Текст книги "История электротехники"
Автор книги: авторов Коллектив
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 63 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]
Информационная электроника представляет собой совокупность аппаратных средств и алгоритмов (способов обработки и преобразования информации), выполняющих функции сбора, обработки, хранения, отображения информации и ее использования в задачах управления промышленными объектами и устройствами. За очень короткое (исторически) время функции информационных устройств промышленной электроники расширились и усложнились, элементная база претерпела изменения, которые принято характеризовать числом сменившихся поколений электронных приборов. Изменились конструкция и технологии изготовления, вклад средств электроники в технико-экономические показатели оборудования. С целью систематизации объектов описания и изучения предлагается хронологически-объектный подход: зарождение и первые шаги информационной электроники; первые применения в энергетике и машиностроении; направления развития информационной электроники.
Несмотря на многообразие функций, выполняемых информационной электроникой, она основана на ограниченном наборе фундаментальных технических идей. Значительная их часть известна с начала столетия, они используются в различных областях техники, упоминание о них можно найти в различных частях настоящей книги. Реализация этих идей в промышленных технических средствах преобразования информации существенно зависела от состояния и уровня технологии. В области информационной электроники наиболее распространенные преобразования информации включают:
усиление электрических сигналов;
сканирование, развертывающее преобразование сигнала;
обратную связь, построение замкнутых систем;
дискретизацию (квантование) сигнала по времени и уровню.
Более новые способы, получившие развитие в середине века:
аппаратное преобразование Фурье, в том числе быстрое преобразование Фурье;
цифровая фильтрация сигналов.
11.4.2. УСИЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВПервые шаги в применении информационных устройств в промышленности связаны с усилением слабых электрических сигналов. Исторически первым применением усиления стала передача сигналов по радио. Воспринятые слабые сигналы нуждались в усилении для того, чтобы они могли производить необходимый эффект – звуковой (усилители радиоприемников), электротехнический (радиоуправляемые устройства). Электронные устройства в промышленности нашли применение в двух сферах: измерительной (получение информации о состоянии объекта) и исполнительной (осуществление энергетического воздействия). Вторая сфера предполагает возможность применения в автоматических (без участия человека) устройствах управления, поэтому требует более высокой надежности. Неслучайно первые электронные средства играют роль осведомителей или советчиков, оставляя решение за человеком (оператором). Усилительные устройства оказались весьма полезными в связи с необходимостью получения электрических сигналов о значениях неэлектрических величин и их унификации. Основным стимулятором создания электронных промышленных приборов послужило развитие электро– и теплоэнергетики. С появлением первых электрических и тепловых сетей возникла необходимость централизованного контроля и регулирования расхода рабочего вещества (топлива и теплоносителя), уровня жидкости, температуры и других параметров веществ, участвующих в технологическом процессе. С развитием химической, пищевой, легкой и других отраслей промышленности, естественно, расширялся список параметров, подлежащих контролю. К нему добавились вязкость, оптические свойства, химический состав веществ и т.п. Однако наиболее многочисленными стали приборы для измерения, регистрации и регулирования температуры с термопарами и терморезисторами.
Структура всех средств содержит измерительный преобразователь (датчик) первичной информации, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал; электронный узел усиления и преобразования электрического сигнала; электромеханическое устройство регистрации и (или) исполнительный механизм для энергетического воздействия на контролируемый параметр.
Рис. 11.11. Автоматический компенсатор постоянного тока, запись на бумажной ленте шириной 275 мм (1960 г.)
Усилители на электронных лампах характеризовались значительным разбросом параметров и нестабильностью во времени коэффициента усиления. Поэтому широкое распространение получили методы устранения влияния усилителя на качество работы прибора и системы в целом:
применение компенсационных методов измерения;
применение отрицательных обратных связей в усилителях.
