1、電氣自動化專業英語（翻譯僅供參考，有不同意見可以相互交流）第一部分：電子技術第一章電子測量儀表 電子技術人員使用許多不同類型的測量儀器。一些工作需要精確測量面另一些工作只需粗略估計。有些儀器被使用僅僅是確定線路是否完整。最常用的測量測試儀表有：電壓測試儀，電壓表，電流表，歐姆表，連續性測試儀，兆歐表，瓦特表還有瓦特小時表。所有測量電值的表基本上都是電流表。他們測量或是比較通過他們的電流值。這些儀表可以被校準并且設計了不同的量程，以便讀出期望的數值。11安全預防儀表的正確連接對于使用者的安全預防和儀表的正確維護是非常重要的。儀表的結構和操作的基本知識能幫助使用者按安全工作程序來對他們正確連接和維

2、護。許多儀表被設計的只能用于直流或只能用于交流，而其它的則可交替使用。注意：每種儀表只能用來測量符合設計要求的電流類型。如果用在不正確的電流類型中可能對儀表有危險并且可能對使用者引起傷害。許多儀表被設計成只能測量很低的數值，還有些能測量非常大的數值。警告：儀表不允許超過它的額定最大值。不允許被測的實際數值超過儀表最大允許值的要求再強調也不過分。超過最大值對指針有傷害，有害于正確校準，并且在某種情況下能引起儀表爆炸造成對作用者的傷害。許多儀表裝備了過載保護。然而，通常情況下電流大于儀表設計的限定仍然是危險的。12基本儀表的結構和操作許多儀表是根據電磁相互作用的原理動作的。這種相互作用是通過流過導

3、體的電流引起的（導體放置在永久磁鐵的磁極之間）。這種類型的儀表專門適合于直流電。不管什么時候電流流過導體，磁力總會圍繞導體形成。磁力是由在永久磁鐵力的作用下起反應的電流引起。這就引起指針的移動。導體可以制成線圈，放置在永久磁鐵磁極之間的樞鈕（pivot中心）上。線圈通過兩個螺旋型彈簧連在儀器的端子上。這些彈簧提供了與偏差成正比的恢復力。當沒有電流通過時，彈簧使指針回復到零。表的量程被設計來指明被測量的電流值。線圈的移動（或者是指針的偏移）與線圈的電流值成正比。如果必須要測量一個大于線圈能安全負載的電流，儀表要包含旁路或者分流器。分流器被容納在儀表盒內或者連接到外部。例子一個儀表被設計成最大量程

4、是10A。線圈能安全負載0。001A，那分流器必須被設計成能負載9。999A。當時。001A流過線圈時指針指示10A。圖1。1（A）說明了一個永久磁鐵類型儀表。圖1。1（B）顯示了一個外部分流器連接到儀表端子上。永久磁鐵類型儀表可以被用作安培表或者電壓表。當量程被設計成指示電流并且內阻保持最小時，這個表可以作為安培表用。當量程被設計成指示電壓，內阻相對高一些時，這個表可以用來測量電壓值。注意：不管如何設計，指針移動的距離取決于線圈的電流值。為了讓這類表用在交流電中，在設計時必須作微小的改動。整流器可以把交流變成直流電。整流器合并進儀表中并且量程要指示出正確的交流電壓值。整流器類型的儀表不能用于

5、直流電中并且它一般被設計成電壓表。如圖1。2，電測力計是另一種能用于交流電的既能作安培表也能作電壓表的儀器。它由兩個固定線圈和一個移動線圈構成。這三個線圈通過兩個螺旋型彈簧串聯在一起。這個彈簧支撐住移動線圈。當電流流過線圈時移動線圈順時針方向移動。電測力計因為屬永久磁鐵型儀表，量程不是均勻分布的。作用在動線圈上的力根據流過該線圈的電流平方來變化。有必要在量程開始比量程結束分割的密一點。分割點之間距離越大，儀表的讀數越精確。爭取精確的讀值是重要的。移動葉片結構是儀表的另一種類型。電流流過線圈引起兩個鐵片（葉片）磁化。一個葉片是可動的，另一個是固定的。在兩個葉片間的磁的作用引起可動葉片扭轉。移動的

