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自动控制电器 自动控制电器是按照信号或某个物理量的变化自动动作的。自动控制电器的种类很多，这里仅介绍几种设备中常用的自动控制电器如无触点开关、电流继电器、速度继电器、压力式温度继电器和晶体管时间继电器。 一、无触点开关 刀开关、按钮开关是开关，继电路、接触器等电器实际上也是一种开关，它可按照生产过程的要求控制它们接通或断开电路，达到自动控制和自动保护的目的。这一类带触点开关电器的优点是动作可靠1机械强度好、开关特性稳定，但是，它们也存在一系列缺点如动作速度慢、消耗功率多、灵敏度较低、体积较大和机械部分容易磨损等。 晶体管不仅有放大的作用，也具有开关特性，可以利用晶体管做成无触点开关。无解点开关有许多突出的优点动作速度快、消耗功率少、灵敏度高、体积小重量轻而且没有机械磨损。 在晶体管开关电路中，传送的控制信号都是电信号。开关电路所研究的问题，主要是用什么样的方法和电路来产生、变换、传递、放大和测量各种信号。因此开关电路又叫脉冲电路，它广泛应用于生产过程的自动控制和遥测遥控等。 1．晶体管的开关特性。二极管具有单向导电性，即当二极管加正向电压时，二极管导通；加反向电压时，二极管截止，所以二极管是一种无触点开关。 三极管有三种工作状态饱和、截止和放大。三极管应用于脉冲电路时，若三极管在饱和状态下工作，管压降很小，相当于开关接通；若三极管处于截止状态时，电源电压基本上降到集射极之间，阻抗很高，相当于开关断开；在由通到断的转换过程中管子工作于放大状态。三极管开关由通到断（或由断到通）的转换异常迅速，因此利用三极管作开关可以获得边沿很陡直的脉冲信号。 光电二极管、光电三极管是利用半导体材料的电学特性，即受光照后发生变化的原理，利用光电效应制成的。 光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，如图1（a）所示，它的PN结装在管顶，可直接受光照射，光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，如图1（b）所示。 光敏二极管工作时通常处于反向偏压状态，当无光照射时，二极管截止，电路中仅有PN结的反向漏电流，常称为暗电流；有光入射时，PN结附近受光子冲击，吸收光子的能量产生电子－空穴对，使载流子能量增加，形成光电流。它的导电能力完全取决于光照，如果入射光照度变化，光生电子－空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的电流也随之变动，光敏二极管将光信号转换为电信号输出。 光敏三极管的的内部结构与普通三极管接近，也分成三个区即发射区、基区和集电区。发射区和集电区均有电极引出，一般基极不引线。图2所示为NPN型三极管的结构简化模型和基本电路。当基极开路时，集电结反偏，当光照射到集电结附近的基区时，在PN结附近产生电子－空穴对，它们在内电场作用下定向运动形成光电流。由于产生的光电流相当于一般敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。但光敏三极管的暗电流也较大。 光敏二极管和三极管的基本特性很多，如光谱特性、伏安特性、温度特性等，这里仅介绍其光照特性。图3为硅光敏管的光照特性曲线。从图中可以看出，光敏二极管的光照特性曲线线性比较好，而三极管在照度较小时，光电流随照度增加较小，而在大电流（光照度为几千勒克斯）时出现饱和现象（图中未画出），因为三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都要下降。 2．晶体管无触点开关－反相器。晶体管反相器是一种很简单的无触点开关。