《電子技術(shù)綜合與應(yīng)用》第4章 水位控制器項目

第4章水位控制器項目4.1問題的提出4.2問題的分析4.3用Protel軟件繪制電路原理圖4.4印制電路板的繪制4.5安裝調(diào)試本項目電路4.6項目總結(jié)

4.1問?題?的?提?出

某一區(qū)域的地勢比較低，一旦下雨經(jīng)常會積水，需要建立一個泵房，一旦積水超過一定的水位就需要用水泵把水抽走?，F(xiàn)在需要這樣的一個控制電路自動完成這樣的操作，實現(xiàn)對水位的自動控制。該水位控制器的具體要求如下：

(1)通過水泵把水位控制在一定的范圍之內(nèi)，水泵的功率為5?kW。

(2)水位一旦超過警戒水位，水泵開始運行，直到水位降到低水位時水泵才停止運行。

4.2問?題?的?分?析

電子線路本身只能處理電信號，也就是說只能處理電量信號，如電壓、電流、電阻等。而現(xiàn)實生活中大量需要處理的問題是處理非電量信號，如溫度、壓力、流量、位置、長度、重量、光量、磁量等。對于電子線路而言，處理非電量信號都需要專門的裝置——傳感器。傳感器的作用就是把非電量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。本項目中水位的高低就是一個位置信號，必須用傳感器把水位高低的位置信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，才能用電子線路對該信號進行處理，然后驅(qū)動水泵控制水位。

那么什么是傳感器呢？在進行本項目電路實際操作前，先了解一些有關(guān)傳感器的基本知識。4.2.1傳感器的基本知識

1．傳感器的作用

在工程技術(shù)領(lǐng)域里，傳感器是人體“五官”的工程模擬物，是一種能把特定的被測非電量信息(包括物理量、化學(xué)量、生物量等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電量的器件或裝置。

例如，在科學(xué)研究和基礎(chǔ)研究中，傳感器能獲取人類感官無法獲得的大量信息。如利用傳感器和傳感技術(shù)，可以觀察到10－10?cm的微粒，能測量10－24s的時間；一艘宇宙飛船可以看做是一個高性能傳感器的集合體，可以捕捉和收集宇宙中的各種信息。就是日常生活中的一輛小轎車所用的傳感器也多達百余種，利用傳感器可以測量小轎車的油溫、水溫、水壓、流量、排氣量、車速、狀態(tài)等。

傳感器的輸出信號可以有不同的形式，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量，或是開關(guān)量；可以是電壓、電流，也可以是頻率或脈沖等。這些輸出信號能滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制等要求，在多學(xué)科、多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。世界上許多發(fā)達國家都在加快對傳感器新技術(shù)的研究與開發(fā)，并且都已取得重大突破。傳感器技術(shù)(非電量測量技術(shù))是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個重要分支，它是信息科學(xué)陣地的“前沿哨所”，是信息捕捉的必要手段。在當(dāng)今信息時代，隨著自動檢測、自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)顯得越來越重要，它掌握著系統(tǒng)的命脈，推動著科學(xué)技術(shù)的進步。沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。對于應(yīng)用電子的專業(yè)人員來說，盡管不是研究傳感器技術(shù)的專門人員，但對傳感器技術(shù)的基本知識及其發(fā)展、應(yīng)用有一定的了解是非常必要的。

2．傳感器的組成

傳感器一般是由物理、化學(xué)和生物等學(xué)科的某些效應(yīng)或原理按照一定的制造工藝研制出來的，它能“感知”被控量或被測量的大小與變化并進行處理。傳感器由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號調(diào)節(jié)電路和其他輔助電路組成，如圖4-1所示。圖4-1傳感器的組成

1)敏感元件

在完成非電量到電量的轉(zhuǎn)換時，并非所有的非電量信號都能用現(xiàn)有的技術(shù)直接轉(zhuǎn)換為電量，而是先進行預(yù)轉(zhuǎn)換，然后再轉(zhuǎn)換為電量。敏感元件是直接感受被測非電量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與被測量有確定對應(yīng)關(guān)系的其他量(一般仍為非電量)的元件。通常把這種能完成預(yù)轉(zhuǎn)換的元件稱為敏感元件。如熱敏電阻是敏感元件，它能將溫度的變化預(yù)轉(zhuǎn)換為電阻的變化，通過一定的電路再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。

2)轉(zhuǎn)換元件

轉(zhuǎn)換元件又叫變換器，是能將敏感元件感受到的非電量直接轉(zhuǎn)換成電量的元件。信號的轉(zhuǎn)換元件是構(gòu)成傳感器的核心。轉(zhuǎn)換元件又可分為一次轉(zhuǎn)換型(直接轉(zhuǎn)換)和二次轉(zhuǎn)換型(間接轉(zhuǎn)換)。對一次轉(zhuǎn)換型傳感器而言，一般轉(zhuǎn)換可一次完成，即可實現(xiàn)“被測非電量—有用電量”的直接轉(zhuǎn)換。對二次轉(zhuǎn)換型傳感器而言，通常必須通過前置敏感元件預(yù)轉(zhuǎn)換后才能完成，亦即實現(xiàn)“被測非電量—有用非電量—有用電量”的二次轉(zhuǎn)換。

3)信號調(diào)節(jié)電路

信號調(diào)節(jié)電路是把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的電信號的電路。

4)輔助電路

輔助電路通常指電源電路(交、直流)及其外圍電路。

應(yīng)當(dāng)指出，在實際應(yīng)用中，傳感器的具體構(gòu)成方法視被測對象、轉(zhuǎn)換原理、使用環(huán)境及性能要求等具體情況的不同而有很大差異。

2．傳感器的分類

傳感器雖種類繁多，但都是根據(jù)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的規(guī)律、特性和效應(yīng)設(shè)計而成的。一種被測量對象可以用不同傳感器來測量，而同一原理的傳感器通常又可測量多種非電量，因此分類方法各不相同。目前尚無統(tǒng)一的分類方法，一般常用的分類方法有以下幾種。

1)按工作原理分類

現(xiàn)有傳感器主要是依據(jù)物理學(xué)中的各種定律和效應(yīng)，以及化學(xué)原理和固體物理學(xué)理論進行測量的。如根據(jù)電阻定律，相應(yīng)的有電位計式、應(yīng)變式傳感器；根據(jù)變磁阻原理工作的有電感式、差動變壓器式、電渦流式傳感器；根據(jù)半導(dǎo)體有關(guān)理論，相應(yīng)的則有半導(dǎo)體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態(tài)傳感器。

2)按能量關(guān)系分類

從能量的觀點來分，可將傳感器分為有源傳感器和無源傳感器。

有源傳感器將非電量轉(zhuǎn)換為電量，稱之為能量轉(zhuǎn)換型傳感器，也叫換能器(只轉(zhuǎn)換能量本身而不轉(zhuǎn)換能量信號的裝置)，如壓電式、熱電式、電磁式等。通常和測量電路、放大電路配合使用。

