Данная публикация изъята из фонда.
Судовая электроника и силовая преобразовательная техника. Конспект лекций
Покупка
Основная коллекция
Год издания: 2014
Кол-во страниц: 108
Дополнительно
Разработаны в соответствии Госстандартом и учебным планом по специальности 190701 "Организация перевозок и управление на водном транспорте", 080502 "Экономика и управление на предприятии", 080507 "Менеджмент организации". Предназначены для студентов всех форм обучения.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 26.03.02: Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры
- ВО - Магистратура
- 26.04.02: Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры
- ВО - Специалитет
- 26.05.01: Проектирование и постройка кораблей, судов и объектов океанотехники
- 26.05.02: Проектирование, изготовление и ремонт энергетических установок и систем автоматизации кораблей и судов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РФ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА Герасимов А.С., Сандлер М.С.. Конспект лекций по дисциплине СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Издательство «Альтаир» Москва-2014
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА Герасимов А.С., Сандлер М.С. СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Конспект лекций Альтаир–МГАВТ Москва 2014
УДК Герасимов А.С., Сандлер М.С. СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА. Конспект лекций.— М.: Альтаир–МГАВТ, 2014, — 108 с. Разработаны в соответствии Госстандартом и учебным планом по специальности 190701 «Организация перевозок и управление на водном транспорте», 080502 «Экономика и управление на предприятии», 080507 «Менеджмент организации». Предназначены для студентов всех форм обучения. Рецензенты — кандидат технических наук, профессор Власов Д.Г., кандидат физикоматематических наук, доцент Исаков А.В. Рекомендованы к изданию Учебного–методическим советом МГАВТ Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании электрооборудования (протокол № 8 от 23.06. 2013.) Ответственность за оформление и содержание передаваемых в печать материалов несут авторы и кафедры академии, выпускающие учебно-методические материалы © МГАВТ, 2013 © Герасимов А.С., 2013 © Сандлер М.С., 2013
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение. Роль судовой электроники и силовой преобразовательной
техники в составе электрооборудования судов. Условное разделение между
судовой электроникой и силовой преобразовательной техникой на корабле.
Особенности работы электроники и силовой преобразовательной техники в
судовых условиях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Полупроводниковые приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1. Природа и типы проводимости полупроводников. Два вида
примесей: донорная и акцепторная. Электронно-дырочный
переход. Полупроводниковый диод . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Биполярные транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Тиристоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4. Оптоэлектронные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5. Интегральные микросхемы. Микропроцессоры . . . . . . . . 21
3. Электровакуумные и газоразрядные приборы . . . . . . . . . . 21
3.1. Электровакуумные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2. Газоразрядные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4. Пассивные элементы электроники . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.1. Постоянные и переменные резисторы . . . . . . . . . . . . . 31
4.2. Постоянные и переменные конденсаторы . . . . . . . . . . . 31
4.3. Трансформаторы и дроссели . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4. Полупроводниковые резисторы . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.5. Полупроводниковые гальваномагнитные элементы . . . . . . 35
4.6. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи . . . 38
5. Усилители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2. Обратные связи в усилителях . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3. Способы снятия и подачи сигнала обратной связи . . . . . . . 40
5.4. Усилитель переменного напряжения на транзисторе в схеме
с общим эмиттером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.5. Усилитель переменного напряжения на транзисторе в схеме
с общим эмиттером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.6. Усилитель напряжения в схеме с общим коллектором
(эмиттерный повторитель) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.7. Многокаскадные усилители. Виды связи между каскадами . . . 44
5.8. Усилители мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6. Генераторы сигналов различной формы . . . . . . . . . . . . 53