Получившие широкое распространение электронные автоматические мосты и потенциометры преобразовывали измеряемую величину в перемещение движка потенциометра и связанное с ним перемещение стрелки показывающего прибора (рис. 11.11). Перемещение прекращалось, когда снимаемое с потенциометра напряжение полностью компенсировало входной сигнал. Электронный усилитель, на вход которого поступает разность измеряемого входного и компенсирующего сигналов, выполняет роль нуль-органа; к нему не предъявляется жестких требований стабильности, линейности в широком диапазоне измеряемых значений, поскольку в установившемся режиме он работает в режиме, близком к нулевому значению усиливаемого сигнала.
Для ослабления других дестабилизирующих факторов в усилителях широко использовались отрицательные обратные связи. Анализу и расчету усилителей и других схем на электронных лампах посвящены работы американского ученого Г. Боде по теории и проектированию усилителей с обратной связью (1948 г.), A.M. Бонч-Бруевича, Г.С. Цыкина, А.А. Ризкина, Г.В. Войшвилло (1956–1963 гг.) [11.33–11.37].
Одно из ранних применений электронных усилителей связано со стабилизацией источников питания. Стабилизаторы напряжения на электронных лампах представляют собой замкнутую систему с глубокой отрицательной обратной связью, с усилителями постоянного тока и пониженным минимальным остаточным напряжением. Разработка таких усилителей потребовала создания специальных мощных регулирующих ламп и исследования вопросов устойчивости и коррекции замкнутых систем.
Системы с обратной связью (замкнутым контуром регулирования) образуют весьма обширный класс. К ним относятся практически любые усилительные устройства, регуляторы, стабилизаторы и др. Изучение таких систем дало мощный стимул к созданию теории устойчивости, разработке систем с требуемыми параметрами быстродействия и качества регулирования. Анализу и синтезу систем с замкнутым контуром регулирования посвящена обширная литература.
Наиболее ощутимый вклад в методы расчета систем автоматического регулирования внесли работы советских ученых М.А. Айзермана, С.В. Емельянова, Л.С. Гольдфарба, B.C. Пугачева, Я.З. Цыпкина (1965–1975 гг.). Заложенные ими и многими другими исследователями теоретические основы позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области авиационной техники и ракетно-космических систем [11.39–11.44].
11.4.3. ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВАИмпульсными называют информационные и энергетические электронные устройства, основанные на работе переключающих элементов и управлении моментами включения и выключения этих элементов. В зависимости от закона управления различают системы с амплитудной, частотной, широтной и фазовой модуляцией. Первые электронно-ионные регуляторы, основанные на фазоимпульсном методе регулирования, были разработаны в СССР в 1937–1941 гг. Л.С. Гольдфарбом и Г.Р. Герценбергом. Они содержали все узлы, характерные и для современных систем импульсного регулирования: измеритель регулируемой величины, компаратор, усилитель рассогласования, импульсный модулятор и усилитель мощности для энергетического воздействия на объект управления.
Импульсные энергетические преобразовательные устройства, основанные на работе управляемых силовых вентилей и полупроводниковых ключевых элементов в замкнутых системах импульсного регулирования, являются основой быстро развивающегося направления силовой (энергетической) электроники.
Информационные импульсные устройства основаны на преобразовании информации с использованием одного из видов импульсной модуляции, дискретизации данных и изменении числа координат. Наиболее распространенные виды преобразования информации импульсными устройствами: развертка (сканирование), частотно– и широтно-импульсная модуляция, измерение временных характеристик сигнала (моментов перепада, периода, частоты).
Впервые идея сканирования как последовательного просмотра точек плоского объекта была запатентована в Германии в 1884 г. Паулем Нипковым. Диск П. Нипкова был основой первого телевизора с механической разверткой. Благодаря развертке плоский двумерный образ преобразовывался в одномерный сигнал яркости.
