自动化专业英语.docx
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自动化专业英语
第一部分第三单元
A逻辑变量和触发器
逻辑变量
我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量，而象或和与这样的操作被称为逻辑操作。
现在我们将简要地讨论一下这些术语之间的关联，并在此过程中，阐明用标示“真”和“假”来识别一个变量的可能值的特殊用途。
举例说明，假设你和两个飞行员在一架空中航行的飞机中，你在客舱中，而飞行员和B在驾驶员座舱中。
在某一时刻，A来到了你所在的客舱中，你并不担心这种变化。
然而，设当你和A在客舱时，你抬头发现B也已经来到了你所在的客舱中。
基于你的逻辑推理能力，你将会推断飞机无人驾驶；并且，大概你已听到了警报，以致使驾驶员之一将
迅速对此紧急情况作出响应
换句话说，假设每一位飞行员座位下面有一个电子装置，当座位上有人时，其输出电压为V1，当座位上无人时，其输出电压为V2。
现在我们用“真”来代表电压V2，从而使电压V1表示“假”。
让我们进一步制作一个带有两个输入端和一个输出端的电路，此电路的特性是：
只要两个输入，即一个输入同时和另一个输入相与，结果为V2时，输出电压才是V2。
否则，输出是V1。
最后，让我们把输入和飞行员A和B座位下的装置联结起来，并安装一个与输出Z相连的警铃，当输出是V2（“真”）时响应，否则不响应。
这样，我们已创建
了一个执行与操作的电路，这个电路能完成当两个驾驶员确实都离开驾驶舱时飞机是无人驾驶的逻辑推断。
概括一下，情形如下：
符号A、B和Z代表命题
A=飞行员A已离开座位为真（T）
B=飞行员B已离开座位为真（T）
Z=飞机无人驾驶，处于危险状况时为真（T）
当然，、和分别代表相反的命题。
例如，代表的命题是当飞行员离开驾驶舱等时为假（F），以此类推。
命题间的关系可写为
Z=AB（1-3A-1）
我们已经选择用电压来表示逻辑变量A、B和Z。
但是必须注意，实际上式（1-3A-1）是命题间的关系，与我们选择的表示命题的确切方式无关，甚至可以说与我们具有的任何物理
表示形式无关。
式（1-3A-1）指出，如果命题A和B都为真，那么命题Z就为真，否则命题Z为假。
式（1-3A-1）是一个例子，这种命题代数被称为布尔代数。
和其它处理有数字意义的变量一样，布尔代数处理的是命题，而且布尔代数对于分析仅有两个互反变量的命题之间
的关系是一种有效的工具。
SR触发器
图1-3A-1给出的一对交叉连接的或非门电路被称为触发器。
其有一对输入端S和R，分别代表“置位”和“复位”。
我们不仅用符号S和R标明端点，而且指定端点的逻辑电平。
因此，通常S=1指的是对应于逻辑电平为1的电压出现在S端。
相似的，输出端和相应的输出逻辑电平为Q和。
使用这样的符号时，我们已经明确了一个事实，即在我们下面将看到的符号操作中，输出的逻辑电平是互补的。
触发器基本的、最重要的特性是其具有“记忆”功能。
也就是说，设置S和R目前的逻辑电平为0和0，根据输出的状态，即可确定S和R在其获得当前电平之前的逻
辑电平。
术语
为方便衔接下面的讨论内容，介绍一些常见的术语，这有助于了解逻辑系统设计师中惯用的观点。
在与非和或非门（以及与和或门）中，当用其来达到我们的设计意图时，我们能够任意选择一个输入端，并把其看成是使能-失效输入，因此可考虑或非或或门。
如果被选的一个输入为逻辑1，那么门电路的输出与所有的其它输入无关。
这个被选的输入可控制门电路，其它所有输入相对于这个门电路是失效的（术语“抑制”的同义词为“失效”）。
相反，如果被选输入为逻辑0，那么它不能控制门电路，门电路能够响应其它输入。
在与非或与门中，当被选输入为逻辑0时，此输入控制并截止门电路，因为一个输入为逻辑0，那么门电路的输出不能响应其它输入。
