполнять логические функции (см. ниже). Поэтому в практическом
плане задача реализации блока логики состоит в составлении программы для
ЭВМ, по которой рассчитывается ЛФ. Для этих целей разработаны специали¬
зированные управляющие микроЭВМ, именуемые программируемыми логи¬
ческими контроллерами (англ . - PLC).
90
4.3 Триггеры
Триггер (англ. - flip-flop) - элемент памяти, имеющий два возмож¬
ных устойчивых состояния и способный сохранять любое из них сколь угод¬
но долго, пока есть питание. В отличие от логических элементов, выходной
сигнал которых полностью определяется комбинацией входных сигналов,
выходной сигнал триггера зависит не только от входных, но и от предшест¬
вующего состояния триггера.
Существует несколько разновидностей триггеров. Они выпускаются в
виде интегральных микросхем, но могут быть сделаны и из логических эле¬
ментов.
RS-триггер. Такой триггер является простейшим. Он используется как
самостоятельно, так и в качестве составной части других триггеров. Триггер
имеет два входа и два выхода (рис. 4.6): S - вход установки (set); R - вход
сброса (reset); С-прямой выход; Q- инверсный выход.
Сигнал на инверсном выходе всегда противоположен сигналу на прямом
выходе.
Т, DD1
Вход R
Вход S
DD2
а) б) в)
Рис. 4.6. RS-триггер в виде ИМС (а), диаграмма его работы (б)
и RS-триггер, выполненный на ЛЭ ИЛИ/НЕ (в)
Триггер имеет два состояния:
1.0=0; Q = 1.
2. (3=1; Q = 0. '
Вход S служит для установки состояния 0=1, Q = 0. Таким образом,
сигнал S=1 запоминается в триггере.
Вход R, если на него подать сигнал К=1 позволяет установить триггер в
противоположное состояние: 0=0; Q = 1.
Триггер данного типа, ввиду его простоты, часто выполняют на логиче¬
ских элементах (рис. 4.6,в).
D-триггер (D - delay - задержка). Имеет очень широкое применение -
на основе его строятся счетчики, ячейки памяти ЭВМ и другие узлы. Он име¬
ет два входа - вход D для подачи информационного сигнала и вход С - для
сигнала синхронизации.
91
Информационный сигнал (0 или 1) записывается в триггер только с по¬
ступлением синхронизирующего сигнала (рис. 4.7).
Информ_
сигнал
Синхр.
сигнал
D
Т
С
‘
Q
°t
QtJ_C
_П
г
Рис. 4.7. D- іриггер и диаграмма его работы
Г-триггер. С приходом очередного импульса на вход триггера его вы¬
ходной сигнал меняется на противоположный.
Такой триггер называется триггером со счётным входом (рис. 4.8,а). Ис¬
пользуется для построения счетчиков и делителей частоты импульсов. Если
на вход триггера поступают импульсы с периодом Гвх и частотой fBX=l/ Твх,
то на выходе триггера период импульсов Твых будет в 2 раза больше, а часто¬
та - в два раза меньше, чем на входе (рис. 4.8, б).
В виде отдельной микросхемы Г-триггер не выпускается - его можно
создать, используя D-триггер (рис. 4.8, в). При этом в качестве счетного входа
используется вход "С" D-триггера.
Т„ I
Счетный
Т
Q
вход
Г
Qu і—п
б)
Счетный
вхол
-Q
JT
в)
Рис. 4.8. Г-тригтер:
а - условное обозначение; б - диаграмма работы; в - Г-триггер из D-тригтера
Ж-тригі ер. Это универсальная микросхема, из неё можно сделать 1
RS, Г, D-триггер.
Триггеры выпускаются в составе серий микросхем, куда входят и логи¬
ческие элементы. В пределах серии их параметры унифицированы, и они мо¬
гут применяться совместно без дополнительных согласующих элементов.
4.4 Счетчики. Двоичный код
Счетчики строятся на основе Г-триггеров и предназначены для подсчета
числа входных импульсов. Счетчики широко применяются в цифровых изме¬
рительных системах, в системах автоматики и т.д.
В простейшем случае счетчик представляет собою цепочку из ряда
включенных последовательно триггеров - выходной сигнал предшествующе-
92
го поступает на вход последующего. На рис. 4.9 показан один из простейших,
но широко используемый вариант построения счетчика - четырехразрядный
двоичный счетчик. Триггеры, использованные в нем, переключаются, когда
входной сигнал изменяется из состояния "1" в состояние "О" (говорят — по
срезу входного импульса). Это свойство отражено в изображении триггера
треугольником на его входе, остриё которого направлено влево.
DD1 DD2 DD3 DD4
Информац.
вход
Вход
сброса —I
Г
9-
г
Q1 Q2 Q4
Рис. 4.9. Четырёхразрадный двоичный счётчик
Q8
Входные импульсы поступают на информационный вход счетчика - на
вход первого триггера. Перед началом счета на вход сброса подается одиноч¬
ный импульс сброса, приводящий счетчик в исходное нулевое состояние. Для
этого каждый триггер имеет отдельный вход сброса R После сброса на всех
выходах счетчика - Ql, Q2, Q4, Q8 - устанавливается сигнал логического нуля.
Работает счетчик следующим образом. По срезу каждого входного им¬
пульса (см. рис. 4.10, где входные импульсы пронумерованы) первый триггер
переключается в состояние, противоположное предшествующему (сигнал на
выходе Q1). Моменты переключения "привязаны" друг к другу пунктирными
линиями. Формируемые таким образом на выходе Q1 импульсы поступают
на вход второго триггера. Он также будет переключаться по срезам импуль¬
сов с выхода Q1, формируя на выходе Q2 импульсы, поступающие на третей
триггер. И т.д.
Вход
10 11 12 13 14 15 16 17
пппп
Q1
Q2
ппппппппппппп
£
Q4
• Y N
f V Ч
Г
X
Q8
Рис. 4.10. Временные диаграммы работы счетчика
93
Каждому очередному входному импульсу на выходах счетчика соответ¬
ствует определенная комбинация выходных сигналов. Эта комбинация отра¬
жает число поступивших импульсов. Данный счетчик имеет 16 возможных
состояний (табл. 4.4).
Таблица 4.4
Таблица состояний счетчика
Число входных
импульсов
Состояния триггеров счетчика
28
Q4
02
01
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
, 1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
10
1
0
1
0
11
1
0
1
1
12
1
1
0
0
13
1
1
L 0
1
14
1
1
1
0
15
1
1
1
1
16
0
0
0
0
Легко заметить, что после 16 импульсов состояние счетчика приходит к
исходному.
Важнейший параметр счетчика - максимальное число импульсов, кото¬
рое он может сосчитать - коэффициент счета (модуль счета). Он определяет¬
ся выражением: ксч = 2П, где п - число триггеров. В данном случае п=4 и
JtCT=16.
Комбинация выходных сигналов счетчика выражает количество поступив¬
ших входных импульсов в ввде двоичного кода В двоичном коде любое число
может быть записано в виде суммы степеней числа 2, в следующей форме:
Я = (1 + 0)- 2й + ...<1+ 0)- 23 + (1+ 0)- г2 + (1+ 0)- 21 + (1+ 0)- 2°,
где (1+0) - множитель, который может принимать только два значения: 1 или 0.
Например, десятичное число N=4 в соответствии с приводимой форму¬
лой, запишется в виде:
N = (1 + 0) 23 + (1 + 0) 22 + (1 + 0) 21 + (1 + 0) 2° =
= (023 + (1) 22 + (0 21 + (0)2° = 4
Или сокращенно - 0100, что является двоичным кодом числа 4. Легко
заметить, что эта запись соответствует выходным сигналам счетчика после 4¬
94
' ' ; <¬
го импульса (см. табл. 4.4). При этом сигнал конкретного триггера счетчика
выражает 1 или 0, соответствующую определённому разряду двоичного кода.
Информация, обрабатываемая в микро-ЭВМ, представлена в двоичном
коде. Он трудно воспринимается человеком, но удобен для построения уст¬
ройств его обработки. і
Счетчики выпускаются в виде интегральных микросхем. Пример обо¬
значения микросхемы счетчика, анало- „ ,
г Информацион-
гичного схеме рис. 4.9, дан на рис. ныйвход -
4.11. Число в обозначении выхода счёт¬
- II II -т- вход
чика указывает его условный вес . Так ,
J 1 сброса ~
на выходе "4" сигнал "1" появится по¬
сле 4 входных импульсов. Рис. 4.11. Обозначение ИМС счетчика
Рассмотренный счетчик является
двоичным, поскольку результат счета представлен в двоичном коде и четы¬
рехразрядным, потому, что формируемый им двоичный код - четырехразряд¬
ный. Следует добавить, что рассмотренный счетчик является суммирующим -
в нем с каждым входным импульсом двоичный код увеличивается. Сущест¬
вуют счетчики вычитающие (на каждый импульс код уменьшается) и универ¬
сальные — реверсивные, а также счетчики, способные формировать другие ви¬
ды кода - двоично-десятичный и др.
Помимо подсчета числа импульсов, счетчик является запоминающим
устройством - если поступление импульсов прекратится, счетчик будет со¬
хранять сформированный код до тех пор, пока есть питание.
Если импульсы поступают на вход непрерывно, с некоторой постоянной
частотой fBX, то счетчик будет выполнять роль делителя частоты входных
импульсов. Как легко заметить из диаграммы рис. 4.10, период импульсов,
формируемых каждым триггером на его выходе, в 2 раза больше, чем на вхо¬
де. Частота импульсов делится каждым триггером в. 2 раза, а общий коэффи¬
циент деления частоты равен коэффициенту счета. Поэтому, на выходе по¬
следнего триггера частота импульсов составит: fBlDt = fBX / kC4. Это свой¬
ство счетчика - делить частоту - очень широко используется, в частности - в
судовых информационно-измерительных системах, в системах автоматики и
т.д. Так, в частности, электронные часы, наличие которых в ряде устройств
автоматики обязательно, по существу представляют собою комбинацию из
счетчиков и делителей частоты.
СТ2
с
1
—
2
4
R
8
95
4.5 Регистры. Сложные комбинационные устройства
Регистр - устройство, служащее для хранения и преобразования инфор¬
мации в цифровых системах. Существуют две разновидности регистров - па¬
раллельный и последовательный. Регистры строятся на D-триггерах.
Параллельный регистр служит для хранения информации, выражен¬
ной кодом. По такому принципу строятся ячейки памяти микроЭВМ.
Двоичный код характеризуется разрядностью. Для хранения одного раз¬
ряда кода требуется один триг¬
гер. Показанный на рис. 4.12
регистр способен хранить 3-х
разрядное двоичное число. По¬
сле подачи импульса на вход
записи, входной код записыва¬
ется в триггеры регистра и его
можно считать на выходах.
Информационные входы
DD1
Вход
"запись"-
л_
т
DD2
Г
D
т
С
DD3
D
Т
С
•
Выходы
Рис. 4.12. Параллельный регистр
Последовательный регистр (регистр сдвига) служит для хранения и
преобразования информации. Входной код последовательно, разряд за разря¬
дом подается на информационный вход (рис. 4.13).
С каждым импульсом сдвига он передаётся от триггера к триггеру. По¬
сле трех импульсов сдвига на выходах регистра будет присутствовать парал¬
лельный трехразрядный код.
Такой регистр имеет
широкое применение - для
выполнения математиче¬
ских операций, для преоб¬
разования параллельного
кода в последовательный и
наоборот (см. ниже).
Рассматриваемые ниже
Последоват.
1 1
Выходы
Рис. 4.13. Последовательный регистр
преобразователи могут быть охарактеризованы как сложные комбинацион¬
ные устройства. Выходной сигнал таких устройств зависит только от комби¬
нации входных сигналов. Они могут быть построены на отдельных логиче¬
ских элёментах, однако ввиду их сложности выпускаются в виде готовых из¬
делий - микросхем.
Дешифратор - служит для преобразования двоичного кода в десятич¬
ный. В этом устройстве каждому значению входного двоичного кода со¬
ответствует сигнал на одном конкретном выходе.
96
5 *
1 2
ч х
DC
00
_
01
—
1
02
—
2
03
—
—
4
04
—
05
—
06
—
07
Рис. 4.14. Дешифратор
Дешифраторы применяются для управления цифровыми индикаторами,
для распределения импульсов и т.д. На рис. 4.14
показан дешифратор трехразрядного двоичного
кода в десятичный. Так, если на входе будет код
110 (число 6), то сигнал логической единицы бу->
дет присутствовать только на выходе "06".
Коммутаторы. Служат для переключения
(коммутации) дискретных или аналоговых сиг¬
налов. Имеются две разновидности коммутато¬
ров - мультиплексор и демультиплексор.
Мультиплексор (рис. 4.15) один из нескольких входных сигналов под¬
ключает на единственный выход. Широко применяется в системах централи¬
зованного контроля, когда большое число входных сигналов от датчиков
нужно подавать на общее для всех устройство обработки.
Демультиплексор (рис. 4.16) выполняет функцию, обратную мультип¬
лексору.
9
о —
X
оа —
■©■
х
S
>-. а
х s-
«
DO
D1
MUX
D2
D3
D4
D5
F
D6
D7
1
2
4
Выход
•е
X
s
(3 п
о. с
с И
>л со —
DMUX
D0 -
D1 -
D2 -
D3
D4 -
D5 -
D6 -
D7
Рис. 4.15. Мультиплексор Рис. 4.16. Демультиплексор
Переключение информационных сигналов в обоих устройствах осуще¬
ствляется управляющим сигналом в виде двоичного кода. Конкретное значе¬
ние двоичного управляющего кода вызывает подключение определенного
информационного сигнала на выход микросхемы. Показанные на рис. 4.15 и
рис. 4.16 микросхемы коммутируют 8 сигналов. Так, если на управляющие
входы мультиплексора подан код 011 (число 3), то информационный сигнал,
присутствующий на входе D3, поступит на выход F.
Цифровые устройства для выполнения математических функций.
Основным, базовым устройством математической обработки цифровых
данных является сумматор. Сумматор служит для сложения двух чисел,
представленных в двоичном коде. Простейший сумматор может быть сделан
на двух логических элементах и позволяет складывать два простейших одно¬
разрядных двоичных числа. Его схема дана на рис. 4.17. Логический эле-
97
F
. <•
мент, обозначенный знаком "=1" выполняет логическую функцию "Исклю¬
чающее ИЛИ". Это комбинированный логический элемент, чья логическая
функция приведена на рис. 4.17. •
1-е число
2-е число
а -
b
=і
Логический элемент “исклю¬
чающее ИЛИ”
Р = аѣ + ab
Рис. 4.17. Схема сумматора и обозначение элемента "Исключающее ИЛИ"
Схема на рис. 4.17 суммирует два числа - А и В, каждое из которых мо¬
жет принимать два значения - 0 или 1.
, Таблица 4.5
Таблица состояний сумматора
А
в
р
S
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
Выходные сигналы сумматора Р и S образуют 2-х разрядный двоичный
код, являющийся суммой (табл. 4.5).
Сумматор, способный суммировать n-разрядные двоичные числа, со¬
стоит из п схем, приведенных на рис. 4.17. Он является одной из составных
частей микропроцессора, обеспечивая ему возможность выполнения матема¬
тических операций над двоичными числами.
Операции вычитания, умножения и деления выполняются над двоичным
кодом так же как и над десятичными числами, а устройства, выполняющие
эти операции базируются на рассмотренном сумматоре, регистре сдвига и
логических элементах.
4.6 Принципы построения и функционирования микроЭВМ
Из ранее рассмотренных импульсных и цифровых устройств (логиче¬
ские элементы, триггеры, счетчики, регистры и т.д.), в принципе, можно соз¬
дать электронную систему любой сложности. На начальных этапах примене¬
ния электроники для автоматизации судового оборудования так и поступали.
Однако с повышением сложности решаемых задач увеличивался объем элек¬
троники, снижалась надежность, поскольку требовались сотни и тысячи
электронных компонентов. Выход из этого тупика был найден с разработкой
микропроцессоров. Можно утверждать, что появление микропроцессоров
98
' ■ ' . *•
оказало такое революционное воздействие на все сферы человеческой дея¬
тельности, которое можно сопоставить с овладением человечеством энергией
водяного пара. Достигнутый к настоящему времени уровень автоматизации
морских судов, характеризуемый безвахтенным обслуживанием энергетиче¬
ской установки, почти двухкратным сокращением численности судового
экипажа (наряду со значительным улучшением условий труда и отдыха) стал
возможен благодаря системам комплексной автоматизации, построенным на
основе микропроцессоров.
Микропроцессор - программно-управляемое устройство, предназна¬
ченное для обработки цифровых данных и выполненное в виде одной или не¬
скольких больших интегральных микросхем (БИС). Первый Микропроцессор
бьш разработан фирмой Intel в начале 70-х годов 20-го столетия. К началу
80-х годов были разработаны получавшие широкую известность микропро¬
цессоры типов 8080, 8086, 8088, Z80. Классическим, со всеми характерными
чертами микропроцессора, стал микропроцессор 8080 фирмы Intel, аналог
которого выпускался в том числе и в нашей стране. Он выполнен в виде од¬
ной БИС, содержащей около 5000 транзисторов.
Микропроцессор самостоятельно функционировать не может. Он входит
основной составной частью в микроЭВМ.
МикроЭВМ - это ЭВМ, содержащая микропроцессор, запоминающее
устройство и контроллеры (адаптеры) устройств ввода/вывода. На основе
микроЭВМ строятся судовые микропроцессорные системы управления
(МПСУ). Под МПСУ понимается управляющая система, включающая в себя
микроЭВМ, средства сопряжения с объектом управления (датчики, исполни¬
тельные механизмы) и средства связи с оператором (человеком).
Основные элементы микропроцессора и микроЭВМ приведены на рис. 4.18:
- АЛУ - арифметико-логическое устройство, выполняет логические и
простейшие арифметические операции - И, ѴЩі, НЕ, сложение, вычита¬
ние, умножение, деление;
- регистры - ячейки памяти для временного хранения информации;
- дешифратор - по двоичному коду команды распознает её существо;
- счетчик команд - задает в двоичном коде адрес ячейки памяти, в кото¬
рой находится очередная команда, подлежащая выполнению;
- устройство управления - управляет работой микропроцессора и ЭВМ;
- ГТИ - генератор тактовых импульсов, задаёт темп работы микропроцессора;
- ЗУ - запоминающее устройство;
- ЗУП - запоминающее устройство программ (ПЗУ - постоянное запоми¬
нающее устройство);
99
- ЗУД - запоминающее устройство данных (ОЗУ - оперативное запоми¬
нающее устройство); ,
- контроллеры (адаптеры) - для ввода и вывода информации из микро
ЭВМ.
Для взаимодействия этих блоков они связаны между собой электриче¬
скими линиями, которые по функциональному признаку сведены в три груп¬
пы (шины) образующие внутреннюю магистраль микроЭВМ. По шине дан¬
ных (англ. Data Bus) информация передаётся между микропроцессором и
другими устройствами микро ЭВМ. Информация выражена в двоичном коде
определенной разрядности, обычно соответствующей разрядности микро¬
процессора.
Разрядность микропроцессора - число разрядов двоичного кода, кото¬
рым представляется информация в микропроцессоре и который он способен
обработать в один прием. Характерным для большинства судовых микро¬
ЭВМ является 8- или 16-разрядный код. Чем выше разрядность, тем выше
производительность микроЭВМ.
ГТИ
Микропроцессор
Регистры
АЛУ
/Л
N
Дешифратор
команд
Счетчик»
манд
Устройство управления
Шина данных: 4- 8- 16-
-разрядныи двоичным код
Шина адреса: 16-20- ...раз
Шина управле
рядный ДВОКЧНЫИ КС ц
ЗУ
ЗУП
(ПЗУ)
ЗУД
(ОЗУ)
V у
Контроллеры
(адаптеры)
*
Датчики,
клавиатура,
дисплей, ИМ
Рис. 4.18. Структурная схема микропроцессора и микроЭВМ
По шине адреса (англ. - Adress Bus) в виде двоичного кода передает¬
ся адрес ячейки памяти, к которой обращается микропроцессор или адрес
контролера (адаптера).
По шине управления (англ. - Control Bus) передаются сигналы, со¬
провождающие передаваемую по шине данных информацию. Например: сиг¬
нал RD - - считать содержимое ячейки памяти; сигнал WR - записать (RD, WR -
наименование сигналов, сокращение от англ. "read" и "write").
Взаимодействуют блоки микроЭВМ следующим образом. После подачи
питания счётчик команд в виде двоичного кода, подаваемого в шину адреса,
100
■ ' . *■
задает адрес ячейки, находящейся в ЗУП. В ней содержится первая выпол¬
няемая команда. Команды хранятся в ЗУП в виде чисел, выраженных двоич¬
ным кодом. .
На втором этапе по шине управления передаётся сигнал "KD" и содер¬
жимое этой ячейки через шину данных поступает в микропроцессор. В де- ;
шифраторе эта команда (ее двоичный код) распознаётся и микропроцессором
(АЛУ) выполняются оговорённые ею действия. Результат выполнения ко¬
манды помещается в один из регистров памяти или в ячейку ЗУД. По завер¬
шении выполнения этой команды счетчик команд получает приращение - на
его вход подается импульс, который увеличивает двоичный код адреса. Этот
адрес снова поступает на шину адреса, происходит считывание и выполнение
очередной команды и т.д.
Если существо очередной выполняемой команды состоит в передаче
информации на одно из внешних устройств - принтер, дисплей и т.д., то по
шине адреса задаётся адрес контроллера (адаптера) этого устройства.
Таким образом, процесс выполнения каждой команды протекает в не¬
сколько этапов, называемых машинными тактами. Длительность машинного
такта равна периоду импульсов, вырабатываемых ГТИ. Чем выше частота
тактовых импульсов, тем большее число команд в единицу времени может
выполнить микропроцессор и микроЭВМ. Однако максимальное значение
тактовой частоты ограничено быстродействием элементов (транзисторов), на
которых он построен. Так, 8-разрядный микропроцессор 8080 способен ра¬
ботать с тактовой частотой 2,5 МГц, что позволяет ему выполнять около 600
тысяч простых команд, каждая из которых занимает 4 машинных такта. Бо¬
лее совершенный микропроцессор 8088 имеет тактовую частоту до 10 МГц,
что обеспечивает ему, наряду с вдвое большей разрядностью (16 разрядов) в
несколько раз большую производительность.
Данные микропроцессоры разработаны в 70-х годах и их тактовая часто¬
та к настоящему времени представляется весьма скромной. Однако их произ¬
водительность вполне достаточна для решения задач автоматизации многих
объектов судового энергетического оборудования. Поэтому, современные 8
и 16 разрядные микро-ЭВМ и сейчас широко применяются в судовой авто¬
матике. Современные же высокопроизводительные 32-, 64-разрядные микро¬
процессоры, тактовая частота которых находится на уровне нескольких гига¬
герц, используются в судовых ЭВМ, выполняющих роль диспетчерских
станций. Эти ЭВМ связывают отдельные, локальные подсистемы автомати¬
ки, построенные на более простых ЭВМ в единую систему комплексной ав¬
томатизации СЭУ, координируют их работу, являются по существу постом
101
управления всей СЭУ. Их структура и параметры, организация программного
обеспечения близки к таковым у персональных ЭВМ (англ. - PC).
Персональные ЭВМ не являются предметом рассмотрения в данном по¬
собии. Поэтому ниже будут рассмотрены специфические вопросы, характер¬
ные для судовых ЭВМ, непосредственно управляющих энергетическим обо¬
рудованием. В технической документации фирм-изготовителей их именуют
процессовыми или рабочими станциями, микроконтроллерами, программи¬
руемыми логическими контроллерами и др.
4.7 Память микроЭВМ. Средства реального времени
Память микроЭВМ. Запоминающее устройство судовой управляющей
микроЭВМ выполнено на основе микросхем памяти. Каждая из микросхем
характеризуется емкостью - числом ячеек памяти, способных хранить дво¬
ичный код определенной разрядности. Например, микросхема типа 27С512
(рис. 4.19) имеет информационную емкость 512 кбит, т.е. содержит около 512
тысяч элементов памяти, каждый из которых способен хранить сигнал "1"
или "О". Элементы памяти объединены в группы по 8, образуя ячейки памя¬
ти, способные хранить 8-разрядный цифровой код (1 байт информации). Та¬
ким образом, данная микросхема содержит 512/8=64К восьмиразрядных яче¬
ек памяти (и соответственно - 8 выходов), к каждой из которых можно обра¬
титься, задав ее адрес в виде двоичного кода.
Информационные
выходы
Вход сигнала
программирования
Питание -г5В
Общий
Рис. 4.19 Условное обозначение микросхемы 27С512
Физические принципы хранения информации различны для разных ти¬
пов микросхем памяти.
Ячейки памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, англ.
RAM -Random Access Memory), служащего для хранения данных, полу¬
чаемых в процессе работы ЭВМ строятся по двум принципам:
Двоичный
код адреса
Входы I '
управления!
АО
EPROM
$
ЛІ
512 К
Л 2
АЗ
D100
А 4
DI01
Л5
D102
А6
D103
А7
DI04
А8
DIO 5
А 9
DI06
А10
DI07
■ 41
All
Л12
—
А13
АН
PRO
А15
> ОС
+V
—<
bcs
JL
102
■ '*
- на основе D-триггеров; •
- на основе конденсаторов.
Ячейки памяти первого типа ничем не отличаются от рассмотренных
ранее параллельных регистров. Микросхемы памяти такого типа являются
наиболее быстродействующими, однако их емкость относительно невелика, а
стоимость значительна. Их называют статическими ОЗУ (англ. SRAM -
Static RAM).
В микросхемах второго типа в качестве запоминающих элементов ис¬
пользуются конденсаторы. Если такой конденсатор зарядить, то определен¬
ное время на нем будет присутствовать напряжение, что можно рассматри¬
вать как хранение сигнала логической единицы. Если конденсатор разряжен,
то можно считать, что он хранит сигнал логического нуля. Такие микросхе¬
мы обладают очень высокой емкостью, дешевы. Однако конденсаторы по¬
степенно разряжаются и, чтобы информация не была потеряна, их нужно пе¬
риодически подзаряжать. Эта операция называется регенерация памяти. Пока
идет подзаряд, ячейка памяти не может быть использована, что снижает бы¬
стродействие такой памяти. Микросхемы памяти этого типа называют дина¬
мическими ОЗУ (англ. DRAM- Dynamic RAM).
Оба типа микросхем ОЗУ позволяют в процессе работы микроЭВМ как
записывать в их ячейки памяти информацию, так и считывать. Информация
хранится до тех пор, пока есть питание.
Ячейки памяти микросхем постоянного запоминающего устройства
(ПЗУ, англ. ROM- Read Only Memory), служащие для хранения программ,
по способу занесения в них информации и ее обновления имеют ряд разно¬
видностей. В судовых управляющих микроЭВМ применяются в основном
два типа ПЗУ:
- однократно-программируемые;
- перепрограммируемые. “ -
Ячейки памяти однократно-программируемого ПЗУ (англ. PROM) в про¬
стейшем случае представляют набор электрических перемычек, выполнен¬
ных из легкоплавкого сплава и включенных по определенной схеме. В ис¬
ходном состоянии все перемычки целы, т.е. в микросхему ничего не записа¬
но. Фирма-разработчик судовой микроЭВМ записывают управляющую про¬
грамму в такую микросхему с помощью программатора (специальный блок,
на основе ЭВМ), который пережигает ненужные перемычки, подавая на них
повышенное напряжение. После программирования часть перемычек удале¬
на, и это состояние можно рассматривать как запись логической единицы.
Там, где перемычки сохранены, можно считать, что записан логический ноль.
103
Однажды запрограммированная микросхема не может быть использована для
повторного программирования, поскольку перемычки восстановить уже
нельзя. •
Перепрограммируемые ПЗУ (англ. EPROM, EEPROM) допускают много¬
кратную очистку и повторную запись программ. Ячейка памяти такого ПЗУ
представляет собою зону из проводящего материала, окруженную диэлек¬
триком. При программировании к конкретной ячейке памяти подводится по¬
вышенное напряжение, что придает электронам высокую энергию, они пре¬
одолевают слой диэлектрика и попадают в область проводника. После снятия
повышенного напряжения электроны не в состоянии преодолеть диэлектри¬
ческий слой и сохраняются в области проводника длительное время - десят-
'■си-сотни тысяч часов, независимо от наличия питания микросхемы. Объем¬
ный электрический заряд, который получил проводник, можно рассматривать
как логическую единицу, записанную в данную ячейку.
Очистка микросхемы перепрограммируемого ПЗУ осуществляется либо
электрическим воздействием (микросхемы типа EEPROM - Electrically
Erasable and Programmable ROM) - подачей повышенного напряже¬
ния на ячейку памяти, но другим образом, по сравнению с ее программиро¬
ванием, либо облучением кристалла ПЗУ ультрафиолетом. В последнем слу¬
чае микросхема имеет стеклянное окошко в корпусе и обозначается как
EPROM - Erasable and Programmable ROM Возможность перепро¬
граммирования микросхем ПЗУ позволяют многократно использовать одну и
ту же микросхему при модернизации программного обеспечения ЭВМ, что
экономически выгодно.
Электрически стираемые ПЗУ (EEPROM) более удобны в применении.
Кроме управляющей программы в таких ПЗУ моіуг храниться настроечные па¬
раметры систем автоматики - уставки на срабатывание сигнализации, коэффи¬
циенты, настроечные параметры регуляторов и т.д. Эти параметры в эксплуата¬
ции можно оперативно изменить путем выборочного стирания (электрическим
путем) и записи новых значений в требуемые ячейки памяти. Этого нельзя сде¬
лать в микросхеме типа EPROM, поскольку при ее стирании теряется информа¬
ция во всех ячейках памяти.