На принципе развертывания основано осциллографирование процессов, изменяющихся во времени. Привычная всем картина изменения сигнала в функции времени на экране электронно-лучевой трубки может быть получена при условии равномерного движения изображающего элемента (электронного луча, светящейся точки) по одной координате и отклонения этого элемента по другой координате на значение, пропорциональное сигналу. Идея развертки для наблюдения процессов была выдвинута Л.И. Мандельштаммом в России в 1907 г., применение электронно-лучевой трубки с этой целью предложено в России Б.Л. Розингом в том же году. Эта фундаментальная идея дала множество выдающихся технических решений.
Применение развертывающего преобразования можно пояснить несколькими примерами из арсенала средств промышленной электроники.
Определение местонахождения поврежденного участка основано на использовании отраженного эхосигнала и точном измерении времени между посланным зондирующим импульсом и принятым отраженным.
К этому классу приборов относятся искатели повреждений в линиях электропередачи. Искатель повреждений генерирует зондирующий импульс напряжения, который распространяется в линии, порождая отражения от различных неоднородностей. Измеряя время между зондирующим и отраженным импульсами, можно определять местонахождение аварийного участка.
К этому же классу приборов относятся импульсные ультразвуковые дефектоскопы. Источником зондирующих сигналов в них служит пьезопреобразователь, дающий акустический импульс; он же используется и для обратного преобразования отраженного акустического сигнала в электрический.
Точное измерение времени между зондирующим и отраженным импульсами производится одним из двух способов: измерением расстояния между импульсами на экране электронно-лучевой трубки или подсчетом числа меток времени, генерируемых с эталонной частотой. Второй из этих методов оказался более предпочтительным и получил широкое распространение и развитие.
Время – наиболее удобная физическая величина для эталонирования и прецизионного измерения. Кварцевые генераторы давно и прочно вошедшие в практику радиотехнических систем, продолжают до наших дней сохранять свое место и значимость, как простые и сравнительно дешевые эталоны частоты или интервалов времени с точностью порядка 10-6–10-7.
Приборы для ультразвуковой дефектоскопии и искатели повреждений широко распространены в энергетике, машиностроении, железнодорожном транспорте. Они не требуют мощных установок высокого напряжения, как рентгеновские промышленные аппараты, экологически безопасны в отличие от радиоизотопных дефектоскопов. При частоте ультразвуковых колебаний 2–4 МГц удается обнаруживать неоднородности в материале площадью до 1 мм2. В Советском Союзе промышленное производство дефектоскопов ведется с 50-х годов.
Промышленное применение развертывающего преобразования связано с измерением ширины листа прокатываемого металла. При большой скорости движения полосы горячего металла в условиях вибрации единственным способом измерения могло быть бесконтактное оптическое сканирование. Измеритель проката был разработан в лаборатории автоматики Института черной металлургии (Г.Х. Зарезанко). Два сканирующих измерительных устройства определяли координаты обеих кромок листа, разность координат в 1960 г. с помощью показывающих и регистрирующих приборов позволяли быстро измерить и зафиксировать ширину ленты проката. Создателю установки пришлось решить проблему оптических помех, точного и воспроизводимого измерения положения фронта импульсов при сравнительно низкой крутизне.
Развертывающее преобразование в промышленных устройствах было реализовано с помощью специально разработанного для таких устройств прибора – диссектора. Сравнительно низкая чувствительность компенсировалась большой яркостью источника света. Быстродействие диссектора оказалось существенно выше, чем у передающих телевизионных трубок с накоплением заряда.
Естественным следующим шагом на пути развития развертывающих и сканирующих устройств стали установки промышленного телевидения. Их основные функции – наблюдение за процессами в условиях, когда непосредственное нахождение оператора вблизи объекта невозможно, нежелательно или сопряжено с опасностью [11.45, 11.46].