注意一方面是或非门和或门间的区别，另一方面是与非门和与门间的区别。
在第一种情况下，当控制输入转为逻辑1时，其可获得门电路的控制；在第二种情况下，当控制输
入转为逻辑0时，其可获得门电路的控制。
▪在数字系统中，普遍的观点是把逻辑0看成一个基本的、无干扰的、稳定的、静止的状态，把逻辑1看成激励的、活跃的、有效的状态，就是说，这种状态是发生在某种操作动作之后。
因此，当作用已产生时，其倾向将是定义最后的状态作为对某逻辑变量已转为1的响应。
当“无操作发生”时，逻辑变量为逻辑0。
类似地，如果作用将通过逻辑变量的变化产生，那么最好是以这样的方式定义有关的逻辑变量，即当逻辑变量转为逻辑1时达到此效果。
在我们对触发器的讨论中，将看到持有此种观点的例子
▪P1U3BBinaryNumberSystem第一部分第三单元课文B二进制数字系统
B二进制数字系统
概述
大约在1850年由乔治·布尔提出的代数学中，变量仅允许具有两个值，真或假，通常被写为1和0，对这些变量的代数运算是与、或和非。
在1938年，香农认识到了此代数形式和电气开关系统功能间的相似之处，在这种开关中存在有通-断两种状态的器件。
布尔代数的推理过程由充当逻辑电路的开关完成。
已有大量集成电路可完成脉冲信号的逻辑操作，这些脉冲信号采用二进制数字系统，并利用电子器件的关断和导通作为二进制系统的两种状态。
二进制数字系统和其它代码
为了用晶体管直接计算十进制数，要求晶体管认识这10个状态0、1、…、9，此操作要求的精度是电子器件并不具备的。
将导通和关断作为工作状态，这样的装置可以在两态
即二进制系统中运行，因此数字计算机中的内部操作一般采用二进制系统。
在十进制系统中，基数或底数为10，小数点左边或右边的每一个位都表示其权重增加或减少10的一次幂。
在二进制系统中，底数为2，二进制小数点左边或右边的位具有的权重以2的幂次增加或减少。
数字可被编码为两个电平的脉冲串，通常标为1或0，如图1-3B-1所示。
1-3B-1b中的脉冲序列能够译为：
二进制：
125+024+123+022+121+120=
101011
十进制：
32+0+8+0+2+1=43
相反，在把十进制数43转换为二进制形式的过程中，可使其连续被2除。
每一次除后所得余数0或1即是二进制数的位数。
十进制数43的转化过程：
余数
43/2=211最低有效位
21/2=101
10/2=50
5/2=21
2/2=10
1/2=01最高有效位
等价于十进制数43的二进制数为101011。
虽然二进制数仅需两个信号电平，这种简化的获得是以附加的位数为代价的。
在以r为底数的数制中表示n位十进制数，需要m位。
其中
等式右边是一个整数，或选择下一个较大的整数。
对于一个10位的十进制数，可得m=33.2，因此必须使用34位二进制数。
二进制位叫作比特。
写为0.1101的二进制小数意味着
0.1101=121+122+023+124
=1/2+1/4+0+1/16
二进制数0.1101表示为十进制数
=0.500+0.250+0.062=0.812
小于1的十进制数的转换可通过连续乘2获得。
对于结果在小数点左边为1的每一步，记录二进制数1，然后继续计算所得十进制数的小数部分。
对于结果在小数点左边为0的每一步，记录二进制位0，然后继续计算。
把十进制数0.9375转化为二进制数，运算如下：
二进制
0.93752=1.87501最高有效位
0.87502=1.75001
0.75002=1.50001
0.50002=1.00001
0.00002=0.00000最低有效位
等价于十进制数0.9375的二进制数可写为0.11110。
最高位是第一个获得的二进制位，放置在二进制小数点的右边。
十进制数0到15的二进制等值表为:
十进制二进制十进制二进制
0081000
1191001
210101010
311111011