Следует отметить, что рассмотренные типы микросхем ПЗУ, хотя и яв¬
ляются гораздо более надежными носителями информации по сравнению с
жестким диском персональной ЭВМ, вместе с тем не обладают 100% надеж¬
ностью в плане длительного хранения информации. Продукты пережигания
плавких перемычек со временем (годы) претерпевают такие химические из¬
менения, которые в конечном итоге приводят к восстановлению перемычек,
104
т.е. к изменению хранимой информации. В микросхемах ПЗУ второго типа
из-за неидеальности и старения диэлектрика электроны постепенно (годы)
уходят из области проводника, что также приводит к изменению хранимой
информации. В практике эксплуатации судовой автоматики, построенной на
базе микроЭВМ, имелись случаи отказов по причине нарушения содержимо- ;
го ПЗУ.
С надежностью хранения в постоянном запоминающем устройстве про¬
граммного обеспечения ЭВМ связана и одна из характерных особенностей ее
эксплуатации.
Программа - это набор, последовательность команд, которые должен
выполнить микропроцессор. Каждая команда записана в соответствующую
ячейку памяти в виде двоичного, обычно 8-разрядного цифрового кода. На¬
пример, цифровой код 10010011 - это' команда на выполнение операции сло¬
жения. Если в процессе эксплуатации этот цифровой код исказится и вместо
"1" в последнем его разряде появится "0”, то вместо операции арифметиче¬
ского сложения микропроцессор выполнит логическую операцию "И", код
которой 10010010. А поскольку последующие действия в вычислительных
алгоритмах весьма часто обусловлены результатом предшествующих, то вы¬
числительный процесс пойдет по непредсказуемому пути, что характеризует¬
ся термином "зависание компьютера". Это может создать опасную ситуацию
в управляемом от ЭВМ оборудовании.
Такое искажение кода команды может быть не только (и не столько)
следствием "старения" микросхемы ПЗУ, но может носить и характер сбоя.
Так, запуск в судовых условиях мощного электродвигателя сопровождается
двумя обстоятельствами. Во-первых - кратковременным, но весьма значи¬
тельным снижением напряжения в судовой электросети. Несмотря на прини¬
маемые меры (стабилизатор напряжения и др.), это может привести к кратко¬
временному ухудшению качества питания микроЭВМ. Во-вторых - большим
пусковым током электродвигателя, создающим в пространстве машинного
отделения мощное электромагнитное поле, наводящее помехи в слаботочных
цепях микроЭВМ. Все это может временно исказить код очередной команды,
который в это время передается по шине ЭВМ из ПЗУ в микропроцессор.
Последствия будут аналогичны - зависание компьютера. Но поскольку в
ПЗУ код команды хранится верный, из этой ситуации можно выйти переза¬
пуском (перезагрузкой) ЭВМ. То есть, заставив ЭВМ выполнять вычисли¬
тельный алгоритм сначала. Для этого следует на некоторое время снять, а за¬
тем подать питание на ЭВМ.
Микросхемы ПЗУ в эксплуатации могут легко заменяться. Для этого они
устанавливаются в специальные контактные панельки (сокеты) на плате мик-
105
роЭВМ. Эта возможность обеспечивает исключительную универсальность
микроЭВМ - простой заменой микросхемы ПЗУ, с другой программой, мож¬
но заставить ту же ЭВМ решать совершенно другую задачу. •
Замена или модернизация программного обеспечения управляющей
микроЭВМ существенно упростилась с разработкой микросхем флэш (англ.
flash) памяти - разновидности EEPROM. В новом поколении управляющих
ЭВМ эта память, как и память типа EEPROM используется для хранения про¬
грамм. Программы загружаются в нее по линии связи из центральной (дис¬
петчерской) ЭВМ, как только управляющая ЭВМ впервые физически задей¬
ствована в работу, или при необходимости модернизации программного
обеспечения. В этой связи память типа EPROM в современных разработках
управляющих ЭВМ практически не применяется.
Современные судовые системы комплексной автоматизации построены
по существу на одинаковых по электрической схеме микроЭВМ, а их спе¬
циализация определяется содержимым ПЗУ.
Средства реального времени микроЭВМ. В микроЭВМ, используе¬
мую для управления, обычно добавляют два дополнительных узла, которые
обеспечивают ее работу в привязке ко времени и к внешним событиям - кон¬
троллер прерываний и таймер.
и—►
и—►
■ [Ж]—►
I гти I ►
Рис. 4.20. Подключение контроллера прерываний и таймера в микроЭВМ
В судовых системах управления к контроллеру прерываний подключа¬
ются датчики (на рис. 4.20 - Д1 , Д2, ДЗ) критических параметров оборудо¬
вания. Например, датчик давления в системе смазки дизеля и др. Реакция
ЭВМ на сигналы этих датчиков должна быть безотлагательной, что и обеспе¬
чивает этот контроллер. По сигналу от такого датчика ЭВМ приостанавлива¬
ет работу основной программы и переходит к обслуживанию сигнала этого
датчика.
Таймер - устройство, служащее для отсчёта временных интервалов. Он
строится в виде вычитающего счетчика, на вход которого поступают импуль¬
сы от генератора тактовых импульсов микроЭВМ. Таймер необходим управ¬
ляющей системе для привязки к реальному времени вывода управляющих
106
Контроллер
прерываний
Таймер
<^=>
а!
§ Ж
X С '
S о
э ё-
Я
S
сигналов к объекту и ввода с него информации. Кроме этого, таймер исполь¬
зуется для задания скорости передачи информации по последовательным ин¬
терфейсам. •
Контроллер прерываний и таймер выполняются в виде отдельных ИМС.
4.8 Структура МПСУ.
Адаптеры датчиков и исполнительных механизмов
В упрощенном виде структура МПСУ приведена на рис. 4.21.
Информация о состоянии объекта управления поступает от датчиков па¬
раметров (Д1, Д2 и т.д.) в различном виде, в зависимости от типа используе¬
мого датчика. Это может быть сопротивление тензорезистора или терморези¬
стора, ЭДС термопары, состояние электрического контакта и т.д. Выходные
сигналы с датчиков должны быть усилены и преобразованы в цифровую
форму. Эту задачу выполняют специальные блоки - устройства ввода ин¬
формации, в англоязычной технической литературе именуемые обычно адап¬
терами датчиков (входными адаптерами).
Цифровая форм
Мнкро ЭВМ
Цифровая форма
Кзавватура
1 Дисплее
Устройства
ввода (адапте¬
ры датчиков)
lb./.
Устройства вы¬
вода (адаптеры
иси ««ж»)
ДІ
Д2
Объект
ИМ1
управления
ИМ2
Рис. 4.21. Структура МПСУ
Управляющие сигналы, формируемые микро-ЭВМ, должны поступать к
исполнительным механизмам (ИМ1, ИМ2 и т.д.), воздействующим на объект
управления. Поскольку исполнительные механизмы не способны непосред¬
ственно воспринимать управляющие сигналы в цифровой форме, для их пре¬
образования используются устройства вывода или адаптеры исполнительны^
механизмов (выходные адаптеры).
Свойства датчиков и исполнительных механизмов индивидуальны, на
каждый из них требуется индивидуальный адаптер. На долю адаптеров при¬
ходится значительная, а иногда и большая часть электронных компонентов,
на которых построена МПСУ. На них же приходится и значительная часть
отказов МПСУ.
107
Электронные схемы адаптеров строятся в зависимости от принципа дей¬
ствия датчиков и исполнительных механизмов. Адаптеры аналоговых датчи¬
ков - наиболее сложные и обычно строятся по схеме, приводимой на рис. 4.22.
Рис. 4.22. Обобщенная схема адаптера аналогового датчика
Сигнал с датчика преобразуется и усиливается усилителем, например, до
уровня 0...10 В, а затем поступает в аналого-цифровой преобразователь
(АЦП). В АЦП он преобразуется в цифровой двоичный код. Чтобы обеспе¬
чить приемлемую погрешность преобразования, АЦП формирует 10... 12¬
разрядный код. Так, например, аналоговый сигнал диапазона 0... 10 В, преоб¬
разованный в 12-разрядный код, будет; выражаться цифрой, находящейся в
диапазоне 0...4095 и представленной на выходе АЦП двоичным кодом, кото¬
рый может принимать значения от 000000000000 (цифра 0) до 111111111111
(цифра 4095). Этот код будет изменяться на единицу при изменении напря¬
жения на 10/4095-2,5 мВ.
Для уменьшения объема и стоимости электроники, один АЦП обычно
обслуживает несколько датчиков, поочередно подключаемых к нему через
коммутатор (мультиплексор). Управление коммутатором осуществляет мик¬
роЭВМ.
АЦП - технически сложное устройство. Принципы его построения бу¬
дут рассмотрены ниже. В англоязычной технической литературе русской аб¬
бревиатуре АЦП соответствует аббревиатура "ADC' - Analogue to Digital
Converter (иногда сокращенно A/D).
Адаптеры датчиков дискретного действия (в виде электрического кон¬
такта) существенно проще, поскольку по принципу действия такой датчик
сам формирует логические сигналы "0" или "1". В простейшем случае кон¬
такты датчика включаются последовательно с резистором и источником пи¬
тания (рис. 4.23).
108
Рис. 4.23. Варианты включения дискретных датчиков
t-
В первом варианте контакт "S" датчика нормально разомкнут и
Е/вых=5 В, ("1"). При срабатывании датчика его контакт "S" замыкается и
иъых=0 ("О"). Второй вариант схемы формирует противоположные, по срав¬
нению с первым, дискретные сигналы - здесь датчик работает на размыкание,
а в первой схеме - на замыкание. ;
Адаптеры исполнительных механизмов дискретного действия чаще все¬
го строятся по схеме простейшего усилителя на транзисторе (рис. 1.14). В ка¬
честве исполнительного механиз¬
ма используется электромагнитное
реле, сигнальная лампа и т.д. На
рис. 4.24 представлена типичная
схема такого адаптера, работаю¬
щего на реле.
Когда от микроЭВМ поступа¬
ет напряжение логической "1",
транзистор VT1 открывается, че¬
рез обмотку реле К1 протекает ток, оно срабатывает и его контакты, вклю¬
ченные в цепь управления объектом, замыкаются. При подаче на вход логи¬
ческого "О", транзистор закрыт и реле обесточено. Диод VD1 защищает тран¬
зистор от выхода из строя. Когда транзистор закрывается, ток через катушку
реле резко снижается, что вызывает появление на ее выводах ЭДС самоин¬
дукции величиной сотни вольт. Эту ЭДС диод закорачивает, не позволяя ей
воздействовать на транзистор. Для этих же целей вместо диода может ис¬
пользоваться варистор. Для визуального контроля подачи питания на реле К1
параллельно его обмотке включен светодиод VD2 с токоограничивающим ре¬
зистором R2. Когда транзистор открывается ток проходит не только через
обмотку реле, но и через светодиод, обеспечивая его свечение. Резистор В.1
ограничивает ток базы транзистора.
Одно из достоинств данной схемы - электрическое (гальваническое)
разделение силовой электрической цепи объекта управления и слаботочной
цепи управления, т.е. микроЭВМ. Для этой же цели в схемах адаптеров как
датчиков, так и исполнительных механизмов широко применяются оптроны
(см. рис. 1.27).
В отдельных случаях цифровой сигнал, формируемый в микроЭВМ, не¬
обходимо выводить в аналоговой форме. Такие выходные адаптеры строятся
на основе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В англоязычной тех¬
нической литературе аббревиатуре ЦАП соответствует "DAC - Digital-
Analog Converter (упрощенно - D/A). Такой преобразователь преобразует
VD2
'i/в' -
іт ЭВМ
Г* к объекту
упражлгним
Рис. 4.24. Адаптер дискретного выходного
сигнала
109
цифровой код определенной разрядности в пропорциональный ему аналого¬
вый сигнал. Например, если на входы ЦАП поступает 12-разрядный двоич¬
ный код, численное значение которого находится в диапазоне 0...212 =
0...4095, то на выходе ЦАП будет формироваться напряжение в диапазоне
0.. .10 В, с "шагом" 10/4095-2,5 мВ.
Конкретные примеры построения адаптеров приведены в главе 6.
4.9 Принципы реализации на микроЭВМ функций регулятора
Одной из основных задач, решаемых при автоматизации судового энер¬
гетического оборудования, является автоматическое регулирование парамет¬
ров - температуры, частоты вращения, давления и т.д. Для этого объект регу¬
лирования оснащается регулятором, образуя замкнутую, с обратной связью
систему автоматического регулирования (САР) (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Схема САР
В ней регулируемый параметр y(t) (рис. 4.25) сравнивается с задающим
сигналом g(t). Их разница - сигнал ошибки - x(t)=g(t)-y(t) поступает в регу¬
лятор, вырабатывающий регулирующее воздействие а(/), изменяющее, на¬
пример, расход топлива, греющей среды и т.д. Оно воздействует на объект
регулирования так, чтобы снизить ошибку регулирования, приблизив y(t) к
g(t). Подробно вопросы построения и анализа САР рассматриваются в других
учебных дисциплинах. Здесь же речь идет о способе технической реализации
функций регулятора на микроЭВМ.
Если САР построена на электронных аналоговых приборах, то регуля- '
тор, реализующий, например ПИД-закон регулирования, может быть выпол¬
нен на основе операционных усилителей (см. рис. 2.18). Однако, в настоящее
время более типичным и универсальным решением является реализация ре¬
гулятора на микроЭВМ. При этом схема САР приобретает вид, показанный
на рис. 4.26.
Аналоговый сигнал ошибки x(t) в АЦП преобразуется в пропорциональ¬
ный ему цифровой код x*(t) и поступает в ЭВМ. ЭВМ рассчитывает выход¬
ной сигнал регулятора а*(/) в виде цифрового кода, который в ЦАП преобра¬
зуется в аналоговый сигнал a{t), воздействующий на объект. Таким образом,
закон регулирования фактически реализуется в виде выражения, рассчиты¬
ваемого по программе в ЭВМ.
110
. <•
Рис. 4.26. Схема САР с реализацией функций регулятора на ЭВМ
Как известно, ПИД-регулятор описывается уравнением (это одна из воз¬
можных форм его записи):
a(t) = k[x(t) + ' J x(t)dt + тд , ■
L Ти О “t J
где к - коэффициент усиления регулятора;
Г„ - время интегрирования;
Та - время дифференцирования.
Данное выражение микропроцессор, входящий в ЭВМ, непосредственно
рассчитать не может. Он в состоянии выполнять лишь простые арифметиче¬
ские операции. Поэтому расчет вы¬
ходного сигнала ПИД-регулятора
производится численными методами
интегрирования и дифференцирова¬
ния. Для этого непрерывные процес¬
сы x(t) и а(/) дискретизируются во
времени, т.е. их значения в моменты
времени "п" вводятся, рассчитыва¬
ются и выводятся через некоторый
временной интервал (период Г), ко¬
торый задается таймером (см. рис.
4.26), что показано на рис. 4.27.
В этом случае значение произ¬
водной в момент времени "п" мож¬
но, например, рассчитать по упрощенной формуле:
dxjt) ш хв - хп-1
dt Т ’
а значение интеграла в момент времени "п" - по формуле:
J x(t)dt * j x(t)dt + + xn-i) т
о о 2
t
где J x(t)dt - значение интеграла на предшествующий момент времени "и-/".
о
111
Рис. 4.27. Считывание сигнала x(t) и форми¬
рование а(/)в дискретные моменты времени
' . *
При таком представлении сигналов уравнение ПИД-регулятора имеет
вид простого алгебраического выражения, которое способен рассчитать мик¬
ропроцессор: -
= °п-1 + - *2*п-1 + *3Хп-2>
где ст„ - значение управляющего воздействия, рассчитанное для момента '
времени п;
стп.[ - значение управляющего воздействия в предшествующий момент
времени "и-/";
•х„, хп.и хп.і - значения сигнала ошибки в соответствующе моменты вре¬
мени. _
Коэффициенты ки к2, к3 определяются из параметров регулятора - к, Т„,
Тп и периода работы таймера Т: <
+ —1- к 2 = к(і
2ТШ т) ^
к, = Jfc| 1 + + -^ |/ кР = к\ 1 - кэ = Jc
Таким образом, микроЭВМ должна лишь периодически вычислять <тп,
принимая через равные интервалы времени Т текущее значение хл и исполь¬
зуя запомненные ранее значения а„_г: хп_2.
Коэффициенты регулятора А, Ти, Тя хранятся в запоминающем устройст¬
ве ЭВМ и в эксплуатации могут быть оперативно изменены. Кроме этого,
можно изменить и сам закон регулирования. Так, если задать Т„=0, то полу¬
чим ПН-регулятор. Если после этого задать Т„=<в - П-регулятор и т.д.
Вычисление значения стп в микроЭВМ занимает определенное время.
Это время не должно быть больше периода работы таймера Т, иначе к оче¬
редному моменту времени "п+1" значение а„ не успеет сформироваться. Од¬
нако большинство процессов в судовом энергетическом оборудовании доста¬
точно медленные, поэтому нет необходимости часто рассчитывать ст„. Мож¬
но задать весьма большой период Г работы таймера, за который очередное
качение ст„ будет гарантировано рассчитано и еще останется резерв времени.
С учетом быстродействия современных ЭВМ этот резерв, как правило, на¬
столько большой, что его можно использовать для расчета управляющих воз¬
действий не только одного данного регулятора, но и еще нескольких регуля¬
торов. Таким образом, одна ЭВМ способна одновременно (а фактически - по
очереди, квазиодновременно) выполнять функции нескольких регуляторов.
В этом случае схема рис. 4.26 дополняется мультиплексором (см. рис.
4.15), устанавливаемым перед АІДП и демультиплексором (см. рис. 4.16), ус¬
танавливаемым после ЦАП. Их переключением управляет ЭВМ. На вход
АЦП через мультиплексор по очереди подаются сигналы ошибок x(t) всех
САР. Каждый из них после АЦП поступает в программный блок расчета со-
112 .
' ' . 1r
ответствующего регулирующего воздействия. Рассчитанные регулирующие
воздействия ст(?) преобразуются в ЦАП в аналоговый вид и через демультип¬
лексор по очереди поступают к своим объектам регулирования. По истече¬
нии времени Т цикл формирования регулирующих воздействий cr(f) возоб¬
новляется. 1
В качестве примера построения регуляторов на основе микро-ЭВМ
можно привести блок PCU 8800, входящий в систему автоматизации "Data
chief-2000" фирмы Kongsberg Maritime. Он выполнен на основе микропро¬
цессора 8088 и позволяет реализовать 32 ПИД-регулятора.
4.10 Применение микроЭВМ для управления силовыми
полупроводниковыми преобразователями электроэнергии
Появление в 90-х годах IGB'Лтранзисторов (см. п. 1.6) дало мощный им¬
пульс к широкому применению силовых полупроводниковых преобразовате¬
лей в судовой электроэнергетике. До этого такие преобразователи строились
на тиристорах. Однако они применялись ограниченно из-за сложности
управления тиристором.
Основными потребителями электроэнергии, на которые работают такие
преобразователи, являются электродвигатели переменного тока. Ряд судовых
механизмов, приводимых в действие электродвигателями, требует частого и
по возможности плавного изменения их частоты вращения - грузоподъемные
и якорно-швартовные механизмы, гребной винт в гребных электрических ус¬
тановках и др. В этих условиях проявляется один из недостатков двигателя
переменного тока - сложность плавного регулирования его частоты враще¬
ния "п", определяемой формулой:
60f(l - s)
п - ,
Р
где f - частота питающего напряжения;
р - число пар полюсов статора;
s - скольжение асинхронного двигателя; у синхронного двигателя з=0.
Традиционные способы регулирования частоты вращения (изменением
числа пар полюсов "р" или скольжения "s") имеют ряд существенных недос¬
татков. Наибольшие возможности по регулированию частоты вращения
обеспечиваются изменением частоты f питающего двигатель переменного
напряжения. Для этого нужно иметь преобразователь частоты, который бы
преобразовывал переменное напряжение с постоянной частотой сети fc
(50 Гц или 60 Гц) в переменное напряжение требуемой, изменяемой частоты
f, подаваемое на электродвигатель. Как правило, он строится по схеме, со-
113
. <•
держащей выпрямитель и инвертор (рис. 4.28,а). Выпрямленное напряжение
сети поступает в качестве питающего в инвертор, который преобразует его в '
переменное напряжение требуемой формы, величины и частоты..
Питание преобразователя частоты осуществляется от трехфазной сети,
поэтому выпрямитель выполнен по трехфазной мостовой схеме (рис. 4.28,6) ;
на диодах VD1...VD6. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения на
выходе выпрямителя.
Инвертор выполнен на /Gfi Г-транзисторах VT1...VT6. Параллельно ка¬
ждому транзистору включен диод, выполняющий вспомогательную роль - он
пропускает ток в обратном для транзистора направлении. Когда транзистор
закрыт, этот ток создается противо-ЭДС, вырабатываемой в обмотке электро¬
двигателя М. В точках "а", "Ь", "с" инвертор вырабатывает трехфазное на¬
пряжение частотой f, подаваемое к двигателю. Управляющие сигналы, пода¬
ваемые на затворы транзисторов, вырабатываются устройством управления.
Для поддержания заданного значения частоты вращения или крутящего
момента применяется обратная связь. Сигнал обратной связи сравнивается в
устройстве управления с задающим сигналом. Образующийся таким образом
сигнал ошибки поступает в регулятор, входящий в устройство управления и
вырабатывающий в конечном итоге управляющее воздействие на транзисто¬
ры инвертора.
Фазные напряжения Us, Ub, Uc, вырабатываемые инвертором и потреб¬
ляемые двигателем токи Іа, Іь, Хс, теоретически должны иметь синусои- ■
дальную форму. Для этого транзисторы инвертора, например VT1 и ѴТ2,
должны были бы работать в активном режиме (см. п.1.5), плавно открываясь
и закрываясь, чтобы в точке "а" напряжение С7а изменялось по синусоиде, от
+U до -U (см. рис. 4.28,6). Однако реально это невозможно, ибо на транзи¬
сторах при этом будет рассеиваться большая мощность - потребляемый дви¬
гателем ток находится на уровне десятков-сотен ампер при напряжении в
сотни вольт.
Поэтому в инверторе и в других силовых полупроводниковых преобра¬
зователях транзисторы работают в ключевом режиме (открыт/закрыт, см.
п. 1.5). Чтобы в этих условиях получить в нагрузке ток синусоидальной фор¬
мы, используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Суть ме¬
тода, поясняемого на примере работы транзисторов VT1 и ѴТ2, состоит в
частом и быстром переключении транзисторов из закрытого состояния в от¬
крытое и наоборот (рис. 4.28,в). При этом напряжение в точке "а" (Ua) имеет
форму прямоугольных импульсов, ширина которых изменяется (отсюда тер¬
мин - ШИМ) в данном случае по синусоидальному закону, а период остается
114
. *•
неизменным. Когда открыт VT1, a VT2 закрыт - мгновенное напряжение иа
равно по величине +U. При противоположном состоянии транзисторов на¬
пряжение в точке "а" равно -U. '
Преобразователь частоты
і
і
і
4Jc,fc
Выпрямитель
Инвертор
! ~и, f
і ».
1 w
[ к электро-
Устройство управления
(микро-ЭВМ, микроконтроллер)
ооратная евя ?ь
приво¬
димый в
действие
механизм
в) г)
Рис. 4.28. Структурная (а) и принципиальная (б) схемы преобразователя частоты,
форма напряжения и тока фазы "а" (в), принцип формирования сигнала ІІІИМ (г)
Получить сигнал, управляющий таким образом транзисторами инверто¬
ра можно, например, с помощью сравнивающего устройства (СУ)
(рис. 4.28, г). На один вход СУ подается синусоида, задающая форму и час¬
тоту f напряжения на выходе инвертора, а на второй - пилообразное напря¬
жение симметричной формы, следующее с гораздо более высокой частотой.
В результате сравнения на выходе СУ формируются разнополярные импуль¬
сы, ширина которых пропорциональна мгновенному значению формируемой
синусоиды, т.е. сигнал ШИМ. При подаче этого сигнала на управление тран¬
зисторами VT1 и VT2 в точке "а" будет формироваться переменное напря¬
жение 17а, форма которого представлена на рис. 4.28,в. Очевидно, что она не
является синусоидальной. Однако, ток (іа) в фазе "а” электродвигателя М
будет по форме близок к синусоиде (рис. 4.28,в), поскольку обмотка двигате¬
115
ля обладает индуктивностью, которая и сглаживает ток, не позволяя ему из¬
меняться также скачкообразно, как и напряжение Ѵа. Следует напомнить, что
важна именно форма тока, протекающего через обмотку электродвигателя, а
не напряжение, ибо именно ток, протекая по обмоткам, создает вращающий
момент электродвигателя.
На рис. 4.28, в, г представлен лишь общий принцип формирования сиг¬
нала ШИМ. С учетом реальных обстоятельств, устройство управления долж¬
но реализовать весьма сложный алгоритм управления инвертором - форми¬
ровать напряжение также в фазах "Ь" и "с", сдвинутые на 120 и 240 электри¬
ческих градусов относительно напряжения фазы "а", обеспечивать возмож¬
ность изменения величины фазных напряжений С7а, Ub, Uc, синусоидальность
формы и величину тока и др. Поэтому устройство управления выполняется в
настоящее время, как правило, на основе микро-ЭВМ. Многие фирмы выпус¬
кают микроконтроллеры (микроЭВМ, специализированные для управления
оборудованием), формирующие сигналы ШИМ (англ. PWM -pulse -width
modulation).
4.11 Стандартные интерфейсы периферийных устройств микроЭВМ
Все внешние блоки, подключаемые к микро-ЭВМ, считаются перифе¬
рийными - клавиатура, принтер, датчики, исполнительные механизмы, линии
связи и т.д. Каждый из них обладает индивидуальным интерфейсом - сово¬
купностью параметров, характеризующих его входы и выходы. К параметрам
интерфейса относятся тип электрического разъема, уровни сигналов и поря¬
док их поступления, форма представления информации электрическими сиг¬
налами и т.д. Для удобства подключения к микро-ЭВМ периферийных бло¬
ков, соединения нескольких ЭВМ в вычислительную сеть, в мировой практи¬
ке разработаны и приняты в качестве стандартных ряд интерфейсов.
Блоки, входящие в состав судовых МПСУ и удаленные от друг от друга
на расстояние более нескольких метров, оснащаются последовательными
стандартными интерфейсами. Через такой интерфейс цифровой информаци¬
онный сигнал определенной разрядности (7 или 8 разрядов) по времени пе¬
редается последовательно, разряд за разрядом. Для его передачи по миниму¬
му требуется всего два провода. Это решающее преимущество последова¬
тельных интерфейсов, в отличие от параллельных, где число проводов долж¬
но быть не менее числа разрядов передаваемого двоичного кода.
Характеристики некоторых стандартных последовательных интерфей¬
сов, применяемых в судовых МПСУ следующие:
116
-интерфейс RS-232C. уровни электрических сигналов - "О" - +5...+15 В;
"1" —5...-15В; гальваническая развязка цепей отсутствует; число про¬
водов от 3 до 17, дальность до 17 м;
- интерфейс CL (англ."current loop" - токовая петля): уровни электриче¬
ских сигналов - "0"и0 мА, "1 "~20 мА; имеется гальваническая развязка
источника и приемника сигнала; число проводов - 4 (по два для каждого
направления передачи); дальность до 1000 м и более.
Кроме этого, применяются и некоторые другие разновидности интер¬
фейсов.
Обмениваться информацией могут только те блоки МПСУ, которые
имеют одинаковые интерфейсы и эти интерфейсы одинаково настроены. Од¬
ним из настроечных параметров последовательного интерфейса является
скорость передачи информации, единицей измерения которой является “бод"
(англ. "baud"). Скорости передачи 1 бод соответствует передача одного раз¬
ряда двоичного кода в секунду (1 бит/с). Например, "4800 baud rate". На¬
стройка интерфейсов может выполняться с помощью:
- малогабаритных модульных переключателей, выполненных в
£>ІР-корпусе (см. далее);
- джамперов (Jumper) - переставляемых перемычек;
- программно, т.е. изменением параметров программы, обслуживающей
интерфейс.
В качестве примера можно привести блоки автоматики норвежской
фирмы Kongsberg Maritime, которыми она комплектует судовую МПСУ
"Data chief - 2000". Каждый из этих блоков выполнен в виде микро-ЭВМ,
имеющей два стандартных интерфейса для связи с другими аналогичными
блоками: CL - основной, RS-422 - дополнительный. Скорость передачи ин¬
формации может настраиваться DIP-переключателями в диапазоне от 110
бод до 9600 бод. Настраиваются также и некоторые другие параметры ин¬
терфейсов.
Интерфейсы RS-232C, CL , RS-422 широко применялись для объедине¬
ния управляющих ЭВМ в локальную вычислительную сеть (ЛВС) в судовых
МПСУ, разработанных в 80-е годы - в системах "Selma", "Damatic", "Data
chief-1" и др. Эти интерфейсы изначально были разработаны для подключе¬
ния к ЭВМ одиночных периферийных блоков. Они являются двухточечными
- предназначены для соединения между собою только двух блоков (ЭВМ -
принтер, ЭВМ - ЭВМ и т.д.).
В настоящее время для построения простых ЛВС используется более со¬
временный интерфейс RS-485. В качестве линии связи в нем используется
117
двухжильный кабель типа витая пара, к которому параллельно может быть
подключено до 256 управляющих ЭВМ и других микропроцессорных блоков.
