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1、现代工业电子学1Modern Industrial Electronics（Fourth Edition）国外高校电子信息类优秀教材Timothy J.Maloney科学出版社 培生教育出版集团1900年才出现现在称之为电子的器件，1904年发明了真空二极管（1906年，三极管），1930年开始使用现代意义的术语“电子学”。电子器件首先在收音机中得到应用。固态电子学时代的根源要回溯到20世纪20年代量子理论的导出（Weiner 1973）。A.H.Wilson开发了半导体的理论模型，其中他引入了“空穴”的概念，即价电子失去后留下的空间（Wilson 1931）。由于晶体管的发明，William
2、 ，John Bardeen 和W.H.Brattain共同获得了1956年诺贝尔物理奖，出版了有关半导体的论文“电子和空穴”（Shockley 1950），对该理论进行了综述。晶体管的产生还要归功于20世纪30年代和40年代制造业技术的发展，因为要获得高纯度的半导体样晶是一项很复杂的工作。尽管1947年Bell Telephone 实验室发明的晶体管在电子学领域掀起了一场革命，但公众对它的响应并不热烈，纽约泰晤士报在其日报专栏“无线电新闻”中发布了这一新闻（1948）：“一种叫做晶体管的器件昨天在Bell Telephone 实验室，West Street 463号（它的发明地）进行了展示，
3、它可以取代无线电技术中的真空管，具有多种不同的用途”。三个简短的段落就结束了这条消息。而有关晶体管的更合适的论述是由三封给Physical Review 刊物的信提供的，在1948年出版的电子技术刊物中使用“晶体管-一种晶体三极管”作为其封面文章。尽管已使用晶体三极管（Crystal triode）和半导体三极管（semiconductor triode）来描述晶体管，晶体管的英文名字“transistor”还是日益流行，transistor 就是transfer resistor（转换电阻）的缩写，由John R.Pierce 提出的。在固态电子学时代，晶体管不仅扮演着重要的角色，而且以它为
4、基础开发了全新的电子器件。晶体管和集成电路使得发展数字系统成为可能。第一章 作为逻辑控制的晶体管开关 The Transistor Switch As a Decision-Maker 前言：控制电路（control circuits）接收处理系统的（状态）信息，包括：机械可动部分的（动作）位置（position）；不同位置温度（temperature）（分布）；管路（道）腔室等压力（pressure）分布状况；流体的速率（rate）（分布）；不同检测器外加力（force）；运动速度（speed） 等。控制电路接收（采集得到的）信息并结合操作员（人工）输入（/设定）（如开关、电位器设定等），以
5、得到（即）期望的结果（反应）。系统信息与输入比较后，作出反应，决定下一步的动作，如开关马达/运动加或减速/开关阀门/关闭系统等。总言之，决策电路（decision-making）（或称逻辑控制电路）：反映设计者的思想，预见可能的输入，得到期望的输出（反应）。学习目标：1工业控制电路分成3部分，描述其功能2 描述继电器的功能；区别继电器的常开（开关）和常闭（开关）3 描述零件分类系统（应用 继电器/固态solid-state 逻辑电路设计）的原理4 解释固态逻辑电路中的不同输入电路工作原理/输出放大器原理5 讨论继电器逻辑电路与固态逻辑电路的优劣6 解释3个应用固体逻辑电路的实际控制系统原理：工
6、具机循环工作系统（machine tool routing system）/首次故障报警系统（first fault annunciator）/工具机钻孔循环工作系统（machine tool drilling system）1-1 包含逻辑电路的系统（Systems Containing Logic Circuits） 工业逻辑控制电路分成3部分：输入（input）/逻辑（logic）/输出（output）。1 输入input，有时称为信息采集（information-gathering）如按钮（pushbutton）、机械式微动开关（mechanical limit switch）、压力开
7、关、光电管（photocell）等。2 逻辑logic，有时称为决策部件（decision-making）根据输入和采集的信息，决定输出（动作）。如（电磁magnetic）继电器、分立晶体管（transistor）、集成（integrated） 晶体管电路等。3 输出output，有时称为执行器件（actuating device section）根据逻辑电路给予的信号，转换（或放大）成可用形式，驱动相应部件。如马达（motor）启动器、电磁线圈（solenoid coil）、指示灯等。1-2 应用继电器的逻辑电路（Logic Circuits Using Magnetic Relays） 在