4100121100
5101131101
6110141110
7111151111
给出一串正脉冲和负脉冲，或正脉冲和零，或者零和负脉冲来表示二进制的1和0时，就会有许多这些脉冲可以传递的码。
计算机输入最常见的码就是BCD码，每一个十进制数需要四个脉冲或二进制数。
用此种代码，每一个十进制位转化为其二进制等值数如上表所示，也就是说，十进制数827用BCD码表示为
100000100111
计算机通过算术运算，能够容易地把此类输入转化为纯二进制形式。
解码器也能够把BCD码转化为十进制形式。
BCD码在传输中不需附加位的情况下，能够扩大到十进制数15，成为十六进制码，通常使用字母a、b、、f来表示10到15。
在某些计算机操作中应用的另一种码是八进制或8为底数的数制。
采用的符号为0、1、2、7，十进制数24可被写为八进制数30（381+080）。
八进制数字的二进制译码仅需
要BCD表中三个最小的有效位，八进制数30的二进制译码为011000。
因为十进制数24用纯二进制形式可写为11000，用八进制译码形式可写为011000，所以需要指出二进制数字转换为八进制数字的简易方法。
以三个位为一组划分二进制数，每一组显示为一个等值的八进制译码数，例如，十进制数1206以二进制表示为10010110110，以三个位为一组，可得：
二进制：
010010110110
八进制：
2266
八进制数是2266。
通过使用导电块上的电刷，光学读卡机或码盘，经常用格雷码将角位移或直线位移转换为二进制数。
由于组合误差，不能同时变化两个数位以免产生不确定性。
设计的格雷码就是为了解决此问题，其在二进制数的每一步变换中，仅需变化一个位。
此码的一种形式是
十进制格雷码
00000
10001
20011
30010
40110
50111
60101
70100
81100
91101
其它一些码被设计来降低传输误差，在这些码中将1变为0或将0变为1。
通常，检测单一误差的代码可通过把检验位与原始码相加获得。
合成码将有偶数个或奇数个1，这些码被称为偶数奇偶校验码或奇数奇偶校验码，例如0000的奇数奇偶校验码将是10000；在任何位的误差将使结果具有偶数个1，接收装置将会进行校正。
多重误差可通过更为复杂的代码形式探测。
第一部分第四单元
A功率半导体器件
功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。
它们
以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。
开关式功
率变换的效率更高。
现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类
如下：
▪二极管
▪晶闸管或可控硅
▪双向可控硅
▪门极可关断晶闸管
▪双极结型晶体管
▪电力金属氧化物半导体场效应晶体管
▪静电感应晶体管
▪绝缘栅双极型晶体管
▪金属氧化物半导体控制的晶闸管
▪集成门极换向晶闸管
二极管
电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：
电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源和变频驱动。
它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑
行功能。
典型的功率二极管具有P-I-N结构，即它几乎是纯半导体层（本征层），位于P-N结的中部以阻断反向电压。
图1-4A-1给出了二极管符号和它的伏安特性曲线。
在正向偏置条件下，二极管可用一个结偏置压降和连续变化的电阻来表示，这样可画出一条斜率为正的伏安特性曲线。
典型的正向导通压降为1.0伏。
导通压降会引起导通损耗，必须用合适的吸热设备对二极管进行冷却来限制结温上升。