图4是晶体管反相器的工作原理图，图4（a）是基本电路，图4（b）是输入、输出波形。 当无输入信号（即输入端为零电位）时，晶体管截止，输出端电位接近Ucc，这时相当于开关断开的情况。 当输入端加上信号（例如为＋6V）时，晶体管处于饱和状态，输出端电位近似为零，电源电压机几乎全部在Rc上。这时相当于开关接通的情况。 由此可见，晶体管输入端状态和输出端状态刚好相反输入为高电位时，输出为低电位；输入为低电位时，输出为高电位；所以可称之为反相器。又因为它相当于一个没有机械触点的开关，所以属于无触点开关。 图4（a）中的Rc是集电极负载电阻，若直接以继电器代替，就构成了晶体管继电器，如图5所示。图中S表示传递信号源，如光敏元件、热敏元件等。依据信号源的不同，可以做成各种性能的继电器，如光电继电器、时间继电器、温度继电器等。当S闭合时，通过RB供给晶体管V足够的电流使其饱和导通，继电路KA动作。若信号源接点S断开，V截止，KA释放。二极管VD的作用是，当晶体管截止时，为继电器KA绕组中的感应电流提供一条回路，避免绕组上产生过大的感应电势。VD1的作用也是防止晶体管截止时，基极－发射极承受过大的反向电压而损坏。 设备中光电继电器应用很多，简单的光电继电器如图6所示。图中所示电路以光电三极管接收光信号。当无光照或光照很微弱时，光电管VP只有暗电流存在，管阻很大，使晶体管V的基极电流和集电极电流均很小，继电器得不到足够的驱动电流。一旦光照出现，光电流使VP管阻变得很小，V的基极电流明显增大，使继电器动作。由此可见，继电器的动作完全由光信号控制，因此称为光电断电器。 3．接近开关。现在应用较多的按近开关，是以晶体管振荡为核心组成的无触点开关，这种开关是当铁磁靠近（无须接触）它的晶体管振荡器的空间磁场时，在铁磁体内部产生涡流，消耗振荡能量，使振荡减弱，直至最后停止振荡；而当铁磁体离开后，晶体管振荡器重新恢复振荡，即由振荡器是否振荡反铁磁挡块是否接近开关。按近开关具有反应迅速、定位精确、寿命长以及没有机械碰撞等优点。目前已被广泛应用于行程控制、定位控制以及各种安全保护控制等方面。 图7是某种接近开关的电路，它是由LC振荡电路、开关电路及射极输出器三部分组成。由V1组成振荡器，其中L2、C2组成选频电路，L1是反馈线圈，L3是输出线圈，这三线圈绕在同一磁芯上，如图7（a）所示。 当铁磁体没有靠近开关的感应头时，振荡电路维持振荡，L3上有交流输出，经二极管VD1整流后使V2获得足够偏流而工作于饱和导通状态，此时Uce2≈0,V3截止，射极输出器无输出，接在输出端的继电器KA不通电。 当铁磁体接近感应头时，铁磁体感应产涡流，由于涡流的去磁作用，削弱L1与L2之间的耦合，使得反馈量不足以维持振荡，因而振荡器被迫停振，L3上无交流输出，V2截止，若R7＞＞R5，此时Uce2≈Ucc，射极输出器输出也接近Ucc，使继电器KA通电动作。 图7（c）是接近开关动合触点的符号。 V3采用射极输出，是为了提高带负载能力。RF为正反馈电阻，当电路停振时，通过它把V2的集电极电压反馈一部分到V1的发射极，使发射极电位提高，以保证振荡电路迅速而可靠的停振，而当电路起振时，Uce2≈0,无反馈电压，使振荡电路迅速恢复振荡，使开关的动作更为迅速和准确。 图7 晶体管接近开关 4．集－基耦合双稳态触发器。晶体管反相器虽然有开关特性，但是在它的翻转过程中（由截止到饱和导通或由饱和导通到截止），存在一个过渡性质的放大工作状态，这时无法确定它是处于“开”还是“关”的状态。这里我们介绍一种可以有效减小中间状态的集－基极耦合双稳态触发器。 把两个反相器电路交叉耦合起来，加上公用的发射极电阻，便可构成这样一个触发器，如图8所示，晶体管V1的集电极输出电压通过电阻R2耦合到晶体管V2的基极，同样V2的集电极输出电压通过又一个电阻R2耦合到晶体管V1的基极。