無源傳感器又稱為能量控制型傳感器。它本身不是一個換能器，被測非電量僅對傳感器中的能量起控制或調(diào)節(jié)作用，所以必須具有輔助電源(電能)。如電阻式、電容式和電感式等傳感器，常用于電橋和諧振等電路的測量。

3)按輸入量分類

按輸入量分類，可分為溫度、壓力、位移、速度、濕度等傳感器。這種分類方法給使用者提供了方便，使大家容易根據(jù)被測量對象來選擇所需的傳感器。

4)按輸出量分類

接輸出量分類有模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器。模擬式傳感器的特點是輸出的信號為模擬量；數(shù)字式傳感器的特點是輸出的信號為數(shù)字量。數(shù)字傳感器便于和計算機聯(lián)用，且抗干擾性強，如盤式角度數(shù)字傳感器、光柵傳感器等。

5)其他分類

結(jié)構(gòu)型，主要是通過機械結(jié)構(gòu)的幾何形狀或尺寸的變化，將外界被測量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的變化，從而檢測出被測量信號。這種傳感器在目前應(yīng)用的最為普遍。

物性型，利用某些材料本身物理性質(zhì)的變化而實現(xiàn)測量。它是以半導(dǎo)體、電介質(zhì)、鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件。

3．傳感器的選用

無論何種傳感器，作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，都必須具有快速、準(zhǔn)確、可靠且又經(jīng)濟地實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的基本特點，因此，對傳感器總體技術(shù)要求有：

(1)傳感器的工作范圍或量程足夠大，具有一定的過載能力。

(2)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高，線性程度好。

(3)反應(yīng)快速，工作可靠性好。

(4)穩(wěn)定性好，即傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準(zhǔn)確度能滿足要求，并長期穩(wěn)定。

(5)適應(yīng)性強，即動作能量小，對被測量的狀態(tài)影響?。坏驮肼?，抗外界干擾的影響，使用安全。

(6)成本低、壽命長，使用、維修和校準(zhǔn)方便。

傳感器的種類很多，在選用過程中，應(yīng)體現(xiàn)出靈活性。根據(jù)傳感器的使用目的、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境條件和成本等限制條件，可從實際需要出發(fā)，從不同的側(cè)重點，優(yōu)先考慮它的主要條件。

1)選用原則

如何根據(jù)測試目的和實際條件，合理地選用傳感器，是經(jīng)常會遇到的問題。在此，就合理選用傳感器的一些注意事項，作一大概介紹。

選擇傳感器總的原則是：在滿足對傳感器所有要求的前提下，盡量選擇價格低廉、工作可靠、便于維修的傳感器。

2)選擇要求

對于同一種被測物理量，可允許選用不同的傳感器。例如被測物理量是位移，可選用電阻應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器，也可選用電感式傳感器。通常，選用傳感器應(yīng)從以下幾個方面考慮：第一，測試條件，主要包括測量目的、被測試物理量特征、測量范圍、輸入信號的極值和頻寬以及測量精度、測量時間等；第二，傳感器自身性能，主要包括精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量類別(是模擬信號還是數(shù)字信號)、對被測物體產(chǎn)生的負載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護等；第三，使用條件，主要包括設(shè)置場地的環(huán)境條件(如溫度、濕度、振動等)、測量時間、所需功率容量，與其他設(shè)備的連接匹配、備件與維修服務(wù)等。具體要求如下：

(1)靈敏度高。一般來說，傳感器靈敏度越高越好。靈敏度高，傳感器所能感知的變化量越小。被測量稍有微小變化，傳感器就有較大的輸出。但應(yīng)防止外界干擾信號混入，與測量信號同時被放大器放大。這時既要檢測微小量值，又要干擾小。為保證這一點，往往要求信噪比越大越好。矢量測量時，要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越小越好。在測量多維矢量時，還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。輸入量(被測量、干擾量)不能進入非線性區(qū)域。最大輸入量不應(yīng)使傳感器進入非線性區(qū)域，更不能進入飽和區(qū)域。這時對傳感器來講，其輸入量不僅包括被測量，也包括干擾量，兩者之和也不能進入非線性區(qū)域。過高的靈敏度會縮小其適用的測量范圍。

(2)精確度適宜。傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量真值一致的程度。傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端。傳感器能否真實地反映被測量值，對整個測試系統(tǒng)具有直接的影響。然而，也并非要求傳感器的精確度越高越好，因為還應(yīng)考慮到經(jīng)濟性。傳感器的精確度越高，價格就越昂貴。因此，應(yīng)從實際出發(fā)，尤其應(yīng)從測試目的出發(fā)來選擇傳感器。首先應(yīng)了解測試目的，判定是定性分析還是定量分析。如果屬于相對比較的定性試驗研究，只需獲得相對比較值即可，無需絕對量值，那么應(yīng)要求傳感器的精密度高。如果是定量分析，必須獲得精確量值，則要求傳感器有足夠高精確度。

(3)可靠性好。可靠性是指儀器、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)可完成規(guī)定功能的能力。只有產(chǎn)品的性能參數(shù)(特別是主要性能參數(shù))均處于規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，方能視為可完成規(guī)定的功能。

為了保證傳感器在應(yīng)用中具有較高的可靠性，事先必須選用設(shè)計、制造良好，使用條件適宜的傳感器。在使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格保持規(guī)定的使用條件，盡量減小使用條件的不良影響。例如電阻應(yīng)變式傳感器，濕度會影響其絕緣性，溫度會影響其零漂，長期使用會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象。又如，對于變間隙型的電容傳感器，環(huán)境濕度或浸入間隙的油劑，會改變介質(zhì)的介電常數(shù)。光電傳感器的感光表面有塵?；蛩魵鈺r，會改變光通量、偏振性或光譜成分。對于磁電式傳感器或霍爾效應(yīng)元件等，當(dāng)在電場、磁場中工作時，亦會帶來測量誤差?；€電阻式傳感器表面有塵埃時，將引入噪聲。

在機械工程中，有些機械系統(tǒng)或自動化加工過程，往往要求傳感器能長期地使用而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)，而其工作環(huán)境又比較惡劣，塵埃、油劑、溫度、振動等干擾嚴(yán)重。例如，熱軋機系統(tǒng)控制鋼板厚度的γ射線檢測裝置，用于自適應(yīng)磨削過程的測力系統(tǒng)或零件尺寸的自動檢測裝置等，在這種情況下，應(yīng)對傳感器的可靠性有嚴(yán)格的要求。

(4)線性范圍寬。任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)，輸出與輸入成比例關(guān)系。線性范圍越寬，則說明傳感器的工作量程越大。

傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精確度的基本條件。例如，機械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性限度是決定測力量程的基本因素。當(dāng)超過彈性限度時將產(chǎn)生線性誤差。

然而，任何傳感器都不容易保證其絕對線性，在許可限度內(nèi)，可以在其近似線性區(qū)域應(yīng)用。例如，變間隙型的電容傳感器和電感傳感器，均采用在初始間隙附近的近似線性區(qū)內(nèi)工作。選用時必須考慮被測物理量的變化范圍，令其線性誤差在允許范圍內(nèi)。