6、數值取決于線圈的電流值。警告：所有描述的取決于磁力作用的儀器，都不要放置在另一個磁性物質附近。它的磁力可能對引起儀表故障或者導致測量值不準確。13測量儀器的使用電壓表是設計來測量電路的電壓或者通過元器件的壓降。電壓表必須與被測量的電路或元器件并聯。131壓力檢驗計交-直流電壓檢驗計是一種相當粗糙但對電工來說很有用的儀器。這種儀器指示電壓的近似值。更常見類型指示的電壓值如下：AC，110，220，440，550V，DC，125，250，600V。許多這種儀器也指示直流電的極性。那就是說(i.e=that is)電路中的導體是陽性（正）的還是陰性（負）。電壓檢驗計通常用來檢驗公共電壓，識別接地導體

7、，檢查被炸毀的保險絲，區分AC和DC。電壓檢驗計很小很堅固，比一般的電壓表容易攜帶和保存。圖1。31。4描述了用電壓檢驗計檢查保險絲的用法。為了確定電路或系統中的導體接地，把測試儀連接在導體和已建立的地之間。如果測試儀指示了一個電壓值，導體沒有接地。對每一個導體重復這個步驟直到零電壓出現（見圖1。5）。為了確定任意兩個導體間的近似電壓值，把測試儀連接在導體之間。警告：要認真讀并遵守電壓檢驗計提供的說明書。132電壓表電壓表比電壓檢驗計測量更精確。因為電壓表與被測量的電路或元件并聯，必須有相對高一點的電阻。內阻要保證通過儀表的電流最小。流過儀表的電流越小，對電路特性的影響越小。儀表的靈敏度用符號

8、O/V表示。這個數值越高儀表的質量越好。高靈敏度可使電路特性的改變減到最小。電工使用的儀表精確度在95%到98%之間。這個精確度范圍對大多數應用是滿意的。然而，電力工作者力求最精確的可能讀數是重要的。一個精確讀數可以在儀表盤上顯示也可以直接讀出來。如果在指針后面有鏡子，調整視線的角度直到指針在鏡子中看不到映象。如要更精確可以使用數字表。電壓表有與電壓檢驗計同樣的應用。電壓表比電壓檢驗計更精確。因而，也支持更多的應用。例如，如果一個建筑物的供電電壓低于正常值，電壓表能指示出這個問題。電壓表也用來確定饋電線和支線電路導體的壓降值。電壓表有時有不只一個量程。選擇一個能更精確測量的量程很重要。選擇器開

9、關范圍達到這個目的。注意：開始用一個適當的高一點的量程，然后逐漸降低到在限定范圍之內的最低量程。設定選擇器開關在可用的最低量程上能使讀數達到最精確。使用儀表之前，要檢查儀表確保指針指在零上。在儀表盤下面有一個調整螺釘。一個輕微的扭動就能使指針偏移。扭轉調整螺釘使指針對準零線。當在DC中使用電壓表時，保持正確的極性是很重要的。大多數的直流電源和儀表都用顏色標記極性。紅色指示陽極，黑色指示陰極。如果電路和元件的極性未知，觸一下端子的導線觀察指針。如果指針猶豫著試圖擺動，儀表導線連接就要顛倒一下。警告：不要讓儀表連接反的極性。133安培表安培表是用來測量電路或部分電路的電流數量的。他與被測電路元件串