6.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2. Генератор прямоугольных колебаний – мультивибратор . . . . 54 6.3. Ждущий мультивибратор (одновибратор) . . . . . . . . . . . 56 6.4. Блокинг-генератор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6.5. Генераторы треугольных (пилообразных) импульсов. . . . . . 58 6.6. Генераторы гармонических колебаний . . . . . . . . . . . . 59 7. Преобразователи сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7.1. Аналоговые преобразователи на операционных усилителях . . 61 7.2. Множительно-делительные устройства . . . . . . . . . . . 64 7.3. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи . . . 67 8. Источники питания электронной аппаратуры . . . . . . . . . 71 8.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 8.2. Выпрямители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 8.3. Неуправляемые выпрямители . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8.4. Общее представление об управляемых выпрямителях . . . . . 76 8.5. Выпрямители с умножением напряжения . . . . . . . . . . . 77 8.6. Сглаживающие фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8.7. Стабилизаторы постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . 80 8.8. Инверторы малой мощности автономные . . . . . . . . . . . 83 8.9. Импульсные преобразователи постоянного напряжения . . . . . 88 8.10. Импульсные стабилизаторы напряжения постоянного тока . . . 90 9. Силовые полупроводниковые преобразователи . . . . . . . . . 91 9.1. Силовые управляемые выпрямители . . . . . . . . . . . . . 91 9.2. Последовательное и параллельное включение выпрямителей . . 94 9.3Векторныедиаграммыдляразноговключенияпитающих обмоток трехфазных выпрямителей. . . . . . . . . . . . . . . . 96 9.4. Высшие гармоники в управляемых выпрямителях . . . . . . . 98 9.5. Энергетические показатели управляемых выпрямителей . . . . 98 9.6. Преобразователи частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 9.7. Преобразователи переменного напряжения в переменное . . . . 103 9.8. Силовые переключатели постоянного тока . . . . . . . . . . 104 9.9. Защита тиристорных преобразователей . . . . . . . . . . . . 105 Рекомендуемая литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
1. ВВЕДЕНИЕ Роль судовой электроники и силовой преобразовательной техники в составе электрооборудования судов. Условное разделение между судовой электроникой и силовой преобразовательной техникой на корабле. Особенности работы электроники и силовой преобразовательной техники в судовых условиях В современном образовательном процессе студентам электротехнических специальностей в соответствие с программой обучения преподаются различные курсы, связанные с электротехникой и электроникой, общего и специального характера. Поэтому в настоящем курсе нет необходимости объяснять заново, что такое электроника. Заметим только, что с течением времени электронные приборы, во-первых, все больше проникают в различные области техники, науки, в наш быт. И, во-вторых, сами электронные приборы совершенствуются, в течение относительно небольшого времени появляются новые классы электронных приборов и систем. Одним из очевидных примеров этого может служить компьютерная техника. Нынешнее поколение преподавателей еще помнит электронновычислительные машины на электронных лампах, затем на дискретных полупроводниковых элементах, системы записи на магнитных лентах и системы ввода данных с перфокарт. В современных компьютерных системах переход к новым поколениям процессоров и других важнейших элементов происходит каждые несколько лет. При этом возможности компьютерной техники многократно увеличиваются. Этот пример близок и хорошо понятен молодым людям, поскольку они составляют значительную часть потребителей бытовой компьютерной и мультимедийной техники. Аналогичный прогресс происходит во всех областях, связанных с развитием промышленной электроники общего и узкоспециального назначения. Также и в транспортном флоте расширяются сферы применения судовой электроники и круг задач, решаемых с ее участием. Электронные приборы и системы на судах можно условно разделить на две большие категории в зависимости от выполняемых функций. К первой категории относятся приборы, входящие в состав систем управления, контроля, получения, хранения и отображения информации. Как правило, эти приборы не потребляют большой мощности, они относятся к классу слаботочной электроники. Основным требованием, предъявляемые к ним, является точность работы. Вопросы, связанные с потребляемой мощностью, являются для них второстепенными. Ко второй категории относятся приборы, основным назначением которых является преобразование больших потоков энергии. Эту категорию приборов называют силовой электроникой, энергетической электроникой, силовой