(5)響應(yīng)特性快速。在所測頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性必須滿足不失真測量條件。此外，實際的傳感器響應(yīng)總有一定的延遲，但希望延遲的時間越短越好。

一般來講，利用光電效應(yīng)，壓電型傳感器響應(yīng)較快，工作頻率范圍較寬。而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感傳感器、電容傳感器、磁電式傳感器等，往往由于結(jié)構(gòu)中的機械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低，工作頻率也較低。

在動態(tài)測量中，傳感器的響應(yīng)特性對測試結(jié)果有直接影響，在選用時，應(yīng)充分考慮到被測物理量的變化特點(如穩(wěn)態(tài)、瞬變、隨機等)。

(6)穩(wěn)定可靠。傳感器作為長期測量或反復(fù)使用的元件，穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性遠遠超過精度指標(biāo)。造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因是，隨著時間的推移或環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元件性能將發(fā)生變化。為了提高傳感器性能的穩(wěn)定性，應(yīng)該對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩(wěn)定性處理。如結(jié)構(gòu)材料的時效處理、冰冷處理，永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩(wěn)磁處理，電子元器件的老化與篩選等。

在使用傳感器時，如果測量要求較高，必要時也應(yīng)對附加的調(diào)整元器件、后接電路的關(guān)鍵元器件進行老化處理。

(7)抗干擾能力強。傳感器可以看成一個復(fù)雜的輸入系統(tǒng)。為了減小測量誤差，應(yīng)設(shè)法削弱或消除外界影響因素對傳感器的作用，其方法歸納起來有兩種：減小傳感器對影響因素的靈敏度；降低外界因素對傳感器實際作用的功效。

(8)具有補償與校正功能。有時傳感器與測量系統(tǒng)誤差的變化規(guī)律過于復(fù)雜，采取一定的技術(shù)措施后仍難以滿足要求，或雖可滿足要求，但因價格昂貴或技術(shù)過分復(fù)雜而無現(xiàn)實意義。這時，可以根據(jù)誤差的方向和數(shù)值，采取修正方法(包括修正曲線或公式)加以補償或校正。例如，傳感器存在非線性，可以測出其特性曲線，然后加以校正；存在溫度誤差，可在不同溫度進行多次測量，找出溫度對測量值影響的規(guī)律，然后在實際測量時進行補償。上述方法在傳感器或測試系統(tǒng)中已被采用。

補償與校正可以利用電子技術(shù)通過電路(硬件)來解決，也可以采用微型計算機(通常采用單片機)通過軟件來實現(xiàn)，后者正越來越多地被采用。

(9)集成化與智能化。選用集成化與智能化的傳感器，將大大擴展傳感器的功能，改善傳感器的性能，提高性能價格比。

此外，需要考慮傳感器測量的方式，在機械系統(tǒng)中，運動部件的被測量(例如回轉(zhuǎn)軸的誤差運動、振動、扭力矩)往往需要非接觸測量。因為對部件的接觸式測量不僅造成對被測系統(tǒng)的影響，而且有許多實際操作困難，諸如測量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動、信號的采集都不易妥善解決，也易于造成測量誤差。采用電容式、電渦流式等非接觸式傳感器，會很方便。若選用電阻應(yīng)變片時，則需配以遙測應(yīng)變儀或其他裝置。在線測量是與實際情況更接近一致的測試方式，特別是自動化過程的控制與檢測系統(tǒng)，必須在現(xiàn)場實時條件下進行檢測。實現(xiàn)在線檢測是比較困難的，對傳感器及測試系統(tǒng)都有一定特殊要求。例如，在加工過程中，若要實現(xiàn)表面粗糙度的檢測，以往的光切法、干涉法、觸針式輪廓檢測法等都不能運用，而代之以激光檢測法。實現(xiàn)在線檢測的新型傳感器的研制，也是當(dāng)前測試技術(shù)發(fā)展的一個方面。

4．本項目對傳感器的選用分析

本項目需要測量水位，測量的是一個位置量，必須用傳感器來感知水位的高低。整個電路的工作過程是：若水位高則控制水泵電機運行，使水位下降；當(dāng)水位下降到一定(比較低)的位置時，控制水泵電機停止運行。因此，對水位傳感器的精度要求不高，并且對水位高低并不需要連續(xù)的測量?？梢圆捎酶∽訋訉?dǎo)電的觸點的通、斷的方式來感知高水位和低水位。根據(jù)水能導(dǎo)電的特點，本項目擬采用水位探針的方式來感知水位的高低。4.2.2項目電路的分析

1．水位高低的探測

我們知道非純凈的水是導(dǎo)電體，將兩根電極放置在需要確定水位高低的位置，當(dāng)水位沒有到達這一高度時，兩根電極斷路，電極間的電阻很大；當(dāng)水位高度到達這一位置時，兩根電極被水所短路，電極間的電阻比較小。由此，我們把水位是否達到這一高度的問題轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌O間電阻大小的問題，這樣我們就可以用電子線路來處理前面提出的問題了，如圖4-2所示。圖4-2水位高低的探測

2．水位高低的處理

在圖4-3所示的電路中，運放為開環(huán)比較電路。此時兩電極間呈高電阻狀態(tài)，運放反相輸入腳2腳的電位為5?V，而同相輸入腳3腳為2.5?V，運放的輸出腳1腳為?-5?V即低電平。當(dāng)水位升高(見圖4-4)時，此時兩電極間呈低電阻狀態(tài)，運放2腳的電位約為0?V，而3腳為2.5?V，運放的輸出腳1腳為5?V即高電平。這樣，當(dāng)水位到達指定位置時，運放輸出高電平；當(dāng)水位不到指定位置時，運放輸出低電平。圖4-3水位高低的處理電路(低水位)圖4-4水位高低的處理電路(高水位)

3．輸出信號

1)指示燈輸出

圖4-5中，R4為三極管基極的限流電阻，基極電流限制在1?mA左右，R5為發(fā)光二極管的限流電阻，流過發(fā)光二極管的電流約為10?mA。水位到達位置，運放輸出高電平，三極管飽和導(dǎo)通，發(fā)光二極管亮，指示人應(yīng)該排水了。但是，如此需要有人一直盯著指示燈，不科學(xué)。

2)蜂鳴器輸出

當(dāng)水位到達位置時，指示燈亮，蜂鳴器響，指示人應(yīng)該排水了。圖4-5水位檢測及輸出電路

4．上述電路存在的問題

上述電路存在以下問題：

(1)此電路只是起提示人操作水泵的作用，水泵的運行與停止仍然需要人為操作，不符合項目的要求。

(2)水位是否已經(jīng)很低不能指示。

(3)水位高到指定位置時，水位的波動會對電路的指示造成影響。

5．改進方案

(1)增加一根電極，用于探測低水位，同時增加一個運放，用于把低水位信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。這樣，兩個運放分別輸出高水位信號和低水位信號。