10、聯連接。儀表的電阻必須非常低這樣不會影響流過電路的電流。當測量很靈敏的設備的電流，安培表電流的輕微改變可能會引起設備的故障。安培表象電壓表一樣，也有一個調零的調整螺釘。許多儀表也有鏡子幫助使用者保證讀數精確。安培表常用來找出過載或者開路。他們也用來平衡線路的負荷和確定故障位置。安培表總是與被測電路或元件串聯連接。如果使用在DC下要檢查極性。圖1。6（A）顯示了安培表測量電路的電流。圖1。6（B）顯示的是AC安培表。1.3.3 歐姆表 歐姆表用來測量電阻，它內裝電池提供操作時需要的動力。 警告：在接上歐姆表之前，必須確認電路或部件沒有與常規電源相連接。將歐姆表與一 個沒有斷開電源的電路相連可能回

11、損壞儀表甚至導致使用者受傷。 歐姆表的刻度的讀取方向與其它儀表相反，當儀表電流開路時，指針應當指向無窮大。 可以通過調整旋紐使指針與無窮大標志對準。 多數歐姆表有數個量程，量程選擇開關應當置于最能為精確測量的位置（刻度） 。量程一般為：r*1、r*10、r*100、r*1000。如果選擇開關置于 r*1，表盤顯示的值即為測量值；如 果選擇開關置于 r*100，表盤顯示的值必須乘以100。 在測量一個電阻之前，重要的是檢查零刻度調整。程序如下：1設置理想的量程選擇開關2 連接測試導線。指針指向零。3 如果指針沒有和零刻度成一行，調節零位調整，直到指針和零刻度線成一行。記住：不要讓測試導線連接在一

12、起，因為在零電阻下，電池將迅速惡化。4 警告：確信電路是失電的。5 連接測試導線和被測的元件和電路。指針將顯示電阻值。歐姆表示一個出色的斷路探測試驗器。連接歐姆表到被測的電路上。如果電路是閉合的，指針將顯示電路的電阻值。刻度是零通常意味著一個短路。無窮大的度數意味著一個開路。1.3.5 通斷測試儀/斷路探查試驗器1.3.6 兆歐表 兆歐表， 一般認為是由其商品名 MEGGER 而得名， 是一種測量極高電阻的儀器。 例如， 用來測量電路導體或馬達繞組絕緣體的電阻。 兆歐表被設計成用來測量兆歐級的電阻； 一兆 歐等于一百萬歐姆。 一個稱之為磁發電機的小型發電機被包含于兆歐表外殼之內， 它為儀表提供

13、動力， 就像 歐姆表中的電池所起的作用。 磁力發電機可以手動發電或由電池以及其它設備提供電源。 兆 歐表有很多不同電壓檔，其中最常用的設計工作于以下數值：500V、1000V、和1000V。 磁力發電機產生的電壓取決于被測電阻的類型和歐姆值。 因為兆歐表是設計用于測量極高電阻， 它們通常用于絕緣測試。 肉眼觀測絕緣性能和用 歐姆表進行漏電測試不是非常可靠，而兆歐表測試是維修電工們最為可靠的測試方法之一。 警告：在兆歐表連接到導體或電路之前，電路必須斷電。絕緣測試通常是在導體與地之 間進行， 所以良好的接地是測試過程中至關重要的一部分。 應當用兆歐表和低電阻歐姆表檢 測以確認接地的良好連通性。

14、絕緣測試應當在安裝期間進行，并在以后定期進行。對于額定電壓在600V 或以下的電 路和設備，可以使用1000V 磁力發電機。必須對測試進行記錄，包括測試日期、時間、溫 度、濕度和電阻值。 由于大氣狀況會影響絕緣電阻， 一段時間內可能會有很多不同的測試值， 因為絕緣電阻 隨著溫度、濕度和空氣質量的不同而不同。 絕緣的共同敵人是濕氣、污垢、油污、和化學物質，盡可能地保持設備和導體的清潔和 干燥是非常重要的。 良好的保養習慣和定期的絕緣測試應該成為制度而不是偶爾為之。 兆歐 表的快速通常被標注為最小10000歐姆， 最大200兆歐。 額定工作于600V 的導體的絕緣能力 應當顯示其絕緣電阻在6000