所以这是一个集－基耦合的反馈电路。由于电路是对称的，人们可能认为两个晶体管工作状态相同，其实由于交叉耦合正反馈的结果，电路产生不平衡，将使电路突变到一个管子饱和，另一个管子截止。假定电源刚加上时，V2比V1导通强一点，则会由于VC2低一些，Vb1也低一些，从而使V1趋向截止。V1趋向截止，V2进一步导通，又会使CC2进一步降低，Vb1进一步降低，V1更加截止。这一过程一直到V2饱和，V1截止时才结束，这是电路的一个稳态。当然电路也可能进入另一个稳态V1饱和导通，V2截止。 由于该电路构成交叉耦合的正反馈，这两种状态转换（即由饱和到截止，或由截止到饱和）的过程十分迅速，可视为“突变”，这样该电路更近似为无触点开关电路。 双稳态触发器状态的改变是通过触发电路来实现的，常用的触发方式有两类一类称为置位复位方式，它可以使触发器预置，即置0或置1，而不管触发器原来状态如何；另一类称为计数触发方式，每来一个输入信号，电路的状态就翻转一次。这类触发方式的电路如图9所示。采用计数输入触发时，只用一个触发信号（负脉冲）去控制触发器工作，当V1截止时，负脉冲就自动加一V1的发射极，使触发器翻转。而当V2截止时，负脉冲将自动使V2翻转。 置位和复位触发器的工作原理也是迫使截止管导能，但输入信号是分别加到相应三极管基极上。假定Q＝0，即V2导通，V1截止。在置位端加一正脉冲，其幅度足够大，能克服V1的反向偏置，则V1导通，V2截止，使Q＝1；同理，在复位端加一正脉冲信号，可使Q＝0。 集－基耦合双稳态触发器电路形式有多种，其原理和功能类似，这里不再一一介绍。 由于集成触发器的广泛应用，现已很少使用由分立元件组成的双稳态触发器。对于早期生产的印刷设备，如PDQ－02A骑马联动订书机的测书控制装置和出书计数器仍由集－基耦合双稳态触发器构成顺序寄存器和计数器。 5．固态继电器。固态继电器（SSR）是采用固体元件组装成的一种无触点开关器件，是80年代进入实用阶段的一种新技术产品，是用小的电气信号控制大功率交直流负载的一种新型电子开关，具有体积小、无火花、无噪音、无污染、无电磁干扰、开关速度快、稳定性好、可靠性高、输出输入完全隔离、抗干扰能力强等突出优点，并具有抗震、防潮、耐腐蚀和防暴能力。另外，它与TTL，CMOS等数字集成电路、运算放大器以及计算机的接口都很简单，这是电磁式继电器所无法比拟的。在进口的印刷设备中，这种继电器应用很多。随着半导体技术的发展，固态继电器的性能不断提高价格逐渐降低，它的应用必定会越来越广泛。 固态继电器按负载电源类型可分为交流（AC－SSR）和直流（DC－SSR）两类，现分述其工作原理。 （1）直流固态继电器（DC－SSR）。直流型SSR多为四端型SSR，四端型是指有两个输入端，两个输出端。这是近年发展起来的多用途开关。图10是这种SSR的原理框图，继电器输入端仅要求很小的控制电流，输出用于直流大功率控制场合。 图中VPC是光电耦合器，主要由发光二极管和光敏三极管两部分组成。它是把发光二极管和光敏元件装在一个密封的管壳内，以前者的引线作为输入端，以后者的引线作为输出端，构成光电耦合器。在这里光电耦合器是用于耦合脉冲信号的，当VPC输入低电平时，发光管和光敏管都截止，输出取高电平；当输入为高电平时，发光管导通，光敏管饱和，输出低电平。由于输入输出通过光信号，输出输入之间在电路上实现了隔离，因此VPC又叫光电隔离器。具体电路这里不作介绍。 （2）交流固态继电路（AC－SSR）。交流型SSR是用双向可控硅作为开关器件。双向可控硅可看作两个反向的单向可控硅做在同一硅片上，这种可控硅具有双向导通功能，它的通断情况由控制极决定，当控制极无信号时，可控硅阳极之间呈高阻状态，可控硅截止；而当阳极和阴极之间加上大于阈值的电压时，就可利用控制极电压来使管子导通。