(2)把運放構(gòu)成的開環(huán)比較電路改為正反饋比較電路。

(3)增加一個D觸發(fā)器CD4013，由該觸發(fā)器構(gòu)成一個RS觸發(fā)器。由高水位信號使RS觸發(fā)器置“1”，即輸出高電平，啟動水泵運行；由低水位信號使RS觸發(fā)器置“0”，輸出低電平，水泵停止運行。同時，指示燈的指示內(nèi)容也要作改變：用于指示水泵的運行狀態(tài)，水泵運行時指示燈亮；水泵停止運行時，指示燈滅。在圖4-6所示的改進電路中，低水位電路加了一個U1C運放，它是一個反向比例放大電路，用于對運放U1B輸出電平的取反，即當(dāng)水位低于低位時，U1C輸出高電平；當(dāng)水位高于低位時，輸出低電平。U2A為集成電路4013，它內(nèi)含兩個單元的D觸發(fā)器，我們僅用了其中的一個，在此用于構(gòu)成一個RS觸發(fā)器。其輸出端Q驅(qū)動三極管Q1，由三極管驅(qū)動小型繼電器及發(fā)光二極管VD1。表4-1、4-2所示分別為水位上升和下降的關(guān)系。圖4-6改進的水位檢測控制電路表4-1水?位?上?升?時

表4-2水?位?下?降?時

4.2.3電路元器件的確定

在圖4-6中已經(jīng)標(biāo)明電路的元器件參數(shù)，在此對部分元器件作一些說明。

1．運算放大器

圖4-6中選用了集成運算放大器LM324。LM324在一塊集成電路中有四個運算放大器，所以盡管在原理圖中有三個運放，實際電路中只用了一塊集成電路。在原理圖中電源采用了?±5?V的電源，當(dāng)運放輸出為低電平時，運放的輸出電壓約為?-5?V(如果電源電壓為?±15?V時，則輸出的電壓約為?-15?V)，這個負的電壓加至D觸發(fā)器CD4013的R、S輸入端不合適(如果負電壓更大)，會損壞CD4013集成電路。而運放LM324是可以單電源工作的，所以實際使用時可以用單個電源供電，這樣，既可以保證運放LM324，也可以保證D觸發(fā)器CD4013工作。LM324還有價格便宜的優(yōu)點。

2．探針及電橋電路

電阻R1、R2、R3及高水位探針、接地探針構(gòu)成一個探測高水位的電橋電路。R2、R3用于構(gòu)成一個參考電位，圖4-6中該電位為電源電壓的一半。R2、R3的阻值并不需要十分準(zhǔn)確，從幾千歐到幾百千歐均可。而電阻R1的取值比較重要，要確保探針接觸到水以后，該橋臂的輸出電位比R2、R3構(gòu)成的橋臂的輸出電位低；當(dāng)探針沒有接觸到水時，則該橋臂的輸出電位比R2、R3構(gòu)成的橋臂的輸出電位高。實際使用該電路時，要考慮水的導(dǎo)電性能。

同理，對于由R9、R10、R11及低水位探針和接地探針構(gòu)成的低水位探測電橋也是如此。

3．?dāng)?shù)字集成電路

目前使用的比較多的數(shù)字集成電路有兩大類，即74系列的TTL型數(shù)字集成電路和4000系列的CMOS型數(shù)字集成電路。

1)?TTL型數(shù)字集成電路

TTL型數(shù)字集成電路有標(biāo)準(zhǔn)型、高速型(H-TTL)、低功耗型(L-TTL)、肖特基型(S-TTL)、低功耗肖特基型(LS-TTL)等。其主要的區(qū)別在于功耗、工作速度等參數(shù)有所區(qū)別，而邏輯功能則基本一致。標(biāo)準(zhǔn)型和低功耗肖特基型用的比較多。在選用數(shù)字集成電路時，首要的就是根據(jù)集成電路的邏輯功能來選用符合使用要求的數(shù)字集成電路，這點電子應(yīng)用人員一般是不會搞錯的，在電子線路學(xué)習(xí)過程中主要就是學(xué)習(xí)這一內(nèi)容。容易忽略的是電路的相關(guān)參數(shù)，而知悉電路參數(shù)對實現(xiàn)電路的功能是非常重要的，有時甚至是決定性的。所以在此重點強調(diào)其極限參數(shù)和性能參數(shù)。

(1)極限參數(shù)。TTL型數(shù)字集成電路的極限參數(shù)見表4-3。表4-3TTL型數(shù)字集成電路的極限參數(shù)

(2)性能參數(shù)。

電源電壓(VCC)：電源供給電壓，4.75～5.25?V。

高電平輸入電壓(VIH)：標(biāo)準(zhǔn)型2.4?V；LS型2.7?V；臨界電壓2.0?V。

高電平輸出電壓(VOH)：標(biāo)準(zhǔn)型2.4～3.4?V；LS型2.7～3.4?V。

低電平輸入電壓(VIL)：標(biāo)準(zhǔn)型0.4?V；LS型0.5?V；臨界電壓0.8?V。

低電平輸出電壓(VOL)：標(biāo)準(zhǔn)型0.2～0.4?V；LS型0.35～0.5?V。臨界值輸入電壓(VT)：該參數(shù)為施密特輸入型的臨界輸入電壓。VT+

是輸入自低電平變化到高電平時發(fā)生滯后現(xiàn)象的上端電壓；VT－是輸入自高電平變化到低電平時發(fā)生滯后現(xiàn)象的下端電壓。

電源供給電流(ICC)：電源供給電流是以一片集成電路為單位來表示的，所以在多電路的集成電路中，每一功能電路的ICC電流就會變小。

輸入高電平電流(IIH)：輸入為高電平時，流入輸入端的電流一般為微安級。

輸出高電平電流(IOH)：輸出為高電平時，流出輸出端的電流。輸入低電平電流(IIL)：輸入為低電平時，流入輸入端(實際可能為流出)的電流，一般為毫安級。

輸出低電平電流(IOL)：輸出為低電平時，流出輸出端(實際可能為流入)的電流。

開路狀態(tài)輸出電流(IO(OFF))：對于集電極開路型集成電路在集電極施加最高電壓時，流入集電極的電流。

高阻開路狀態(tài)輸出電流(IOZ)：對于三態(tài)型集成電路，在高阻狀態(tài)時對輸出端施加高或低電平狀態(tài)，在輸出端流過的電流。平均傳輸延遲時間(tpd)：傳輸延遲時間是指一個信號由輸入端進去，到輸出端出來的時間。盡管整個時間很短，但多個電路串聯(lián)在一起工作，會影響電路的正常工作。

最大時鐘頻率(fmax)：計數(shù)器、移位寄存器、時鐘振蕩器等電路的最高工作頻率。

保持時間(th)：保持時間是指把一個輸入數(shù)據(jù)，通過其他輸入電路輸入到集成電路內(nèi)部時，使時鐘和置位信號變化后的數(shù)據(jù)穩(wěn)定所需要的時間。

還有其他的參數(shù)在此不再敘述?？傊?，在選用TTL集成電路時，除了考慮電路的功能外，還必須考慮集成電路的性能參數(shù)。否則，有可能使電路達不到預(yù)期的功能。