15、00歐姆以上。對于馬達、發電機、變壓器和類似額定工作于1000V 或以下的設備，其最小絕緣電阻必須在1兆歐以上。對于工作于額定電壓在1000V 以 上的導線和設備來說，一個不錯的計算規則是：將額定電壓除以1000即得到了該設備以兆 歐為單位的最小絕緣電阻。 周期性的絕緣測試應當至少每兩個月進行一次， 絕緣電阻值隨溫度和空氣狀況的不同而 不同，但是，1年到18個月的長時期內，絕緣電阻持續下降的趨勢意味著存在問題，電路和 設備必須接受檢查。 1.3.7 多用表 1.3.8 功率計 1.3.9 電度表 電能表等于功率和時間的乘積。 電表用于測量在某段時間內消耗的功率。 對于直流電表， 其速度正比于功

16、率，它記錄了給予用戶的瓦時或千瓦時數。因為很多用戶需要大量能源，標 準電表被設計成以千瓦時顯示。 交流電表的工作原理為感應原理。 移動磁場產生電流流過鋁制圓盤， 這種電流稱為渦流， 它所產生的磁場于運動磁場相互作用，使得圓盤轉動。旋轉的圓盤驅動一個齒輪鏈，使指針 依次顯示（電功值） 。 電表有四個或5個刻度盤，每個刻度盤有一個指針，標刻有0到9，刻度盤讀數從左到右 （從右到左） ，從右到左刻度盤分別顯示個位、十位、百位、千位和萬位。如圖1.11，4位刻 度盤顯示1248千瓦時。如果指針在兩個數之間，總是讀取兩個數中較小的那個2 Fundamentals of solid-state power

17、 device第二章 固體功率器件的基本原理2.1 Introduction （緒論）本章將集中討論固態功率器件或功率半導體器件，并且只研究它們在采用相控（電壓控制）或頻率控制（速度控制）的三相交流鼠籠式感應電機的功率電路中的應用。 22固態功率器件 五種用于固態交流電機控制中的功率元器件是： 二極管；晶閘管（例如：可控硅整流器 SCR）；電子晶體管；門極可關斷晶閘管（GTO）；雙向可控硅。晶閘管 SCR 和雙向可控硅一般用于相位控制（相控）。各種二極管，晶閘管SCR，電子晶體管，門極可關斷晶閘管的組合用于頻控。這些器件的共性是：利用硅晶體形成的薄片構成P-N結的各種組合。對二極管，SCR，G

18、TO 一般 P 結叫正極 N 結叫負極；相應的電子晶體管叫集電極和發射極。這些器件的區別在于導通和關斷的方法及電流和電壓的容量。 讓我們根據他們的參數簡單看一下這些元器件。 221二極管 圖2.1顯示了一個二極管，左邊部分顯示的是在硅晶體中的一個 PN 結，右邊顯示的是 二極管的原理圖符號。當P相對于 N 是正時，由于節上有一個相當低的壓降，前向電流開始流動。當極性相反時，只有一個極小的反向漏電流流動。這些用圖2.2所示。前向電壓通常大約有1V，不受電流額定值的影響。 二極管正向導通電流的額定值取決于其尺寸和設計，而這二者是根據器件散熱的要求來確定的，以保證器件溫度不超過最大結溫（通常為200

19、C）。 反向擊穿電壓是二極管的另一個重要參數。它的值更取決于二極管的內部設計而不是它的物理尺寸。注意：一個二極管只有當加上正向電壓時才會正向導通。沒有任何固有（內在的）的方法控制導通的電流和電壓值。二極管主要用在交流電路中作整流器，這意味著它們把 AC 整流成 DC，同時產生的直流電流和電壓值沒有固有的控制方法。單二極管可用額定值到4800A 和最大反向電壓 1200V，2000A 最大反峰電壓4400V（peak reverse voltage）。222晶閘管 圖2.3顯示了晶閘管（一般也叫可控硅）的 PN 結排列和它的原理圖符號。注意這組從正到負結為PNPN結構，還有一個門極連到了內部的