但需注意的是，当双向可控硅接着感性负载时，电流与电压间有一定的相位差，当电流为零时，电压可能不为零，且超过转换电压，使管子反向导通。故要可控硅能承受这种反向电压，并在回路中加RC网络加以吸收。 交流型SSR可分为过零型和随机导通型两种。对于随机型SSR，在输入信号时，不管负载电源电压相位如何，负载端立即导通；而过零型必须在负载电源电压接近零且输入信号有效时，输出端负载电源才导通。而当输入端的控制电压撤消后，流过双向可控硅负载的电源电压为零时即关断。 工业自动控制系统中普遍采用的是过零触发型交流SSR。它一般由信号输入电路、光电隔离、过零触发双向可控硅、RC吸收电路组成。图11为这种SSR的原理电路（输入电路未画出）。 图中的VPC是一个以光控可控硅为输出器件的光电耦合器。它除了传递控制信号外，还具有隔离功能。光控可控硅依靠VD1－VD4通过整流从交流电源取得正向工作电压，使它在交流正、负两个半周内均处在待触发状态。R1和C1并联后接于可控硅的控制极，以削弱干扰的影响。 过零检测环节由R2、R3和晶体管V构成。这里所谓的“零”并非指交流电压为0V瞬时值，而是指OV附近的一个电压小区间，大约在10－15V，称为零区。若交流电压过大，落在零区之外，则由R2、R3分压后的电压可使三极管V饱和，把光控硅的控制极和阴极短路。此时即使输入端有正向电流使发光管发光，也无法使光控管导通。只有在交流电压经过零区时，V才能因基极电压过低而近乎截止，使得光控管才有可能导通，向可控硅VT提供触发电压。适当选择R2和R3的值可调整零区的范围。 电阻R4为光控可控硅的限流电阻；R5为触发电阻，VT依靠它取得触发脉冲；R6、C2构成阻容吸收网络，用VT的保护。 当输入端出现信号时，一旦交流电压过零，光控可控硅即导通，R5上形成的电压马上触发VT导通，把负载R1与交流电源接通。输入信号消失后，光控管即截止，R5上的触发电压随即消失，这样，待交流电压过零时，VT因失去维持电流而关断，于是负载失电。它的工作波形如图12所示。 以上介绍了几种无触点开关，它们实际上是由晶体管等组成的继电器，这种继电器适用于微弱的控制电流或无触点控制。但晶体管继电器也有它的缺点，即断通电阻比小104-106，抗干扰能力差，易受温度变化的影响，参数稳定性较差等。而这些正是电磁继电器的优点，为了发挥各自的特长，弥补自身的不足，目前常将它们结合使用，即用晶体管继电器作为感应元件，用有触点继电器作为执行元件，这种继电器称为混合式继电器。 继电器是一种根据电量或非电量（如电压、电流、转速、时间、温度等）的变化，开闭控制电路（小电流电路），自动控制和保护电力拖动装置的电器。自动控制系统对继电器的基本要求是反应灵敏准确、动作迅速、工作可靠、性能稳定、操作频率高、结构简单、经久耐用、消耗功率小。 为了适应各种不同的需要，继电器的种类和形式很多，按用途可分为控制用继电器及保护用继电器；按动作原理可分为电磁式继电器、感应式继电器、热力式继电器、电子式继电器等；按动作时间延时继电器，这些都是印刷设备中常用而电工学中较少涉及的继电器。 1．电磁式电流继电器的结构与工作原理。由于电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点，应用极其广泛，它是最为典型和常用的继电器。 图13是电磁式电流电器的结构示意图。当通过线圈2的电流超过某个定值时，街铁3所受的吸引力大于弹簧6对它产生的反力，它就被铁芯1吸合，带动机械装置使常开触头闭合，常闭触头断开。若继电器断电，在恢复弹簧作用下使触头回复原位。 电流继电器是反映电流变化的继电路，它有吸引线圈匝数少且线径较粗，能通过较大电流，使用时与负载串联。电压继电器是反映电压变化的继电器，它的吸引线圈匝数多且线径细，用时线圈与被反映电压并联。