преобразовательной техникой. Она связана с применением мощных электрических гребных установок, мощных электрических машин в качестве различных приводов, в которых используются разные виды тока — постоянный или переменный, а также мощных электронных преобразователей различного вида тока для этих машин. Между этими двумя категориями не существует четкого разделения. Основные принципы построения приборов могут быть одинаковыми, диапазоны мощностей могут частично перекрываться. Поэтому разделение судовых электронных приборов на судовую электронику и силовую преобразовательную технику является в известной мере условным. Для того, чтобы отнести электронное оборудование к той или иной категории, лучше всего руководствоваться его функциональным назначением. Основные компоненты электронной аппаратуры универсальны. Приборы судовой электроники в значительной степени используют унифицированные стандартные компоненты. В этом смысле судовая электроника не является уникальной, принципиально отличающейся от электронного оборудования, применяемого в других отраслях промышленности и транспорта. Однако специфические условия работы накладывают особые требования на судовое электронное оборудование. К этим условиям относятся: энергетическая автономность, отсутствие стационарного наземного источника электроэнергии; повышенная влажность, возможность попадания воды; работа в условиях качки и значительных вибрационных нагрузок, коррозионное воздействие окружающей среды. Поэтому системы судовой электроники должны быть приспособлены к работе в этих условиях. Таким образом, к особенностям работы электроники и силовой преобразовательной техники в судовых условиях можно отнести приспособленность для работы в условиях качки и вибраций, защищенность от попадания воды, повышенная коррозионная защита, надежное резервное электроснабжение. 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 2.1. Природа и типы проводимости полупроводников. Два вида примесей: донорная и акцепторная. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод Полупроводниковые приборы различных типов являются основными компонентами электронных систем. Они выполняют самые различные функции. В основе всего многообразия функций полупроводниковых приборов лежат фундаментальные свойства самих полупроводников, определяемые характером и природой проводимости полупроводников, возможностью влиять на характер проводимости, а также возможностью сочетать различные типы полупроводников.
Проводники, диэлектрики, полупроводники Все вещества по отношению к возможности проводить электрический ток делятся на три больших класса. 1. Проводники (металлы). В них проводимость определяется наличием свободных электронов, которые под действием внешнего электрического поля легко перемещаются и создают электрический ток. 2. Изоляторы (диэлектрики). В них отсутствуют свободные носители зарядов. Электроны внешних электронных оболочек прочно связаны с атомами. Если приложить к диэлектрику внешнее электрическое поле (приложить разность потенциалов к краям пластины из диэлектрика), то электрический ток не возникает из-за отсутствия свободных носителей заряда. Требуется очень высокое приложенное напряжение, чтобы оторвать электрон с внешней оболочки атома и начал идти ток. Такая ситуация применительно к диэлектрику называется электрическим пробоем и в электротехнике считается аварийной ситуацией. 3. Полупроводники. Этот класс веществ занимает промежуточную позицию между проводниками и диэлектриками со следующей точки зрения. В проводниках уже существуют свободные носители заряда. В диэлектриках для того, чтобы создать носитель заряда требуется напряжение, приводящее к электрическому разрушению структуры диэлектрика. В полупроводниках изначально почти нет свободных носителей заряда. Однако для того, чтобы оторвать электрон с внешней электронной оболочки атома, требуется относительно небольшая напряженность электрического поля (небольшое напряжение). При этом не происходит разрушение структуры полупроводника. Природа собственной проводимости полупроводников К основным полупроводникам относятся элементы четвертой группы таблицы Менделеева: кремний, германий. Они четырехвалентны. Это значит, что на внешней электронной оболочке находятся четыре электрона. Эти элементы образуют кристаллическую решетку, в которой связи между атомами, находящимися в узлах решетки, создаются этими четырьмя валентными электронами (рис.1). На рисунке каждая связь обозначена одной линией, соединяющей кружки — атомы. От каждого атома отходит четыре линии — свои валентные электроны, и приходит еще четыре линии — валентные электроны от соседних атомов.