在反向偏置条件下，由于少数载流子的存在，有很小的泄漏电流流过，泄漏电流随电压逐渐增加。
如果反向电压超过了临界值，叫做击穿电压，二极管雪崩击穿，雪崩击穿指的是当反向电流变大时由于结功率损耗过大造成的热击穿。
电力二极管分类如下:
标准或慢速恢复二极管
快速恢复二极管
肖特基二极管
晶闸管
闸流管或可控硅一直是工业上用于大功率变换和控制的传统设备。
50年代后期，这种装置的投入使用开辟了现代固态电力电子技术。
术语“晶闸管”来自与其相应的充气管等效装置，闸流管。
通常，晶闸管是个系列产品的总称，包括可控硅、双向可控硅、门极可关断晶闸管、金属氧化物半导体控制的晶闸管、集成门极换向晶闸管。
晶闸管可分成标准或
慢速相控型，快速开关型，电压回馈逆变器型。
逆变器型现已淘汰。
图1-4A-2给出了晶闸管符号和它的伏安特性曲线。
基本上，晶闸管是一个三结P-N-P-N器件，器件内P-N-P和N-P-N两个三极管按正反馈方式连接。
晶闸管可阻断正向和反向电压（对称阻断）。
当阳极为正时，晶闸管可由一个短暂的正门极电流脉冲触发导通；但晶闸管一旦导通，门极即失去控制晶闸管关断的能力。
晶闸管也可由阳极过电压、阳极电压的上升率（dv/dt）、结温的上升、PN结上的光照等产生误导通。
在门电流IG=0时，如果将正向电压施加到晶闸管上，由于中间结的阻断会产生漏电流；如果电压超过临界极限（转折电压），晶闸管进入导通状态。
随着门极控制电流IG的增加，正向转折电压随之减少，最后，当门极控制电流IG=IG3时，整个正向阻断区消失，晶闸管的工作状态就和二极管一样了。
在晶闸管的门极出现一个最小电流，即阻塞电流，晶闸管将成功导通。
在导通期间，如果门极电流是零并且阳极电流降到临界极限值以下，称作维持电流，晶闸管转换到正向阻断状态。
相对反向电压而言，晶闸管末端的P-N结处于反向偏置状态。
现在的晶闸管具有大电压（数千伏）、大电流（数千安）额定值。
双向可控硅
双向可控硅有复杂的复结结构，但从功能上讲，它是在同一芯片上一对反并联的相控晶闸管。
图1-4A-3给出了双向可控硅的符号。
在电源的正半周和负半周双向可控硅通过施加门极触发脉冲触发导通。
在Ⅰ+工作方式，T2端为正，双向可控硅由正门极电流脉冲触发导通。
在Ⅲ-工作方式，T1端为正，双向可控硅由负门极电流脉冲触发导通。
双向可控硅比一对反并联的晶闸管便宜和易于控制，但它的集成结构有一些缺点。
由于少数载流子效应，双向可控硅的门极电流敏感性较差，关断时间较长。
由于同样的原因，重复施加的dv/dt额定值较低，因此用于感性负载比较困难。
双向可控硅电路必须有精心设计的RC缓冲器。
双向可控硅用于电灯的亮度调节、加热控制、联合型电机驱动、50/60赫兹电源频率的固态继电器。
门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管，顾名思义，是一种晶闸管类型的器件。
同其他晶闸管一样，它可以由一个小的正门极电流脉冲触发，但除此之外，它还能被负门极电流脉冲关断。
GTO的关断能力来自由门极转移P-N-P集电极的电流，因此消除P-N-P／N-P-N的正反馈效应。
GTO有非对称和对称电压阻断两种类型，分别用于电压回馈和电流回馈变换器。
GTO的阻断电流增益定义为阳极电流与阻断所需的负门极电流之比，典型值为4或5，非常低。
这意味着6000安培的GTO需要1,500安培的门极电流脉冲。
但是，脉冲化的门极电流和与其相关的能量非常小，用低压电力MOS场效应晶体管提供非常容易。
GTO被用于电机驱动、静态无功补偿器和大容量AC/DC电源。
大容量GTO的出现取代了强迫换流、电压回馈的可控硅换流器。
图1-4A-4给出了GTO的符号。
电力MOS场效应晶体管
与以前讨论的器件不同，电力MOS场效应晶体管是一种单极、多数载流子、“零结”、电压控制器件。
图1-4A-5给出了N型MOS场效应晶体管的符号。