Им оснащаются модули как судовой, так и общепромышленной автоматики.
Для объединения управляющих ЭВМ в ЛВС на судах все большее при¬
менение находит шина CAN {Controller Area Network). Она представляет со¬
бою двухжильный кабель для последовательной передачи данных в обоих
направлениях (поочередно) со скоростью до 1 Мбит/с на расстояние до не¬
скольких тысяч метров. Место подключения ЭВМ к шине именуется узел -
(англ. - node). Каждый узел (ЭВМ) имеет свой идентификационный номер,
способен независимо запрашивать доступ к шине и передавать через нее
данные. Передающий блок (ЭВМ) посылает сообщение ко всем другим бло¬
кам. Но из множества ЭВМ, подключенных параллельно к CAN-сети, инфор¬
мацию получает тот, чей номер указан в ’ информационном сообщении, пере¬
даваемом через шину.
Для подключения к персональным ЭВМ (англ. - PC) периферийных уст¬
ройств (принтер, клавиатура и др.) взамен многочисленных и устаревших по¬
следовательных интерфейсов в настоящее время широко используется уни¬
версальная последовательная шина USB (англ. - Universal Serial Bus). Она
содержит 4 провода, два из которых служат для последовательной передачи
данных со скоростью до 12 Мбит/с, а по двум другим проводам к устройству
может подаваться питание +5 В. Шина USB, строящаяся по древовидной
структуре, позволяет подключать к PC множество периферийных устройств.
Ее эксплуатационными достоинствами является то, что она позволяет под¬
ключать, настраивать, использовать и отключать устройства во время работы
PC и самих устройств, а пользователь избавлен от необходимости настраи¬
вать параметры интерфейса.
4.12 Цифровые средства измерения. Тахометр. Угловой энкодер
Основные преимущества цифровых средств измерения - высокая точ¬
ность выполнения измерений и возможность их автоматизации. На морских
судах они представлены двумя разновидностями:
- цифровые измерительные приборы;
- информационно-измерительные системы.
Основным блоком цифрового средства измерения является аналого¬
цифровой преобразователь, определяющий его метрологические характери¬
стики, быстродействие и другие параметры. Существует несколько вариан¬
тов построения АЦП. Наиболее часто используются:
118
- частотно-импульсный АЦП: быстродействие на уровне до сотых долей
секунды, применяется в цифровых частотомерах и в специальных судо¬
вых информационно-измерительных системах; •
- время-импульсный АЦП: среднее быстродействие, на уровне миллисе¬
кунд; применяется в цифровых вольтметрах, I
- кодо-импульсный АЦП: быстродействующий, время преобразования -
микросекунды; применяется в составе микропроцессорных систем
управления.
В наиболее общем виде структурная схема цифрового средства измере¬
ния представлена на рис. 4.29.
Аналоговая измеряемая величина может быть различной по своей при¬
роде: напряжение Ц частота f, сопротивление R, температура t°C и т.д. В
измерительном преобразователе она преобразуется, как правило, в уровень
постоянного напряжения U определенного диапазона. Это напряжение пре¬
образуется АЦП в цифровой код. Если этот код подается на цифровой инди¬
катор, для восприятия его человеком, то такое средство измерения именуется
цифровым измерительным прибором. Однако, в большинстве случаев пред¬
ставленная на рис. 4.29 схема является составной частью информационно¬
измерительных систем (ИИС). При этом код, вырабатываемый АЦП, посту¬
пает на дальнейшую обработку в микроЭВМ. Принципы и примеры построе¬
ния судовых ИИС рассмотрены в главе 5.
Аяалогоіая
U
(«. г, к. А:...)
Цимрті«ШЕий
яр*еб?аіа»ат%Лг
Цифровой код
ддя дальнейшей
обработки
Рис. 4.29. Структурная схема цифрового средства измерения
Представление о принципах построения цифрового измерительного
прибора дает схема рис. 4.30, используемая в качестве цифрового тахомет¬
ра при измерении частоты вращения гребного вала судна. В данном тахомет¬
ре используется частотно-импульсный АЦП.
На гребном валу, вращающемся с частотой "п", закреплено определенное
число "к" штифтов. В простейшем случае штифт выполняется в виде накладки
на поверхность вала. Каждое прохождение штифта возле датчика Д формирует
на его выходе импульс. Частота этих импульсов fx пропорциональна частоте
вращения вала и связана с ней соотношением fx=kzi/60, где 60 - коэффици¬
ент, учитывающий разные единицы измерения: fx-Гц, п- 1/мин.
119
• *■
Рис. 4.30. Структурная схема цифрового тахометра
Аналого-цифровой преобразователь частотно-импульсного типа вклю¬
чает в себя генератор образцовой частоты (ГОЧ) f0, делитель частоты (ДЧ),
электронный ключ, счетчик. ГОЧ непрерывно вырабатывает сигнал неизмен¬
ной частоты f0, для чего в нем использован кварцевый резонатор. Эта часто¬
та делится в ДЧ, на выходе которого формируется неизменный по длитель¬
ности импульс счета (рис. 4.31). Этот импульс открывает электронный
ключ, через него на вход счетчика поступают импульсы fx и подсчитывают¬
ся им. При этом счетчик формирует цифровой код N, поступающий на циф¬
ровой индикатор. По окончании цифровой код сформирован и в течение
некоторого времени удерживается на индикаторе.
Датчик
ДЧ
Вход
счетчика
пппппгігіпппп :
J L
N = 4
ппп ,,
Счет Индикация
Рис. 4.31. Диаграммы сигналов цифрового тахометра
Периодичность измерения задается устройством управления, которое
перед каждым импульсом гСч сбрасывает счетчик и показания индикатора в
нулевое состояние.
Таким образом, принцип действия данного средства измерения состоит в
подсчете количества импульсов измеряемой частоты fx за фиксированный
интервал времени гэт. Чем больше будет частота вращения п, тем большее
120
число импульсов fx с периодом tx=l/fx пройдет в счетчик за время счета.
Показания тахометра (число N) связаны с его параметрами соотношением:
высвечиваемое цифровым индикатором, будет численно соответствовать час¬
тоте вращения л. выраженной в 1/мин. Возможны и другие значения к и тсч,
от которых зависит относительная погрешность измерения частоты вращения:
Например, если =1 с, к~60 и п=100 1/мин, то получим 5=±1%.
Погрешность может быть снижена увеличением тсч и числа штифтов к.
Цифровые средства измерения могут быть выполнены на ранее рассмот¬
ренных традиционных электронных устройствах (счетчики, логические эле¬
менты и т.д.). Так, в схеме рис. 4.30 в качестве датчика может использоваться
фотоэлектронный датчик (рис. 1.28), в котором штифты при своем движении
периодически перекрывают световой поток от источника к приемнику света,
что и формирует импульсы. Для усиления и формирования импульсов с дат¬
чика обычно применяют компаратор с гистерезисом (рис. 2.26). Принципы и
схемы построения ГОЧ рассмотрены в разделе 2.8. В качестве ключа обычно
используется логический элемент "И". Счетчик и ДЧ строятся на триггерах.
В качестве цифрового индикатора может использоваться любой из рассмот¬
ренных в разделе 1.8.
Если автоматизация судна выполнена на основе микроЭВМ, а также при
выполнении сложных измерений с последующей обработкой их результатов,
большинство блоков цифрового средства измерения реализуются в ЭВМ,
программно. Так, в схеме рис. 4.30 алгоритм работы и все блоки тахометра,
кроме датчика, мот быть реализованы средствами ЭВМ.
Широкое применение в системах измерения и регулирования частоты
вращения судовых дизелей, а также их управления по этому параметру полу¬
чили индукционные датчики частоты вращения (англ. "pick-up"). Такой
датчик (рис. 4.32) содержит постоянный магнит и выполненный в виде
стержня магнитопровод, на котором намотана катушка. Магнит создает маг¬
нитный поток Ф, замыкающийся через магнитопровод и проходящие мимо
него с зазором 0,5...2 мм штифты, расположенные на вращающемся валу. В
качестве штифтов часто используются зубцы насаженной на вал шестерни
валоповоротного устройства. Поскольку зубцы выполнены из магнитопрово¬
дящего материала (сталь), то с подходом зубца к датчику магнитный поток Ф
N
’X
kmсеч
60
Если принять тсч=1 с, а число штифтов к=60, то N=n - значение кода,-
_ 1 • 100%
о = ±
60 ■ 100%
TC4fcn
возрастает, а с его уходом - уменьшается. Таким образом, магнитный поток
Ф, пронизывающий витки катушки, изменяется с проходом каждого зубца,
СІФ
создавая по закону электромагнитной индукции ЭДС: е = — (W- число
витков катушки). Эта ЭДС имеет форму разнополярных импульсов
(рис. 4.32). Для последующего использования из него формируются прямо¬
угольные импульсы (рис. 4.32).
Вместо постоянного магнита для создания магнитного поля может ис¬
пользоваться дополнительная обмотка, расположенная на магнитопроводе и
питаемая постоянным током.
Достоинствами индукционного датчика являются простота конструкции,
значительный уровень сигнала, нечувствительность к загрязнениям.
С целью определения направления вращения вала, используются два
датчика, пространственно смещенных друг относительно друга примерно на
четверть межзубцового расстояния (рис. 4.33,а - датчик А и датчик В).
В простейшем случае схема определения направления вращения вала
содержит усилители-формирователи, формирующие прямоугольные импуль¬
сы из сигналов датчиков, и JD-триггера. При направлении вращения вала по
часовой стрелке (условно - вперед) импульсы ѴА с датчика А поступают
раньше, чем импульсы Ѵв с датчика В (рис. 4.33, в). Поэтому к моменту при¬
хода импульса UB на синхронизирующий вход "С" D-триггера, на его инфор¬
мационном входе "D" присутствует сигнал "1", который и записывается в
григгер. При этом на выходе триггера будет постоянно присутствовать сиг¬
нал "1", подтверждаясь с каждым импульсом. При смене направления враще¬
ния (назад) импульсы с датчика А теперь будут отставать от импульсов с дат-
122
чика В (рис. 4.33,6). Поэтому сигналом ив в триггер будет постоянно запи¬
сываться и удерживаться на его выходе сигнал " О".
Рис. 4.33. Схема установки датчиков для определения направления вращения (а),
углового положения вала (б) и временные диаграммы ее работы (в)
Один из сигналов, UA или Пв, может использоваться для измерения час¬
тоты вращения вала, если подключить его к схеме тахометра в соответствии с
рис. 4.30.
Если же кроме датчиков А и В использовать еще один датчик (датчик С
по рис. 4.33,а) и счетчик, то кроме определения частоты и направления вра¬
щения можно будет определять также угловое положение вала. Для этого
датчик С должен вырабатывать импульс только на один штифт, дополни¬
тельно установленный в точно известном месте на том же валу. Вырабаты¬
ваемый им единственный, в пределах одного оборота вала, импульс является
сигналом начала отсчета угла поворота вала. Например, когда поршень пер¬
вого цилиндра дизеля находится строго в верхней мертвой точке. Этот им¬
пульс подается на вход сброса (К) счетчика, приводя его в исходное, нулевое
состояние. После этого счетчик начинает считать входные импульсы, посту¬
пающие на его вход С с датчика В (или А), формируя на своих выходах циф¬
ровой код, отражающий угловое положение вала.
на язмерэгае
частоты врасцеадя
б)
Выход*
“вперед” I “назад”
в)
123
Счетчик - реверсивный. Направление счета определяется сигналом, по¬
ступающим на его вход "±1". Так, например, если с D-триггера поступает
сигнал "1" ("вперед"), то счетчик будет суммировать входные импульсы, при
этом код будет нарастать. При направлении вращения "назад" (сигнал "О" с
D-триггера) счетчик будет работать как вычитающий, уменьшая код с каж¬
дым входным импульсом. Таким образом, цифровой код на выходах счетчика
будет выражать текущее (в любой момент времени), угловое положение вала
при любом направлении вращения.
Показанное на рис. 4.33 устройство является по существу тахо-
системой, позволяющей определять направление вращения, частоту враще¬
ния и угол поворота вала.
Устройство, формирующее сигналы, по которым определяется угловое
положение вала, называется угловой энкодер. В виде компактного конструк¬
тивного блока, соединяемого с валом и содержащего показанные на рис.
4.33,а компоненты (кроме счетчика и триггера), угловые энкодеры выпуска¬
ются многими фирмами. Вместо шестерни с зубьями в них используется пла¬
стмассовый диск с нанесенными на нем метками, а в качестве датчиков - фо¬
тоэлектронные датчики. Сигналы датчиков А и В именуются квадратурными
сигналами, а сигнал с датчика С - маркерный сигнал.
Наиболее совершенные энкодеры могут обеспечить погрешность опре¬
деления угла на уровне единиц угловых минут.
Угловые энкодеры используются в электронных системах индицирова-
ния судовых дизелей и в судовых дизелях с электронным управлением, где
отсутствует распределительный вал. Эти системы рассмотрены в главе 5.
4.13 Конструктивное исполнение электронных приборов и модулей
На рис. 4.34 показан внешний вид ряда транзисторов. Мощные транзи¬
сторы приспособлены для установки на радиатор (теплоотвод), либо своей
торцевой частью (рис. 4.34, а) либо с помощью металлического фланца с от¬
верстием (рис. 4.34, б). Транзисторы изготавливаются в унифицированных
пластмассовых (рис. 4.34, б) или металлостеклянных (рис. 4.34, а, в, г) корпу¬
сах. Транзисторы в пластмассовых корпусах имеют меньшую стоимость, од¬
нако их параметры несколько хуже, в частности - максимальная температура
корпуса не более 85...100°С. Транзисторы в металлостеклянных корпусах
(стекло - изолятор для выводов транзистора) допускают как более высокую
температуру кристалла (до 150°С и более), так и более высокую температуру
корпуса (до 125°С и более).
124
Маркировка выводов на корпусе транзистора отсутствует. При необхо¬
димости она может быть определена по чертежу транзистора, приводимому в
справочнике. .
Рис. 4.34. Транзисторы: а) мощный транзистор КТ902А; б) мощный транзистор КТ817А в
пластмассовом корпусе; в) транзистор КТ602 средней мощности; г) маломощный транзи¬
стор КТ201В
На рис. 4.35 показан внешний вид некоторых интегральных микросхем.
Микросхемы выпускаются в унифицированных металлостеклянных
(рис. 4.35, а), керамических (рис. 4.35, б, в) и пластмассовых (рис. 4.35, д)
корпусах. Одна и та же микросхема может выпускаться в разных корпусах.
Наиболее дешевыми и поэтому наиболее часто применяемыми являются пла¬
стмассовые корпуса (рис. 4.35, д).
Рис. 4.35. Интегральные микросхемы: а) операционный усилитель МА709; б) ПЗУ 27С512
типа EPROM, в) ПЗУ К573РФ2 типа EPROM, г) микросхема К133ЛА4 в металлокерамиче¬
ском корпусе, 3 логических элемента ИЛИ/НЕ; д) микросхема SN74LSOON, 4 логических
элемента И/НЕ
Однако максимальная рабочая температура микросхем в пластмассовом
корпусе обычно не превышает 70°С. Микросхемы в керамических и металло¬
стеклянных корпусах работоспособны при более высоких температурах (от
85°С до 125°С), поэтому используются в ответственных случаях, в том числе
в военной и аэрокосмической отраслях.
В большинстве случаев микросхема выполняется в корпусе прямоуголь¬
ной формы и имеет два ряда выводов. По ориентации выводов имеются две
125
основных разновидности ИМС - с планарными (плоскими) выводами
(рис. 4.35, г) и с выводами, ориентированными перпендикулярно корпусу
(рис. 4.35, 6, в, д). Первая конструкция обеспечивает существенно меньшие
габариты ИМС и электронного устройства в целом и предназначена для по¬
верхностного монтажа. При этом выводы микросхемы припаиваются непо¬
средственно к печатным дорожкам на изоляционной плате, без высверлива¬
ния в ней отверстий. Технология поверхностного монтажа является прогрес¬
сивной и очень широко используется при создании современных, особенно
микропроцессорных, блоков автоматики.
Существенно реже, чем ранее используется конструкция ИМС с двумя
рядами выводов, расположенными перпендикулярно корпусу и предназна¬
ченными для установки в отверстия изоляционной платы. Такая конструкция
называется DIP-корпус, от английского "Dual in line package"
(рис. 4.35, б, в, д).
Конструктивное исполнение микроЭВМ, как основного типа блоков су¬
довой автоматики, может быть трех видов:
- многоплатная ЭВМ: микроЭВМ состоит из нескольких типов модулей
(плат) - модуля процессора, модуля ЗУ, модуля последовательного ин¬
терфейса и др; такая конструкция имеет определенные преимущества
и применяется в основном в диспетчерских ЭВМ;
- одноплатная ЭВМ: все основные компоненты микроЭВМ выполнены в
виде отдельных ИМС и установлены на одной печатной плате, причем
отдельные компоненты могут быть сменными, устанавливаемыми в
контактные панельки; преимущество этого варианта - компактность,
меньше разъемных соединений, выше надежность и др.; сейчас это ос¬
новной конструктивный вариант исполнения управляющей ЭВМ;
- однокристальная микроЭВМ: все основные компоненты, а также ряд
дополнительных, выполнены на одном кристалле кремния, в виде од¬
ной микросхемы - процессор, ПЗУ, ОЗУ, таймер, контроллер прерыва¬
ний, адаптеры последовательного интерфейса, АЦП и др.
Однокристальные микро-ЭВМ, именуемые также "микроконтроллеры",
очень дешевы и надежны, широко применяются для построения сравнитель¬
но несложных блоков судовой автоматики - локальных регуляторов пара¬
метров, панелей сигнализаций, пультов управления и др. Так, например,
микроконтроллер 87CS1 выполнен в виде микросхемы в DIP-корпусе с 40
выводами, является 8-разрядной микроЭВМ и содержит: процессор, ПЗУ ти¬
па BPROM объемом 4 кбайт, ОЗУ объемом 128 байт, 2 таймера (способных
работать и как 16-разрядные счетчики), контроллер прерываний, адаптер по¬
следовательного интерфейса, 4 порта для ввода/вывода внешних сигналов (от
126
*■
датчиков и др.) по 32 линиям. Имеются многочисленные модификации этого
микроконтроллера, в частности - с увеличенным до 32 кбайт ПЗУ, до
512 байт ОЗУ, с тремя таймерами, с встроенным АЦП и мультиплексором,
позволяющим вводить в ЭВМ по очереди до 8 аналоговым сигналов и др.
На основе микроконтроллеров строятся программируемые логические
контроллеры (англ. Programmable Logic Controller - PLC). По существу, это
управляющая микро-ЭВМ спроектированная в основном для выполнения ло¬
гических функций управления оборудованием (см. п.4.2). Потребность в та¬
ких контроллерах очень велика, поскольку большинство операций управле¬
ния оборудованием имеет дискретный характер. В частности, они заменяют
собою релейные (на основе электромагнитных реле) схемы управления сило¬
вым электрооборудованием.
Такой контроллер предназначен1 для ввода в основном дискретных сиг¬
налов (десятки сигналов), имеет небольшое по объему запоминающее уст¬
ройство программ типа EEPROM, содержит большое количество (десятки)
таймеров (счетчиков), часы реального времени, имеет функцию ШИМ, мо¬
жет иметь последовательный интерфейс для подключения в локальную вы¬
числительную сеть и др. Для формирования дискретных выходных сигналов
контроллера используются электромагнитные реле или транзисторы.
Типичным примером программируемых логических контроллеров являют¬
ся контроллеры серии LOGO! фирмы Siemens, рассмотренные в разделе 5.11.
Рис.4.36. Абсолютный угловой знкодер RSA-507 фирмы Leine&Linde АВ
и разметка его кодирующего диска
127
• ' . *
5 СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
И МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ
5.1 Судовые информационно-измерительные системы
В системе автоматизации морского судна значительную ее часть состав¬
ляют информационно-измерительные системы (ИИС). Практически все про¬
цессы управления энергетическим оборудованием судна базируются на ин¬
формации, получаемой от ИИС.
Представление о разновидностях и функциях судовых ИИС дает схема,
представленная на рис. 5.1.
Информационно-измерительные системы
СЦК
Измерительные
Информ.-диагност.
Специализированные
системы
1 системы
и встроенные ИИС
Контроль
Сигнализация
Регистрация
Измерение
Измерение
1
Обработка
на ЭВМ
Регистрация
Измерение
~~1
Обработка
на ЭВМ
Оценка техн.
состояния
Прогноз техн.
состояния
Рис. 5.1. Разновидности и функции судовых ИИС
Основной объем информации о режиме работы энергетического обору¬
дования поступает от системы централизованного контроля (СЦК).
СЦК предназначена для автоматического дистанционного сбора инфор¬
мации о работе энергетического оборудования, ее централизованной обра¬
ботки и представления человеку. Практически это первая электронная систе¬
ма, применяемая на морских судах с 60-х годов 20 столетия. В настоящее
время она является обязательной, основной частью судовых систем ком¬
плексной автоматизации. СЦК выполняет четыре основных функции:
- измерение: получение информации количественного характера о пара¬
метрах энергетического оборудования;
128
' ■ '*■
- контроль: определение факта достижения параметром заранее заданного
предельного значения, называемого обычно уставкой;
- сигнализация: оповещение обслуживающего персонала о достижении
параметром предельного значения;
- регистрация: фиксация на одном из носителей информации (бумага,
магнитный диск и т.д.) результатов измерения и контроля.
Требования, которым должна отвечать СЦК, сформулированы Россий¬
ским морским Регистром судоходства в форме требований к так называемой
системе аварийно-предупредительной сигнализации (система АПС). Систему
АПС (англ. - Alarm & Monitoring System) можно рассматривать как
минимально-возможный вариант СЦК. '
Наличие системы АПС является обязательным для судна, которому при¬
сваивается класс автоматизации.
Система АПС должна подавать тревожный сигнал при достижении па¬
раметрами предельных значений, при срабатывании систем защиты оборудо¬
вания, при отсутствии энергии для питания системы автоматики судна. Она
должна формировать тревожные световые и звуковые сигналы, обладать
свойством памяти, обеспечивающим формирование тревожного сигнала до
его квитирования. Система АПС должна обеспечивать проверку собственной
исправности и самоконтроль. Обобщенные тревожные сигналы должны быть
выведены в места возможного пребывания членов машинной команды.
Должны быть предусмотрены меры от ложного срабатывания из-за качки,
вибрации.
Перечень параметров, контролируемых системой АПС, вид контроля ка¬
ждого из них (на повышение, на снижение и т.д.) оговорены Российским
морским Регистром судоходства.
Измерительные системы, не являющиеся обязательной частью системы
автоматизации конкретного судна, дают дополнительную, наряду с СЦК, ин¬
формацию о режиме работы энергетического оборудования судна. Их наличие
и требования к ним не регламентированы. Они выполняют две функции - из¬
мерение небольшого числа наиболее информативных параметров, обработку и
регистрацию результатов измерений. Применение таких систем оправдано на
крупных судах с большой мощностью установленного энергетического обору¬
дования, например - танкерах. Основное применение получаемой от них ин¬
формации - оптимизация режима работы энергетической установки судна, ха¬
рактера загрузки судна с целью снижения эксплуатационных расходов.
К данной группе ИИС следует отнести системы оценки технико¬
экономических показателей судна, часто упрощенно называемые экономет-
129
рами. В эконометре предусмотрено измерение таких параметров, как: ско¬
рость судна; мощность главного двигателя; частота вращения гребного вала;
расход топлива; дифферент судна.
Измерение этих параметров должно выполняться с возможно большей
точностью и зачастую является сложной технической задачей. На основе
этих измерений и обработки их в компьютере эксплуатационный персонал
судна получает информацию технико-экономического характера - как влияет
загрузка судна (дифферент) на расход топлива, каков расход топлива на
1 кВт ч работы главного двигателя (характеризует техническое состояние
двигателя) и т.д. '
Информационно-диагностические системы предназначены для решения
задач технического обслуживания энергетического оборудования. Они вы¬
полняют единственную функцию, реализуемую электронными средствами -
измерение небольшого числа так называемых диагностических параметров
оборудования. Под ними понимаются параметры, в наибольшей степени от¬
ражающие техническое состояние оборудования - его износ, регулировку и •
т.д. Путем специальной компьютерной обработки результатов измерения да¬
ется оценка технического состояния оборудования и, что очень важно - про¬
гнозируется это состояние. В конечном итоге, получаемая от таких систем
информация позволяет своевременно обнаруживать назревающие отказы
оборудования, прогнозировать сроки ремонтных работ. Наличие таких сис¬
тем на морских судах не регламентировано, однако они все шире использу¬
ются, особенно на крупных судах, применительно к основному энергетиче¬
скому оборудованию. Характерным примером такого оборудования являются
системы диагностики судовых дизелей, построенные на базе электронных
систем индицирования дизеля.
К четвертой группе ИИС относятся специализированные и встроенные в
другие системы автоматики ИИС, на которые в ряде случаев возложены и
функции управления. К ним относятся:
- система пожарной сигнализации;
- система контроля сопротивления изоляции судовой электроэнергетиче¬
ской системы;
- система автоматического замера, регистрации и управления сбросом
нефтесодержащих вод;
- автоматика системы инертных газов (на танкерах);
- детектор масляного тумана в картере дизеля и др.
Наличие некоторых специализированных СЦК обусловлено необходи¬
мостью решения специфических технических проблем эксплуатации судово-
130
' • '; <¬
го энергетического оборудования. Так, например, в начальный период экс¬
плуатации судов серии "Маршал Буденный" (нефтерудовоз) часто имели ме¬
сто тяжелые аварии их главных двигателей - задиры цилиндров. Для выясне¬
ния причин этих аварий и их своевременного предотвращения под руково¬
дством автора этого пособия была разработана специальная система цен¬
трализованного контроля темпера¬
туры (СЦКТ) поршней (рис. 5.2).
На каждом из восьми поршней
двигателя в головке поршня и на
тронке устанавливались два дат¬
чика температуры - термисторы.
Их сигналы поступали в подвиж¬
ный электронный блок (ПБ), рас¬
положенный на поршне. Когда в
своем движении поршень достигал
нижней мертвой точки, информа¬
ция с подвижного блока бескон¬
тактным способом передавалась к
неподвижному блоку (НБ), распо¬
ложенному в подпоршневом про¬
странстве, затем обрабатывалась и регистрировалась в центральном блоке
(ЦБ). Если значение температуры любого датчика превышало уставку, при¬
водилась в действие аварийно-предупредительная сигнализация. Применение
такой системы позволило получить ценную информацию научного и техни¬
ческого характера, предотвратить несколько аварий двигателя.
Близкие по принципу действия бесконтактные системы в последующем
были разработаны одной из зарубежных фирм для постоянного эксплуатаци¬
онного контроля температуры подшипников судовых дизелей (взамен детек¬
торов масляного тумана).
5.2 Структурные схемы систем АПС
По технической реализации системы АПС являются электронными ин¬
формационными устройствами, в которых используются практически все ра¬
нее рассмотренные электронные приборы и преобразователи сигналов на их
основе. По форме представления информации они могут быть как аналого¬
выми (относительно старые), так и цифровыми, а чаще - смешанного типа,
аналого-цифровые.
Применяют два основных варианта построения схем системы АПС.
131
Небольшие по объёму контролируемых параметров системы АПС ис¬
пользуют индивидуальные каналы контроля по каждому параметру (рис. 5.3).
уставка ■
Рис. 5 3. Система АПС с индивидуальными каналами контроля
Каждый канал контроля включает в себя датчик Д, измерительный пре¬
образователь ИП сигнала датчика (адаптер датчика), а также блок контроля и
сигнализации БКС, сравнивающий сигнал с уставкой и обеспечивающий ин¬
дивидуальную световую сигнализацию. По такой схеме строятся системы
АПС без применения микроЭВМ. Ее недостатком является большой объем
электроники.
Более часто используется второй вариант, работающий по принципу
обегающего контроля, с общим каналом контроля.
В этой схеме (рис. 5.4) имеется коммутатор К, который по очереди под- ■
ключает сигнал с каждого канала (т.е. "обегает" каналы) на дальнейшую об¬
работку' в БКС и в блоке измерения БИ. Поскольку БКС и БИ необходимы в
единственном числе, объем электроники СЦК резко сокращается. Устройство
управления, принципиально необходимое в этой схеме, переключает комму¬
татор, управляет БКС, БИ и общим сигнальным и регистрирующим устройст¬
вом. Быстродействие электронных приборов и блоков достаточно для обес¬
печения контроля сотен параметров в течение нескольких секунд.
Рис. 5.4. Система АПС с общим каналом контроля
132
L
■ '*■
По схеме рис. 5.4 строятся современные системы АПС на основе микро¬
ЭВМ. При этом наиболее сложные блоки БКС, БИ и устройство управления
реализуются средсгвами ЭВМ, а после коммутатора устанавливается АЦП.
5.3 Микропроцессорные блоки для построения :
судовых систем АПС
Системы АПС современных судов выполняются на основе микроЭВМ.
Типичным примером является блок сбора и обработки информации, выпус¬
кавшийся под маркой SA088OO . До 2000-х годов он широко использовался
для комплектации систем комплексной автоматизации норвежской фирмы
"tiorcontrol" (в последующем - фирма KONGSBERG), выпускаемых под
маркой Data Chief. Его структурная схема дана на рис. 5.5.
Блок SAU по существу является "маленькой" системой АПС, контроли¬
рующий 32 параметра и способной функционировать как в составе системы, так
и автономно. Число таких блоков, включаемых в полномасштабную систему
АПС, определяется общим по судну количеством контролируемых параметров
и может достигать 10. Блок SAU обеспечивает прием и обработку сигналов от
датчиков параметров, сопоставление их с уставками, формирование временных
задержек, т.е. основной объем функций АПС выполняется непосредственно в
блоках SAU. Блок работает по принципу обегающего контроля.