2)?CMOS型數(shù)字集成電路

4000系列CMOS通用數(shù)字集成電路在國際上有三類，即A系列、B系列和UB系列。如美國無線電公司的CMOS電路就有CD4000A、CD4000B和CD4000UB三類。A系列和B系列的差別在于電路的工作電壓范圍不同。A系列的工作電壓為3～15?V，B系列的工作電壓為3～18?V。UB系列為電路的輸出級不具有緩沖級的集成電路系列。除美國無線電公司外，摩托羅拉公司的MC14000系列、德州儀器公司的TP4000系列、東芝公司的TC4000系列、日電公司的mPD4000系列、日立公司的HD4000系列等相互之間是兼容的。對于同一個CMOS品種的集成電路，其后標(biāo)的四位數(shù)字是一致的。

CMOS型集成電路具有微功耗、高噪聲容限、工作電壓范圍寬、輸出邏輯電平擺幅大、輸入阻抗高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點。

表4-4列出了CMOS電路與TTL電路的比較。表4-4

由表4-4可以看出，在滿足電路功能要求的情況下，應(yīng)選用CMOS電路。同樣，在選用CMOS電路時要考慮電路的性能參數(shù)。

極限參數(shù)見表4-5。

性能參數(shù)見表4-6。表4-5

表4-6

續(xù)表本項目中選用的CD4013為4000系列數(shù)字集成電路的一種。從表4-6可以看出，要用該集成電路直接驅(qū)動發(fā)光二極管和繼電器是不可能的，所以在該集成電路的輸出后面必須加三極管驅(qū)動電路。

4．三極管

在模擬電路中，三極管主要用于放大電路中，分析由三極管構(gòu)成的各種放大電路。而在實際工程中，隨著運算放大器各種性能的提高，無論是直流放大電路還是交流放大電路，大多不再由三極管來構(gòu)成，而直接采用運算放大器。目前電子技術(shù)應(yīng)用向數(shù)字化、集成化、計算機化發(fā)展，但數(shù)字電路、計算機電路的驅(qū)動能力(輸出的電流)往往很小，需要增加驅(qū)動電路來增加驅(qū)動能力，這一任務(wù)基本上由三極管來擔(dān)當(dāng)。本項目的電路中，CD4013的輸出電流很小，無論是發(fā)光二極管，還是繼電器，它都驅(qū)動不了，需要用三極管來增加它的驅(qū)動能力。三極管的種類很多，選擇何種三極管構(gòu)成驅(qū)動電路，需要從以下幾方面考慮：

1)前一級電路的驅(qū)動能力

前級電路的輸出信號是三極管驅(qū)動電路的輸入信號，前級電路的輸出必須能夠驅(qū)動三極管。在前級電路已經(jīng)確定的情況下，則需要選擇合適的三極管以便三極管能夠被驅(qū)動。在本項目中，三極管的輸入信號是由CD4013提供的，CD4013的輸出電流在2mA左右，選擇三極管時必須考慮這個參數(shù)。

2)三極管所要驅(qū)動的元器件(或電路)

設(shè)置三極管驅(qū)動電路的目的是要驅(qū)動其后的負載或電路。所選擇的三極管必須能夠滿足后續(xù)的元器件(或電路)的電壓和電流的需求。所以在選擇三極管時需要了解其后的負載的具體要求。本項目中三極管要驅(qū)動一個發(fā)光二極管、一個小型繼電器。發(fā)光二極管工作時通過的電流大約在10?mA左右。小型繼電器則要根據(jù)具體的型號確定需要多大的電流才能吸合。

3)三極管本身的類型和參數(shù)

理論學(xué)習(xí)時往往不注重對三極管參數(shù)的了解，而實際工程應(yīng)用中對三極管參數(shù)的了解是十分重要的。三極管的主要參數(shù)如下：

(1)三極管的極限參數(shù)。三極管的極限參數(shù)是表征三極管安全工作的參數(shù)，是指三極管工作時不允許超過的極限工作參數(shù)，超過此界限，輕者管子的性能下降，重者管子損壞。因而極限參數(shù)是保證管子安全運行和選擇管子的重要依據(jù)。極限參數(shù)主要有：①集電極最大允許電流ICM。一般ICM是表示當(dāng)?b?下降到正常值的2/3時，所允許的最大集電極電流。使用時超過此值，雖不致管子馬上損壞，但由于?b?顯著下降，將影響放大質(zhì)量。

②集電極最大允許功耗PCM。管子工作時，其值為IC×VCE的功率轉(zhuǎn)化為熱能，損耗于管子內(nèi)部，并主要表現(xiàn)為集電結(jié)的結(jié)溫升高。PCM表示集電極最大允許的功耗，超過此值將使管子的性能變差，甚至燒毀管子。PCM的值與管子的散熱條件和環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。一般手冊所給的PCM值是在一定的散熱條件和環(huán)境溫度下給出的。散熱條件變差、環(huán)境溫度升高，則PCM要顯著下降。③最大反向擊穿電壓。最大反向擊穿電壓有多個，最主要的是基極開路，集電極、發(fā)射極間的擊穿電壓V(BR)CEO。這個參數(shù)表征三極管能夠承受電源電壓的大小。

(2)三極管性能參數(shù)。三極管的性能參數(shù)有很多，比較重要的有：

①共發(fā)射極電流放大倍數(shù)?b。b?值一般在20～200，它是表征三極管電流放大作用的最主要的參數(shù)。②集電極-發(fā)射極穿透電流ICEO。穿透電流ICEO，指在三極管基極電流IB=0時，流過集電極的電流IC。它表明基極對集電極電流失控的程度。小功率硅管的ICEO約為0.1?mA，鍺管的值要比它大1000倍，大功率硅管的ICEO約為mA數(shù)量級。

③特征頻率fT。特征頻率指三極管的?b?值下降到1時所對應(yīng)的工作頻率。fT的典型值約在100～1000?MHz之間。

表4-7列出了一些電子電路小制作中常用三極管的主要參數(shù)。表4-7常用小功率半導(dǎo)體三極管特性

5．繼電器

1)繼電器的基本知識

繼電器是利用電磁原理、機電原理或其他方法(如熱電、光電等)實現(xiàn)電路中聯(lián)結(jié)點的閉合或切斷的控制元件。在自動控制系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的控制裝置和保護裝置以及機電一體化設(shè)備中，繼電器是不可缺少的開關(guān)型控制元件。繼電器的種類多，其分類方法各異。最常用的是直流電磁繼電器、交流電磁繼電器、固態(tài)繼電器、干簧管繼電器、時間繼電器和磁保持繼電器等。

繼電器可以按動作原理、觸點特征、結(jié)構(gòu)形式、負載功率、防護特征或用途等進行分類。圖4-7給出了部分繼電器的外形。圖4-7小型電磁繼電器外形按動作原理或結(jié)構(gòu)特征，可將繼電器分類如下：

(1)電磁性繼電器：它是指由控制電流通過線圈產(chǎn)生的電磁吸力驅(qū)動磁路中的可動部分來實現(xiàn)觸點的通斷或轉(zhuǎn)換的一類繼電器。電磁性繼電器主要有兩類：一是直流繼電器，其控制電流為直流；二是交流繼電器，其控制電流為交流。