电压继电器的原理与电流继电器类似，应用也非常广泛。 图14 电流继电器的符号 如果线圈在额定电流下工作时街铁释放，当电流超过某个额定值时街铁吸合，这样的继电器称为过电流继电器。若线圈在额定条件下工作时街铁吸合，只有当电流低于某个额定值时衔铁才释放的继电器称为欠电流继电器。正常电流时欠电流继电器的衔铁是被吸合的，而过电流继电器的衔铁则处于释放状态。 各种电磁式电流继电器的符号如图14所示。其中的a是一般的电流继电器，b与c分别表示欠流和过流继电器。 电流继电器可分为交、直流两种。它们的结构、工作原理类似。 2．电磁式电流继电器的主要技术参数。 （1）灵敏度。使继电器动作所需的最小功率。灵敏度高，则所需功率小。 （2）额定电流。电流继电器的线圈额定电流即为该继电器的额定电流。 （3）吸合电流。使继电器衔铁完全吸合时所对应的最小线圈电流。 （4）释放电流。使衔铁完全释放时对应的最大线圈电流。 电磁式电流继电器的型号表示方法如下 以JL－22型继电器为例，它是一种带2个常开触头和2个常闭触头的电流继电器。 选择电磁式继电器时，要根据控制线路提出的要求以及工作条件和环境来确定继电器的型号、线圈电流的额定值和触头的数目及开闭状态等。 三、速度继电器 在自动控制中，有时需要根据电动机转速的高低来接通和分断某些电路，例如鼠笼式电动机的反接制动，当电动机的转速降到很低时应立即切断电流以，防止电动机反向起动。这种动作就需要速度继电器来控制完成。 图16（a）是速度继电器的示意图。速度继电器的转轴与电动机转轴连在一起。在速度继电器的转轴上固定着一个圆柱形的永久磁铁；磁铁的外面套有一个可以按正、反方向偏转一定角度的外环；在外环的圆周上嵌有鼠笼绕组。当电动机转动时外环的鼠笼绕组切割永久磁铁的磁力线而产生感生电流，并产生转矩，使外环随着电动机的旋转方向转过一个角度。这时固定在外环支架上的顶块顶着动触头，使其一组触头动作。若电动机反转，则顶块拨动另一组触头动作。当电动机的转速下降到100r/min左右，由于鼠笼绕组的电磁力不足，顶块返回，触头复位。因继电器的触头动作与否与电动机的转速有关，所以叫速度继电器，又因速度继电器用于电动机的反接制动，故也称其为反接制动继电器。图16（b）为速度继电器的符号。 使用速度继电器作反接制动时，应将永久磁铁装在被控制电动机的同一根轴上，而将其触头串联在控制电路中，与接触器、中间继电器配合，以实现反接制动。 印刷机械中的J2102型对开单色胶印机以及LP1101型全张单面铅轮转机等印刷设备，其主电动机的制动都是采用速度继电器来完成的。 四、压力式温度继电器 压力式温度继电器是利用等体积内气体受热膨胀，气体压力亦相应增加的原理，通过控制温度实现自动地通电或断开。如用于浇版机的熔铅炉，可使熔铅保持一定的温度；用于无粉腐蚀机的控制电路中，能对腐蚀药水进行恒温控制。 如图17所示为WTQ－228型电触点压力式温度计（即压力式温度继电器）。它适用于对液体和气体的温度控制。在图17中，1是温度探测装置，它是由铜或不锈钢制成，2是毛细管，连通至单圈管弹簧3，共同组成一个密封的测温系统，在其中充有氮气，使用时，将温度探测装置插在被测介质中，当介质的温度发生变化时，测温系统内气的压力也相应的变化，这个变化了的压力通过毛细管2传递给单圈管弹簧3，并且使它产生形变，形变大小由被测介质的温度决定。然后借助与单圈管弹簧非固定端相连结的拉杆4，带动齿轮专动机构5，使装在转轴7上的指针6偏转一定的角度，这时在标度盘8上就会指出被测介质的温度值。 温度计的上、下限可根据需要，用8门的“钥匙”去调节上、下限接触点相连接的指针9和10的位置，以控制测量范围。而动触点则随着指针6一起移动。当被测介质的温度上升到上限（或下降到下限）给定值的时候，动触点的指针6就会与上限触点指针（或下限触点指针）接触，发出电信号，使控制电路断开（或接通），温度被控制在一定的范围内。 