Рис.1. Схематическое изображение кристаллической решетки. Собственная проводимость Энергия связи валентных электронов в кристаллической решетке сравнима с энергией теплового движения атомов. За счет теплового движения часть валентных связей разрывается, валентные электроны отрываются от своего места и превращаются в свободные электроны. На месте оторвавшегося электрона остается некомпенсированный положительный заряд, равный заряду электрона. Такой некомпенсированный заряд называется «дыркой». Таким образом, отрыв электрона рождает пару «электрон-дырка». Электрон является подвижным носителем заряда. Дырка является пустым местом в кристаллической решетке, и поэтому не может самопроизвольно перемещаться под действием электрического поля. Однако, если образование электроннодырочных пар приобретает массовый характер, то начинает идти обратный процесс: свободный электрон занимает пустое место — дырку — в кристаллической решетке. Таким образом, имеет место два противоположных процесса: генерация электронно-дырочных пар и их рекомбинация (исчезновение). При этом вовсе не обязательно, что электрон при рекомбинации займет именно то место, откуда он оторвался. Чаще всего он занимает место другого оторвавшегося электрона. При таком процессе не происходит направленного перемещения электрического заряда. Другая ситуация складывается, если на кристалл полупроводника воздействовать внешним электрическим полем. Оторвавшиеся свободные электроны до своей рекомбинации перемещаются в направлении, противоположном направлению напряженности поля (т.к. у электрона отрицательный заряд). А дырки, образовавшиеся при отрыве электронов, заполняются электронами, оторвавшимися ранее из мест, находящихся по направлению напряженности поля. Это значит, что вместо занятых этими электронами дырок, ранее, по направлению поля, образовалось такое же количество дырок. Таким образом, оказывается, что при наличии внешнего поля дырки тоже перемещаются, но характер их перемещения не непрерывный, как у электронов, а дискретный: одна дырка пропала, другая в этот момент родилась рядом в соседнем месте. Это похоже на «бегущие огоньки» при последовательном переключении неподвижных лампочек. Важным является
тот факт, что направление перемещения дырок — вдоль направления электрического поля. Поэтому формально дырки можно считать также носителями заряда, как и электроны. Таким образом, в чистом четырехвалентном полупроводнике за счет теплового движения возникают собственные носители заряда: отрицательные электроны и положительные дырки. Равновесная концентрация электронов и дырок заметно повышается с ростом температуры из-за повышения роли теплового движения в образовании электронно-дырочных пар. Однако ток, появляющийся при воздействии внешнего напряжения, очень мал. Этот ток называется током собственной проводимости полупроводника. Примесные полупроводники. Примесная проводимость Путем дозированного добавления примесей трехвалентных или пятивалентных атомов можно создавать кристаллическую решетку с дефектами, благодаря которым характер проводимости будет отличаться от собственной проводимости, а носителей заряда будет существенно больше. Примесные полупроводники n-типа. Электронная проводимость Элементы пятой группы таблицы Менделеева (мышьяк) имеют на внешней оболочке пять электронов. Если в качестве примеси взять малое количество атомов мышьяка, они встроятся в кристаллическую решетку основного полупроводника. Для валентных связей у примесных атомов будет использоваться всего четыре из пяти электронов. Пятый электрон окажется «ненужным» для установления связей в кристаллической решетке и оторвется от атома мышьяка. Таким образом, введение некоторого количества примесных пятивалентных атомов в кристалл основного полупроводника приводит к появлению такого же количества свободных электронов в кристаллической решетке. При наложении внешнего поля ток будет создаваться главным образом примесными носителями заряда — электронами (рис.2а) Такой полупроводник называется примесным полупроводником n-типа (по первой букве слова negative — отрицательный), а примесная проводимость такого полупроводника называется электронной проводимостью.