Рис. 5.5. Структурная схема блока SAU8800
Основу блока составляет 16-разрядный микропроцессор МП типа 8088. В
микросхемах памяти типа EPROM хранится управляющая программа. Память
типа EEPROM служит доя хранения параметров, изменяемых в процессе экс-
133
плуатации - уставок, конфигурации SAU (т.е. какие датчики к каким каналам
подключены), параметров каналов и т.д. Память типа ВАМ служит для хра¬
нения данных, получаемых в работе SAU.
На каждый тип датчика используется собственный адаптер, выполнен¬
ный на отдельной плате. Максимальное их число - 32. Разработанная фирмой
номенклатура адаптеров позволяет использовать такие аналоговые датчики,
как термопары (типа NiCr/Ni), платиновые терморезисторы (типов PtlOO,
?t50), датчики других типов, формирующие унифицированные аналоговые
сигналы в диапазоне 0...10 В, 0...5 В и т.д., а также датчики дискретного
действия (On/OFF), формирующие логические сигналы уровней ТТЛ или до
24 В. Сигналы с адаптеров аналоговых датчиков преобразуются в АЦП в
цифровой 12-разрядный код.
При автономном использовании блока SAU им формируется несколько
сигналов для управления внешней сигнализацией, с помощью адаптеров,
управляющих срабатыванием встроенных в блок реле.
Панель управления содержит индивидуальные световые индикаторы по
каждому каналу (светодиоды - LED), засвечиваемые при достижении устав¬
ки, цифровые индикаторы для вывода значений параметров и уставок и ин¬
дикации неисправности, а также органы управления в виде кнопок. Управле¬
ние панелью осуществляется через отдельный контроллер.
Связь с другими блоками SAU обеспечивается адаптером последова¬
тельного интерфейса CL, имеющим два канала, основной и дополнительный.
Им еется также два дополнительных адаптера интерфейса RS- 422.
Контроллер прерываний и таймер задают периодичность ввода и обра¬
ботки сигналов датчиков, обновления информации, выводимой на панель
управления, а также скорость передачи данных по последовательным интер¬
фейсам.
Блок SAU имеет встроенные средства самоконтроля, реализованные в
виде специальных программ. Если обнаружена неисправность, на индикаторе
SAU высвечивается код неисправности, выходные сигналы приводятся к
безопасным уровням, включается специальное реле. Если нарушается связь с
другими блоками SAU, то автоматически осуществляется переход в автоном¬
ный режим работы. Отдельной программой проверяется исправность всех
оптических приборов индикации на панели управления. Она запускается в
работу отдельной кнопкой.
Внешний вид процессорной платы блока SAUприведен на рис. 5.6.
134
■ ' ■ . ■ • <*
EPROM dau EEPROM
МП
8088
АЦП
Рис. 5.6. Процессорная плата блока SAU
Микросхемы EPROM, EEPROM, RAM, а также некоторые другие установ¬
лены в контактных панельках (сокетах) и в эксплуатации могут быть опера¬
тивно заменены.
Конструктивно СЦК может быть выполнена в виде обособленной,
функционирующей самостоятельно системы, составленной из нескольких
блоков, аналогичных блоку SAU. Однако в настоящее время более типичной
является ситуация, когда построенная на базе микро-ЭВМ система АПС ин¬
тегрирована (встроена) в систему комплексной автоматизации СЭУ, выпол¬
ненную также на основе микроЭВМ. То есть является одной из ее подсистем
автоматики. При этом конкретная микроЭВМ системы комплексной автома¬
тизации может одновременно решать как задачи АПС, так и другие задачи,
например - управления оборудованием.
5.4 Специализированные судовые информационные системы
Кроме системы АПС в системе автоматизации СЭУ современного судна
имеется значительное количество специализированных информационно¬
измерительных систем. Как правило, они дают не только дополнительную
информацию о режиме и условиях работы, но и выполняют функции защиты
оборудования.
В качестве примера одной из таких систем на рис. 5.7 представлена схе¬
ма монитора аксиальных (осевых) вибраций коленчатого вала дизеля -
135
Axial Vibration Monitor. Сигнал об осевых вибрациях коленчатого вала фор¬
мируется индуктивным датчиком, установленным с зазором 8,5 мм к торцу
вала. Изменение зазора изменяет индуктивное сопротивление датчика, что и
является его выходным сигналом.
Измеренное значение осевых вибраций (двойная амплитуда колебаний,
размах колебаний) выводится в миллиметрах на цифровой дисплей, а также
сравнивается с заранее заданным значением - с уставкой (setpoint). Вибрация
измеряется в диапазоне 0...10 мм (размах от пика до пика) с погрешностью
5%. При превышении уставки, с задержкой времени, устройством на отдель¬
ном выходе (slow down output) формируется сигнал защиты двигателя. Этот
выход представляет собою нормально разомкнутые (N.O.) контакты реле,
подключаемые к системе защиты двигателя. Уставка задается потенциомет¬
ром setpoint adjust, а ее значение выводится на цифровой дисплей при нажа¬
тии кнопки setpoint. Задержка времени устанавливается многопозиционным
переключателем slow down delay time в диапазоне до 300 с.
Информация о вибрациях вала в виде токового сигнала 4...20 мА, соот¬
ветствующего размаху колебаний 0...10 мм, через дополнительный выход
136
■ ' *■
Alarm/Monitoring current output поступает и в судовую систему АПС. В сис¬
теме АПС задается уставка на срабатывание сигнализации по данному пара¬
метру. -
Имеется также аналоговый выход по напряжению Crankshaft position
для подключения дополнительного прибора. !
Рекомендуемые значения уставок для АПС и защиты зависят от типа и
размерности дизеля и приводятся в его документации. Так, например, для
двигателя 5L35MC рекомендуется уставка на срабатывание АПС 1.06 мм, а
для формирования сигнала защиты slow down 1.33 мм. В тоже время для
двигателя 12L90MC эти параметры имеют значения соответственно 6.52 мм и
8.15 мм.
Типичным примером специализированной ИИС является детектор мас¬
ляного тумана в картере дизеля - Ой Mist Detector. Данная система является
обязательной для главных судовых дизелей. Она фактически контролирует
условия смазки подшипников дизеля. Если смазки недостаточно, то подшип¬
ник, а вместе с ним и смазочное масло перегревается, масло испаряется, и в
картере скапливаются его пары - масляный туман. При достаточно высокой
температуре пары масла воспламеняются, их горение носит взрывной харак¬
тер с разрушительными последствиями для дизеля.
Чтобы предотвратить аварию, сохранить подшипники, детектор масля¬
ного тумана по очереди отбирает пробы воздуха из каждой секции картера
дизеля и измеряет концентрацию масляных паров в нем. Для этого отобран¬
ная проба пропускается через фотоэлектронный датчик, принципиальная
схема которого приведена в разделе 1.8 настоящего пособия, на рис. 1.29.
Датчик вырабатывает сигнал, пропорциональный концентрации масляных
паров. Дальнейшая обработка этого сигнала выполняется с той же целью, как
например, в мониторе аксиальных вибраций - формируются сигнал АПС и
сигнал защиты двигателя slow down. ■
В связи с форсированием судовых дизелей условия работы их подшип¬
ников ужесточаются. При этом детектор масляного тумана не всегда может
надежно контролировать работу подшипников дизеля. В связи с этим, веду¬
щие дизелестроительные фирмы, взамен детектора масляного тумана начали
устанавливать на судовые дизели системы комплексного мониторинга
подшипников. Одной из таких систем является Kongsberg K-Chief 500
Engine Monitoring System, устанавливаемая на главных судовых малообо¬
ротных дизелях фирмы MAN Diesel Turbo.
Эта система контролирует износ и температуру каждого из трех под¬
шипников кривошипно-шатунного механизма - рамового, мотылевого и
крейцкопфного. Кроме этого измеряется температура цилиндровой втулки в
137
г . &
"Xtfo.cy/"
ее верхней части и выпускных газов
цилиндра. Измеряется также крутя¬
щий момент и мощность на гребном
валу, а также содержание воды в
смазочном масле подшипников.
Схема установки датчиков в
двигателе приведена на рис. 5.8. В
качестве датчиков температуры ци¬
линдровой втулки 1, 2 использованы .
термопары. Контроль температуры
выпускных газов 3 осуществляется
преобразователем температуры с то¬
ковым выходом на основе чувстви¬
тельного элемента Рі 100.
Температура рамового подшип¬
ника измеряется датчиком типа
PtlOO.
Для измерения температуры мо-
тылевого 5 и крейцкопфного 4 под¬
шипников использована специальная
беспроводная система Sentry
(рис. 5.9).
Рис. 5.8 Расположение датчиков
мониторинга подшипников двигателя
блок обработки сигнала
GBP100
импульс возбуждения
от GBP100
и
антенна „
j чувствительные
' ПАВ-элемені
стационарная
антенна .
GBS100
пачка ответных
импульсов
датчик
GBW100
Рис. 5.9.Устройство системы Sentry
138
■ ' 't-
Блок обработки сигнала периодически, через стационарную антенну по¬
сылает к датчику одиночный возбуждающий электромагнитный импульс.
Когда датчик, двигаясь вместе с подшипником, приближается менее чем на
50 мм к стационарной антенне, возбуждающий импульс воспринимается ан¬
тенной датчика. В чувствительном элементе он возбуждает поверхностную
акустическую волну (ПАВ, англ. SAW-surface acoustic wave) в пьезоэлек¬
трике. Эта волна отражается от нескольких рефлекторов (отражателей),
имеющихся в чувствительном элементе, порождая пачку ответных импуль¬
сов. Ответные импульсы излучаются антенной датчика, принимаются ста¬
ционарной антенной и поступают в блок обработки.
Скорость распространения ПАВ по поверхности чувствительного эле¬
мента зависит от его температуры. 'Поэтому, задержка времени, с которой
ответные импульсы поступают с датчика после подачи импульса возбужде¬
ния, также будет зависеть от температуры, на чем, и основан принцип дейст¬
вия системы.
Система обеспечивает измерение температуры в диапазоне до +160 °С,
при погрешности 2°С. Ее достоинством является отсутствие необходимости в
техническом обслуживании, простота монтажа (датчик пассивный, не требу¬
ет питания).
Описанный выше принцип действия ПАВ-датчика в последнее время
получил широкое применение в технике. В иностранной литературе такие
датчики именуются транспондерами (англ. transponder).
Для оценки степени износа подшипников используется вихретоковый
датчик 7 типа PS-11. Он реагирует на приближение к нему ползуна крейцкоп¬
фа и устанавливается в картере так, чтобы в положении нижней мертвой точ¬
ки ползун крейцкопфа не доходил до него несколько миллиметров. При износе
любого из подшипников это расстояние, которое фактически измеряется дат¬
чиком, будет уменьшаться. На этом и основан принцип измерения износа.
Принцип действия датчика 7 основан на следующем явлении. Датчик
питается переменным напряжением и генерирует в окружающем его про¬
странстве переменное магнитное поле. При приближении к датчику элек¬
тропроводящего объекта (каковым является ползун крейцкопфа) под дейст¬
вием переменного магнитного поля в объекте наводится электродвижущая
сила и возникают вихревые токи. Чем меньше расстояние до объекта, тем
сильнее в нем вихревые токи и соответственно уровень выходного сигнала
датчика. Датчик типа PS-11, которым комплектуется система мониторинга,
относится к классу интеллектуальных. Он обладает высокой точностью,
внутренней температурной компенсацией, учитывает частоту вращения дви¬
гателя, имеет функцию самодиагностики и цифровой CAN-интерфейс.
139
Информация о температурах подшипников и об их износе выводится в
виде мнемосхемы на монитор компьютера в ЦПУ.
5.5 Торсиометр
Торсиометр предназначен для измерения крутящего момента, частоты
вращения и мощности на гребном валу судна. Это измерительная система,
которая может использоваться как самостоятельно, так и в составе системы
оценки технико-экономических показателей работы судна.
Структурная схема одного из вариантов построения торсиометра приве¬
дена на рис. 5.10. Он содержит два измерительных канала - канал крутящего
момента и канал частоты вращения.
Рис. 5.10. Структурная схема торсиометра
В качестве датчика крутящего момента используются металлические
тензорезисторы R, выполненные из константана и наклеенные на поверх¬
ность вала, под углом 45° к его осевой линии. Если угол будет отличаться от
45°, то тензорезисторы будут реагировать не только на крутящий момент, но
и на упор на винте. Тензорезисторы соединены в схему измерительного мос¬
та. Выходной сигнал моста управляет частотой расположенного на валу
электронного генератора. В отсутствие крутящего момента М мост сбаланси¬
рован и его выходной сигнал равен нулю. При этом генератор вырабатывает
140
■ . t-
частотный сигнал f, с начальной частотой fm который через вращающийся
сигнальный трансформатор Тс передается с вала на дальнейшую обработку.
С появлением крутящего момента тензорезисторы деформируются, тен-
зомост разбалансируется, что вызывает пропорциональное увеличение часто¬
ты сигнала f, который может быть представлен в виде: ■
f = f0 + & f .
где Af- приращение частоты сигнала под действием крутящего момента.
Частотный сигнал через вращающийся сигнальный трансформатор Тс
подается в частотно - импульсный преобразователь канала момента, где при¬
ращение Af измеряется, одновременно масштабируясь таким образом, что¬
бы индицируемая цифровым индикатором величина численно соответство¬
вала крутящему моменту. '
Питание расположенных на валу блоков обеспечивается вращающимся
трансформатором Тп и блоком питания, включающим выпрямитель со стаби¬
лизатором.
Питающий Тп и сигнальный Тс вращающиеся трансформаторы принци¬
пиально выполнены одинаково. Вращающаяся обмотка уложена в паз коль¬
цевого магнитопровода П-образного сечения. Вторая обмотка выполнена на
неподвижной части магнитопровода такой же формы, но охватывает лишь
часть окружности вала. При этом магнитная связь между обмотками обеспе-
чиваегся непрерывно, при любом угловом положении вала. Между вращаю¬
щейся и неподвижной частью имеется воздушный зазор в несколько милли¬
метров - тем самым обеспечивается бесконтактная связь неподвижных и
вращающихся на валу блоков системы.
В качестве датчика частоты вращения в торсиометре использован ин¬
дукционный преобразователь. В него входят зубчатое колесо, охватывающее
вал и закрепленный стационарно индукционный датчик. При прохождении
зубцов возле датчика он вырабатывает импульсы, частота которых £„ про¬
порциональна частоте вращения вала.
Частота fn измеряется частотно-импульсным преобразователем, мас¬
штабируется и подается на цифровой индикатор в виде числа, соответст¬
вующего частоте вращения вала (см. п. 4.10).
Значение мощности, передаваемой валом, определяется в множительном
устройстве, на основе соотношения:
Р = [кВт],
9,55
где 9,55 - масштабирующий коэффициент, учитывающий единицы измере¬
ния: момент - кН-м; частота вращения - 1/мин.
141
• Іг
Для получения на индикаторе требуемого численного значения момента
торсиометр имеет органы настройки и калибровки.
Для калибровки торсиометра в схеме установленного на валу блока име¬
ется калибровочный резистор Rc. Этот резистор на время калибровки под¬
ключается переключателем Sc параллельно одному из тензорезисторов в из- ■
мерительный мост.
Калибровка выполняется когда вал не вращается, при этом крутящий
момент отсутствует. Когда переключатель Sc разомкнут, калибровочный ре¬
зистор к измерительному мосту не подключен. Измерительный мост при
этом должен быть сбалансирован и его выходной сигнал равен нулю. В таком
состоянии управляемый генератор должен вырабатывать начальную частоту
f0. Для ее настройки в схеме генератора имеется переменный резистор.
Когда калибровочный резистор R<. подключается параллельно тензоре-
зистору, измерительный мост разбалансируется и частота управляемого ге-»
нератора увеличивается на величину Af. Подключение калибровочного рези¬
стора эквивалентно уменьшению сопротивления тензорезистора, как если бы
это уменьшение было вызвано его деформацией под действием крутящего
момента.
Как известно, между относительной деформацией тензорезистора и из¬
менением его сопротивления имеется взаимосвязь:
AR _ АІ
R I ’
где AR - изменение сопротивления тензорезистора при его деформации;
R - начальное сопротивление тензорезистора;
к - коэффициент тензочувствительности тензорезистора;
А - изменение длины тензорезистора;
I - начальная длина тензорезистора.
Отношение в = ^ - является относительной деформацией тензорези¬
стора. Тогда:
к R
Подключение калибровочного резистора вызывает появление AR и ими¬
тирует тем самым некоторое значение е^,. ,
Имитируемая деформация будет определяться формулой:
. R
£цм — • .
4kRc
Например, при к=2,1, R=600 Om,Rc.=3QO кОм, получим:
142
4 ■ к ■ Rc 4 ■ 2,1- 300 ■ 103
Связь между деформацией поверхности вала, передаваемой на тензо¬
резисторы, и крутящим моментом, с учетом параметров вала выражается
формулой:
М = е ■ Wp ■ 2G ■ 10"9 [кгм],
где ffp - мм3 - полярный момент инерции сечения вала;
G, кг м2 - модуль сдвига материала вала (модуль касательной упругости).
Например, если диаметр вала Г>=480 мм, модуль упругости
G=8,36-10'5 кг/см2, то имитируемый крутящий момент:
**им= еИМ“-2с= 0,23&-^-4— ■2-8,36 1(Г5 = 8640&ГМ,
16 16
п D-3
где „ _
Таким образом, имитируемое при калибровке значение момента зависит
от параме тров вала.
При настройке торсиометра это значение должно быть установлено на
его индикаторе регулировкой резистора, изменяющего параметр Af характе¬
ристики управляемого генератора. После калибровки Rc отключается.
Торсиометр является сложным измерительным устройством, с много¬
кратным преобразованием сигнала и значительным числом органов настрой¬
ки. К достоинствам торсиометра данного типа следует отнести потенциально
высокую надежность, обусловленную бесконтактным способом подачи пита¬
ния и съема информационного сигнала с вала. Его реальная погрешность из¬
мерения может находиться на уровне ±( 1... 1,5)%.
5.6 Информационно-диагностические системы судовых дизелей
Судовой дизель, используемый в качестве главного двигателя, является
наиболее сложным и ответственным объектом управления и контроля в составе
СЭУ. От его надежности и экономичности в определяющей степени зависят ос¬
новные технико-экономические показатели энергетической установки судна.
Основной объем информации о режиме работы дизеля поступает от
СЦК, которая контролирует десятки его параметров - температуры выпуск¬
ных газов, охлаждающей воды, давления в его системах и т.д. Вместе с тем,
этого бывает недостаточно, особенно когда речь идет о мощных малооборот¬
ных двигателях.
Поэтому, на морских судах в настоящее время широко используются
информационно-диагностические системы, строящиеся по существу на базе
электронных систем индицирования дизелей (другое название - системы
контроля рабочего процесса - СКРП). Это системы Maliп 3000 и Маііп
6000 (фирма Malin Instruments), система DK-2 с программным обеспе¬
чением Doctor (фирма Icon Research), система РМІ (фирма MAN В£И),
система NК-100 (фирма Autronica), система DPA и другие. Они позволяют
определять ряд важных параметров рабочего процесса дизеля, в числе кото¬
рых среднее индикаторное давление (раі), а также ряд показателей, характе¬
ризующих условия протекания процесса: максимальное давление (ршх) и
угол поворота коленчатого вала (ПКВ) (Ор^), на котором оно действует,
максимальная скорость нарастания давления в функции угла ПКВ
(dp/dotftaaj и др. Данные показатели определяются как по главному двигате¬
лю, как правило, малооборотному (МОД)) так во многих СКРП и по вспомога¬
тельным двигателям. Значения этих показателей и их изменение в процессе
эксплуатации позволяет диагностировать техническое состояние дизеля.
В настоящее время СКРП - это электронные, аналого-цифровые систе¬
мы, выполненные на основе ЭВМ. Информация о процессе работы двигателя
поступает от небольшого числа датчиков высокоинформативных параметров.
Представление о составе СКРП, как электронного устройства, дает его струк¬
турная схема, приведенная на рис. 5.11.
Рис. 5.11. Структурная схема СКРП
На индикаторный кран ИК цилиндра устанавливается датчик давления га¬
зов (ДГ), воспринимающий давление в цилиндре Р^,. Этот датчик работает в
жестких условиях высоких температур и давлений. Чувствительным элементом
ДГ может быть тензорезистор, но чаще применяется пьезоэлектрический дат¬
чик, чувствительным элементом которого является пластана кварца. Аналого-
144
вый сигаал с ДГ усиливается усилителем (У), в быстродействующем АЦП пре¬
образуется в цифровой код и затем обрабатывается в ЭВМ.
Тензорезисторный датчик давления топлива (ДТ) контролирует давле¬
ние топлива, поступающего от топливного насоса (ТНВД) к форсунке (Ф).
В некоторых СКРП (фирма Autronica) заподлицо с внутренней поверх-'
ностью цилиндровой втулки, в ее нижней части устанавливается индукцион¬
ный датчик состояния поршневых колец (ПК). Принципиально он выполнен
аналогично рассмотренному ранее датчику цифрового тахометра, с тем отли¬
чием, что роль штифтов выполняют кольца, выступающие над поверхностью
поршня. Каждое из поршневых колец (К), проходя мимо датчика ПК, вызы¬
вает формирование им импульса. Импульсы усиливаются и отображаются на
дисплее ЭВМ. Величина импульса, характеризует состояние поршневого
кольца, его износ или поломку.
Процессы изменения давления топлива и газов развиваются в функции
угла поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя. Чтобы обеспечить их при¬
вязку друг к другу и получить достоверные результаты обработки, в составе
СКРП имеется индукционный датчик угла "ф" поворота коленчатого вала
(датчик УП). Принципиально он выполнен аналогично рассмотренному ра¬
нее датчику цифрового тахометра (см. п.4.10). Каждый штифт, устанавли¬
ваемый обычно на маховике двигателя, проходя мимо датчика УП, формиру¬
ет импульс, соответствующий определенному углу ПКВ. В качестве датчика
УП может использоваться и фотоэлектронный датчик. В этом случае вместо
штифтов на вал наклеивается светоотражающая полоска. В системе РМХ в
качестве датчика УП используется угловой энкодер.
Конструктивно современные СКРП часто оформлены в виде двух основ¬
ных блоков (системы DK-2, Маііп и др.):
- переносной мобильный блок, предназначенный для непосредственного
получения индикаторной диаграммы;
- стационарный компьютер класса PC, предназначенный для обработки
индикаторной диаграммы.
К переносному мобильному блоку на время индицирования подключа¬
ется датчик УП и устанавливаемый на индикаторный кран датчик ДГ. Мо¬
бильный блок непосредственно воспринимает сигналы с датчиков, формируя
и сохраняя в своей памяти развернутые индикаторные диаграммы по цилин¬
драм дизеля. Обработка этих диаграмм в нем практически не производится.
Он выполняет функцию накопителя индикаторных диаграмм в форме масси¬
вов мгновенных давлений р(ф) в цилиндре, полученных с определенным ша¬
гом по углу ПКВ. Каждый массив принимается за один полный оборот вала
145
двухтактного двигателя или за два оборота вала четырехтактных двигателей.
Массив может содержать до тысячи элементов, в зависимости от тактности
двигателя и шага по углу ПКВ, с которым принимаются значения давления.
Из переносного блока массивы давлений затем передаются в
PC-компьютер, где и обрабатываются по специальной программе. Эта про¬
грамма рассчитывает показатели индикаторной диаграммы (jv,, и др.),
графически отображает диаграмму (рис. 5.12), формирует итоговые данные
индицирования по двигателю, используется для настройки системы, анали¬
зирует отклонения индикаторной диаграммы и т.д.
MAUN for Windows ВВП
Ml
Рис. 5.12. Представление результатов индицирования в СКРГІ ИаІіпЗООО
Данный вид изменений является весьма сложным, специфическим про¬
цессом. Особенно это относится к процессу настройки систем индицирова¬
ния.
146
5.7 Принципы построения судовых МПСУ
С начала 80-х годов морские суда оснащаются системами комплексной
автоматизации, построенными на основе микро-ЭВМ. Применение микро¬
ЭВМ позволило комплексно автоматизировать не только СЭУ, но и судно в'
целом, включая управление грузовыми операциями танкера, решение нави¬
гационных, административных и других задач.
В настоящее время комплексные МПСУ выпускаются несколькими ве¬
дущими в области автоматизации судов фирмами европейских стран, а также
фирмами стран Юго-Восточной Азии, куда сместился центр мирового судо¬
строения. Несмотря на отличия в технических характеристиках, во всех
МПСУ прослеживаются некоторые общие принципы их построения. Судо¬
вые МПСУ могут быть охарактеризованы как комплексные распределенные
децентрализованные системы управления с иерархическим принципом орга¬
низации, построенные по модульному принципу.
Представление об общей структуре комплексной МПСУ судовой энер¬
гетической установки дает рис. 5.13.
Рис. 5.13. Общая структура судовой МПСУ
Такая система автоматики строится в принципе на двух типах модулей -
управляющих ЭВМ и диспетчерских ЭВМ, связанных между собою информа¬
ционной линией связи, объединяющей их в локальную вычислительную сеть.
Как показано на рис.5.13, каждая из управляющих ЭВМ специализиро¬
вана для решения конкретной задачи и непосредственно управляет конкрет¬
ным судовым объектом - главным двигателем, дизель-генератором, выпол¬
няет функции СЦК и т.д.
В судовой МПСУ количество управляющих ЭВМ может составлять не¬
сколько десятков. В документации фирм-разработчиков их называют процес-
совыми или рабочими станциями, контроллерами, программируемыми логи¬
147
ческими контроллерами. Каждая из ЭВМ, обладая вычислительными воз¬
можностями, является в некотором смысле "интеллектуальной" системой.
Территориально управляющие ЭВМ могут быть расположены Непосредст¬
венно у объекта управления, совместно с которыми они образуют локальные
системы автоматики, способные достаточно эффективно функционировать и
самостоятельно, без связи с диспетчерской ЭВМ. Поэтому такие МПСУ и ха¬
рактеризуют как децентрализованные и распределенные - общие "интеллек¬
туальные" возможности системы управления разделены между многими, от¬
носительно простыми ЭВМ, которые распределены по объектам управления.
Примером системы, построенной по такому принципу, является судовая
МПСУ "Data chief-2000”, которая рассмотрена в следующем параграфе.
Диспетчерская ЭВМ решает две основные задачи - обеспечивает связь
системы с человеком и объединяет управляющие ЭВМ в систему комплекс¬
ной автоматизации. С позиции взаимодействия с человеком, диспетчерская
ЭВМ по существу является постом управления СЭУ и территориально раз¬
мещается в центральном посту управления (ЦПУ) энергетической установ¬
кой судна. Для обеспечения надежности, как правило, используются две дис¬
петчерские ЭВМ, дублирующие друг друга. По составу комплектующих бло¬
ков (принтер, накопители на магнитных дисках, цветной монитор и т.д.), по
организации программного обеспечения, по техническим характеристикам
диспетчерские ЭВМ являются разновидностью персональных компьютеров,
отличаясь от них более жесткими требованиями к надежности.
С позиции управления диспетчерская ЭВМ представляет собою верхний
уровень управления (иерархии), на нижнем находятся управляющие ЭВМ.
Диспетчерская ЭВМ координирует работу управляющих ЭВМ, получая от
них информацию о процессах в объектах управления и задавая им режимы
работы, не вмешиваясь, однако, в детали процесса управления. Такая струк¬
тура системы обеспечивает ее высокую надежность и гибкость. Если связь с
диспетчерской ЭВМ нарушена, управляющая ЭВМ в состоянии решать зада¬
чи управления объектом самостоятельно, практически в том же объеме. В за¬
висимости от требований к уровню автоматизации конкретного судна, из со¬
става МПСУ могут быть исключены или добавлены необходимые управ¬
ляющие ЭВМ - отразится это, в основном, на составе программного обеспе¬
чения диспетчерской ЭВМ.
С позиции технического обслуживания комплексная система управления,
построенная на микроЭВМ, обладает значительными преимуществами перед
системами автоматики, построенными без применения ЭВМ. Электрические
148
' ' . *■
схемы управляющих ЭВМ практически одинаковы. Это резко сокращает чис¬
ло типов электронных блоков, обеспечивает их широкую взаимозаменяемость.
Специализация же конкретной управляющей ЭВМ достигается в основном на
программном уровне - соответствующим содержимым микросхем ПЗУ, где
хранится программа.
Вычислительные возможности ЭВМ позволяют легко обеспечить ее тес¬
тирование и обнаруживать неисправные блоки. Обычно для этих целей ис¬
пользуются специальные тестирующие и диагностические программы, зано¬
симые в память ЭВМ и работающие параллельно с решением основных задач.
Примерно с начала 2000-х годов на судах стали появляться МПСУ, в ко¬
торых, принцип децентрализации и распределенности реализован в другом
варианте, по сравнению с представленным на рис.5.13. А именно - ЭВМ
специализированы не по объектам управления (дизель, генератор и.т.д.), а по
видам решаемых частных задач, входящих в общую задачу управления. На¬
пример, ЭВМ №1 обеспечивает общее информационное обеспечение всех
или нескольких основных задач автоматизации, принимая и обрабатывая
сигналы с датчиков, установленных на различном оборудовании СЭУ. Мик¬
ро-ЭВМ №2 на основе информации от датчиков формирует управляющие
сигналы нескольких ПИД-регуляторов, а микро-ЭВМ №3 непосредственно
выводит эти управляющие сигналы к исполнительным механизмам (актюа-
торам) и т.д. То есть, автоматизация конкретного судового оборудования
реализуется средствами нескольких ЭВМ, каждая из которых выделяет для
этого часть своих ресурсов (время, объем памяти и др.).