(2)熱繼電器：利用熱效應(yīng)驅(qū)動執(zhí)行機件動作的繼電器。

(3)電熱式繼電器：利用控制電路內(nèi)的電能轉(zhuǎn)換成熱能的效應(yīng)動作的繼電器。

(4)溫度繼電器：當(dāng)外界溫度達到規(guī)定值時動作的繼電器。

(5)固體繼電器(SSR)：這是一種用固體元件組裝而成的新穎的無觸點開關(guān)器件，它可以實現(xiàn)用微弱的控制信號對大電流(幾十安至幾百安)的負載進行無觸點的接通或斷開。

(6)混合式繼電器：其輸入部分由電子線路構(gòu)成，起整流、延時、放大等作用，其輸出部分為電磁繼電器。除上面6類常見的繼電器外，還有利用光電效應(yīng)動作的光電繼電器、利用聲效應(yīng)動作的聲繼電器、利用壓電效應(yīng)動作的壓電陶瓷繼電器以及利用半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)動作的霍爾效應(yīng)繼電器等。

按觸點負載功率的大小進行分類：

按繼電器觸點(接點)的負載能力進行分類，如表4-8所示。表4-8

其他的分類方法還有：按繼電器的外形尺寸分類，可以分為微型、超小型、小型、大型繼電器；按繼電器的防護特征分類，可以分為密封式、封閉式和敞開式繼電器等。

繼電器的型號命名一般由五部分組成，如圖4-8所示。

繼電器型號中的第一個字母，即繼電器的主稱，都用字母“J”表示。主要繼電器型號中各字母的含義見表4-9。圖4-8繼電器的型號命名表4-9

2)常用電磁式繼電器的基本知識

電磁式繼電器是一種利用電磁力來切換觸點(或稱接點)的機電一體化開關(guān)型元件。按照輸入電壓(或電流)的種類不同，電磁式繼電器可分為直流型電磁繼電器和交流型電磁繼電器(也有交、直流兼用的)。根據(jù)線圈與電源的接法不同，分為電壓型和電流型兩種。前者以電壓為輸入量，后者則以電流為輸入量。在電磁式繼電器中，電壓繼電器是應(yīng)用最多的一種繼電器。電磁式繼電器在電路圖中的文字符號為K，圖形符號如圖4-9所示。它的觸點可以畫在線圈圖形符號的一側(cè)，也可根據(jù)電路的布圖或電氣連接的需要，畫在離繼電器線圈較遠的地方，但要編號標(biāo)明。如繼電器編號為K1，則其觸點應(yīng)編成K1-1、K1-2。

各種繼電器的參數(shù)，一般在產(chǎn)品說明書或繼電器手冊中都有詳盡說明。電磁式繼電器與其他繼電器相比有其共性，但也有其本身的特性。下面通過對電磁繼電器主要參數(shù)進行介紹，在一定程度上加深對一般繼電器的了解。圖4-9繼電器的原理圖符號電磁式繼電器的主要參數(shù)有額定工作電壓、額定工作電流、線圈電阻、吸合電壓、吸合電流、釋放電壓、釋放電流、觸點負荷以及吸合時間等。

(1)額定工作電壓和額定工作電流。額定工作電壓是指繼電器正常工作時需在線圈兩端加的電壓；額定工作電流是指繼電器在正常工作時要通過線圈的電流。在使用中應(yīng)滿足線圈對電壓、電流的要求。為使同一種型號的繼電器能適應(yīng)不同電路或不同供電電壓的要求，同一種型號的繼電器可有不同的規(guī)格號。例如JZC-22F型超小型中功率電磁繼電器，它有JZC-22F/003-1Z、JZC-22F/006-1Z…JZC-22F/048-1Z等型號。斜線后的003、006…048為其規(guī)格號，表示額定工作電壓分別為DC3V、DC6V…DC48V。

(2)線圈電阻。線圈電阻是指繼電器線圈的直流電阻值。有些繼電器的產(chǎn)品說明書中只給出了額定工作電壓和線圈電阻，這時可根據(jù)歐姆定律求出其額定工作電流。例如，JZC-22F/006-1Z型繼電器的線圈電阻R=100?W，則可計算其額定工作電流I=U/R=6?V/100?W=60?mA。

(3)吸合電壓和吸合電流。繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電壓值，稱為吸合電壓；繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電流值，稱為吸合電流。吸合電壓通常是線圈額定電壓的75%。例如，JZC-22F/009-1Z型繼電器的額定工作電壓為DC9?V，則吸合電壓為6.75?V；但如果只給繼電器的線圈加上吸合電壓，這時吸合動作是不可靠的。一般我們選擇電源電壓時，只要選用額定值就可以了。

(5)釋放電壓和釋放電流。當(dāng)繼電器線圈兩端的電壓降低到一定值時，繼電器就從吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)換到釋放狀態(tài)。釋放電壓或電流是指產(chǎn)生釋放動作的最大電壓或電流。釋放電壓比吸合電壓要小得多。例如，JZC-22F/009-1Z型繼電器的額定工作電壓為9?V，吸合電壓為6.75?V，釋放電壓為0.45?V。要保證可靠釋放必須使繼電器線圈的電壓或流過線圈的電流小于釋放電壓或釋放電流。

(5)觸點負荷。觸點負荷是指繼電器的觸點允許通過的電流和所加的電壓，即觸點的負載能力。例如，JZC-22F/024-1Z型小型中功率電磁繼電器的觸點負荷是24?V(DC)，2?A或120V(AC)，2?A。它表示這種型號的繼電器的觸點在工作時的電壓和電流不允許超過該值，否則會將觸點損壞。為保證繼電器觸點不被損壞，不能用觸點負荷小的繼電器去控制負載大的電路。

(6)吸合時間。吸合時間是指繼電器線圈通電后，觸點從釋放狀態(tài)到吸合狀態(tài)所需要的時間間隔。

(7)線圈電源及消耗功率。線圈電源指加在線圈上的電壓是直流(DC)還是交流(AC)；消耗功率是指線圈消耗的額定功率值。例如，JZC-22F/1Z、JZC-22F/2Z型繼電器的供電電壓皆為直流(DC)，消耗功率皆不大于0.45W。

除上述參數(shù)外，繼電器還有絕緣強度、使用環(huán)境、安裝形式、觸點壽命等參數(shù)。

一般選擇繼電器主要考慮兩個參數(shù)，即額定電壓(電流)和觸點額定負載。

表4-10列出了JZC-21F型小型繼電器的規(guī)格和主要參數(shù)。表4-10

JZC-21F的規(guī)格說明見圖4-10。

表4-11列出了部分常用小型電磁式繼電器的型號、規(guī)格和主要參數(shù)供選用時參考。圖4-10JZC-21F的規(guī)格說明表4-11

選擇電磁式繼電器時，必須綜合考慮其工作電壓、線圈電壓和電流，被控對象(機件或電路)的電壓、電流和負載性質(zhì)(純阻性、感性等)，功能特點及使用環(huán)境等因素。