20、P 層。如果沒有連門極，并且陽極加反向電壓，從正極到負極就沒有電流通過。這是因為內部 P 結由于未通電而工作在阻斷電路。這種情況對于正向阻斷狀態也是正確的。然而，當陽極是正的并且正信號作用到門上，則電流將從正極一直流向負極即使門極沒有正信號。換言之，門極能打開晶閘管但不能關斷它。關斷晶閘管的唯一方法是通過外部方式在正極強加上一個零電流。 因此在前向導通只能通過強加零電流停止方面， 晶閘管與二極管是相似的。然而，晶閘管與二極管在如何啟動前向導通方面是不同的。（1）陽極是正（2）門時刻為正。這個特性暗指了術語“可控硅”。圖2. 4闡明了晶閘管的穩態伏安特性。注意反向電壓和反向泄漏電流的形狀與二極管

21、的很相似。反向電壓導通時比二極管的高，通常有1.4V。阻斷狀態也有一個極小的前向泄漏電流。在二極管中，穩態電流值是由器件的性能和底座（散熱器）散發的熱量確定的。晶閘管的最大結溫比二極管要低，大約在125C。這意味著在同樣的額定電流下，加上1。4V 的前向壓降， 晶閘管比二極管的前向壓降大的多。單晶閘管可用額定值在最大反向電壓2200V 超 過2000A，在在最大反向電壓4000V 超過1400A。223電子晶體管（電子管） 圖2.5給出了一個典型功率電子管的結排列，原理符號圖和伏安特性。如果集電極為正，除非在基電極和發射極間有電流才有電流從集電極到發射極。與晶閘管比較，晶體管沒有自鎖功能。只有

22、在基極有電流時。電流才能從集電極流到發射極。基極開路，集電極到發射極將阻斷電流。功率電子管與晶閘管在控制前向導通的啟動時相似。它與晶閘管不同的地方在于它能控制關斷和交流電機頻率控制所必需的換向。注意伏安特性沒有顯示反向特性。一般的，一個反向分流二極管連在發射極和集電極之間，以保護電子管受反向電壓傷害。功率電子管的可用額定值是最高反向電壓1000V400A。 224門極可關斷晶閘管 GTO 圖2.6顯示了 GTO 的原理符號。GTO與晶閘管的相似處在于PNPN結的排列和前向電流的操作。如果陽極是正的，導通由通過作用在門上的正脈沖啟動。然而硅片和結是利用特殊特性設計的，所以即使陽極保持正值，加到門

23、上的強負電流作用迫使前向電流阻斷。 GTO常用的瞬間額定值是 PRV1200V2400A。225雙向可控硅 圖2.7顯示了雙向可控硅的原理符號圖。一個雙向可控硅由一個特殊的晶閘管包（包含前向和反向晶閘管）組成，由一個門引線來操作。他們常用在調光器電路中或者作為繼電器的開關，這樣截止態下很小的泄漏電流不會引起其它控制器的誤操作。隨著電流容量的增加以及其可用性，使得可控硅可以用于交流電機的相位控制中。23功率半導體容量 功率器件在穩態交流電機馬力范圍大于600V 時如何用， 用在哪里摘要顯示在表2.1中。馬力額定值基于沒有并聯的器件。24功率半導體的物理特性 在物理特性方面，三類最常用的功率半導體