Примером системы, построенной по такому принципу, является судо¬
вая МПСУ "Data chief-C20", которая рассмотрена ниже.
5.8 Судовая МПСУ ”Data chief-2000’
Данная система комплексной автоматизации СЭУ разработана норвеж¬
ской фирмой "Norcontrol" (в последующем - Kongsberg Maritime) и в 90-х го¬
дах прошлого столетия установлена на многих судах мирового флота. Пред¬
ставление о ее структуре и размещении ее блоков на судне дает рис. 5.14.
Система построена на основе нескольких типов блоков, специализированных
под решаемые задачи:
- SAU(signal acquisition unit) - блок сбора и обработки информации;
- GCU (generator control unit) - блок управления дизель-генератором;
- PCU (programmable controller unit) - блок управления вспомогательными
механизмами, регулирования параметров - температуры, давления и т.д.;
149
- I.GU (level gauging unit) - блок измерения уровней жидкостей в цистер¬
нах, грузовых танках;
- ОСР (operator control panel) - панель управления системы;
- MCU (Main Computer Unit) - центральный блок системы.
Блоки SAU, GCU, PCU, LGU выполняют роль управляющих ЭВМ. Их
структурные схемы практически одинаковы. Один из этих блоков (SAU) под- .
робно рассмотрен в разделе 5.4. Отличие между блоками состоит лишь в на¬
боре адаптеров, в конфигурации их панелей управления и в содержимом
управляющей программы.
Блок MCU выполняет функцию диспетчерской ЭВМ. Он обеспечивает
связь системы с человеком через устройства ввода-вывода информации: гра¬
фический монитор, панель управления типа ОСР, принтер. Панель управле¬
ния ОСР выполнена в форме специализированной клавиатуры и по внутрен¬
нему построению является микроЭВМ, структурная схема которой близка к
схеме блока SAU. Панель управления, блок MCU, монитор и принтер обра¬
зуют пост управления системы. Таких постов может быть до четырех (на
рис. 5.14 показан один).
Ходовой
мостик
суда
Блок сигнализации
и вызова вахтенного
1
каюты
1
БОС 1
БОС 2
БОС 3
монитор
управления
(ОСР')
принтер
MCU
Дшель-генераіоры №1,2,3;
главный распределительный тцит
Центральный пост
управления (ЦПУ)
токовал пели (CL)
—]gCUi|—-fGCU2j—»[GCui}
— ^ — —0 Сигнализация
в машинном
отделении
SAUI
тт
SAU 2
♦
SAU10
главный
двигатель
PCU 1
PCU 2
вспомогательные
двигатели,
механизмы,
системы
цистерны
IJ
вспомогательные
механизмы,
системы
Машинное отделение
Рис. 5.14. Структурная схема МГІСУ "Data chief-2000"
150
■ *■
Передача информации между управляющими ЭВМ и диспетчерской
осуществляется по линии связи типа токовая петля.
Для обеспечения функций системы АПС в состав МПСУ включены бло¬
ки обобщенной сигнализации и вызова вахтенного (БОС), блок сигнализации,
и вызова вахтенного механика на мостике, средства сигнализации в машин¬
ном отделении.
Блок MCU по принципам построения и комплектации по существу явля¬
ется PC-компьютером в промышленном исполнении - по сравнению с офис¬
ным компьютером лучше защищен от факторов внешней среды.
Для управления главным судовым двигателем фирмой "Norcontrol" раз¬
работана отдельная МПСУ типа "Auto chief-4" (на рис. 5.14 не показана). Она
построена на основе специализированного микропроцессорного блока DGS
(digitalgovernor system), структура которого в целом аналогична блоку SAU.
Ввиду ее специфики, в данном пособии эта МПСУ не рассматривается.
5.9 Судовая МПСУ ”Data chief-C20’
Технические средства автоматизации СЭУ непрерывно совершенству¬
ются. Показательным в этом смысле является процесс смены поколений
МПСУ на примере продукции одного из лидеров в области автоматизации
судового энергетического оборудования - норвежской фирмы Kongsberg
Maritime.
С начала 2000-х годов вместо системы "Data chief-2000" (90-е годы) на
суда устанавливается МПСУ нового поколения "Data chief-C10" (сокращен¬
но - "DC-C10"). По сравнению с предшествующими системами она имеет ряд
существенных отличий.
В зависимости от предъявляемых требований к уровню автоматизации,
система DC-C10 может поставляться на суда в различных вариантах и раз¬
личном объеме - от минимального, выполняющего только функции СЦК
(Alarm And Monitoring System), до полномасштабного, обеспечивающего
комплексное управление всеми техническими средствами судна, включая
энергетическую установку, пропульсивный комплекс, грузовую систему тан¬
кера и др. Ниже рассматривается базовый вариант системы DC-C10, обеспе¬
чивающий управление оборудованием СЭУ и функции СЦК (Alarm, Monitor¬
ing and Control System) (рис. 5.15).
Система комплектуется из блоков четырех основных типов:
- блоков распределенной обработки данных (Distributed Process Unit -
DPU)\
151
. *■
местных станций управления (Local Operator Station - LOS)',
станций дистанционного управления (Remote Operator Station - ROS);
блоков сигнализации и вызова вахтенного, расположенных в каютах и
местах пребывания экипажа (Watch Cabin Unit - WCU) и на ходовом
мостике (Watch Bridge Unit - WBU).
WBU
Ходовой мостик
WCU 1
WCU 2
WCU 3
WCU 4
Надстройка
CAN ‘'Watch Calling System”
Центральный пост
управления СЭУ
Monitor
2Г
ROS № 1
ОСР 8810
мси
ALARM
PRINTER
220 ѴЛС
±11
UPS
~T~
220 VAC
LAN
24 VDC
(к DPU,
WCU.
WBU)
.ttt t
UPS
T
220 VAC
ROS №2
MCU
220 VAC
Monitor
21”
OCP 8810
UPS
220 VAC
LOG
PRINTER
GLOBAL CAN A
Машинное отделение
GLOBAL CA NR
Сегмент 1 CAN-сети
DPU1: RIOC2
DPU2: RDJ-32
< f -1 4 m
Z Z
DPU3: RD016
О > DPU4: RIO C2
LOS
dPSC
Шкаф 1
(Auxiliary Control System'
Сегмент 2 CAN-сети
LOS
,iDPU5: RIO Cl к
: ПОІІЙ. Din лі r
DPU6: RIO Cl
DPU7: RIO C2
\
dPSC
Шкаф 2
(Power Management System]
DPU8: RAilOtc
DPU9: RAi 16
DPU 10: RDi32
DPU11: RDi32
> DPU 12: RAi 16
Шкаф 3
(Alarm & Monitoring System)
Рис. 5.15. Схема МІІСУ "Data chief-C2Q"
152
Все эти блоки технически реализованы в виде компьютеров, объединен¬
ных в локальную вычислительную сеть через шину типа CAN - "Controller
Area Network". Шина типа
CAN предназначена для по¬
строения компьютерных сис¬
тем управления в промыш¬
ленности, на транспорте и др.
(см. п.4.11).
Станция дистанционного
управления (ROS) является
основным постом управления
СЭУ (рис. 5.16). Для обеспе¬
чения надежности использу¬
ются две станции ROS, объе¬
диненные линией связи в от¬
дельную ЛВС (LAN). Рис. 5.16. ROS - Remote Operator Station
В состав ROS входят (рис. 5.15):
- основной компьютерный блок MCU(Main Computer Unit);
- цветной монитор;
- панель управления ОСР 8810 (Operator Control Panel);
- принтер;
- источник бесперебойного питания UPS (Uninterruptible Power
Source).
Блок MCU по комплектации аналогичен персональному компьютеру (PC).
Панель управления ОСР содержит клавиатуру, трекбол и элементы сиг¬
нализации. Этот блок аналогичен блоку ОСР, используемому в МПСУ "Data
chief-1 /2000". Блок питания UPS обеспечивает переменным питающим
напряжением 220 В (220 ѴАС) блоки ROS. При исчезновении входного пи¬
тающего напряжения переменного тока 220 В, он преобразует постоянное
напряжение встроенного в него аккумулятора в переменное 220 ѴАС, обеспе¬
чивая, тем самым, бесперебойное питание (см. п.3.1).
Для обеспечения безвахтенного обслуживания СЭУ система DC-C20
укомплектована блоками сигнализации и вызова вахтенного (WCU), располо¬
женными в каютах механиков и местах нахождения членов машинной ко¬
манды. Блок WCU выполнен на основе жидкокристаллического цифрового
дисплея (рис. 5.17). Эти блоки, а также блок аналогичного назначения, рас¬
153
'; <-
положенный на ходовом мостике ■
( WBU) объединены в отдельную ло¬
кальную CAN -сеть, подключенную
к ROS №2, образуя систему вызова
вахтенного - "Watch Calling
System”. Эта часть оборудования
обеспечивает функции СЦК.
Рис 5 17 Блок wcu Блоки DPU являются наиболее
многочисленным компонентом системы DC-C2Q. Они являются управляю¬
щими ЭВМ, непосредственно воспринимающими сигналы датчиков, обраба¬
тывающие их в соответствии с заложенным в их программу алгоритмом ра¬
боты и формирующими выходные управляющие воздействия. Имеется более
10 типов блоков DPU, каждый их которых специализирован под конкретные
типы входных и выходных сигналов. Внешний вид одного из блоков приве¬
ден на рис. 5.18.
Рис. 5.18. £®>С7типа KAJ-16
В отличие от управляющих ЭВМ, использованных в системах "Data
chief-7/2000", блоки DPU не имеют собственной панели управления и
поэтому автономно функционировать не могут, только в составе системы.
Общими отличительными особенностями блоков DPU являются:
- отсутствие органов настройки, обслуживаемых в эксплуатации и смен¬
ных компонентов (в эксплуатационных условиях блоки DPU не ремон¬
тируются);
- все настроечные параметры изначально записаны в модуль и могут
быть изменены только программным путем, через локальную сеть;
- каждый модуль DPU имеет два порта для подключения к двум незави¬
симым CAN-сетям, а также дополнительный последовательный интер¬
фейс RSA22 или RS485;
- состояние модуля, входные и выходные сигналы, режимы его работы
индицируются светодиодами (LED);
- обеспечивается самодиагностика.
154
' '. <•
Блоки DPU объединены в систему и связаны с ROS через CAN-сеть. Для
обеспечения надежности это подключение реализовано в виде двух незави¬
симых сетей (рис. 5.15) - GLOBAL CAN А, замыкающейся на ROS №1, и
GLOBAL CAN В, замыкающейся на ROS №2. Каждый блок DPU в своем про¬
граммном обеспечении содержит адрес и другую информацию, необходимую
для его идентификации. Когда блок DPU физически подключается к сети, на¬
пример, взамен отказавшего, программа, работающая в ROS, по этой инфор¬
мации автоматически его распознает. Таким образом, от обслуживающего
персонала не требуется никаких специальных действий по вводу блока в дей¬
ствие, достаточно лишь указать его номер. Данный принцип в компьютерной
технике именуется "plug and play" - подключай и работай. Питание
блоков DPU, а также WCU и WBU осуществляется напряжением 24 В постоян¬
ного тока (24 VDC) от блока бесперебойного питания UPS (рис. 5.15).
Через CAN-сеть станции ROS получают информацию от блоков DPU, пе¬
редают в них команды управления оборудованием, осуществляют изменение
их настроечных параметров, калибровку и т.д. Программное обеспечение
станции ROS контролирует связь через сеть с каждым DPU и при ее потере
формирует сообщение о неисправности.
Каждый блок DPU также имеет средства самоконтроля - контролируется
температура внутри блока, работоспособность его запоминающего устройст¬
ва, состояние CAN-сети. Кроме этого, каждый блок DPU имеет так называе¬
мый "сторожевой таймер" - "Watch Dog Timer (WDT)". Это отдельное
устройство в составе DPU, контролирующее его общую работоспособность.
Пока управляющая программа в блоке DPTJ работает правильно, она перио¬
дически подает импульсы в WDT, удерживающие его в исходном состоянии.
Если в управляющей программе DPU произошел сбой, эти импульсы прекра¬
щают поступать в WDT и но прошествии определенного времени WDT сраба¬
тывает. При этом он формирует сигнал сброса (reset), останавливающий
микроЭВМ блока DPU. Это предотвращает появление и развитие опасных си¬
туаций в системе управления, где используется блок DPU. Срабатывание WDT
сигнализируется светодиодом.
В условиях судна блоки DPU сгруппированы в шкафах по функциональ¬
ному признаку, обеспечивая в составе DC-C20 функции ряда локальных сис¬
тем автоматизации (см. рис. 5.15):
- система автоматизации вспомогательного оборудования (Auxiliary
Control System) - насосы, компрессоры и др.;
155
- система автоматизации судовой электростанции (Power Manage¬
ment System) - дизель-генераторы, валогенератор;
- система централизованного контроля (Alarm and Monitoring
System) и др.
Для реализации функций этих систем используются соответствующие
типы блоков DPIJ. Ряд таких подсистем могут функционировать и самостоя¬
тельно, без связи со станцией ROS. В
этом случае они дополнительно ком¬
плектуются местными станциями управ¬
ления (LOS) (рис. 5.19).
С помощью станций LOS, которые
при наличии ROS рассматриваются как
о дополнительные, резервные панели
Рис. 5.19. Местная станция управления ’ r г
(iOS) системы DC-C20 управления, могут выполняться опера¬
ции по управлению оборудованием, наблюдению за процессами, настройке
параметров блоков DPU, имитации их входных и выходных сигналов, про¬
верке диагностических сообщений и др.
Блоки DPU, сгруппированные по видам подсистем автоматизации, под¬
ключаются к общей CAN-сети (глобальной - Global) не напрямую, а через
блоки расширения типа dPSC (см. рис. 5.15). Тем самым в пределах подсис¬
темы, шкафа образуется местная, локальная CAN-сеть (Local CAN), являю¬
щаяся сегментом общей сети. Необходимо отметить, что на рис. 5.15 пред¬
ставлены лишь типы блоков DPU, которыми комплектуются подсистемы.
Конкретное же их количество определяется объемом автоматизации кон¬
кретного судна и значительно превышает представленное на рис. 5.15.
Ниже дана краткая характеристика некоторых типов блоков DPV:
- RAX-16 (Remote Analogue Input) - блок ввода 16 аналоговых ,
сигналов;
- RDI-32 (Remote Digital Input) - блок ввода 32 дискретных
входных сигналов от контактных датчиков;
- RDI-32A (Remote Digital Input) - блок ввода 32 дискретных
сигналов переменного тока или постоянного тока 24 В;
- RAI-10tc (Remote Analogue Input) - блок ввода 10 сигналов от
термопар;
- RDO-16 (Remote Digital Output) - блок вывода 16 дискретных,
формируемых с помощью реле сигналов, имеется выход импульсного
сигнала;
156
' - ' '<-
- RAO-8 (Remote Analogue Output) - блок вывода 8 аналоговых
сигналов в диапазоне +10 В или 0...20 мА;
- RIO-C1 (Remote Input/Output) - многоцелевой комбинирован¬
ный блок ввода/вывода входных/выходных сигналов, в том числе: 6
выходных дискретных сигналов; 2 входных импульсных сигнала; 2
входных сигнала 0... 30 ѴАС и один входной сигнал 0... 1 А переменно¬
го тока; 4 аналоговых или дискретных входных сигнала и др.;
- RI0-C2 (Remote Input/Output) - комбинированный блок ввода 8
дискретных и вывода 8 дискретных сигналов.
Блоки типов RAI и RDI используются в основном для реализации функ¬
ций СЦК (рис. 5.15).
Для управления вспомогательными механизмами и дизель-генераторами
используются блоки типов RIO-C2 и RIO-C1 (рис. 5.15). В частности, блок
RIO-C2 применяется для управления насосами, клапанами, пуска, остановки
и защиты дизель-генератора и т.д. Через блок RIO-C1 обеспечивается
управление автоматическими выключателями генераторов, синхронизация
подключаемого генератора, он способен выполнять функции ПИД-
регулятора и т.д.
Алгоритмы обработки сигналов в блоках DPU реализованы в виде про¬
грамм, работающих в этих блоках, и определяются их функциональным на¬
значением. Так, например, обработка поступающих от датчиков аналоговых
сигналов в блоке RAT-16 предусматривает выполнение следующих операций:
- преобразование в АЦП аналогового сигнала в 16-разрядный цифровой код;
- фильтрацию этого сигнала в фильтре нижних частот второго порядка
(Баттерворта), фильтр реализован в виде расчетной формулы;
- преобразование цифрового сигнала к диапазону входного параметра,
выраженному в физических единицах или в процентах;
- расчет скорости изменения параметра;
- сравнение измеренного значения с четырьмя заданными значениями ус¬
тавок на сигнализацию: LL (Low Low) - предельно низкое, £ (іоѵ) -
низкое, Н (High) - высокое, НН (High High) - предельно высокое и
формирование временных задержек сигнализации;
- формирование и ведение хронологической записи сигналов тревоги;
- проверка достоверности входного сигнала с формированием сообщения
об ошибке, если он более чем на 5 % вышел за верхний или нижний
предел диапазона, в котором должен находиться;
- и др.
157
Фирмой Kongsberg разработана также МПСУ "Auto chief-С20",
по сравнению с МПСУ "Auto chief-4" являющаяся новым поколением .
системы дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) главным
судовым двигателем (МОД). В ней реализованы те же основные принципы
построения, что и в системе DC-C20 - блоки DPU, CAN-сеть и др. Однако,
вследствие специфики решаемых ею задач в настоящем пособии она не рас¬
сматривается.
Примерно в середине 2000-х годов фирмой Kongsberg разработан ив
настоящее время устанавливается на суда модернизированный вариант сис¬
темы DC-C20, под маркой “K-chief".
5.10 Микропроцессорная система управления двигателей серии ME
С начала 2000-х годов на морских судах в качестве главных двигателей
начали устанавливаться малооборотные дизели с электронным управлением
(англ. - Electronically Controlled Engine) серии ME, разработан¬
ные фирмой MAN B&W. В классической конструкции дизеля процессы подачи
топлива в цилиндр, открытия выпускного клапана, подачи пускового возду¬
ха, смазки цилиндра, протекающие в функции угла поворота коленчатого ва¬
ла (ПКВ), реализуются с помощью распределительного вала. В двигателях с
электронным управлением распределительный вал отсутствует, а его функ¬
ции возложены на микропроцессорную систему управления, входным сигна¬
лом которой является сигнал от электрического датчика положения коленча- ■
того вала дизеля. В таком двигателе микропроцессорная система управления
на основе информации об угловом положении коленчатого вала и с учетом
заданного двигателю режима работы выполняет следующее:
- формирует управляющее воздействие в ТНВД, задающее момент начала
подачи топлива в цилиндры, цикловую подачу топлива и закон подачи
топлива в функции угла ПКВ;
- при пуске дизеля формирует управляющее воздействие, задающее поря¬
док открытия пусковых клапанов цилиндров, моменты и длительность
их открытого состояния, заменяя тем самым распределитель пускового
воздуха в обычном дизеле;
- формирует управляющее воздействие на открытие и закрытие выпуск¬
ного клапана в функции угла ПКВ;
- формирует управляющее воздействие в лубрикаторы цилиндровой смаз¬
ки (так называемый "альфа-лубрикатор").
158
Система управления обеспечивает также управление вспомогательным
оборудованием - дополнительными воздухонагнетателями и насосами, обес¬
печивающими гидравлическую часть системы управления дизеля рабочей
средой (маслом) под давлением 200 бар.
Общая схема системы управления двигателя типа ME приведена на рис. 5.20.
159
В центральном посту управления СЭУ расположен главный пост управ¬
ления двигателем (Main Operation Panel - МОР), выполненный на ос¬
нове компьютера с монитором (с сенсорным экраном) и манипулятором типа
"трэкбол". Отсюда инженер - механик может подавать команды управления
на двигатель, регулировать его параметры, задавать режим работы, контро¬
лировать состояние системы управления.
В случае неисправности блока МОР управление двигателем может осу¬
ществляться с резервного поста управления (Back-up МОР), также распо¬
ложенного в ЦПУ.
Интерфейсные блоки EICU (Engine Interface Control Unit)
обеспечивают связь данной системы управления с другими системами авто¬
матики - с системой АПС, с системой дистанционного автоматизированного
управления (ДАУ) двигателем с ходового мостика (Bridge Control Sys¬
tem) и др. Для обеспечения надежности используются два блока EICU, рабо¬
тающих в параллель.
Команды на управление двигателем с главного поста управления МОР
поступают в блок управления двигателем ECU (Engine Control Unit).
Для обеспечения надежности используются два таких блока (ECU А и
ECU В), работающих в параллель, один из которых находится в горячем ре¬
зерве. В случае неисправности одного из них второй, без прерывания процес¬
са, берет управление на себя. Блок управления ECU решает следующие задачи:
- выполняет функции регулятора частоты вращения дизеля, пуск и оста¬
новку двигателя, задает временные характеристики: управления топли-
воподачей в цилиндры, управления выпускными клапанами, управления
пусковыми клапанами и др.;
- через блоки ACU (Auxiliary Control Unit) осуществляет управ¬
ление вспомогательным оборудованием;
- обеспечивает интерфейс (связь) с системой защиты двигателя и систе¬
мой контроля его параметров;
- обеспечивает изменение режима работы двигателя и программ управления.
Управление вспомогательным оборудованием осуществляется тремя
блоками ACU(рис. 5.20), при этом неисправность одного из них не нарушает
работу этой части системы управления. Блоки ACU обеспечивают пуск,
управление и остановку:
- двух вспомогательных воздухонагнетателей;
- двух насосов с электрическим приводом и трех насосов с приводом от
160
' <•
двигателя, входящих в состав гидравлической системы питания (Hy¬
draulic Power Supply Unit - HPS). ■
Каждый цилиндр имеет собственный блок управления цилиндром
(Cylinder Control Unit - CCU). В соответствии с командами, посту¬
пающими от блока ECU, он управляет в функции угла ГІКВ впрыском топли¬
ва в цилиндр, подачей масла через лубрикаторы цилиндровой смазки, откры¬
тием выпускного клапана. С этой целью блоком CCU формируются электри¬
ческие сигналы управления, поступающие на электрические клапаны. Они, в
свою очередь, с помощью механизмов золотникового типа управляют пода¬
чей масла под давлением 200 бар в гидравлические усилители поршневого
типа. Эти усилители собственно и приводят в действие ТНВД, лубрикаторы и
открывают выпускной клапан. Масло под давлением поступает от системы
питания гидравлики HPS. Конструктивно гидравлическая часть системы
управления топливоподачей и выпускным клапаном объединена (см.
рис. 5.20) в блок гидравлики цилиндра (Hydraulic Cylinder Unit-HCU).
Сигнал управления пусковым клапаном поступает от блока CCU на элек¬
тромагнитный клапан, который установлен перед пусковым клапаном ци¬
линдра и непосредственно, без использования гидравлики, пропускает к нему
пусковой воздух.
Блоки CCU не дублированы, поэтому отказ блока вызывает выключение
соответствующего цилиндра из работы. Вместе с тем, замена отказавшего
блока может быть выполнена без остановки двигателя, с последующим авто¬
матическим включением цилиндра в работу.
Кроме основных постов управления двигателя, на ходовом мостике и в
ЦПУ (МОР), предусмотрен резервный, местный пост управления (Local Op¬
erating Panel - LOP), который смонтирован прямо на двигателе. С этого
поста обеспечиваются все функции управления двигателем - пуск, управле¬
ние частотой вращения, остановка, реверс, контроль рабочих параметров
двигателя.
Сигналы об угловом положении коленчатого вала дизеля поступают от
смонтированных на маховике двух тахо-систем - А и В (рис. 5.20, CPS), од¬
на находится в горячем резерве, и подаются к блокам управления двигателем
ECU и к блокам управления цилиндрами CCU. Каждая из тахо-систем по¬
строена на основе индукционных датчиков (см. рис. 4.32), принцип ее дейст¬
вия рассмотрен в разделе 4.12 (см. рис. 4.33).
Все блоки системы управления двигателя являются однотипными мик¬
ропроцессорными блоками, построенными на основе многоцелевого кон¬
161
троллера (МРС - Multi Purpose Controller) и одинаково конструк¬
тивно оформлены (рис. 5.21). Они объединены в локальную вычислительную
сеть, которая для надежности продублирована (см. рис.5.20).
Рис 5.21. Компоновка блоков системы управления двигателя ME в машинном отделении
Устройство блока управления впрыском топлива в цилиндр (Elec¬
tronic Fuel Injection Unit - ELFI) показано на рис. 5.22. С посту¬
плением от блока CCU сигнала на впрыск топлива, быстродействующий элек¬
тромагнитный клапан пропорционального действия (EiFX-клапан) открыва¬
ет перепуск масла от гидравлического аккумулятора к гидравлическому уси¬
лителю. Масло под давлением 200 бар перемещает вверх поршень гидроуси¬
лителя, который, в свою очередь, толкает плунжер ТНВД, вытесняющий
цикловую порцию топлива через форсунки в цилиндр. После снятия элек¬
трического сигнала с EifT-клапана, масло сливается из подпоршневой по¬
лости гидроусилителя. При этом поршень гидроусилителя, а вместе с ним и
плунжер перемешаются вниз, обеспечивая поступление в ТНВД очередной
порции топлива из топливной системы дизеля. Гидравлический аккумулятор
обеспечивает постоянство давления масла в процессе впрыска топлива. Мас¬
ло в него подается от системы питания гидравлики HPS.
Электромагнитные клапаны, управляющие подачей масла в гидроусили¬
тели лубрикаторов и выпускным клапаном (Electronic Valve ex¬
haust Activator, ELVA - клапан), являются простыми двухпозиционны¬
ми (on/off) быстродействующими клапанами, управляемыми дискретны¬
ми электрическими сигналами. Расположение ELFI- и ELVA-клапанов на
цилиндре двигателя показано на рис. 5.23.
162
сигнал от СCU
ELFI - клапан
У
поршень
^гидроусилители
б)
Рис. 5.22. Блок управления впрыском топлива в цилиндр:
а - упрощенное изображение конструкции; б - к пояснению принципа действия
. Рис. 5.23. Блок гидравлики цилиндра: a) ELFI- клапан; б) ЕХѴА-клапан
Использование электромагнитного ELFI- клапана пропорционального
действия позволяет задавать не только время начала подачи топлива и его
длительность, но и темп подачи топлива. Тем самым, можно формировать
требуемый закон топливоподачи (характеристику впрыска топлива) в функ¬
ции угла ПКВ.
Для оптимизации режима работы двигателя в программном обеспечении
его системы управления имеется две программы управления, реализующих
163
различные законы топливоподачи - с нарастающим давлением впрыска (ос¬
новной, экономичный режим) и с двойным впрыском (Double Injec¬
tion), для снижения выбросов окислов азота. Переход с одной характери¬
стики впрыска на другую может производиться во время работы двигателя
путем вызова соответствующей программы и практически мгновенно - при
переходе к очередному циклу работы цилиндра.
Система управления контролирует наличие и параметры сигналов, по¬
ступающих от тахо-систем А и В, состояние ELFI- и ЕіѴА-клапанов (с по¬
мощью датчиков их положения), электрических усилителей, управляющих
этими клапанами. При нарушениях в их работе подача топлива в соответст¬
вующий цилиндр и управление его выпускным клапаном прекращаются до
устранения неисправности. Если одна из тахо-систем неисправна, осуществ¬
ляется автоматический переход на вторую тахо-систему. Если неисправны
обе - двигатель останавливается. Во всех случаях на монитор поста управле¬
ния выводится аварийное сообщение. •
Для проверки сигналов от датчиков, управляющих сигналов, настройки
и тестирования блоков, на дисплей МОР может быть выведен видеокадр
Maintenance (рис. 5.24). Каждый из представленных на нем блоков может
быть открыт для получения по нему информации о сигналах, тестирования и
настройки.
С момента появления на морских судах первых двигателей серии ME
прошло более 10 лет. За этот период накоплен значительный опыт эксплуа¬
тации автоматики этих двигателей, который ежегодно представляется миро¬
вому морскому сообществу в виде ежегодной публикации под названием
Service Experience на интернет-сайте www.mandieselturbo.com. С учетом опы¬
та эксплуатации в базовый вариант системы, представленный на рис.5.20
был внесен ряд изменений:
- вместо двух тахо-систем, ранее устанавливаемых на маховике двигате¬
ля, (принцип их построения представлен на рис.4.33), применены два уг¬
ловых энкодера;
- для упрощения и повышения надежности ELFI- и BLVA-клапаны объе¬
динены в общий блок FIVA (Fuel Inject and Valve Activator
Unit) и управляются одним электрическим сигналом;
- в состав программного обеспечения введены дополнительные видеокад¬
ры для облегчения настройки и поиска неисправностей в тахо-системе, в ,
блоке гидравлики цилиндра и др.;
164
. t-
- для повышения надежности и снижения стоимости использован новый
вариант управляющей ЭВМ, под маркой МРС-10. .
Для повышения надежности управляющие ЭВМ проходят более тща¬
тельную заводскую проверку, а также термотренировку. ;
Matntatanec • System view * I/O Test
2006-09-10 22:44:39
lOf> I
ЕСЯ Ране»
Вподе Ряпііі
I
1
Auxtikai irs I
1
Т ГІ
' 1 . і. .
-h—
—^ 1
1 1 .!
H Auxiliaries...