五、晶体管时间继电器 晶体管时间继电器是目前时间继电器中发展快、品种数量较多、应用较广的一种。它和其他的时间继电器一样，由三个基本环节组成，如图18所示。根据延时环节构成原理的不同，通常分为电阻（R）、电容（C）充放电式（简称阻容式或RC式）与脉冲电路分频计数式（简称计数式）两大类。本节将简要介绍这两种时间继电器的工作原理与特性。 图18 时间继电器的基本环节 1．RC晶体管时间继电器。图19所示是一种最简单的RC晶体管时间继电器。它用RC作延时环节；稳压管VW与晶体三极管V作比较放大环节（VW的击穿电压与V的开启电压之和U1为比较电压，也就是该电器的动作电压）；电磁继电器KA为执行环节。RC晶体管时间继电器的基本工作原理是利用电容电压不能突变而只能缓慢升高的特性来获得延时的。 当合上开关S时t0，电源电压E就通过电阻R开始向电容C充电，此时电容上的电能被立即击穿，V不能导通，KA处于释放状态；当tt1时，Uc增加到U1，于是VW被击穿，V导通，电源经R与VW供给VW供给V以基极电流Ib，经过放大后推动继电器KA吸合，达到延时动作的目的。在延时时间t1内，Uc随时间的变化规律如图18b中曲线段obc所示。当断开S时，C就通过VW与V很快放电（此时它们的电阻很小），Uc很快下降，但当Uc稍许减小后VW就恢复阻断状态；V截止，KA释放，可见释放过程是非常快的，延时很小，所以该继电器为吸合延时，释放后电容上电压（电荷）将自然地放掉，到等于零时就可以接受下一次动作了。 从这里可以看到，当E和U1一定时，延时的大小主要决定于充电过程的快慢，即决定于R和C的大小。R大，由它所限制的充电电流就小；C大，它对电荷的容量就大；两者都将使Uc的增加变慢，延时时间加长。电工学中用乘积RC来描述衡量充电过程的快慢，称之为时间常数τ。由电工学中知道充电时Uc的变化规律为 UcEUco-Ee-t/τ 当UcU1时，延时时间t1则由下式决定 t1RClnE-Uco/E-U1 显然，对于时间继电器来说，我们不仅希望它具有一定大小的延时，而且还应具有一定的延时精度。由上式可见晶体管时间延时继电器的大小与精度是由电阻R、电容C、比较电压U1、电源电压E及电容初始值Uco等多方面因素所决定的。 2．计数式电子时间继电器。RC晶体管时间继电器由于其特定的延时原理，使它具有许多自身难以克服的缺点延时时间不能太长，延时精度较低。为了解决这一矛盾，就引发了延时原理的革新，出现了计数式电子时间继电器。 这种继电器的基本延时原理，就是采用对标准频率的脉冲进行分频和计数的延时环节来取代RC充放电的延时环节，它的原理框图如图20所示，标准频率脉冲发生器在指令信号作用后产生某一固定频率的脉冲，经分频器分频后得到所需的计数脉冲频率，将该计数脉冲送入十进制计数器进行进数，这样，每计一个脉冲就需要一定时间，例如送入计数器的计数脉冲频率是10Hz，则每计一个脉冲就需要0.1s。时间计数器所计脉冲数的时间可通过译码显示电路直接用数码管显示出来，并通过由预置开关与门电路组成的比较环节预置所需的延时时间。例如S1置于7处，S2置于8处，S3置于6处则当输入687个脉冲时，这三个译码器的相应输出端即有信号输出（高电平），于是与门电路打开，输出信号经放大器驱动执行机构动作，全部延时为68.7s。改变预置开关的位置，就可以获得不同大小的延时，为了增大延时，只要增加分频器的分频系数或增加计数器的位数即可。 这种时间继电器可以获得极长的延时（几小时甚至几昼夜），并具有较高的延时精度，容易构成多路时间程序控制器，所以它在自动控制系统中得到越来越广泛的应用。它的缺点是抗干扰能力较差，延时值易受温度、电压波动的影响。 时间继电器的文字符号以KT表示，图形符号如图21所示。