首先，應(yīng)考慮類型的選擇。

(1)使用類別的選擇。要弄清被控負載的情況，如負載的性質(zhì)(阻性、感性或容性等)、負載的輕重、負載的額定工作頻率、被控電壓的高低以及是直流還是交流等。所選定的繼電器應(yīng)與控制電路及其負載的實際要求相比較，看是否符合要求。

(2)使用環(huán)境的考慮。使用環(huán)境指安裝地點及使用場合、環(huán)境溫度、相對濕度、污染(或潔凈)情況、沖擊和振動情況等。這些是選定繼電器結(jié)構(gòu)(敞開式、封閉式和密封式)和防護類別的主要依據(jù)。

其次，型號規(guī)格的選擇。

應(yīng)選擇繼電器的額定工作電壓和額定工作電流。繼電器的最高工作電壓不能超過額定工作電壓，其最大工作電流應(yīng)小于額定工作電流。當(dāng)繼電器由晶體三極管或集成電路驅(qū)動，若驅(qū)動電流小于繼電器的額定工作電流，必要時應(yīng)增添一只中間繼電器。一個型號的繼電器可能有幾個額定工作電壓，要求額定工作電流一定要與之對應(yīng)。例如表4-10所列的JZC-21F型繼電器，它的額定電壓有DC3V、DC6V…DC48V等，與之相應(yīng)的額定電流有系列值(可以用電壓除以電阻得到)。額定工作電壓和額定工作電流二者共同表征繼電器觸頭所能切換電路的能力。第三，觸點切換不同負載電流的選擇。

一般情況下，繼電器觸頭切換的電流是指在對應(yīng)電壓下切換純阻性負載(如電阻器、白熾燈等)的電流值。當(dāng)用繼電器的觸點來切換電感性或電容性負載時，實際工作電流要小得多。切換電感性負載的實際工作電流只能取純阻性負載電流的30%，切換日光燈負載時，只能取15%，說明負載的性質(zhì)對繼電器是有影響的。例如，一個額定工作電流為2?A的繼電器，不一定能承受同樣大小的非電阻性(如電感性、電容性等)負載電流。第四，觸點數(shù)量和種類的選擇。

根據(jù)實際控制觸點數(shù)的需要，選用合適型號的繼電器。即使同一種型號的繼電器，也有多種觸點形式可供選擇，要充分利用各組觸點。

第五，繼電器線圈規(guī)格的選擇。

線圈的電流種類(AC或DC)和額定電壓值，或線圈的電壓種類(AC或DC)和額定電流值，應(yīng)與控制電路及工作環(huán)境相一致。第六，繼電器體積的考慮和選擇。

在小型化產(chǎn)品中或安裝空間有要求的情況下，宜選用小型或超小型繼電器；在安裝空間不作要求的情況下，可選價廉而體積稍大的繼電器。

電磁式繼電器在使用時應(yīng)注意以下幾個方面：

安裝前的檢查。根據(jù)控制電路和被控負載的技術(shù)要求，核對繼電器的型號、規(guī)格和銘牌數(shù)據(jù)，尤其應(yīng)注意檢查線圈的額定電壓、額定電流、吸合電壓以及釋放電壓等，以確保繼電器可靠動作和長久使用。檢查繼電器的殼體是否完整無損，管腳有無扭曲、機械傷痕。安裝時，應(yīng)避免在裝有振動和沖擊動作較強的機電裝置的安裝架或印制板上安裝繼電器，振動或沖擊有可能使繼電器產(chǎn)生誤動作。在有振動的場所，要選擇合理的安裝方式(如減振)，以減少振動帶來的影響?？紤]繼電器對其他電路或系統(tǒng)的影響。繼電器的觸點動作時可能會產(chǎn)生電弧或火花，對其他部件或電路產(chǎn)生干擾。必要時應(yīng)采取屏蔽等抗干擾措施，或遠離易感元器件。安裝時必須按正確位置安裝到位。在安裝和焊接過程中，應(yīng)避免繼電器引出腳的損傷，不允許使引出腳彎曲、變形，以免內(nèi)部機件受力或破壞密封性能。繼電器引出腳的焊接宜采用中性焊劑，焊后清洗干凈，以免腐蝕焊點和降低絕緣子的絕緣性能。

3)固態(tài)繼電器的基本知識

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率電子器件的發(fā)展，出現(xiàn)了一種以電子技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的無機械觸點的電子開關(guān)器件——固態(tài)繼電器。

固態(tài)繼電器也稱固體繼電器，簡稱SSR。它是一種采用固體半導(dǎo)體元件組裝而成的新型無觸點開關(guān)元件，它用電子電路實現(xiàn)常規(guī)機械式繼電器的功能，并依靠內(nèi)裝的光電耦合器實現(xiàn)控制電路和被控對象(或電路)之間的隔離。它對被控電路優(yōu)異的通斷能力和初、次級間的高度隔離(絕緣)，使它的使用功能擴展到自動控制、數(shù)字程控、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域。圖4-11所示是部分固態(tài)繼電器的外形結(jié)構(gòu)。

圖4-12所示是固態(tài)繼電器的原理圖符號。

固態(tài)繼電器具有如下特點：

(1)控制功率小。SSR的驅(qū)動電壓(或電流)很小，也就是只需給輸入端一個很小的信號，就可實現(xiàn)對被控電路或系統(tǒng)的控制。因此，有些SSR可由TTL、CMOS等數(shù)字電路直接

驅(qū)動。

(2)開關(guān)速度快。SSR主要由固體半導(dǎo)體元件組裝而成，因而響應(yīng)快，在通與斷的瞬間不會產(chǎn)生電火花。直流型SSR的響應(yīng)時間為幾十微秒，與電磁式繼電器(毫秒級)相比，其響應(yīng)速度提高了幾百至上千倍；過零交流型SSR的轉(zhuǎn)換時間不大于市電(交流220?V)周期的一半，即10?ms左右。

(3)抗干擾能力強，對外界干擾小。SSR沒有觸點跳動，消除了因電火花而導(dǎo)致的電磁干擾，故對外界系統(tǒng)的干擾小。由于交流型SSR采用的是過零觸發(fā)技術(shù)，它對外界的電磁干擾極小。另外，由于SSR在輸入、輸出間采取了光電隔離等措施，故抗干擾能力強。圖4-11固態(tài)繼電器的外形結(jié)構(gòu)圖4-12固態(tài)繼電器的原理圖符號

(4)能承受的浪涌電流大。SSR對感性負載的浪涌電流的承受能力，可為其額定工作電流的6～10倍。

(5)耐壓水平高。SSR的輸入、輸出之間的介質(zhì)耐壓可高達2.5?kV以上。

(6)對電源電壓的適應(yīng)范圍寬。交流型SSR的工作電壓可以在30～220?V范圍內(nèi)任意選擇。

(7)可靠性高。由于SSR內(nèi)部無機械接觸部件，故工作可靠性高。SSR的外殼采用絕緣防水材料制成，抗潮濕、抗腐蝕。

(8)壽命長。SSR屬于永久性或半永久性電子元件，其使用壽命可高達1012～1013次；而普通電磁式繼電器的壽命一般為105～106次。

SSR的優(yōu)點盡管很多，但與傳統(tǒng)的常規(guī)機電式繼電器(MER)相比較，SSR有漏電流大、接觸電壓大、使用溫度范圍窄、觸點單一、過載能力差以及成本偏高等不足之處。