ЬСІЬА I fcCU-B ]
WOPA МОР-0
fclCU-A I
EtCU-B I
ACU-1 | ACU 2 | АСи ЗІ
1
в т\ в 1
в
D
1 11 IB I
| System...
Hi, ,.4, M, 4 4 1! 11 1
8y8ta*a Vwxr I
l/OTeet
I Aetwe
i c<a*r«ang
С Coofcflweikrfi
T Tn!
• BMCfeOd
Д Alarm
£ МфЛссМДіЫе
Рис. 5.24. Видеокадр Maintenance в системе управления двигателя ME
Для автоматизации своих малоразмерных моделей двигателей с
электронным управлением (серия МЕ-В, диаметр цилиндра 50 см и менее)
фирма MAN B&W разработала усеченный, компромиссный вариант системы
управления. В нем предусмотрено электронное управление впрыском
топлива (ELFI- клапан) и смазкой цилиндра (альфа-лубрикатор). Управление
выпускным пусковым клапанами цилиндра осуществляется традиционным
способом - от распределительного вала. В результате число управляющих
компьютеров (и их стоимость) удалось снизить в 3 раза.
Для судов-газовозов, предназначенных для перевозки сжиженного при¬
родного газа, фирмой MAN B&W разработана модификация двигателя ME
под маркой ME-GI (gas inject). В цилиндре такого двигателя имеется два
комплекта форсунок - один комплект для впрыска жидкого топлива, а второй
- для подачи в цилиндр испаряющегося при перевозке природного газа. Сис¬
тема автоматики такого двигателя, кроме представленных на рис.5.20 блоков
165
автоматики, содержит дополнительные модули, обеспечивающие работу двига¬
теля на газе, включая весьма развитую функцию защиты. Общее количество
блоков системы автоматики ME-GI в 1,5.. .2 раза больше, чем у двигателя ME.
5.11 Программируемые логические контроллеры
В автоматизации энергетического оборудования современных морских
судов в настоящее время доминирует комплексный подход. Комплексные
микропроцессорные системы управления, охватывающие практически все
основное оборудование машинного отделения морского судна, разрабатыва¬
ются и поставляются на морские суда под марками “Damatic DNA” финской
фирмы “Valmarine”, "Data chief-C20" и "К-Chief “ норвежской фирмы
‘‘KONGSBERG", “ACON1S-2000" фирмы '"HYUNDAI" и др. Состав этих сис¬
тем и их характеристики примерно одинаковы, некоторые из них рассмотре¬
ны ранее.
Вместе с тем, в составе энергетического и технологического оборудова¬
ния современного судна имеется достаточно много сравнительно несложных
объектов, которые автоматизируются более простыми микропроцессорными
средствами, в форме локальных систем автоматизации.
В первую очередь к этим средствам следует отнести программируемые
логические контроллеры (ПЛК, англ.РІС — programmable logic controller),
занимающие значительную нишу в автоматизации морских судов.
По своей структуре ПЛК является управляющей микро-ЭВМ, ориенти¬
рован на работу с оборудованием и имеет развитый ввод-вывод сигналов
датчиков и исполнительных механизмов в противовес возможностям компь¬
ютера, ориентированного на человека (клавиатура, мышь, монитор и т. п.). В
качестве основного режима работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных усло¬
виях, выступает его длительное автономное использование, без серьёзного
обслуживания и практически без вмешательства человека.
В отличие от комплексных судовых МПСУ, специализированных под
судовое оборудование, ПЛК рассчитаны на универсальное применение, в
разных областях деятельности, в том числе и на морских судах. Они выпус¬
каются многими фирмами, среди которых Siemens, Mitsubishi Electric, Omron,
Schneider Electric, ABB, ОВЕН (Россия) и др. По своим возможностям ПЛК
условно подразделяются на мощные и простые ПЛК.
К условно мощным ПЛК можно отнести, например, ПЛК Simatic-SI200
и Simatic-S300 фирмы Siemens, ПЛК серии FX фирмы Mitsubishi Electric и др.
166
■ : *•
Очень широкое применение на судах получили простые ПЛК. Они часто
именуются программируемыми интеллектуальными реле, поскольку служат
в основном для замены релейно-контакторной аппаратуры, применяемой для
ав томатизации электроприводов таких механизмов, как насосы, компрессоры
и др. ПЛК выпускаются сериями. В серию входит центральный модуль, а
также модули расширения, служащие для подключения дополнительных
датчиков и исполнительных механизмов. Простые ПЛК выпускаются мно¬
гими фирмами и весьма близки друг другу как по своим характеристикам,
так и по внешнему виду - Siemens - серия LOGO!, Mitsubishi - серия Alpha
XL, Schneider Electric — серия Zelio Logic, Omron — серия ZEN, ОВЕН - се¬
рия ПР110 и др.
В своём составе ПЛК обычно це имеют интерфейса для человека, типа
клавиатуры и дисплея. Их программирование, диагностика и обслуживание
производится в основном подключаемым для этой цели ноутбуком со специ¬
альным программным обеспечением. Однако в некоторых ПЛК имеется про¬
стейший дисплей и клавиатура для программирования. Один из них показан
в качестве примера на рис. 5.25. Он питается переменным током 220В, име¬
ет 8 входов для дискретных входных сигналов и 4 выхода в виде нормально¬
разомкнутых контактов реле.
Для программирования ПЛК Международной электротехнической ко¬
миссией (МЭК) разработаны пять языков программирования, введенных в
действие стандартом МЭК IEC6J131-3. Наиболее часто используются два
языка программирования:
- язык релейных схем (AD);
- язык функциональных блоков (FBD).
клеммы подачи
питания входы (8 входов)
Рис. 5.25 Простейший ГШК серии LOGO! фирмы SIEMENS
167
■ . <•
Пример использования ПЛК LOGO! для автоматизации одного из судо¬
вых насосов приведен на рис. 5.26. Насос управляется в ручном режиме
кнопками Start и Stop. При кратковременном нажатии на кнопку Start ПЛК
замыкает контакт своего реле Q1, что обеспечивает срабатывание контактора
КІ и пуск насоса. О том, что насос в работе сигнализирует лампа RUN зеле¬
ного цвета.
Рис. 5.26. Схема автоматизации электропривода насоса для откачки воды из танка
Если при работе насоса сработает тепловое реле OCR/Overload, или ис¬
чезнет давление на нагнетании насоса (датчик давления Pressure), или насос
слишком долго работает (Overtime) контакты Q1 выходного реле ПЛК раз¬
мыкаются, катушка контактора КІ обесточивается и насос останавливается.
Одновременно Г1ЛК замыкает контакт своего реле Q2, через который получа¬
ет пульсирующее питание сигнальная лампа красного цвета (red).
На рис. 5.27 приведена управляющая программа для ПЛК, реализующая
описанный выше алгоритм. Она составлена на языке функциональных бло¬
ков (FBD) в среде программирования LOGO! Soft Comfort, работающей на
ноутбуке. После составления программы и ее отладки, с помощью специаль¬
ного кабеля она записывается в энергонезависимую память ПЛК типа
EEPROM.
168
Программа составлена в виде схемы из логических элементов, триггеров
и т.д. Принципы их функционирования рассмотрены в главе 4 настоящего
пособия. Функциональными блоками, использованными при составлении
программы, являются логические элементы И (блок В005), НЕ (блок 001),
ИЛИ (блок В004), ftS-триггер (В006) и др. Разумеется, физически эти эле¬
менты отсутствуют - в ПЖ они моделируются описывающими их работу ма¬
тематическими выражениями, рассчитываемыми по программе. Входы ПЛК
обозначены прямоугольниками с надписями 11 ...15, выходы обозначены Q1
(управление контактором) и Q2 (аварийно-предупредительная сигнализация).
При нажатии кнопки Start (рис.5.27) сигнал логической 1 поступает на
вход 11 ПЛК и далее идет на верхний вход /й'-триггера (В006), переключая
его в состояние 1. Выходной сигнал триггера приводит в действие реле Q1,
которое замыкает цепь подачи питания обмотки контактора К1 (смотри
рис.5.26). Контактор срабатывает, подавая через свои контакты К1 на двига¬
тель насоса переменное трехфазное напряжение 440 ѴАС. При нажатии на
кнопку Stop, на входе 12 появляется сигнал 0. В логическом элементе В001 он
инвертируется. Полученная логическая 1 через элемент ИЛИ В004 поступает
на нижний вход /iS'-триггера, переключая его в состояние 0. Этот сигнал вы¬
ключает реле Q1, что приводит к остановке насоса.
Если в процессе работы на входе 15 (Overload) появится сигнал 1, то он
169
поступит на верхний вход Л^-триггера ВОЮ и установит его в состояние 1.
Этот сигнал через элемент ВО 11 ИЛИ запустит генератор прямоугольных
импульсов В013. Выходное реле Q2 будет периодически замыкать свои кон¬
такты, обеспечивая пульсацию красной лампы. Одновременно сигнал 1 через
элемент ИЛИ В004 сбросит триггер В006 в нулевое состояние, что вызовет
остановку насоса.
Аналогично, насос будет остановлен, если на входе 14 Pressure появится
0. С задержкой в 0,5с (в блоке В002 задержки выключения) этот сигнал будет
инвертирован в В007, пройдет через В005 (если на его нижнем входе 1), через
Ml, В004 и сбросит триггер В006 в нулевое состояние, что остановит насос.
На период пуска насоса, когда давление на выходе насоса еще не устано¬
вилось, защита по давлению блокируется. Для этого используется блок за¬
держки включения В003. Пока установленная в нем задержка (5 с) не вырабо¬
тается, на его выходе удерживается сигнал 0, который поступает в В005 и
блокирует прохождение сигнала с входа 14 Pressure. По истечении этой за¬
держки считается, что давление достигло нормы и блокировка снимается - на
выходе В009 появляется 1. В этой ситуации сигналы на выходах В007, В005,
В004 и на нижнем входе триггера В006 равны 0 и насос находится в работе.
Блоки ВО 12, ВО 14, ВО 15 служат для вывода текстового сообщения о при¬
чинах аварийной остановки насоса на дисплей ПЛК (если таковой имеется).
Программа, работающая в ПЛК, в эксплуатации легко может быть изме¬
нена. Для этого достаточно кабелем соединить ПЛК с ноутбуком, где уста¬
новлена среда программирования LOGO! Soft Comfort, считать программу из
ПЛК, изменить как саму схему, так и ее параметры (задержки времени и др.)
и отладить измененную программу. После чего модернизированная про¬
грамма загружается и запоминается в ПЛК. Все это обеспечивает исключи¬
тельную гибкость в применении такого средства автоматизации, как ПЛК.
5.12 Контроллеры PR-ELEKTRONICS в судовой автоматике
К отдельной группе микропроцессорных средств автоматики морских
судов следует' отнести модули, не относящиеся ни к комплексным МПСУ, ни
к ПЛК. По виду входных и выходных сигналов эти модули являются анало¬
говыми или аналого-дискретными, а по способу обработки сигналов - цифро¬
выми. В таких модулях входные аналоговые сигналы преобразуются в циф¬
ровой код, который обрабатывается встроенным микроконтроллером. Выра¬
ботанный цифровой сигнал преобразуется в аналоговую форму или в форму
простейшего дискретного сигнала и подается на выход.
170
' ' . Jf-
Типичным представителем такого направления являются модули серии
2200 датской фирмы PR Electronics, нашедшие весьма широкое применение
на морских судах для решения простых задач автоматизации.
В состав серии 2200 входят такие модули, как преобразователь сигналов
резисторных датчиков, контроллер для управления одно- или двухобмоточ¬
ным клапаном пропорционального действия, преобразователь частотного
сигнала в токовый аналоговый сигнал и др. Наибольшими функциональными
возможностями обладает модуль 2289А (рис.5.28).
Основное назначение модуля - выполнение функции ПИД-регулятора.
Для этого модуль имеет два аналоговых входа - вход А и вход В. В режиме
ПИД-регулятора вход А (канал А) служит для подключения токового сигнала
или сигнала напряжения, поступающего с датчика регулируемого параметра.
На вход В (канал В) подается задающий сигнал по регулируемому параметру.
Он может быть подан в виде токового сигнала или сигнала напряжения. Для
удобства формирования этого сигнала модуль имеет выход стабилизирован¬
ного напряжения Urej= 2,5 В, к которому может быть подключен потенцио¬
метр ддя установки заданного значения регулируемого параметра (показан на
рисунке). Перед нодачей в аналого-цифровые преобразователи (А/D), вход¬
ные сигналы усиливаются усилителями с программируемыми коэффициен¬
тами усиления (PGA).
Сформированный в микро-ЭВМ управляющий сигнал преобразуется в
аналоговую форму в цифро-аналоговом преобразователе (D/A) и поступает
на выход (принципы формирования сигнала ПИД-регулятора рассмотрены в
разделе 4.9). Выходной сигнал может быть как токовым сигналом, так и/или
171
t-
сигналом напряжения. Настройка вида и диапазона изменения выходного
сигнала, вида входного сигнала выполняется джамперами (JP1...JP4).
Модуль построен на базе однокристальной микро-ЭВМ (CPU). Калиб¬
ровочные характеристики модуля и управляющая программа хранятся в '
энергонезависимой памяти типа EEPROM. Интер¬
фейс пользователя состоит из трехразрядного циф¬
рового дисплея и трех функциональных кнопок на
передней панели модуля, с помощью которых вы¬
полняется полная (и достаточно сложная) настройка
модуля (рис. 5.29). .
В других режимах работы, кроме режима ПИД-
регулятора, на вх,оды А и В могут подаваться анало¬
говые сигналы от любых источников сигналов и об¬
рабатываться в соответствии с выбранной функцией
- суммироваться, умножаться, масштабироваться,
усредняться, ограничиваться, находить максимум,
вычислять производную и т.д. В связи со столь
большими возможностями по обработке сигналов, в документации фирмы PR
Electronics данный модуль именуется как “сигнальный процессор” (signal
calculator).
Модуль выполнен в малогабаритном исполнении (рис. 5.29), работоспо¬
собен в диапазоне питающих напряжений 19,2...28,8 В постоянного тока,
при температуре окружающей среды до +60 °С, имеет защиту IP5Q.
Ряд других модулей серии 2200 представляется весьма удобными для .
решения типовых задач автоматизации судового энергетического оборудо¬
вания. Так, например, модуль 2271 (рис. 5.30) является преобразователем
сигналов терморезисторного датчика в выходной аналоговый сигнал, а так¬
же имеет релейный выход аварийно-предупредительной сигнализации.
Модуль имеет один вход для подключения по трехпроводной схеме
датчика температуры PtlOO или NiJOO. На аналоговом выходе модуль фор¬
мирует стандартный токовый сигнал или сигнал напряжения.
С помощью потенциометров по релейному выходу могут быть заданы
уставка (set point) на срабатывание реле, а также гистерезис (hysteresis) ха¬
рактеристики срабатывания реле, а с помощью джампера JP3 - характер
срабатывания реле (на повышение или понижение температуры). О срабаты¬
вании реле сигнализирует светодиод на передней панели модуля.
Известны примеры применения модулей данной серии на морских судах
Рис.5.29. Внешний вид
модуля 2289А
172
в котельной автоматике (котлы AALBORG), в системах гидравлики, в системе
инертных газов танкеров. .
Рис. 5.30. Модуль 2271 преобразования сигнала терморезисторного датчика
В заключение следует отметить, что появление микропроцессорных мо¬
дулей данного типа существенно сужает традиционную сферу применения
операционных усилителей, как основу преобразователей аналоговых сигна¬
лов, до простейших устройств типа “усилитель”, “сумматор”, “компаратор”.
Более сложные преобразования аналоговых сигналов и с гораздо более вы¬
сокой точностью могут быть реализованы рассмотренными средствами.
173
6 ПОГРЕШНОСТИ И ПОМЕХИ
В СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ
6.1 Погрешности и способы их снижения
Важнейшей характеристикой электронных и микропроцессорных систем
информационного назначения является их погрешность. В данном случае под
погрешностью понимается отличие истинного значения измеряемого или
контролируемого параметра от результата измерения, представленного в
электронном блоке электрическим сигналом. ■
Как известно, по виду источника погрешности могут разделяться на ин¬
струментальные и методические. >
Инструментальная погрешность электронных блоков обусловлена не-
идеальностью их компонентов. Рассмотренные ранее преобразователи сигна¬
лов, особенно аналоговых, выполняются на компонентах, чьи параметры за¬
висят от ряда эксплуатационных факторов. Так, например, сопротивление ре¬
зистора, наиболее точного элемента электронных схем, изменяется в некото¬
рых пределах от температуры, его величина изменяется в процессе эксплуа¬
тации (старение). От этих же факторов зависит емкость конденсатора. Реаль¬
ный операционный усилитель имеет напряжение смещения нуля, которое
создает’ на его выходе начальный, неуправляемый уровень напряжения.
Смещение нуля ОУ изменяется во времени и от температуры. Ряд электрон¬
ных элементов (диоды, транзисторы и др.) обладают нелинейными характе¬
ристиками. Эти и другие факторы и обуславливают в итоге общую инстру¬
ментальную погрешность электронного преобразователя.
Инструментальная погрешность электронной системы проявляется в из¬
менении ее характеристики преобразования - зависимости выходного пара¬
метра "У от входного "X" (см. рис. 6.1, а). В большинстве случаев требуемая
характеристика преобразования - прямая, имеющая определенный угол на¬
клона а и пересекающая ось Y в определенной точке у0 (прямая 1 на
рис. 6.1, б). Она описывается уравнением прямой вида у=у0+кх, где х -
входная величина, у - выходная величина, k=tg а. Вследствие указанных
факторов реальная характеристика может параллельно смещаться, пересекая
теперь ось у в точке уА (прямая 2 рис. 6.1). В данном случае характеристика
имеет вид: у=уд+ кх=у0+Дд+кх, а величина смещения Ад является погреш¬
ностью сдвига нуля (используется также термин - аддитивная погрешность).
174
i-
Rk
“Установка нуля"’
(Zero adj)
a)
г) Д)
Рис. 6.1. Обобщенная схема преобразования сигнала (а) и ее характеристики:
б - при смещении нуля; в - при изменении угла наклона; г - при смещении нуля и изме¬
нении утла наклона; д - при наличии нелинейности
В другом случае характеристика может изменить свой наклон (прямая 3
рис. 6.1, в) и будет описываться теперь выражением: у=у0+кмх, где *M=tgP.
Отличие выходного параметра на величину А„ является погрешностью, вы¬
званной изменением угла наклона характеристики (используется также тер¬
мин - мультипликативная погрешность).
В общем случае, на реальной характеристике погрешности проявляются
одновременно (прямая 4 рис. 6.1, г). Кроме этого, реальная характеристика
(кривая 5 рис. 6.1,д) может быть источником дополнительной погрешности
Л„, вызванной нелинейностью ее формы.
175
Эксплуатация электронных систем информационного назначения пред¬
полагает периодический контроль и, при необходимости, настройку характе¬
ристики с целью снижения погрешности преобразования сигнала. Для этого в
одном из блоков системы, как правило - в адаптере датчика, предусмотрены
органы регулировки - переменные резисторы (см. рис. 6.1,а).
Для устранения погрешности, вызванной смещением нуля характери- .
стики, выполняется операция "установки нуля" (англ. - zero adjust¬
ments): При этом на вход подается х=0 и с помощью резистора Я,
(рис. 6.1, а) характеристика 2 смещается до ее совпадения с прямой 1 в точке
у0 (рис. 6.1,6). •
Для устранения погрешности, вызванной изменением угла наклона ха¬
рактеристики, выполняется операция "калибровка". С этой целью на вход по¬
дается известный калибровочный сигнал Затем резистором R* (рис.
6.1,а) угол наклона характеристики 3 изменяется так, чтобы она совпадала с
характеристикой 1. О совпадении характеристики будет свидетельствовать
получение на выходе заранее известного значения укаливр, соответствующего
Хкалибр (рис. 6.1,в).
Если на характеристике проявляются оба вида погрешности (прямая 4
рис. 6.1, г), то операции установки нуля и калибровки выполняются последо¬
вательно, в несколько приемов.
Следует отметить, что в отечественной и зарубежной технической доку¬
ментации функциональное назначение резистора Я* "калибровка" (рис. 6.1, а)
может выражаться по разному - "усиление" - (англ. "gain"), "чувстви¬
тельность" (англ. "sensitivity"), "диапазон" (англ. "span"). Это не
противоречит существу, ибо речь идет об изменении коэффициента "к" в
уравнении характеристики преобразования, который характеризует и усиле- .
ние сигнала "х" и чувствительность "у" по отношению к "х" и диапазон, в
котором будет находиться "у”.
Обычно в электронном устройстве стараются применять элементы с ли¬
нейными характеристиками. Когда это невозможно, в состав блока включают
специальный преобразователь, компенсирующий нелинейность применен¬
ных элементов. Например, в канале измерения температуры выпускных газов
дизеля СЦК "Шипка-М" в качестве датчика используется термопара, обла¬
дающая значительной нелинейностью характеристики. Для компенсации ее
нелинейности, т.е. устранения А„, использован нелинейный функциональный
преобразователь, нелинейность характеристики которого (ее можно настраи-
176
. t-
вать) имеет обратный вид, по отношению к характеристике термопары.
Принцип построения таких преобразователей рассмотрены в разделе 2.6.
Операции установки нуля и калибровки более детально иллюстрирует
схема рис. 6.2, где изображен простой адаптер датчика в виде усилителя на
основе ОУ с необходимыми органами регулировки. Для него x=UBX, ау=ивых.
По существу он является суммирующим усилителем, рассмотренным в раз¬
деле 2.5.
Для установки нуля на основной вход усилителя через R1 подается ну¬
левой сигнал Свх=0, а на второй вход, через R3, - напряжение с потенцио¬
метра R2, включенного как делитель напряжения. Регулировкой R2 на выхо¬
де устанавливается сигнал у0(Ѵвы*0). Затем на вход подается калибровочный
сигнал хкалибр (Ubx,калибр^ и регулировкой R5 устанавливается выходной
сигнал Укалибр(0’вых калибр)- Переменный резистор R5 совместно с R4 образует
цепь обратной связи и непосредственно влияет на коэффициент усиления
схемы (см. раздел 2.5), который и определяет наклон характеристики. Для
выходного сигнала схемы рис. 6.2. можно записать:
У
где
У о
R. + Rc
а и„
R, + R.
здесь а - параметр, характеризующий положение движка R2 (а=0+1).
R5 “Калибровка”
Рис. 6.2. Адаптер датчика с органами регулировки его характеристики
177
Поскольку R5 влияет не только на наклон характеристики, но и на пара¬
метр у0 регулировка R5 и R2 должны выполняться поочередно, в несколько
шагов, до совпадения характеристики с требуемой. По завершении регули¬
ровки на вход схемы подается реальный входной сигнал х.
Использование переменных резисторов как органов регулировки неже¬
лательно ввиду их относительно невысокой надежности. Если устройство
обработки (рис. 6.1,а) выполнено на основе микроЭВМ, необходимость в них
отпадает. В этом случае требуемая характеристика преобразования у=у0+кх
легко может быть обеспечена (или изменена) изменением коэффициентов
чуа" и "к" данной формулы, рассчитываемой по программе в микроЭВМ.
При наличии микроЭВМ процедура калибровки и установки нуля может
быть полностью автоматизирована.
Пусть изначально схема на рис. 6.1,а обладает характеристикой 4. Одна¬
ко приводить ее к характеристике 1 нет необходимости. МикроЭВМ перио¬
дически с помощью электронных переключателей (на рис. 6.1,а не показаны)
поочередно подключает на вход блока вместо сигнала х (или вместо выход¬
ного сигнала датчика) сигналы х=0 и х=хкали6р (рис. 6.1, г). Для этих вход¬
ных сигналов фиксируются выходные сигналы уА и ур, по которым и рассчи¬
тывается фактическое значение к„: кы = — —Таким образом, для лю-
■^калибр
бого момента времени в памяти микроЭВМ находятся параметры реальной
характеристики преобразования - уА и к„. Получив результат замера у±
(рис. 6.1,г.) микроЭВМ сможет рассчитать истинное значение входного па¬
раметрах!: хх = ———. '
К
Таким образом, применение микроЭВМ позволяет автоматически учи¬
тывать изменения характеристики преобразования, что резко уменьшает все
виды погрешностей. Эта возможность реализована в современных МПСУ.
. 6.2 Защита электронных устройств от помех
Помеха - паразитный, нежелательный сигнал, проникающий в цепь об¬
работки полезного сигнала и искажающий результаты его преобразования. В
судовых условиях источником помех в основном является силовое электри¬
ческое оборудование переменного тока. Особенно мощные помехи возника¬
ют в переходных режимах силового электрооборудования - при запуске элек¬
тродвигателей, переключении коммутационной аппаратуры (реле, контакто-
178
*■
ры, автоматические выключатели), а также вследствие работы тиристорных
устройств. '
С позиции проникновения помехи наиболее уязвимой частью является
кабель, соединяющий источник сигнала (например - датчик) с его приемни¬
ком (входная цепь электронного блока). Протяженность такого кабеля в су¬
довых условиях может составлять десятки метров, а прокладывается он в ог¬
раниченном пространстве машинного отделения, проходя зачастую вблизи от
источников помех - генераторов, электродвигателей, силовых кабелей.
корпус судна
Рис. 6.3. Пути проникновения помехи в кабель связи электронного устройства с датчиком
На рис. 6.3 показана схема проникновения помехи в электронное уст¬
ройство. Источник сигнала — датчик, формирует выходной сигнал Ц^„ и со¬
единен двужильным кабелем с приемником сигнала — электронным блоком.
Жилы кабеля расположены близко, поскольку проложены в общей изоляции
и образуют по существу небольшой конденсатор емкостью Ск. Эта емкость
может составлять сотни пикофарад на погонный метр кабеля.
Силовое электрооборудование при работе создает в прилегающем к не¬
му пространстве переменное электромагнитное поле, имеющее электриче¬
скую и магнитную составляющие. Поэтому помеха, проникающая в кабель,
имеет двойную природу. Помеха электрической природы проникают в кабель
через паразитные емкости - между источником помехи и кабелем (Сп1), меж¬
ду кабелем и корпусом судна (0,2), между жилами кабеля (Ск). От источника
электрической помехи к корпусу судна через эти паразитные конденсаторы
протекает переменный ток Хп. На конденсаторе С* он создает падение напря¬
жения, являющееся помехой:
иэл = Г х ,
1
где хк = реактивное сопротивление Ск.
179
Здесь fn - частота помехи; как правило £п=50 Гц.
Это напряжение суммируется с выходным напряжением источника
сигнала и искажает сигнал на входе приемника.
Переменное магнитное поле источника помехи создает переменный маг¬
нитный поток Ф, пронизывающий контур, образованный жилами кабеля, вы¬
ходной цепью датчика и входной цепью приемника сигнала (см. рис. 6.3). В
этом контуре по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, при¬
кладываемая к входным зажимам приемника и являющаяся помехой. Ее ве¬
личина пропорциональна площади контура, сделать которую бесконечно ма¬
лой практически невозможно.
Для защиты от этих помех применяется комплекс мер. Защита от элек¬
трической помехи обеспечивается электростатическим экраном - обе жилы
кабеля заключаются в чехол из гибкой медной оплетки, который электриче¬
ски соединяется с металлическим корпусом датчика и приемника (рис. 6.4).
Металлический корпус приемника соединен с корпусом судна - заземлен. В
этом случае ток от источника помехи Іп протекает через С^і, экранирующую
оплетку и Сп2. Емкость кабеля Ск исключена из цепи протекания этого тока,
поэтому сигнал помехи и*л на ней не создается.
Обрыв экранирующей оплетки может сделать электронное устройство
практически неработоспособным.
экран
Рис. 6.4. Защита кабеля от помех
Электронное устройство будет более помехоустойчивым, если снизить
входное сопротивление йи приемника сигнала (см. рис. 6.3). Однако при
этом увеличивается ток, поступающий от источника сигнала, а его выходной
сигнал сгвих снижается.
180
*
Для защиты от помехи магнитного происхождения жилы кабеля свива¬
ются попарно между собою с определенным шагом, образуя так называемую
"витую пару". В этом случае общий контур, пронизываемый переменным
магнитным потоком Ф разбивается на множество маленьких элементарных
контуров. В каждом из них наводится ЭДС помехи еп (рис. 6.4). Однако, в
смежных элементарных контурах эти ЭДС из-за свивания жил имеют проти¬
воположные направления и компенсируют друг друга, что и устраняет поме¬
ху этого вида.
Защита от магнитной помехи обеспечивается также прокладкой кабеля в
стальных трубах, выполнением корпусов источника сигнала и приемника из
стали. Сталь - ферромагнитный материал - является магнитным экраном, че¬
рез который переменный магнитный поток не проникает.
Абсолютно исключить проникновение помех в электронное устройство
невозможно. Поэтому, почти всегда на входе электронного блока устанавли¬
вают электрические фильтры (преимущественно нижних частот), ослабляю¬
щие помеху и пропускающие сигнал. Принципы их построения рассмотрены
в разделе 2.6. Фильтры могут быть реализованы также в виде формулы, рас¬
считываемой по программе в ЭВМ, что сделано, например, в МПСУ "Data
chief-С20").
6.3 Преобразователи сигналов, устойчивые
к эксплуатационным факторам
Первичными источниками информации для судовых систем автоматики
являются датчики, преимущественно аналоговые. Принцип действия их раз¬
личен, но большинство из них вырабатывает слабый выходной сигнал. При по¬
даче сигнала датчика непосредственно по длинному кабелю, связывающему его
с адаптером, установленным в электронном блоке обработки (рис. 6.5,а), такой
сигнал весьма уязвим. Вследствие малого уровня сильное влияние на него ока¬
зывают помехи, меры борьбы с которыми рассмотрены выше.