如果栅极电压为正并且超过它的门限值，N型沟道将被感应，允许在漏极和源极之间流过由多数载流子（电子）组成的电流。
虽然栅极阻抗在稳态非常高，有效的栅—源极电容在导通和关断时会产生一个脉冲电流。
MOS场效应晶体管有不对称电压阻断能力，如图所示内部集成一个通过所有的反向电流的二极管。
二极管具有慢速恢复特性，在高频应用场合下通常被一个外部连接的快速恢复二极管旁路。
虽然对较高的电压器件来说，MOS场效应晶体管处于导通时损耗较大，但它的导通和关断时间非常小，因而开关损耗小。
它确实没有与双极性器件相关的少数载流子存储延迟问题。
虽然在静态MOS场效应晶体管可由电压源来控制，通常的做法是在动态由电流源驱动而后跟随一个电压源来减少开关延迟。
MOS场效应晶体管在低压、小功率和高频（数十万赫兹）开关应用等领域得到极其广泛的应用。
譬如开关式电源、无刷直流电机、步进电机驱动和固态直流继电器。
绝缘栅双极型晶体管
在20世纪80年代中期出现的绝缘栅双极型晶体管是功率半导体器件发展历史上的一个重要里程碑。
它们在中等功率（数千瓦到数兆瓦）的电力电子设备上处处可见，被广泛用于直流/交流传动和电源系统。
它们在数兆瓦功率级取代了双极结型晶体管，在数千瓦功率级正在取代门极可关断晶闸管。
IGBT基本上是混合的MOS门控通断双极性晶体管，它
综合了MOSFET和BJT的优点。
它的结构基本上与MOSFET的结构相似，只是在MOSFET的N+漏极层上的集电极加了一个额外的P+层。
IGBT有MOSFET的高输入阻抗和像BJT的导通特性。
如果门极电压相对于发射极为正，P区的N型沟道受到感应。
这个P-N-P晶体管正向偏置的基极—发射极结使IGBT导通并引起N－区传导性调制，这使得导通压降大大低于MOSFET的导通压降。
在导通条件下，在IGBT的等效电路中，驱动器MOSFET运送大部分的端子电流。
由寄生N-P-N晶体管引起的与晶闸管相似的阻塞作用通过有效地减少P+层电阻系数和通过MOSFET将大部分电流转移而得到预防。
IGBT通过减小门极电压到零或负电压来关断，这样就切断了P区的导通通道。
IGBT比BJT或MOSFET有更高的电流密度。
IGBT的输入电容（Ciss）比MOSFET的要小得多。
还有，IGBT的门极—集电极电容与门极—发射极电容之比更低，给出了改善的密勒反馈效应。
金属氧化物半导体控制的晶闸管
金属氧化物半导体控制的晶闸管（MCT），正像名字所说的那样，是一种类似于晶闸管，通过触发进入导通的混合器件，它可以通过在MOS门施加一个短暂的电压脉冲来控制通断。
MCT具有微单元结构，在那里同一个芯片上数千个微器件并联连接。
单元结构有点复杂
图1-4A-7给出了MCT的符号。
它由一个相对于阳极的负电压脉冲触发导通，由一个相对于阳极的正电压脉冲控制关断。
MCT具有类似晶闸管的P-N-P-N结构，在那里P-N-P和N-P-N两个晶体管部件连接成正反馈方式。
但与晶闸管不同的是MCT只有单极（或不对称）电压阻断能力。
如果MCT的门极电压相对于阳极为负，在P型场效应晶体管中的P沟道受到感应，使N-P-N晶体管正向偏置。
这也使P-N-P晶体正向偏置，由正反馈效应MCT进入饱和状态。
在导通情况下，压降为1伏左右（类似于晶闸管）。
如果MCT的门极电压相对于阳极为正，N型场效应晶体管饱和并将P-N-P晶体管的发射极-基极短路。
这将打破晶闸管工作的正反馈环，MCT关断。
关断完全是由于再结合效应因而MCT的关断时间有点长。
MCT有限定的上升速率，因此在MCT变换器中必须加缓冲器电路。
最近，MCT已用于“软开关”变换器中，在那不用限定上升速率。
尽管电路结构复杂，MCT的电流却比电力MOSFET、BJT和IGBT的大，因此它需要有一个较小的死区。
1992年在市场上可见到MCT，现在可买到中等功率的MCT。
MCT的发展前景尚未可知。
集成门极换向晶闸管