固態(tài)繼電器的種類很多，按照負載性質(zhì)的不同可以分為直流固態(tài)繼電器和交流固態(tài)繼電器；按過零功能及控制方式可以分為電壓過零關(guān)的交流型SSR和電流過零隨機導(dǎo)通的交流SSR及非過零型SSR；按封裝方式可以分為塑封型、金屬殼密封型、環(huán)氧樹脂灌封等。

固態(tài)繼電器的型號命名見圖4-13。圖4-13固態(tài)繼電器的型號命名固態(tài)繼電器內(nèi)部是一個電子線路，包括輸入電路、光電隔離電路和輸出電路三部分，見圖4-14。

輸入電路中，電阻R用于限流，VD用于保護輸入電路，避免加入反向電壓。所以使用固態(tài)繼電器時，應(yīng)注意輸入信號的極性不要加反。

輸出電路主要由光電耦合器中的光檢測器、驅(qū)動電路(包括放大電路、可控硅等)、瞬態(tài)抑制電路和開關(guān)(輸出)元件等組成。

輸出電路與輸入電路間用光耦電路加以隔離，使輸入與輸出電路間沒有直接的電的連接，而又能傳遞信號。圖4-14固態(tài)繼電器內(nèi)部電路框圖直流型固態(tài)繼電器的輸出器件大多采用開關(guān)三極管或場效應(yīng)管，瞬態(tài)抑制電路用二極管、飽和型三極管或齊納二極管控制輸出狀態(tài)的通斷，其示意圖見圖4-15。使用時必須注意輸出端也是有極性的，不能接反。

交流固態(tài)繼電器輸出大多采用可控硅或場效應(yīng)管，瞬態(tài)抑制電路采用阻容吸收回路，其示意圖見圖4-16。圖4-15直流型固態(tài)繼電器輸入輸出示意圖圖4-16交流型固態(tài)繼電器輸入輸出示意圖固態(tài)繼電器的主要參數(shù)包括輸入(回路)參數(shù)、輸出(回路)參數(shù)和隔離參數(shù)。

輸入回路的主要參數(shù)有：

①輸入電壓：在規(guī)定條件下，固態(tài)繼電器能正常工作的輸入電壓范圍。

②輸入電流：在規(guī)定條件下，固態(tài)繼電器正常工作所需要的電流。

③絕緣電阻：在規(guī)定條件下，輸入端與輸出端、輸入端與外殼、輸出端與外殼之間加550?V直流電壓時測得的電阻。輸出回路的主要參數(shù)有：

①額定輸出電壓：在規(guī)定條件下，輸出端能承受的開關(guān)電壓。

②額定輸出電流：在規(guī)定條件下，輸出端能通過的最大穩(wěn)態(tài)電流。

③浪涌電流：在規(guī)定條件下，輸出端能承受而不致造成永久性損壞的非重復(fù)最大浪涌(或過載)電流。④過零電壓：交流過零型固態(tài)繼電器輸入端加上額定電壓時，能使輸出端導(dǎo)通的最大起始電壓。

⑤最高結(jié)溫：指開關(guān)元件所允許的最高結(jié)溫。

表4-12、表4-13分別列出了JGX-10F型固態(tài)繼電器的主要輸入?yún)?shù)和主要輸出參數(shù)。表4-12

表4-13

作為無機械觸點的開關(guān)功能元件，在SSR實際應(yīng)用中，輸入端的正確控制和輸出端正確的驅(qū)動，是SSR使用成功的關(guān)鍵。

SSR的共同特點是驅(qū)動電流或驅(qū)動電壓很小，輸入一個很小的信號就可實現(xiàn)對SSR輸出狀態(tài)通、斷的控制。但若要實現(xiàn)有效而可靠的控制，其輸入信號必須達到一個給定值。對于輸入回路工作電流的要求，推薦值為5～10?mA時開通，小于1?mA時關(guān)斷對于輸入端工作電壓的要求，一般情況下，開通時不低于3?V，關(guān)斷時小于1?V。當(dāng)然，因產(chǎn)品特性不同或廠家不同，對輸入電流或電壓值的要求是有差異的。因此，電路設(shè)計者和使用者可根據(jù)SSR的類型、規(guī)格和使用場合等進行具體設(shè)計和選擇。下面介紹一些基本的輸入端控制方法和電路。

(1)采用三極管控制SSR的通斷。SSR可用NPN型或PNP型晶體三極管直接控制其輸入端，如圖4-17、圖4-18所示。在圖4-17所示的電路中，當(dāng)UIN為低電平時，VT導(dǎo)通，SSR處于接通狀態(tài)；當(dāng)UIN為高電平時，SSR斷開。在圖4-18所示的電路中，當(dāng)UIN為低電平時，VT截止，SSR呈斷開狀態(tài)；當(dāng)UIN為高電平時，SSR接通。圖4-17PNP型三極管控制SSR輸入端圖4-18NPN型三極管控制SSR輸入端

(2)采用TTL數(shù)字集成電路驅(qū)動SSR。用TTL數(shù)字集成電路控制SSR通斷的電路如圖4-19所示。

在圖4-19(a)中，當(dāng)UIN為低電平(0)時，經(jīng)TTL門反相后，SSR的“-”輸入端呈高電平(1)，將SSR關(guān)斷；當(dāng)UIN為高電平(1)時，SSR開通。它的控制邏輯如圖4-19(a)右側(cè)所示。

在圖4-19(b)中，TTL接至SSR的“+”輸入端，因而，它的控制邏輯與圖4-19(a)的相反。在圖4-19(c)中，TTL采用集電極開路的反相器(常稱為OC門)。這種門電路的帶負載能力較強，很適宜驅(qū)動SSR。

值得注意的是，TTL集成電路輸出低電平時的驅(qū)動能力強(灌電流大)，而輸出為高電平時的驅(qū)動能力弱(拉電流小)。總體而言，當(dāng)SSR所需輸入電流大于10?mA時還是不用TTL電路直接驅(qū)動為佳，而應(yīng)加三極管驅(qū)動電路。圖4-19TTL集成電路驅(qū)動SSR

(3)采用CMOS數(shù)字集成電路驅(qū)動SSR。CMOS集成電路的輸入阻抗高，輸出邏輯電平擺幅大(高、低電平值接近電源電壓)，但驅(qū)動能力很弱，必須與其他電路(如三極管驅(qū)動電路)配合使用，如圖4-20所示。

圖4-20(a)所示為加入負向脈沖對SSR進行控制的電路。

圖4-20(b)所示為加入正向脈沖的控制電路，兩者的控制邏輯相反。圖4-20CMOS集成電路驅(qū)動SSR固態(tài)繼電器的品種、型號繁多，其組成、結(jié)構(gòu)各異，各具特點。在進行SSR選型和使用時，除注意SSR普遍存在的問題(共性)外，還應(yīng)注意不同產(chǎn)品