Кроме этого, слабый сигнал датчика проходит по длинному кабелю, па¬
раметры которого не постоянны и также существенно влияют на сигнал. По¬
этому например, при использовании терморезисторов (PtlOO) и тензорези-
сторов, чье сопротивление мало, приходится применять специальные трех-
или даже четырехпроводные схемы включения, чтобы учесть сопротивление
кабеля (см. п. 1.10). При использовании в качестве датчика термопары нужно
использовать специальный кабель, состоящий из компенсационных провод¬
ников. И т.д.
181
в)
Рис. 6.5. Варианты конструктивного исполнения преобразователей сигналов датчиков:
а - с перед ачей сигнала датчика по длинному кабелю; б - датчик и его адаптер соединены ко- .
ротким кабелем; в - датчик и преобразователь его сигнала выполнены как единая конструкция
Кабель имеет определенное электрическое сопротивление Д*аб
(рис. 6.5,а). Поэтому, если датчик вырабатывает сигнал в виде напряжения
U.ux, то часть этого напряжения падает на сопротивлении кабеля ,R*a6. Это
создает некоторую погрешность, поскольку на входных зажимах адаптера
напряжение ишх будет меньше, чем напряжение С/ВШІ на выходе датчика. Сни¬
зить эту погрешность можно увеличив адаптера, но при этом ухудшится
помехоустойчивость - помеха будет легче проникать в кабель.
Однако более существенным является то обстоятельство, что на пути
прохождения сигнала от датчика к его адаптеру имеется множество механи¬
чески созданных контактов - выходные зажимы датчика, соединительные
коробки (СК на рис. 6.5,а), входные зажимы адаптера и т.д. В эксплуатации
эти контактные соединения изменяют свои свойства - окисляются, ослабля¬
ются и др. Поэтому сопротивления этих контактов RkOHT, включенные после¬
довательно в цепь, не постоянны (как и и в эксплуатации имеют тен¬
денцию к увеличению. В итоге это приводит к тому, что сигнал на входе
адаптера ивх также изменяется, создавая погрешность.
Несмотря на отмеченные недостатки конструктивная схема, показанная
на рис. 6.5,а применяется в судовых системах автоматики вследствие своей
экономичности. Однако она требует надежной защиты от помех и периоди¬
ческого выполнения работ по поддержанию контактных соединений в нор¬
мальном состоянии (чистка, обжим контактов и др.).
182
Большинство вышеуказанных проблем решается, если по кабелю пере¬
давать усиленный, мощный сигнал. Для этого необходимо адаптер прибли¬
зить к датчику (рис. 6.5,6), соединив их коротким кабелем, а по длинному ка¬
белю к устройству обработки передавать усиленный сигнал. Наилучшим же
вариантом является исполнение датчика и его адаптера в виде единой конст¬
рукции (рис. 6.5,в). Здесь длина проводов, соединяющих датчик с адаптером
(преобразователем его сигнала) наименьшая. При таком исполнении датчик с
адаптером рассматриваются как единый конструктивный блок, именуемый
преобразователем. Например - преобразователь температуры и др. В англоя¬
зычной технической литературе они именуются трансмиттерами или транс-
дьюсерами ("temperature transmitter", "pressure transducer" и др.).
Дополнительное улучшение характеристик преобразователя и повыше¬
ние его помехоустойчивости достигается использованием в качестве анало¬
гового выходного сигнала тока, а не напряжения. В этом случае преобразова¬
тель выполняется по схеме, приведенной на рис. 6.6 (на примере преобразо¬
вателя температуры).
Преобразователь температуры 24В
t = 0...20^
|Л
Іпит
» к
1-
Блок
питания
1
!в
R-каб +Rkokt
І ^
1
1 2
Unm
”Г
датчик усилитель- источник і
PtlOO преобразователь тока
Ubx
* Rke6 +Rk
гС.
] Устройство обработки
1 L
Рис. 6.6 Трехііроводной преобразователь температуры с токовым выходом 4. ..20 мА
Датчик PtlOO воспринимает температуру в диапазоне 0...200°С и пре¬
образует ее в изменение сопротивления в диапазоне 100... 178 Ом
(см. п.1.10). Это сопротивление в усилителе-преобразователе преобразуется в
пропорциональное ему напряжение, например 0...10 В. Преобразователем
является мостовая схема по рис. 1.36, а усилителем - дифференциальный
усилитель в соответствии с рис. 2.13. Источник тока (другой термин - гене¬
ратор тока) преобразует входное напряжение в пропорциональное ему значе¬
ние выходного тока, изменяющегося в диапазоне 1=4...20 мА. Данный диа¬
пазон токового сигнала является одним из стандартных, принятых в мировой
практике. Используется также стандартный токовый сигнал Х=1...5 мА.
Источник тока создается по специальной схеме, обеспечивающей неза¬
висимость величины тока, подаваемого им во внешнюю цепь, от сопротивле¬
ния этой цепи (разумеется, в некоторых пределах).
183
it-
Таким образом, выходным сигналом преобразователя является ток, по¬
даваемый в кабель, соединяющий его с устройством обработки. Для создания
замкнутой цепи протекания тока, на входных зажимах устройства обработки
(2 и 3) устанавливается нагрузочный резистор RL. Протекающий через него
ток создает на нем падением напряжения, которое и является входным сиг¬
налом UBX устройства обработки. Так, при RL- 100 Ом,
t7BX=IRz,=(4...20MA)-100=0,4...2 В. И если, например, t=100°C, то: ‘
т , (20 - 4) • 100°С , Л .
• 1 = 4+ ^1 = 12 мА,
200 С .
а 0'ВХ=І«І=12-100=1,2 В. '
При такой схеме передачи сигнала сопротивления жил кабеля (Ккае) и
контактов (Вконт) и их изменение не влияют на С7ВХ, поскольку ток Г поддер¬
живается на заданном уровне источником тока. И только когда RKae+RKOHT
достигает тысячи и более ом это влияние начинает проявляться. Вследствие
этого требования к кабелю и к качеству контактных соединений резко сни¬
жается, а их техническое обслуживание упрощается.
В показанной на рис. 6.6 схеме используется трехжильный кабель. Жила
А-1 служит для подачи питающего напряжения І7ШІТ=24 В к преобразовате¬
лю. Жила В-2 является сигнальной, а жила С-3 - общей для подачи питания к
преобразователю и протекания тока I.
Устройство обработки
\ Преобразователь
4т
U =
= Оі.ЛбмА
і _
датчик,
и
і
і
преобразователь
і
! В I = 4...20мА
2і
1 \ /
і кабель'
і
I -4...20МА
Влок
__ питания
Ри
с. 6.7. Двухпроводной преобразователь с токовым выходом 4... 20 мА
Для упрощения применения и с целью экономии более широко исполь¬
зуется двухпроводная схема подключения преобразователя (рис. 6.7) с токо¬
вым выходом. По жилам кабеля протекает суммарный ток I =4...20 мА, со¬
стоящий из двух составляющих - постоянного по величине тока питания
преобразователя 1тга=4мА и тока, изменяющегося пропорционально вход¬
ному сигналу Іс=0...16мА. Схема преобразователя построена таким образом,
что потребляемый им ток Іщ.^4 мА постоянен по величине. Поэтому все
изменения тока, протекающего через нагрузочный резистор RL и создающих
на нем сигнал С7ВЫІ, вызваны только входным воздействием X.
184
В качестве примера ниже показано устройство некоторых преобразова¬
телей, используемых в судовых системах автоматики. На рис. 6.8 представ¬
лена схема соединения термопары NiCr-NiAl и усилителя (преобразовате¬
ля) ее сигнала, выполненная по схеме рис. 6.5,6. Усилитель выполнен как'
двухпроводной преобразователь с токовым выходом 4...20 мА. Термопара
подключена к нему компенсационным кабелем. Усилитель (рис. 6.8, б) со¬
держит встроенный датчик температуры холодного спая термопары и блок
термокомпенсации. Имеющийся в блоке усилителя стабилизатор обеспечи¬
вает его работоспособность при изменении питающего напряжения в диапа-
Temperature sensor
for compensation
of variations іЛ
ambient
tempe'oturg
Sensor element
type K(NiO/N'A)
“Hot junction”
"CoM
junction
-ft
Input
network
_
Load resistance
6)
Рис. 6.8. Соединение усилителя с термопарой и источником питания (а)
и структурная схема усилителя (б)
На рис. 6.9 приведено устройство двухпроводного преобразователя темпе¬
ратуры с токовым выходом 4...20 мА, выполненного по схемам рис. 6.5,в и рис.
6.7. В качестве датчика в нем используется платиновый терморезистор PtlOO.
зоне 17^=12...35 В.
Рис. 6.9. Двухпроводной преобразователь температуры с токовым выходом
185
. ' ' ' . th
На рис. 6.10 показано устройство преобразователя давления, выполнен¬
ного по схеме рис. 6.5,в. Преобразователь подключается по двухпроводной
схеме и обеспечивает токовый выходной сигнал 4...20 мА. Он может исполь¬
зоваться как для измерения давления, так и уровня жидкостей в различных
судовых цистернах (на основе измерения давления столба жидкости).
Преобразователи сигналов, выполненные в виде самостоятельной конст¬
рукции, как и датчики, и другие конструктивно завершенные электронные
блоки автоматики, характеризуются рядом параметров: .
- напряжение питания и потребляемый ток;
- диапазон изменения входного параметра (например, Р=0... 100 бар);
- диапазон изменения выходного сигнала (например, 1=4.. .20 мА);
- погрешность преобразования (англ. "accuracy"), обычно на уровне
0,25.. .1 % от максимального значения выходного параметра (англ.
"Full Range Output" - FRO);
- долговременная стабильность и повторяемость выходного сигнала (в
процентах от FRO);
- рабочий диапазон температуры окружающей среды (до +70...+85°С),
влажность воздуха и др.
Кроме перечисленных параметров, каждый блок характеризуется также
степенью его защиты от попадания внутрь твердых предметов и воды. Сте¬
пень защиты указывается в виде букв IP (англ. "Ingress Protection",
иногда трактуется как "International Protection") и следующих за
ними двух цифр. Первая цифра (от 0 до 6) характеризует защиту от попада¬
ния внутрь блока посторонних твердых тел, а вторая (от 0 до 8) - защиту от
попадания внутрь блока воды. Чем больше цифра, тем выше степень защиты.
Так, например, блоки "UP 17", используемые в МПСУ "Data chief - С20"
186
имеют степень защиты ГР20. Это слабая степень защиты, только от проник¬
новения внутрь предметов длиной более 80 мм и твердых тел размером более
12 мм. Поэтому в условиях судна они устанавливаются в шкафы, которые
обеспечивают степень защиты IP54 - допускается проникновение внутрь
только пыли в незначительном количестве и обеспечена защита от брызг во¬
ды в любом направлении.
Преобразователи сигналов, представленные на рис. 6.8 ... рис. 6.10 рас¬
считаны на непосредственную установку в условиях машинного отделения и
имеют более высокую степень защиты. Так, усилитель сигнала термопары
(рис. 6.8) имеет класс защиты IP55, то есть, защищен от струй воды, па¬
дающих на него в любом направлении. Преобразователь температуры (рис.
6.9) имеет аналогичную защиту. А вот преобразователь давления (рис. 6.10)
имеет степень защиты ХР67 - полностью предотвращается проникновение
внутрь не только твердых частиц, но и пыли, может работать, будучи погру¬
женным в воду, при оговоренных значениях давления и времени погружения.
6.4 Интеллектуальные датчики в судовой автоматике
Основным отличительным признаком интеллектуального датчика от ра¬
нее рассмотренных датчиков является наличие в его составе микроконтрол¬
лера. Выполняется он по схеме, приведенной на рис. 6.5, в, при этом преоб¬
разователь сигнала датчика выполнен на основе микроконтроллера. По¬
скольку микроконтроллер обладает вычислительным “интеллектом”, это по¬
зволяет резко улучшить метрологические характеристики датчика.
За счет обработки микроконтроллером сигнала с чувствительного эле¬
мента значительно снижается погрешность датчика от таких факторов как,
нелинейность и гистерезис характеристики, изменение температуры окру¬
жающей среды и др. Все это позволяет обеспечить погрешность датчика на
уровне десятых долей процента. Дополнительное улучшение эксплуатацион¬
ных свойств датчика обеспечивается его самодиагностикой, индивидуальной
калибровкой, возможностью программной перенастройки.
В качестве примера интеллектуального датчика можно привести преоб¬
разователь давления (Pressure Transmitter) GT-403 Kongsberg Maritime. Его
конструкция близка к показанной на рис. 6.10. Он спроектирован для изме¬
рения уровня жидкости (по давлению столба жидкости) в судовых расходных
и балластных танках. Погрешность преобразователя составляет 0,25%, а тем¬
пературный дрейф выходного сигнала не превышает 0,005% на градус Цель¬
сия от полной шкалы датчика. Выходной сигнал преобразователя токовый,
187
4...20 мА. В качестве чувствительного элемента используется керамическая
мембрана (рис. 6.11), с выполненными на ее внутренней поверхности тензо-
резисторами, включенными в мост Уитстона (см. раздел 1.10).
В процессе изготовления снима¬
ется индивидуальная характеристика
чувствительного элемента - зависи¬
мость выходного сигнала тензорези-
сторного моста от приложенного дав¬
ления, при нескольких значениях
температуры окружающей среды. Эта
характеристика в табличной форме
заносится в память микроконтролле¬
ра, хранится там в течение всего сро¬
ка службы преобразователя и, будучи
использованной при обработке мик¬
роконтроллером реального сигнала,
позволяет обеспечить высокую точность измерения давления.
Изготовленный преобразователь давления может быть перепрограмми¬
рован на другой диапазон давлений (от 0,6 до 40 бар), а также на другой диа¬
пазон выходного токового сигнала. Достигается это путем применения так
называемого НЛДГ-протокола, для чего необходимо иметь ноутбук с под- .
ключенным к нему НАRT-модемом и соответствующей программой. Суть
ІІЛR'/’-протокола состоит в том, что во время программирования на выходной
сигнал преобразователя 4...20 мА с помощью модема накладываются пакеты
синусоидальных колебаний 1200 Гц или 2200Гц. Они воспринимаются мик¬
роконтроллером преобразователя как сигналы единицы (1200 Гц) или нуля
(2200 Гц). Пакеты таких единиц и нулей и являются командами для микро¬
контроллера об изменении диапазона давлений или выходного сигнала.
По существу ЯЛЛГ-протокол - это некоторый компромисс между уста¬
ревающим стандартом аналогового сигнала 4...20 мА и необходимостью об¬
мена данными и командами между интеллектуальным датчиком и приемни¬
ком его сигнала. Наиболее совершенные модели интеллектуальных датчиков
имеют не аналоговый интерфейс (4...20 мА и др.), а один из стандартных по¬
следовательных интерфейсов - CAN, RS-232 и др. Это, в свою очередь, пре¬
дельно упрощает подключение таких датчиков к судовым компьютерным се¬
тям, значительно повышает помехоустойчивость при передаче информаци¬
онного сигнала. В качестве примера можно привести интеллектуальный дат¬
чик типа PS-I1, которым комплектуется система мониторинга подшипников
судовых дизелей, рассмотренная в разделе 5.4.
тешорезистор
мембрана
Рис. 6.11. Мембрана с тензорезисторами
преобразователя давления GT-403
188
7. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
ЭЛЕКТРОННЫХ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
7.1 Общие положения
Целью технического обслуживания является поддержание электронных
устройств в рабочем состоянии. Основными причинами, нарушающими их
работоспособность и приводящими к отказам, являются:
- превышение предельно-допустимых электрических параметров элементов;
- нарушение теплового режима (перегрев);
- воздействие вибро-климатичесюрс факторов.
Электронные устройства практически не требуют профилактических ра¬
бот. Поэтому, основная задача их технического обслуживания сводится к по¬
иску отказавшего электронного элемента или блока, его замене и к устране¬
нию причины, вызвавшей отказ. Замена отказавшего элемента или блока не
представляет значительных трудностей при наличии их в запасе. Намного
сложнее найти неисправность.
При поиске неисправного элемента помимо квалификации и опыта об¬
служивающего персонала решающее значение имеет наличие эксплуатаци¬
онной документации на электронное устройство. В соответствии с дейст¬
вующими в нашей стране стандартами, на любое электронное устройство
разрабатывается комплект эксплуатационной документации, в который вхо¬
дят два основных документа:
- техническое описание;
- инструкция по эксплуатации.
В техническом описании излагается устройство и принцип действия
электронной системы, приводятся структурные и принципиальные схемы,
перечни элементов и их типы, даётся схема расположения элементов, схема
соединений, подключений и т.д. Другими словами - исчерпывающая инфор¬
мация об устройстве электронной системы.
В инструкции по эксплуатации (англ. "User Manual") отражены сугу¬
бо эксплуатационные вопросы - как ввести в действие электронное устройст¬
во, способы его применения, регулировки, проверки и т.д.
В инструкции по эксплуатации приводятся также типовые неисправно¬
сти электронного устройства и способы их устранения. В ряде случаев при¬
водятся таблицы, в которых указаны напряжения на выводах полупроводни¬
ковых элементов и в других точках схемы. Эта информация очень важна при
189
поиске отказавшего элемента или блока.
В настоящее время эксплуатационная документация поступает на суда,
как правило, в электронном виде. При этом раздел, посвященный поиску и
устранению неисправности, в наиболее современных МПСУ может быть
представлен как система информационной поддержки (СИП) для принятия
решения (см. далее).
Задача восстановления работоспособности судового электронного обо¬
рудования имеет ряд аспектов: технический, экономический, временной и
т.д. В каждом конкретном случае их нужно учитывать в совокупности. Так,
например, с позиции снижения затрат на приобретение элементов и блоков
для замены отказавших, необходимо вести поиск до уровня наименьшего,
элементарного отказавшего компонента* который в принципе может быть
заменён (резистор, транзистор, микросхема и т.д.). Однако время и трудоза¬
траты на такой поиск и замену могут быть неприемлемыми. В другом случае,
неисправность может быть определена грубо, на уровне крупного блока сис¬
темы, причем, гораздо быстрее, чем в первом случае. Вместе с тем, стои¬
мость нового такого блока может быть значительной.
Таким образом, при восстановлении в судовых условиях работоспособ¬
ности электронного устройства необходимо принимать компромиссное ре¬
шение по глубине поиска, с учетом имеющихся у обслуживающего персона¬
ла запасных элементов и блоков, инструментальных средств, времени, тех¬
нической документации, принятой в судоходной компании организации тех¬
обслуживания и других обстоятельств. Ниже рассматривается лишь техниче¬
ский аспект этого вопроса.
Любую электронную систему можно представить состоящей из конст¬
руктивных частей, показанных на рис. 7.1.
190
■ ' ; <¬
Наибольшее количество компонентов содержит центральный электрон¬
ный блок, где и осуществляется основная обработка электрических сигналов.
По отношению к нему все остальные блоки можно считать периферийными.
Периферийные блоки находятся в более жестких условиях и большинст¬
во отказов происходит именно в них.
Центральный электронный блок и периферийные блоки имеют различ¬
ное конструктивное исполнение.
Конструктивная единица электронного блока - печатная плата (модуль).
Печатные платы характеризуются следующими признаками:
- основной компонент - ИМС; высокая плотность монтажа; отсутствие
износа; высокое качество монтажа;
- электрические цепи высокоомное, подключаемые для измерений прибо¬
ры оказывают на них влияние;
- наличие разъемов, малое время на замену; относительно благоприятные
внешние условия.
Ремонт центрального электронного блока целесообразен на уровне мо¬
дулей - заменой печатных плат из ЗИПа. При умеренной плотности монтажа
в отдельных случаях возможна замена таких элементов как транзисторы,
диоды и другие дискретные элементы сравнительно больших размеров, а
также ИМС, если они установлены в контактных панельках.
Однако, если печатная плата выполнена методом поверхностного мон¬
тажа, при этом комплектующие ее элементы изготовлены в миниатюрном
исполнении, ремонт в судовых условиях реально возможен только путем
блочной замены.
Периферийные блоки характеризуются следующими типичными при¬
знаками:
- объёмный способ выполнения монтажа;
- низкая плотность монтажа, доступность для измерений и замены;
- зачастую ручная сборка, качество сборки ниже, чем в печатных платах;
- смешанная комплектация: дискретные электронные элементы, электри¬
ческие и электромеханические узлы (реле, трансформаторы, переключа¬
тели); ИМС отсутствуют или представлены в малом количестве;
- жесткие условия работы;
- изнашиваемость, в том числе механическая, ряда компонентов (реле, лам¬
пы, изоляция, датчики, кнопки, переключатели, переменные резисторы).
Ремонт таких блоков возможен и целесообразен на уровне отдельных
элементов, а не только модулей.
191
При поиске отказавшего элемента или блока необходимо:
- использовать имеющиеся в электронной системе средства встроенного
самоконтроля (тестирования и диагностики); '
- изучить техническую документацию, особенно рекомендации по устра¬
нению типовых неисправностей, и следовать им;
- если рекомендации не дали результата, вести поиск в направлении от
сложного блока к простому (система - блок - модуль - элемент), приме¬
няя изложенные ниже методы.
Рекомендуется следующий порядок поиска неисправного блока, от наи¬
менее, к наиболее надежному: .
- блок питания и средства защиты;
- кабели и электрические соединители (разъемы);
- датчики и исполнительные механизмы (ИМ);
- средства коммутации, сигнализации, индикации; •
- центральный электронный блок и его модули.
7.2. Принципы изображения и чтение электрических схем
При поиске и устранении неисправностей приходится пользоваться тех¬
нической документацией, в частности - электрическими схемами на элек¬
тронное или микропроцессорное устройство. Чтобы уметь читать схемы
нужно знать основные правила, по которым они выполняются.
В нашей стране общие требования к изображению электрических схем
регламентированы стандартами единой системы конструкторской документа¬
ции (ЕСКД), в которых даны определения различных типов схем, приведены
правила их выполнения, условные графические обозначения элементов и др.
Аналогичные по назначению, но несколько отличающиеся по содержа¬
нию стандарты имеются и в других странах. Специфика данного вопроса со¬
стоит в том, что суда, на которых работают российские моряки, строятся в
основном за рубежом и оснащены электронными системами автоматики за¬
рубежных фирм. Естественно, что документация на них, в частности - элек¬
трические схемы, выполнена по зарубежным стандартам. Более того, на кон¬
кретном судне, как правило, присутствует электронное оборудование, разра¬
ботанное в разных странах, по разным стандартам, в разное время и др.
Систематично и полно охарактеризовать все это многообразие в рамках
данного пособия не представляется возможным. Вместе с тем, большинство
правил, которым следуют при выполнении электрических схем, носят факти-
192
*
чески интернациональный характер. Знание существа вопроса (принципа
действия, характеристик и др.) электронного прибора, английского языка, а
также некоторый практический опыт позволяют достаточно успешно рабо¬
тать с документацией разных фирм. .
Вследствие вышеизложенного, приводимый ниже материал излагается
без его привязки к конкретной системе стандартов.
Существует несколько разновидностей электрических схем.
Структурная схема дает самую общую информацию о системе, показы¬
вая ее основные составные части, их назначение и взаимосвязи.
Функциональная схема показывает отдельные процессы, происходящие
в составных частях системы, описывая ее с позиции выполняемых функций.
Часто совмещается со структурной схемой.
Принципиальная схема дает исчерпывающую информацию о составе
устройства: показываются все элементы, их типы, связи между ними и др.
Общая схема показывает все составные части (если их несколько) элек¬
тронной системы в их взаимосвязи.
Схема соединений показывает связи между блоками (модулями) систе¬
мы и как они осуществляются. Другое название - монтажная схема.
Схема расположения показывает пространственное расположение со¬
ставных частей устройства - элементов, модулей и др.
При изучении документации на электронное устройство, чтобы полу¬
чить о нем полное представление все эти схемы должны читаться совместно.
Однако, зачастую на судах документация представлена в урезанном виде.
Наиболее информативной, но вместе с тем и сложной для чтения являет¬
ся принципиальная схема.
Принципиальная схема состоит из трех видов компонентов:
- условные графические обозначения (УГО) элементов;
- позиционные обозначения элементов; ’
- линии соединений элементов.
Кроме того, на многих принципиальных схемах, где этих возможностей
недостаточно, чтобы дать всю информацию об устройстве, на чертеже при¬
водится дополнительная информация - в виде поясняющего текста и др.
Следует помнить, что УГО элемента отражает не конструкцию его, а
выполняемую им функцию. Условные обозначения элементов, чьи свойства
рассмотрены в настоящем пособии, приведены в соответствующих разделах
пособия (рис. 1.7, рис. 1.9 и т.д.). В УГО электронного прибора используются
три простейшие фигуры - линия, окружность, прямоугольник (рис. 7.2). Ус¬
193
ловные обозначения электронных приборов индивидуальны и каждый их
элемент отражает определенное свойство прибора, его особенность и т.д.
Так, например, треугольник в УГО диода (анод) можно трактовать как стрел¬
ку, указывающую направление, в котором через него может протекать ток. А
вертикальная линия (катод) - это препятствие для протекания тока в обрат¬
ном направлении. У стабилитрона же вертикальная линия (катод) дополнена
перпендикулярным ей отрезком прямой (см. рис. 1.9), что может трактовать¬
ся как возможность прохождения тока со стороны катода (при электрическом
пробое). И т.д.
Принцип построения УГО интегральных микросхем иные. Только в ред¬
ких случаях (и в устаревших стандартах) функция, выполняемая ИМС, отра¬
жается формой фигуры УГО. Например, йперационный усилитель часто изо¬
бражают треугольником. Как правило, ИМС обозначаются прямоугольни¬
ком, который может быть разделен натри поля (рис. 7.2 л).
R7
R7 2к4 і 1 % 1W
ІС4 74248
а)
Q3 2N5137
б)
D14 1N4001
§
X
m
6_
А1
DMUX
0
А2
1
1
DI
2
ш
'CS
3
і
з
CG
в) г) д)
Рис. 7.2. Условные графические и позиционные обозначения резистора (а, б),
транзистора (в), диода (г), интегральной микросхемы (д)
ИМС изображается так, чтобы ее входы были слева, а выходы - справа.
В левом поле, куда подходят входные сигналы, указаны их наименования. В '
правом поле подписаны выходные сигналы. В среднем поле указано функ¬
циональное назначение микросхемы. Названия входных и выходных сигна¬
лов, а также функциональное назначение ИМС - это есть аббревиатура соот¬
ветствующих английских терминов, кратко отражающих их смысл. Напри¬
мер - А - "address", DI - "Data Input", DO- "Data Output" и т.д.
Цифры возле выводов ИМС являются номерами выводов корпуса ИМС, куда
подаются соответствующие сигналы. У простых ИМС, с функционально од¬
нородными входами и с единственным выходом, поля не выделяются, указы¬
вается лишь функциональное назначение (пример - обозначение логических
элементов).
Рядом с УГО элемента на чертеже принципиальной схемы проставляет¬
ся его позиционное обозначение, состоящее из букв и цифр. Позиционное
194
обозначение может быть кратким или полным. В первом варианте (рис. 7.2,а)
буквой указывается тип элемента (Я - резистор, С - конденсатор и т.д.), а
цифрой (7) - его порядковый номер в данной схеме. В полном варианте по¬
зиционного обозначения кроме типа и номера элемента указываются его ос¬
новные параметры. На рис. 7.2,6, где изображен резистор, указано его сопро¬
тивление (2,4 кОм), допуск (±1%) и номинальная мощность (1 W=1 Вт).
Позиционное обозначение более сложных элементов (диоды, транзисто¬
ры и др.), характеризующихся большим числом параметров, содержат не пе¬
речень параметров, а марку элемента. На рис. 7.2,в изображен транзистор
(буква Q, по ЕСКД применяется ѴТ), с порядковым номером 3, его марка
Ж5137. На рис. 7.2,г показан диод (Ц по ЕСКД используется ѴЕ>) с номером
14, марка 1 Л/4001. Микросхема (рис.’ 7.2,д) обозначена буквами ІС (Inte¬
grated Circuit, по ЕСКД используется DA или DD), имеет номер 4 и
марку 74248.
Кроме принципиальной схемы, позиционные обозначения, наименова¬
ния, марки и параметры элементов приводятся в перечне элементов (другой
термин - спецификация). По ЕСКД он имеет вид, показанный в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Перечень элементов
Поз.обозн.
Наименование
Кол-во
Примечание
DD1
Микросхема SV74Z.5248JV
1
R1
Резистор МЛТ-0,25-470 Ом±5%
1
R2
Резистор С2-23-4,7 кОм±5%
1
VD1
Транзистор КТ814А
1
Установить на теплоотвод
При изображении принципиальных схем придерживаются определенных
правил, которые упрощают их чтение (рис. 7.3):
- номера элементов проставляют в направлении "слева-направо", по диа¬
гонали - от левого верхнего к нижнему правому углу;
- элементы располагают так, чтобы обрабатываемый схемой сигнал по
чертежу распространялся в направлении "слева-направо";
- соединительные проводники проводят в горизонтальном или вертикаль¬
ном направлениях;
- схемы типовых преобразователей сигналов изображают типовым, обще¬
принятым способом.
Последнее обстоятельство чрезвычайно важно с позиции читаемости
схемы. Расположение элементов на принципиальной схеме никак не связано
195
с их пространственным расположением в реальном устройстве. Для этого
предназначен чертеж расположения элементов. На чертеже электрической
схемы важно показать электрические связи между элементами. Поэтому воз¬
можно бесконечное множество вариантов расположения УГО элементов на
чертеже при их правильном соединении. Такое многообразие затрудняет
чтение схем.