24、是：（1）栓接式（2）薄片或冰球式（3）絕緣散熱器式。他們的共同特征是需要與其它器件有物理聯系，這器件叫散熱器，為了保持結溫在設計值內把內部熱量散發出去。散熱器吸收結的熱量并通過散熱片，輪片（螺旋槳葉片） 或者液體冷卻劑發散出去。（液體冷卻劑幾乎從不用于600V 級的固態交流電動機控制中，不包含在我們的討論中。） 這三類功率半導體的不同在于它們如何安裝，他們如何與散熱器連接。241栓接式 螺紋部分可能是PN結的一部分，或者是與有源電子部分電子絕緣。在任一種情況下， 螺紋部分常常插入散熱器的螺紋孔。 栓接式器件在小馬力額定值下常用來作為直接功率控制器件，在大馬力額定值下常用來作為輔助保護器件。在

25、后一種情況下，它們常直接安裝在較大器件使用的散熱器上，如冰球式設計。242冰球式器件 典型冰球式功率器件可能是二極管，可控硅或 GTO。尺寸范圍直徑大約從25MM到 100MM。每一個平面即不是P也不是N結。該平面可以熱傳遞和導電。冰球式器件典型安裝是聯接鋁型材的散熱器。特別的箝位電路，聯接絕緣混合劑和扭矩扳手都必須保證最佳的熱傳遞和電導率。由于栓接式和冰球式器件的散熱器都能傳遞電流，他們必須與機械底托電子絕緣。輪片可以加到散熱器上增加熱量排放并且使得可以連續額定功率工作。由于散熱器能在同樣電壓水平下作為功率器件，冰球式和栓接式的固態AC電動機控制必須通過附件（外殼）供給。附件（外殼）必須有合

26、適的通風口或熱交換器使得熱量能散發。將這套設計用于全封閉外殼中是不切實際的，例如象 NEMA12的密封盒或相似的外圍物。 243絕緣散熱器件絕緣散熱器功率器件可以是二極管，可控硅，GTO，三極管或雙向可控硅。每個包中包含器件的聯合體，在內部以線連接。區別的特征是術語“絕緣散熱器”。在每個包下面有一個鋁底盤。這個底板與功率器件之間是導熱并絕緣的。結的大部分熱量傳給了鋁盤。這個底 板依次安裝在第二個更大的散熱底板上。這個更大的散熱底板在背面有扇面。 絕緣散熱器的設計使它自己是個完全封閉的設計。他們也有經過預包裝的已經內部加固過的復合器件的優點。其缺點是通過底部安裝的底板散熱的能力有限，所以連續負荷

27、狀態時間要比安裝開放的散熱器冰球式器件的時間小。盡管如此，絕緣散熱器在一般應用和器件容量上都迅速增長。在較高的左上角的排列是唯一的，同樣它聯合了有所有封閉設計的絕緣散熱器概念的冰球式的優點（例如易替換，易互換）它也被恰當的稱為“開放塊狀”模式。25換流 在深入的討論實際的固態交流電機的控制之前，將換流的概念及其種類闡述是必要的。換流的不同類型指所有討論的固態電動機控制。換流是功率半導體器件中負載電流被截止或停止流動或轉換到另一回路的過程。有以下三種換流方式：（1）自然或線電壓換流（2）負載換流和（3）強制換流。2.5.1自然或線電壓換流圖2.8為用于將交流轉換為直流的功率半導體電路，在數學上可

28、以證明這種特殊電路可 以將60Hz460V 三相交流電轉換為包含360Hz 脈動成分的600V 直流電。 因為60Hz 正弦交流線電壓在每次正和負半周結束時都會過零，因此在線電壓的每個半 周結束時，功率半導體是自動（關斷）換流的，這也就是自然或電網（線電壓）換流。 假設某一時刻圖2.8電路產生的直流電壓作用于一個具有反極性的電壓源之上（見圖 2.9），且該直流電壓稍高于600V，如果該半導體器件為二極管，則會導致短路的發生。但是，如果這些器件是晶閘管、三極管或可關斷晶閘管，由于它們除非觸發，都處于關斷狀態，沒有電路流過，所以不會有像使用二極管時的短路現象發生。因為器件將在每個半周經歷一次零電壓