На развитие импульсной техники решающее влияние оказало развитие радиолокации. Это направление способствовало, во-первых, формированию импульсов высокой энергии. Повышение мощности излучаемого импульса при разумных ограничениях на среднюю энергию установки стало возможным лишь благодаря импульсному характеру работы при отношении периода к длительности импульса порядка 1000. Во-вторых, разрешающая способность импульсного устройства во времени могла быть повышена только за счет увеличения крутизны фронтов используемых сигналов. Как и во многих других направлениях, промышленное использование импульсной техники стало вторичным результатом их применения в оборонных отраслях. Благодаря импульсному характеру сигнала удавалось получать импульсы высоких энергий от относительно маломощных устройств. Этому способствовало свойство электронных ламп с оксидными катодами давать огромные по сравнению со средними токи импульсной эмиссии. Электронная лампа со средним током в десятки миллиампер могла длительное время эксплуатироваться с импульсными токами в несколько ампер.
В отличие от радиолокационных систем технические средства промышленной электроники заняли полный диапазон возможностей и способов импульсной модуляции. Регулирование среднего и действующего напряжений осуществлялось путем изменения коэффициента заполнения при широтно-импульсном регулировании. Исторически первой была освоена разновидность импульсного регулирования, при которой синхронное с сетью отпирание вентиля осуществлялось с запаздыванием по отношению к моменту естественной коммутации. Широтно-импульсное регулирование постоянного напряжения получило распространение в высокоэкономичных импульсных стабилизаторах постоянного напряжения. Это стимулировало развитие и инженерное приложение теории замкнутых импульсных систем.
Анализу импульсных систем в 60-е годы посвящены фундаментальные работы Я.З. Цыпкина [11.39]. В промышленной электронике для решения задач регулирования мощности импульсная техника стала главным инструментом воздействия. Классические методы управления преобразователями, основанные на использовании угла запаздывания отпирания управляемых вентилей, вначале базировались на сдвиге фазы управляющего сеточного напряжения ртутных преобразователей (так называемый горизонтальный метод). Следующим и гораздо более перспективным стал вертикальный метод. Сущность его состояла в фиксации момента сравнения развертывающего (гармонического или пилообразного) сигнала с управляющим. Вертикальный метод фазосмещения стал основным инструментом широтно-импульсного, фазоимпульсного и (в соответствующем исполнении) частотно-импульсного регулирования.
Многоканальная система импульсно-фазового управления преобразователями служит для управления многофазными преобразователями. Система содержит несколько (по числу фаз) источников опорного напряжения, синхронных с напряжениями питания соответствующих фаз. Напряжения опорных источников сравниваются с помощью компараторов с единственным для всех фаз управляющим сигналом. Задержка срабатывания каждого компаратора дает запаздывание момента отпирания вентиля в соответствующей фазе. Форма опорного напряжения (косинусоидальная или пилообразная) дает разные регулировочные характеристики.
Для успешной реализации вертикального способа фазосмещения необходимо было решить вспомогательные задачи формирования опорного напряжения, сравнивания двух сигналов, формирования управляющего импульса определенной амплитуды и длительности в момент равенства двух сигналов. Для выполнения этих задач были разработаны специальные импульсные схемы: в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем было предложено катодное реле; в 1919 г. американцы X. Абрагам и Е. Блох изобрели мультивибратор; в 1919 г. американцы В. Иклс и Ф. Джордан изобрели схему, без которой трудно представить себе современную компьютерную цивилизацию, – триггер. Были сделаны сотни изобретений различного рода формирователей импульсов, генераторов линейно изменяющихся напряжений и токов, блокинг-генераторов (мощных импульсных схем с глубокой положительной обратной связью).
Анализ схем с обратными связями, возникновение колебаний в нелинейных системах, решение задач об устойчивости таких схем стали предметом работ А.А. Андронова, А.А. Витта, С.Э. Хайкина (1959 г.) [11.38].
11.4.4. РАЗВИТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНИКИСоздание транзисторов в 50-х годах положило начало развитию полупроводниковой информационной техники.