Чтобы облегчить этот процесс, относительно самостоятельные, функ¬
ционально завершенные блоки электронного устройства (выпрямитель, уси¬
литель и др.) стараются изображать на схемах единообразно, общепринятым
образом. Например, на рис. 7.3 диоды VD1...VD4 образуют однофазный мос¬
товой выпрямитель, изображенный стандартным образом. Этот уникальный
графический образ ассоциируется с данным выпрямителем и чтобы его опо¬
знать не требуется детального анализа схемы на уровне ее отдельных эле¬
ментов. На этом же рис. 7.3 диоды VD5...VD8 образуют аналогичный выпря¬
митель, но изображенный на чертеже другим образом. Чтобы убедиться при
чтении схемы, что это действительно однофазный мостовой выпрямитель,
нужно детально изучить соединение этих диодов, путь прохождения тока и
др. То есть процесс чтения схемы значительно более трудоемкий.
Рис. 7.3. Иллюстрация правил изображения принципиальных схем .
Таким образом, изображение принципиальной схемы - в определенной
степени искусство. Грамотно изображенная схема не только дает полную
информацию об устройстве, но и в значительной степени облегчает процесс
ее анализа при решении проблем, возникающих в электронном устройстве.
196
*
Приводимые в настоящем пособии принципиальные схемы электронных
устройств являются иллюстрацией вышеизложенных принципов их изобра¬
жения.
7.3 Методы поиска неисправных блоков и электронных элементов
Если выполнение рекомендаций по поиску неисправностей, изложенных
в инструкции по эксплуатации или в СИП, не дало результатов, то в порядке
усложнения можно рекомендовать следующие методы поиска.
1. Внешний осмотр (без привлечения специальных измерительных
средств, без подачи питания).
При осмотре обращается внимание на следующие факторы:
- изменение формы элемента;
- изменение цвета элемента;
- состояние проводящих и изоляционных покрытий;
- состояние соединений и паек.
В датчиках и ИМ в первую очередь проверяется их механическое креп¬
ление, отсутствие недопустимого механического износа (если таковой вооб¬
ще допустим), загрязнения. На аналогичные факторы обращается внимание
при осмотре средств коммутации, регулировки и сигнализации.
В блоке питания проверяется отсутствие следов перегрева - потемнение
поверхностей, вздутие элементов, оплавление изоляции, а также надежность
крепления массивных элементов.
« В разъемных соединениях проверяется надежность фиксации подвиж¬
ной части разъёма, состояние контактных поверхностей, которые должны
быть чистыми, без явных следов коррозии и нагара.
В электронных платах проверяется:
- изменение цвета и формы элементов (потемнение резисторов, транзи¬
сторов, вздутие конденсаторов);
- деформация токоведущих дорожек, следов их окисления, отслоений до¬
рожек, повреждение слоя защитного лака;
- состояние контактных поверхностей имеющихся на плате съемных пе¬
ремычек, их надёжная фиксация; надёжная фиксация микросхем в кон¬
тактных панельках;
- отсутствие замыканий между соседними электропроводящими дорож¬
ками, особенно при плотном монтаже.
Элементы и блоки с обнаруженными признаками неисправности подлежат
197
проверке их параметров и замене, если необходимо. Если для осмотра требует¬
ся демонтаж элемента (блока) то его предварительно следует обесточить.
Тщательный внешний осмотр позволяет обнаружить значительное число
неисправных элементов или блоков.
2. Определение неисправного элемента или блока без подачи пита¬
ния, инструментальными средствами.
Если осмотр не дал результатов, то определение неисправного элемента
может производиться путем измерения сопротивлений омметром участков це¬
пей проверяемого блока или элемента. При этом следует иметь' либо техниче¬
скую документацию, включая принципиальную схему и схему расположения
элементов в блоке, либо аналогичный, заведомо исправный блок из ЗИПа. В
первом случае следует анализом схемы наметить проверяемые потенциально
слабые элементы цепи, измерять их сопротивление и, зная характеристики эле¬
ментов, интерпретировать результаты. Во втором случае измерение может но¬
сить формальный характер и основано на сопоставлении результатов.
В качестве омметра следует использовать прибор со встроенным низко¬
вольтным источником питания (батарея из 3-х гальванических элементов)
напряжением не более 5В. Этому требованию удовлетворяет ампервольтом-
метр - автономный комбинированный измерительный прибор. Создаваемое
им напряжение безопасно для измеряемых цепей, а ток ограничен внутрен¬
ним сопротивлением и не превышает 10 мА (обычно не более 1 мА). Исполь¬
зование мегаомметра для проверки электронных приборов недопустимо. Он
создаёт напряжение до 500В - опасное для электроники. Вместе с тем, часто
причиной отказа электронного блока являются не только элементы как тако¬
вые, но и соединения между ними, монтажные соединения между блоками.
Типичной неисправностью здесь является снижение сопротивления изоляции
монтажных проводников относительно друг друга, относительно корпуса
судна, вплоть до короткого замыкания.
Для проверки сопротивления изоляции, как-то рекомендуется в отечест¬
венных Правилах технической эксплуатации судовых технических средств и
конструкций, следует использовать все же мегаомметр. Однако перед этим
следует обязательно изъять из электронного устройства все печатные платы с
электронными приборами. Выводы тех электронных приборов, которые не
имеют электрических разъемов и не могут быть отсоединены (например,
мощные транзисторы, диоды), должны быть закорочены между собою, чтобы
при проверке между ними не было разности потенциалов.
198
' . <¬
Использование омметра весьма эффективно. Особенно при поиске об¬
рывов или коротких замыканий, однако требует некоторого навыка. Причем
почти всегда стрелочный прибор более предпочтителен по сравнению с циф¬
ровым мультиметром - точность высокая не нужна, а его показания более на¬
глядны. '
При измерении сопротивления элементы могут не демонтироваться, но в
ряде случаев, чтобы получить достоверный результат, следует отсоединить
один из двух (если их 2) выводов от остальной части схемы. В противном
случае, подключённая к проверяемому элементу остальная часть схемы соз¬
даст дополнительный путь протекания тока, что исказит результат измере¬
ния. При выполнении измерений нужно учесть полярность подключения, по¬
скольку полупроводниковые элементы, как правило, полярные.
При проверке омметром элементов, смонтированных на печатной плате,
временное их отсоединение может выполняться перерезанием печатных про¬
водников, подходящих к проверяемому элементу. После проверки на места
разрезов следует припаять перемычки. Такой способ локализации проверяе¬
мых элементов весьма эффективен и, что важно, - безопасен для них.
3. Определение неисправного элемента или блока под питанием, ин¬
струментальными средствами.
В судовых электронных системах сигналы представлены в основном
уровнями напряжений. Поэтому этот способ рассчитан на применение
вольтметра. Прямое измерение тока трудно осуществимо, поскольку требу¬
ется разрывать участок цепи.
Вольтметр имеется в составе ампервольтомметра. Основное требование
к нему - высокое входное сопротивление, которое должно быть не менее
20к0м на один вольт шкалы прибора. Цифровые вольтметры (в составе
мультиметров) всегда имеют высокое сопротивление (ІМом и более). Низ¬
кое входное сопротивление искажает результат измерения.
Использование вольтметра требует более высокой квалификации. При
этом, как и в случае с омметром, требуется иметь либо техническую доку¬
ментацию, либо исправный аналогичный блок. Измеренные вольтметром на¬
пряжения должны сопоставляться с указанными в документации или с на¬
пряжениями в заведомо исправном блоке. На этом основании следует сделать
выводы о работоспособности блока или его элементов. Поскольку измерения
выполняются при поданном питании, то это связано с некоторым риском, как
для проверяемой схемы, так и для человека. Поэтому они должны выпол¬
няться с особой аккуратностью. Например, случайное кратковременное зако¬
199
рачивание щупом вольтметра близко расположенных выводов полупровод¬
никового прибора, может его вывести из строя вследствие созданной элек¬
трической перегрузки. С позиции опасности для человека, слезет учесть,
что электроника питается, как правило, невысоким напряжением (до 27 В),
не опасным для жизни. Однако в ряде блоков, например в блоках питания,
построенных по схеме рис. 3.2, напряжение может быть значительно боль¬
шим. Кроме этого, в аварийных случаях повышенное напряжение может по¬
пасть в низковольтные цепи. Поэтому защитное заземление корпуса элек¬
тронного блока должно быть исправно, обслуживающий персонал должен
пользоваться индивидуальными средствами защиты от поражения током.
Применять более сложные, чем омметр или вольтметр инструментальные
средства в судовых условиях в большинстве случаев нецелесообразно - если
неисправность не может быть обнаружена с их помощью, то электронный мо¬
дуль следует передать для ремонта специализированной береговой службе.
7.4 Определение работоспособности электронных приборов
1. Резисторы. Проверяются с помощью омметра путем измерения со¬
противления. Для обычного резистора измеренное значение должно соответ¬
ствовать номинальному сопротивлению резистора, с учетом его допуска и
погрешности омметра.
В переменном резисторе проверяется плавность изменения его сопро¬
тивления при перемещении движка резистора.
Измеренное сопротивление терморезистора должно соответствовать его
номинальному сопротивлению при температуре, для которой оно нормиро¬
вано. При нагреве сопротивление терморезистора должно изменяться в соот¬
ветствии с его характеристикой.
Сопротивление фоторезистора должно уменьшаться при засветке его
лампой 40 Вт с расстояния 0,6 м на 2...3 порядка, по сравнению с затемнен¬
ным состоянием. Темновое сопротивление, как правило, должно составлять
не менее 1 МОм.
2. Конденсаторы. Состояние конденсатора емкостью более нескольких
микрофарад можно проверить омметром на основе стрелочного прибора
(цифровой непригоден). Типичными его состояниями являются:
- исправное состояние;
- обрыв или потеря емкости, что эквивалентно;
- короткое замыкание; .
- наличие "утечки".
200
Состояние "утечка" характеризуется тем, что конденсатор начинает про¬
пускать постоянный ток. Это свидетельствует об ухудшении качества ди¬
электрика конденсатора и проявляется по истечении некоторого времени его
эксплуатации.
При подключении к омметру конденсатор'
заряжается от его источника питания. По ха¬
рактеру протекания этого процесса, отобра¬
жаемому движением стрелки омметра, можно
судить о состоянии конденсатора. До подклю¬
чения конденсатора стрелка омметра нахо¬
дится в крайнем левом положении (1), что
по шкдле омметра соответствует бесконечно
большому сопротивлению (да) (Рис. 7.4).
При подключении исправного конденса¬
тора стрелка резко переместится к крайней
правой отметке шкалы, которой соответствует значение 0 Ом (положение 2).
Это происходит потому, что конденсатор разряжен и в первый момент вре¬
мени через него протекает максимально возможный ток заряда Хаар. Раз ток
максимальный, омметр "считает", что к нему подключен элемент, чье сопро¬
тивление равно нулю. По мере заряда конденсатора ток заряда будет умень¬
шаться, поэтому стрелка омметра будет плавно, все, более замедляясь, пере¬
мещаться из положения 2 в положение 1.
Если в конденсаторе обрыв или он потерял емкость, стрелка омметра не
сместится с положения 1 (оо). При коротком замыкании стрелка омметра ус¬
танавливается в положении 2.
При наличии утечки, в своем возвратном движении стрелка не дойдет до
положения 1 (да), а установится в некотором положении 3, которому соответ¬
ствует сопротивление утечки. В идеале оно должно быть бесконечно боль¬
шим, а реально не должно быть менее нескольких сотен килоом, в противном
случае конденсатор считается непригодным к использованию.
Если емкость конденсатора менее нескольких микрофарад, вследствие
инерционности стрелки омметра труднее распознать обрыв и исправное со¬
стояние, поскольку заряд протекает быстрее. Однако короткое замыкание и
наличие утечки определить возможно.
Ъ.Диод. Типичными отказами диода являются короткое замыкание
(сплавление кристалла) и обрыв (сгорание кристалла). Исправное состояние
и оба вида отказов могут быть определены омметром.
201
Для проверки диода выполняются два замера сопротивления - в прямом
включении (Rnp) и в обратном (Кобр)- При прямом включении анод диода
подключается к положительному зажиму омметра, а катод к отрицательному.
При обратном включении - наоборот. Тем самым фактически создаются схе¬
мы рис. 1.6 и рис. 1.7, где в качестве Ѵщ, и !7овр используется источник посто¬
янного тока омметра.
В исправном диоде бр. Для маломощных кремниевых диодов,
применяемых в блоках автоматики, прямое сопротивленйе составляет сотни
ом, обратное - сотни килоом и более. Для диодов более мощных, рассчитан¬
ных на токи от нескольких ампер и более, Ищ, может составить десятки ом.
При обрыве, в обоих включениях диода сопротивление будет близко к беско¬
нечности. При коротком замыкании Rnp*&o6P и может составлять от несколь¬
ких ом до сотен ом.
4. Транзистор. Транзистор может быть проверен двумя способами:
- омметром, при этом транзистор должен быть извлечен из схемы;
- вольтметром, транзистор находится в схеме, в рабочем режиме.
Для проверки по первому способу транзистор представляется эквива¬
лентной схемой из двух диодов - ведь в нем создано два встречно включен¬
ных р-п-перехода. На рис.7.5 показана эквивалентная схема для проверки
л-р-п-транзистора. В эквивалентной схеме р-п-р-транзистора диоды будут
развернуты на 180°. Транзистор считается исправным, если исправны диоды,
составляющие его эквивалентную схему. Диоды проверяются омметром ана¬
логично вышеописанной методике. Всего делается 6 замеров. Четыре замера
необходимы для проверки собственно диодов. Два последних замера выпол¬
няются при подключении омметра между коллектором и эмиттером транзи¬
стора, при разных полярностях подключения. В этих замерах измеренные зна¬
чения должны быть такого же порядка, как и диода, поскольку при любой
полярности подключения один из диодов будет в обратном включении.
Рис. 7.5. Транзистор и его эквивалентная схема для проверки
Виды отказов транзистора аналогичны диодам. Аналогично интерпре¬
тируют и результаты проверки.
Во втором способе проверки транзистор находится под питанием. Ис¬
правный транзистор должен реагировать на изменение входного сигнала. Для
Б
202
■ '; <¬
проверки этой реакции используется вольтметр. В большинстве случаев
транзистор включается по схеме с общим эмиттером. На рис. 7.6 показано
подключение вольтметра на примере фрагмента схемы с транзистором.
Входной сигнал І7ВХ поступает от предшествующей части схемы через рези-.
стор R,x- К последующей схеме выходной сигнал обычно подается также че¬
рез резистор, обозначенный Н™. Сначала вольтметр подключается к вход¬
ной цепи транзистора, между базой и эмиттером. Если это напряжение
1793*0,6...0,8 В, т.е. от предшествующей схемы поступает С7ВХ, то транзи¬
стор должен быть открыт. При этом вольтметр, подключенный между кол¬
лектором и эмиттером транзистора (см. рис. 7.6) должен показать СТкэ»0 В.
Когда входной сигнал отсутствует, то ийв=0 В, транзистор должен быть за¬
крыт и подключенный к его выходу вольтметр должен показать напряжение,
близкое к напряжению питания С7ПИТ.
Если входной сигнал длительное время остается неизменным, процедуру
проверки можно ускорить. Чтобы проверить закрывается ли транзистор,
можно временно закоротить перемычкой (на рис. 7-6 показана пунктиром)
его базу и эмиттер, т.е. сделать ибэ=0 В. На предшествующую схему это су¬
щественно не повлияет, поскольку ток, отбираемый от нее будет ограничен
КвХ. Для проверки способности транзистора открываться, между базой и по¬
ложительным проводом питания +Ѵ^ следует временно подключить рези¬
стор Re, величина которого Re* (10 .20) R*. При этом через Re от источника
питания будет подаваться ток в базу транзистора, что приведет к открыванию
последнего.
5. Операционный усилитель. Операционный усилитель может быть
проверен только в рабочем режиме, под питанием, путем измерения сигналов
вольтметром. Его работоспособное состояние можно сформулировать сле¬
203
дующим образом: выходной сигнал схемы на ОУ должен соответствовать
входному, с учетом коэффициента усиления схемы. Например, если ОУ
включен по схеме инвертирующего усилителя (см. рис. 2.10) и Rx=2 кОм,
KoC=10 кОм, а 17вх=+0,2 В, то его выходной сигнал должен быть
ивих=—1,0 В. Это следует из свойств данной схемы, коэффициент усиления
R 10
которой К —1— = — = 5, а полярность выходного сигнала проти-
инв Rj 2
воположна входному.
6. Логические элементы. Также как и ОУ, работоспособность логиче¬
ского элемента может быть проверена только под питанием, измерением его
сигналов. Работоспособное состояние логического элемента можно сформу¬
лировать следующим образом: выходнбй сигнал должен соответствовать
входному, с учетом логики работы элемента для всех возможных комбина¬
ций подачи входных сигналов. При этом, как входные логические сигналы,
так и выходной должны соответствовать уровням напряжений, выражающих
логический ноль или единицу.
Например, проверяются логические элементы серии 74, показанные на
рис. 7.7. Для этого вольтметром измеряются напряжения на входах и выходах
элементов. Для схемы рис. 7.7,а напряжение на верхнем входе равно 3,7 В,
что трактуется как сигнал логической "1". На нижнем входе - 0,2 В, что соот¬
ветствует уровню логического "0". При такой комбинации входных сигналов
на выходе элемента И/НЕ должен присутствовать сигнал 1-0'= 1, выражен¬
ный уровнем напряжения не менее 2,4 В. Реально же на выходе имеется сиг¬
нал логического "0" (0,1 В), что свидетельствует о неисправности элемента.
3.7 В = ‘1*
а |о,і в = -о-
0,2 В = "О-
а) 6) в)
Рис. 7.7. Проверка работоспособности логических элементов
Логический элемент ИЛИ/НЕ на рис. 7.7,6 также неисправен, поскольку
его выходное напряжение (1,5 В) не соответствует ни логическому "0", ни
логической "1" для микросхем данной серии.
Исправным, возможно, является логический элемент И, показанный на
рис. 7.7,в. - его выходной сигнал соответствует входным, ибо 1-1=1. Одна¬
ко для окончательного вывода следует оценить его выходной сигнал при всех
вариантах подачи входных сигналов.
204
Аналогичный подход применяется при проверке более сложных, чем ло¬
гический элемент функциональных узлов (ИМС) дискретного действия -
счетчиков, дешифраторов и т.д.
При выполнении большого числа проверок вместо вольтметра удобнее,
использовать более простое средство контроля - логический пробник. Про¬
стейший логический пробник - светодиод (рис. 7.8) с ограничивающим его
ток резистором (300...600 Ом). Один, гибкий вывод пробника подклю¬
чается к общему проводу схемы, а второй является щупом, который устанав¬
ливается в контролируемую точку схемы. Напряжение логической "1" микро¬
схем серии 74 (>2,4 В) достаточно для того, чтобы вызвать свечение светодио¬
да. При логическом нуле напряжение слишком низкое и светодиод погашен.
7. Электронные блоки на основе микропроцессоров и ЭВМ. Вследст¬
вие особенностей их организации и функционирования применение ранее
рассмотренных простейших средств инструментального контроля (омметр,
вольтметр, пробник) для проверки работоспособности компонентов микро¬
процессорных блоков малоэффективно. В таких блоках обрабатываются им¬
пульсные сигналы, следующие с высокой частотой. Кроме этого, микропро¬
цессорные блоки, как правило, изготавливаются с высокой плотностью мон¬
тажа элементов, что делает невозможным их ремонт в судовых условиях.
Вместе с тем, МПСУ всегда имеют встроенные средства самоконтроля и ди¬
агностики. Их можно разделить на две группы - аппаратные и программные.
К аппаратным средствам относятся две разновидности - светодиоды
(LED) и сторожевой таймер (WDT)- Светодиоды используются для индикации:
- наличия выходных и входных дискретных сигналов (1/0);
- режима, в котором находится линия связи между микропроцессорными
блоками - наличие или отсутствие передачи по ним сигналов (переда¬
ча/нет передачи)и др.
Каждая управляющая ЭВМ имеет "сторожевой таймер" - "Watch
Dog- Timer (WDT)". Это отдельное устройство, не входящее в ЭВМ, но кон¬
тролирующее его общую работоспособность. Пока управляющая программа
ЭВМ работает правильно, она периодически подает импульсы в WDT, удер-
R
Щуп -4
^ г Общий провод схемы
Т
Рис. 7.8. Простейший логический пробник
205
. <-
живающие его в исходном состоянии. Если в управляющей программе про¬
изошел сбой, эти импульсы прекращают поступать в WDT и по прошествии
определенного времени WDT срабатывает. При этом он формирует сигнал
сброса (reset), останавливающий микро-ЭВМ. Это предотвращает появле¬
ние и развитие опасных ситуаций в системе управления, где используется
данная ЭВМ. Срабатывание WDT сигнализируется светодиодом.
Аппаратно контролируется также состояние кабелей, соединяющих
микропроцессорный блок обработки с удаленными датчиками дискретного
действия и преобразователем сигналов. При этом определяются такие отка¬
зы, как обрыв или короткое замыкание в кабеле. При обрыве ток в кабеле
становится равным нулю, при коротком замыкании - достигает некоторого
максимального значения. '
Исправность кабеля и удаленного аналогового преобразователя с токо¬
вым выходом (см. п.6.3) контролируется по уровню потребляемого тока. Так,
если при нормальном состоянии ток находится в диапазоне 4...20 мА, то
снижение его уровня до 3 мА и менее или возрастание до 32 мА идентифи¬
цируется как неисправность. При обнаружении неисправности в кабеле про¬
граммой МПСУ формируется соответствующее сообщение.
В ответственных МПСУ работа наиболее важных каналов управления
контролируется аппаратно. Пример - МПСУ двигателя ME. На рис.7.9 пока¬
зан видеокадр контроля канала № 80 с помощью специально выделенного
для этой цели канала №20. Контролирующий канал анализирует уровень то- ■
ка, поступающего к нагрузке (например, к обмотке электромагнитного кла¬
пана) контролируемого канала. Для этого последовательно в цепь нагрузки
включен датчик тока - резистор с небольшим сопротивлением, подключен¬
ный к контакту “5” канала №20. Выходной канал № 80 считается исправ¬
ным, если падение напряжения на датчике тока составляет 6... 150 мВ, если
контакты выходного реле разомкнуты (состояние OFF), или 150...800 мВ
при замкнутых контактах реле (состояние ON).
Однако, данный способ самоконтроля весьма дорогой.
К программным средствам относятся две разновидности специальных
программ, включаемых в программное обеспечение МПСУ - тестирующие и
диагностические. Тестирующая программа позволяет определять лишь сам
факт работоспособности устройства (исправно/неисправно). Она вводится в
действие оператором по необходимости или выполняется автоматически сра¬
зу после подачи питания на устройство.
206
Рис.7.9 Видеокадр взаимной проверки каналов в МПСУ двигателя ME
Диагностическая программа работает непрерывно, параллельно с основ¬
ной программой микроЭВМ и позволяет определить неисправность до уров¬
ня сменного блока (ОЗУ, ПЗУ и др.). Диагностическое сообщение о неис¬
правности выводится на монитор компьютера чаще всего в закодированном
(или предельно сокращенном) виде - в виде кода ошибки (Error Code),
представляющего собою набор цифр. Расшифровка этого сообщения дается в
инструкции по эксплуатации на устройство, в разделе поиск и устранение
неисправностей. Получив диагностическое сообщение о неисправности, сле¬
дует заменить блок из ЗИПа или заказать его ремонт специализированным
береговым службам.
В связи с усложнением судовых МПСУ существенно расширяются и
функции встроенных средств самодиагностики. В качестве примера - МПСУ
двигателя типа ME. В программном обеспечении этой МПСУ имеется база
данных по ее типовым отказам. На основе этой базы в МПСУ создана сис¬
тема информационной поддержки для принятия решения обслуживающим
персоналом. Так, при диагностировании определенной неисправности, авто¬
207
матически, в специальном информационном окне на мониторе компьютера
выводится следующая информация:
- вид неисправности;
- возможные причины неисправности;
- возможные последствия неисправности;
- меры, рекомендуемые для устранения неисправности.
Пример содержимого окна информационной поддержки дан на рис. 7.10.
Description: Amplifier Гог ELFl/FiVA valve has shut down due to too nigh current consumption by the valve.
Cause Catting Between CCU and amplifier, cabling from amplifier to valve spool. ELFI (Slot spool friction. Amplifier
failure (fuse).
Effect injection are stopped smce the amplifier cannot defter the required current before ft has been reset In
case of FtVA exhaust valve operation is also stopped
Action: Inspect entire cabling to and from amplifier. Nonce tins indudes several connections to the CCU and to the
ELFI/FTVA valve. It cabling OK replace CCU. check, replace ELFI^IVA valve, check and finally replace
amplifier.
Рис. 7.10. Пример содержимого окна информационной поддержки в МПСУ двигателя ME '
В заключение следует отметить, что, несмотря на сложность многих су¬
довых электронных и, особенно, микропроцессорных систем, значительное
число их отказов носит традиционный для электротехники характер - обрыв,
короткое замыкание, отсутствие контакта и т.д. Так по данным фирмы MAN
B&W (на 2012 год) основными причинами отказов микропроцессорной сис¬
темы управления ее двигателей ME являлись:
- более высокие, чем предполагались при проектировании, ударные и виб¬
рационные нагрузки, уровни температуры;
- некачественные электрические соединители (“коннекторы”), что часто
нарушало функционирование датчиков и исполнительных механизмов;
- влияние помех из-за плохой прокладки кабелей и статическое электриче¬
ство.
Во многих случаях причины и признаки отказов лежат буквально на по¬
верхности. Зачастую достаточно провести тщательный осмотр и вниматель¬
но проанализировать ситуацию.
7.5 Принципы замены неисправных электронных приборов
и блоков
Причина отказа должна быть установлена и устранена до замены отказав¬
шего блока или элемента. В противном случае можно легко лишиться ЗИПа.
Неисправный элемент заменяется либо однотипным, либо его прибли¬
женным аналогом. Аналог, используемый для замены отказавшего резистора,
208
• ■■■■■■■ - ■: ' - ■" • *?#.
диода, транзистора, тиристора, конденсатора должен иметь предельно¬
допустимые электрические параметры не хуже, чем у отказавшего.
Номинальное сопротивление резистора должно быть таким же, как у
отказавшего элемента. Чтобы его получить, можно использовать параллель¬
ное или последовательное включение нескольких резисторов. '
К емкости конденсаторов обычно не предъявляется жестких требований.
В большинстве случаев выходят из строя конденсаторы, установленные в це¬
пях питания. При их замене емкость нового конденсатора может превышать
емкость вышедшего из строя в 2 и более раз.
Интегральные микросхемы должны заменяться однотипными.
Замена отказавшего блока трудностей не представляет, поскольку блок
обычно имеет разъемное электрическое соединение (разъем).
Замена отдельных элементов выполняется пайкой в следующем порядке:
- удаляется неисправный элемент; если выпаять его сложно или есть ве¬
роятность повреждения печатных проводников на плате, выводы эле¬
мента перекусываются кусачками, а их остатки выпаиваются индивиду¬
ально;
- подготавливается новый элемент: его выводы механически зачищаются
от окиси и залуживаются, т.е. покрываются припоем, формируются; для
залуживания и последующей пайки используется маломощный (20...25
Вт) паяльник, легкоплавкий припой и канифольный флюс; из отечест¬
венных оловянисто-свинцовых припоев наименьшую температуру плав¬
ления (я180°С) имеет припой ПОС - 60; использование флюсов,
содержащих кислоты категорически не рекомендуется;
- новый элемент впаивается в схему, при этом температура жала
паяльника долна быть не более 250°С; деталь по возможности должна
лежать на плате; время пайки должно быть не более 2...3 с, с
последующей паузой для охлаждения; во время пайки необходимо
создать теплоотвод между корпусом прибора и местом пайки - с
помощью пинцета, плоскогубцев и т.д.; изгиб вывода элемента
допускается на расстоянии не менее 3... 5 мм от его корпуса, с радиусом
не менее 2 мм.
- место пайки после удаления флюса рекомендуется покрыть защитным
лаком.
209
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Денисенко. В.В. Компьютерное управление технологическим процес¬
сом, экспериментом, оборудованием- М.: Горячая линия-Телеком,
2009.- 608 с.
2. Жадобин, Н.Е. Электронные и микропроцессорные системы управле¬
ния судовых энергетических и электроэнергетических установок:
учебник / Н.Е. Жадобин, Н.А. Алексеев, А. Крылов. - М.: Проспект,
2010. -528 с.
3. Кузнецов, С.Е. Основы технической эксплуатации судового электро¬
оборудования и автоматики: учебник / С.Е. Кузнецов, B.C. Филев. -
СПб.: Судостроение, 1995. - 448 с.
4. Правила технической эксплуатации судовых технических средств и
конструкций. РД 31.21.30-97. - СПб.: 1997.-337 с.
5. Самойленко, А.Ю. Электронные и микропроцессорные средства судо¬
вых систем управления: Компьютерный лабораторный практикум. -
Новороссийск: МГА имени адм. Ф.Ф.Ушакова, 2010. - 146 с.
6. Тимофеев, Ю.К. Системы управления судовыми энергетическими про¬
цессами. - СПб.: Судостроение, 1994. - 315 с.
7. Усатенко, С.Т. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник
/ С.Т. Усатенко, Т.К. Каченюк, М.В. Терехова. - М.: Издательство
стандартов, 1989. - 325 с.
8. Штумпф, Э.П. Судовая электроника и силовая преобразовательная тех¬
ника: учебник. - СПб.: Судостроение, 1993. -352 с.
210