集成门极换向晶闸管是当前电力半导体家族的最新成员，由ABB在1997年推出。
图1-4A-8给出了IGCT的符号。
基本上，IGCT是一个具有单位关断电流增益的高压、大功率、硬驱动不对称阻塞的GTO。
这表示具有可控3,000安培阳极电流的4,500VIGCT需要3,000安培负的门极关断电流。
这样一个持续时间非常短、di/dt非常大、能量又较小的门极电流脉冲可以由多个并联的MOSFET来提供，并且驱动电路中的漏感要特别低。
门驱动电路内置在IGCT模块内。
IGCT内有一对单片集成的反并联二极管。
导通压降、导通时电流上升率di/dt、门驱动器损耗、少数载流子存储时间、关断时电压上升率dv/dt均优于GTO。
IGCT更快速的通断时间使它不用加缓冲器并具有比GTO更高的开关频率。
多个IGCT可以串联或并联用于更大的功率场合。
IGCT已用于电力系统连锁电力网安装（100兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工业驱动。
B电力电子变换器
电力电子变换器能将电力从交流转换为直流（整流器），直流转换为直流（斩波器），直流转换为交流（逆变器），同频率交流转换为交流（交流控制器），变频率交流转换为交流（周波变换器）。
它们是四种类型的电力电子变换器。
变换器被广泛用于加热和灯光控制，交流和直流电源，电化学过程，直流和交流电极驱动，静态无功补偿，有源谐波滤波等等。
整流器
整流器可将交流转换成直流。
整流器可由二极管、可控硅、GTO、IGBT、IGCT等组成。
二极管和相控整流器是电力电子设备中份额最大的部分，它们的主要任务是与电力系统连接。
由于器件开通时损耗低，且其开关损耗几乎可忽略不计，故该类整流器的效率很高，典型值约为98％。
但是，它们的缺点是在电力系统中产生谐波，对其他用户产生供电质量问题。
此外，晶闸管变换器给电力系统提供了一个滞后的低功率因数负载。
二极管整流器是最简单、可能也是最重要的电力电子电路。
因为功率只能从交流侧流向直流侧，所以它们是整流器。
最重要的电路配置包括单相二极管桥和三相二极管桥。
常用的负载包括电阻性负载、电阻-电感性负载、电容-电阻性负载。
图1-4B-1给出了带RC负载的三相二极管桥式整流器。
逆变器
逆变器是从一侧接受直流电压，在另一侧将其转换成交流电压的装置。
根据应用情况，交流电压和频率可以是可变的或常数。
逆变器可分成电压源型和电流源型两种。
电压源型逆变器在输入侧应有一个刚性的电压源，即，电源的戴维南电路等效阻抗应该为零。
如果电源不是刚性的，再输入侧可接一个大电容。
直流电压可以是固定的或可变的，可从电网或交流发电机通过一个整流器和滤波器得到。
电流注入或电流源型逆变器，像名字所表示的那样，在输入侧有一个刚性的直流电流源，与电压源型逆变器需要一个刚性的电压源相对应。
通过串联大电感，可变电压源可以在电流反馈控制回路的控制下转换为可变电流源。
这两种逆变器都有着广泛的应用。
它们使用的半导体器件可以是IGBT、电力MOSFET和IGCT等等。
图1-4B-2给出了一种三相桥式电压源型逆变器的常见电路。
斩波器
斩波器将直流电源转换成另一个具有不同终端参数的直流电源。
它们被广泛用于开关式电源和直流电机启动。
其中一些斩波器，尤其是电源中的斩波器，有一个隔离变压器。
斩波器经常在不同电压的直流系统中用作连接器。
降压和升压斩波器是两种基本的斩波器结构。
分别称作Buck斩波器和Boost斩波器。
但是，要清楚降压斩波器也是升流斩波器，反之亦然，因为输入功率一定等于输出功率。
降-升压斩波器既可降压也可升压。
所有这些斩波器在电路结构上可有一、二、四象限的变化。
图1-4B-3给出了降压斩波器的电路结构，它是一种电压降、电流
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