Первый отечественный точечный транзистор обладал усилительными свойствами, однако большой технологический разброс параметров и сильное влияние температуры на параметры прибора сделали его мало перспективным прибором для усиления. Расцвет полупроводниковой схемотехники начался с создания и широкого распространения плоскостных сплавных транзисторов. Такие привлекательные качества транзисторных устройств, как отсутствие цепей накала и мгновенная готовность к действию, малые габариты и высокая механическая прочность, неограниченный срок службы, были главными аргументами в течение первых лет развития полупроводниковой схемотехники в споре со сторонниками ламповой электроники. Те, в свою очередь, указывали на низкое входное сопротивление, температурную нестабильность, сравнительно низкую предельную частоту.
Так или иначе, вновь появившийся прибор – транзистор привлекал внимание специалистов разных направлений. Появилась система параметров, учитывающая, в отличие от ламповых каскадов взаимосвязь не трех, а четырех параметров: входных и выходных токов и напряжений.
Были разработаны схемы каскадов и методы расчета цепей смещения, обеспечивающие стабильность режима покоя. Значительная доля транзисторных усилителей промышленного назначения работает с сигналом сетевой частоты 50 Гц и представляет собой фазочувствительный усилитель с выходом на постоянном токе. Такие усилители использовались для управления контакторами, электромашинными и магнитными усилителями, а также в качестве промежуточных звеньев для управления тиристорными и иными мощными силовыми ключами.
Подобные фазочувствительные усилители нуждаются в уменьшении мощности потерь в выходных каскадах. Здесь важную роль играет не столько КПД каскадов, сколько решение проблемы охлаждения транзисторов. Снижение мощности потерь было достигнуто заменой постоянного питающего напряжения фазочувствительных каскадов пульсирующим, полученным непосредственно в результате выпрямления переменного напряжения сети.
Полупроводниковые приборы предоставили разработчикам схем новые возможности: наличие двух видов транзисторов – p-n-р– и п-p-n-типов дало новые решения балансных симметричных схем.
Успешно разрабатывались транзисторные стабилизаторы напряжения. Их показатели были очень высоки: хорошая стабильность, высокая эффективность, множество дополнительных функциональных возможностей (защита от перегрузок, плавный пуск). Неслучайно стабилизаторы стали теми функциональными узлами, которые одними из первых начали выпускать в виде конструктивно завершенных гибридных, а затем и монолитных интегральных схем.
Продолжением и естественным развитием идеи высокоэффективных преобразований сигналов является использование ключевых свойств транзистора. Кажущаяся очевидной мысль о нулевых потерях мощности в идеальном ключевом элементе не сразу получила свое практическое выражение. Одним из первых завершенных транзисторных преобразователей с использованием ключевого режима стал хорошо известный генератор Ройера (С.Н. Royer, 1955 г., США) – автогенератор с магнитной связью на основе материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. Схемы на основе подобных генераторов быстро вытеснили контактные вибропреобразователи в источниках питания. Для того чтобы ключевые режимы транзисторов можно было использовать в целях обработки аналоговой информации требовалось глубокое понимание спектральных преобразований сигнала при различных видах импульсной модуляции и существенное повышение частотных свойств транзисторов.
Одним из первых теоретических положений о возможности передачи аналоговой информации с ограниченным спектром последовательностью импульсов следует считать теорему В.А. Котельникова (1933 г.); идеи спектральных преобразований модулируемых сигналов были развиты в классических работах А.А. Харкевича. Для реализации экономичных импульсных методов обработки сигналов потребовалось достижение предельных частот транзисторов на несколько порядков выше частоты передаваемого сигнала [11.52].
Практические достижения этого нового и перспективного направления применения транзисторов были реализованы О.А. Коссовым (1964 г.) и О.А. Хасаевым (1966 г.). Важную роль в распространении знаний о транзисторах, их практическом применении в промышленной электронике сыграли ставшие периодическими выпуски сборников статей «Полупроводниковые триоды в автоматике» под редакцией Ю.И. Конева.