8、逻辑电路中，多年来，直到今天，继电器的使用一直极为广泛。继电器基本原理：电流流经继电器线圈（coil），产生激励（energize），通过开关（switch）/触点（contact）完全闭合通电。继电器的工作原理和特性 继电器的定义继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器的继电特性继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开
9、始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。 释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即Kf= xf /xx 触点上输出的控制功率PC与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即Kc=PC/P0电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹
10、簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器的分类方法较多，可以按作用原理、外形尺寸、保护特征、触点负载、产品用途等分类。输入装置控制继电器线圈的继电器逻辑控制电路如下所示。LS1/PS4同时闭合，RA将被激励（致能energized），或称拾起（pick u
11、p/pick）。任一个开关打开，RA将被释放（消能deenergized），或称掉落（drop out/drop）。当RA被激励时，相关触点改变其状态，N.C触点打开，N.O触点闭合。当RA被释放时，RA控制的触点将回到它们正常状态，即常闭（N.C normally closed）触点闭合，常开（N.O normally open）触电打开。实际继电器有数个N.C触点和N.O触点。1在逻辑电路中，欲得到正面性结果，依据各控制电工作条件而定（串/并，如图例，若串联，需二者都闭合，若并联，之一闭合即可）2一旦逻辑电路产生正面结果，其输出可分支其他不同控制点，可控制其他须同时控制的电路或装置。反之，
12、也可通过受其结果控制的电路，查知RA工作情形。一个小例子设RG为控制系统中一个水管通水与否的主控制继电器（通常就是一个电磁阀valve），水管是否通水，依据条件：13#汽缸必须充分扩张，（RB必须被激励）；2系统中水压必须足够，（RD必须被激励）；3系统中水必须清洁（无杂物），（RE必须被释放）；现设：3#汽缸（可能安装于此工业系统的机械装置的某一地，并附有某种凸轮可致动LS3），当LS3常开触点闭合时，激励RB，RB影响了RF/RG/RH，3个继电器逻辑控制电路，称为分支控制（branching-out），也称RB共扇出（fan-out）3个逻辑电路。RD：是一压力控制的阀门，一旦水管中压力
13、达到一定水平即可令其致动（激励）RE：专门侦测水中杂物，一旦水中有某种杂物，即可令其致动（激励）因此，决策条件有3（都须满足）：1 RB（N.O）（闭合），2 RD（N.O）（闭合），3 RE（N.C）（闭合）， （上述例子中的逻辑关系实际就是一个与的逻辑关系实现）1-3 传送带/自动分类系统中的继电器逻辑控制电路（Relay Logic Circuit for a Conveyor/Classifying System）工艺原理：传送带从左至右传送零件，（检测后）按高/矮/轻/重4类（4种组合：矮且轻，矮且重，高且轻，高且重）分类并予以喷码包装。3个工作区，侦测区（Testing Zone）
14、、喷码区（Painting Zone）、转换区（Diverting Zone），依次进入。 逻辑控制电路原理：1LS1激励（致动）RPZ，进行喷码区的工作2LS2激励（致动）RDZ，进行转换区的工作（同时释放RPZ，关闭喷码阀门）3L23-6激励（致动）RCLR，清除所有状态，恢复系统（进行下一零件处理）4高度/重量检测，高/重激励（致动），零件离开后恢复，（电路中有锁定状态）5其他一些继电器，组合逻辑（4种分类），进行相应处理（喷码/转向）6微动开关（LS），离开后恢复状态关键在于由微动开关LS1-LS6进行不同工作区的逻辑区分工作，触发相应逻辑处理（进入何区，清除所在区的状态等）；相应的几
15、组继电器的几组接点实现记忆功能并组合实现相应工作。1-2，3-4，5-8，9-12，13-16，17-20，21-24。回环锁定状态。1-4 晶体管逻辑电路（Logic Performed By Transistors）（关于晶体管的补充知识）一些需了解掌握的知识点（概念）1 导体/绝缘体/半导体2 价电子/自由电子/空穴/载流子（多子、少子）3本征半导体/杂质半导体（P型/N型）4 PN结/二极管 /空间电荷区/耗尽层 /内电场/电位壁垒（阻挡层）/扩散运动/漂移运动5 正向偏置（正偏）/反向偏置（反偏）6发射区/集电区/基区 发射极/集电极/基极 e/c/b 截止/导通 发射/复合 扩散/收集一言以蔽之：NPN为例，基区为P型，掺杂度比较低，因此与发射极的电子流复合的空穴较少，基极电流较小，而自由电子流为集电极所收集，集电极电流较大（Ib+Ic=Ie），即放大原理。（基射极正偏，基集极反偏，导致电流的流向）。对于晶体管（NPN型），基极电压为低（一般小于0.7V），集电极与发射极截止；基极电压为高（一般大于0.7V），集电