Значительным успехом транзисторной электроники стало создание и широкое распространение кремниевых биполярных транзисторов. Благодаря физическим свойствам кремния эти транзисторы обладают более высокой стабильностью свойств при колебаниях температуры, значительно меньшими обратными токами переходов по сравнению с германиевыми. По мере совершенствования технологии и повышения чистоты исходного материала повысились предельные напряжения на переходах с 20–50 В у первых германиевых транзисторов до нескольких сотен вольт у современных кремниевых. Так же быстро росли частотные свойства приборов: от десятков и сотен килогерц у первых сплавных германиевых приборов до десятков мегагерц у современных кремниевых.
Изобретение в 50-е годы полевых (униполярных) транзисторов вначале не оставило заметного следа в полупроводниковой схемотехнике. Положение изменилось с разработкой новых технологий изготовления переходов. Современные полевые транзисторы не уступают биполярным по предельным значениям параметров и частотным свойствам и образуют самостоятельную группу с явно выраженными свойствами и областью применения.
Было бы несправедливо описывать развитие полупроводниковой электроники только с позиции совершенствования и обновления элементной базы. Создание новых устройств и систем промышленной электроники затронуло все сферы производства. Промышленность успешно освоила автоматизированное проектирование и производство печатных плат, беспроводной монтаж, методы входного и пооперационного контроля изделия. Тем не менее производство новых типов изделий проходило последовательно одни и те же этапы: задание на разработку, создание структурной и функциональной схем, разработка принципиальной схемы с использованием доступных и разрешенных комплектующих элементов; далее конструирования, подготовки производства и т.д. Каждая новая разработка проходила все этапы. В этих условиях было естественно для изделий массового производства автоматизировать все этапы разработки и изготовления. Так родились системы автоматизированного проектирования (САПР), системы изготовления печатных плат, системы размещения деталей и автоматической пайки, контроля плат и готовых изделий.
Новой сферой применения средств электроники стала обработка логических сигналов. До сих пор предполагалось, что любой сигнал содержит информацию, которая ставится в соответствие с количественной характеристикой сигнала: мгновенным значением аналогового напряжения, частотой гармонического носителя, длительностью импульса в последовательности.
Наряду с такими сигналами все большее применение находили логические сигналы, которые могли принимать фиксированное множество значений и отвечали на вопрос, принадлежит или не принадлежит данный сигнал к одному из подмножеств.
Общеизвестными стали двоичные (бинарные) сигналы, которые давали однозначный ответ на вопрос, истинно или ложно то или иное положение. Информация в таком сигнале содержалась не в уровне сигнала, а в его принадлежности к некоторому множеству. У бинарных сигналов это множество соответствует двум различным значениям, которые определяются как высокий (единичный) и низкий (нулевой) уровень. С логическими бинарными сигналами часто встречаются в технике, когда возникает необходимость отобразить состояние контакта (замкнут, разомкнут), транзисторного ключа (насыщен или находится в режиме отсечки). На основе логических переменных были введены логические функции. Примером логической функции может служить правило функционирования некоторого устройства: агрегат должен быть включен, если присутствует напряжение сети, температура не вышла из допустимых пределов, а с момента подачи сигнала на включение прошло не менее 5 с. На начальном этапе развития логических устройств в 50-е годы была осознана возможность реализации любых алгоритмов логического управления при ограниченном элементном базисе. Достаточно иметь весьма ограниченный набор типовых логических элементов, например, И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, чтобы из них можно было создать электронное устройство любой сложности и любого функционального назначения.
Первые типовые логические элементы создавались на основе транзисторно-резисторных, диодно-транзисторных, транзисторно-транзисторных ячеек (РТЛ, ДТЛ, ТТЛ), выполняемых из дискретных компонентов навесным монтажем или на печатных платах. Конструктивно они выполнялись в виде компактного параллелепипеда в пластмассовом корпусе, иногда залитого эпоксидной смолой (рис. 11.12). Монолитный брусок с набором внешних выводов имел хорошие механические свойства. Слабым местом устройств были внешние выводы и соединения. Проектирование логических устройств означало полное, исчерпывающее описание функционирования на языке булевой алгебры, приведение к выбранному элементному базису и схемотехническое (топологическое) проектирование.