29、，所以如果它們在每個半周的任意時刻導通后，在每個周期結束時，交流線電壓將使器件換流。這也是由電流從直流端流向交流端的自然或線電壓換流。圖2.10所示為一種連接于交流鼠籠感應電機交流接線端的半導體功率裝置，如同圖2.8 和圖2.9，圖2.10中的功率器件在將在每個交流線電壓正弦波周期經歷一次零電壓。因此， 這些器件可以是二極管、晶閘管、三極管和可關斷晶閘管，或是雙向可控硅。二極管可以導致線路和電機短路，所以二極管是多余的。對圖2.10，晶閘管和雙向晶閘管對于相控比較實用，因為它們可以被關斷。可關斷晶閘管和三極管由于其固有的關斷能力不相適應，所以它們也不適用于圖2.10。圖2.10是另一種自然或線

30、電壓換流應用的例子。 2.5.2負載換流 負載換流發生于如下情形：負載具有某種特性可以導致交流電壓自動為零，繼而將導致器件每半個周期換流或關斷一次。電機的旋轉加上直流場的效果導致電機輸入端正弦電壓的產生。這種正弦波電壓，如果連接到功率半導體器件，將提供半周一次的換流或關斷，這就是負載換流，見圖2.11。電路見圖2.11，它不能用于交流鼠籠式感應電機，因為激勵或勵磁電流來源于與線電流 功率部件相同的電源。可以為功率半導體控制系統加裝特殊電路，一旦感應電機速度達到某 一值時，可以為電機提供負載換流。對于大型電機這樣更為節省成本，但對于373kW/600V 的電機不太多見。強制換流技術用于這類電機。

31、2.5.3強制換流 圖2.12所示為由功率半導體饋電的交流鼠籠式感應電機，依次由直流源饋電。如上所述，交流鼠籠式感應電機不能產生換流或使正弦波形轉變極性，假設期望通過依次開、閉功率半 導體器件以提供電機的頻率調節，則強制換流必須用于器件的關閉。 如果是三極管，基極信號將使其導通，基極信號的撤除將使其截止，三極管的強制換流 不需要其它功率器件。 對可關斷可控硅，正門極脈沖使其導通，而負門極脈沖使其產生換流或關斷，與三極管 一樣，其強制換流不需要其它輔助功率器件 對于前面提到的晶閘管，門電路對關斷無效，必須由與陰極和陽極并聯的輔助功率器件 使陰極和陽極之間電流為零。典型的結構包括一個電容和一個晶閘

32、管，如圖2.13所示，當主晶閘管導通時，電容充電，主晶閘管關斷的同時，輔助晶閘管同時導通，因而電容放電，強 制主晶閘管陽極中的電流為零。2.6 總結 緊記功率半導體器件在固態交流電機控制中使用的三種重要的選項是： （1）功率半導體器件（二極管、晶閘管、三極管和可關斷晶閘管和雙向可控硅）可以 用于控制交流電壓、交流轉換為直流、直流轉換為交流、和直流開關。 （2）采用哪種類型的器件取決于要實現的功能和器件輸入和輸出側功率電流的特性。 決定很大程度取決于可以使用的換流類型電網、負載、或強迫換流。 （3）器件的物理特性（拴接式、冰球式、或絕緣散熱式）和相關的冷卻要求，在很大 程度上取決于對成本的均衡考

33、慮和控制器外殼的要求。 記住這三種選項的判據和性能， 讓我們期待下一步器件會有最好的表現， 從將它們用于 固態交流電機的相控啟動器開始第三章 模擬電子學31 引言 3.1.1 對比模擬電子學和數字電子學我們已經研究了怎樣用晶體管和二極管作為開關元件來處理以數字形式表示的信息。數字電子學運用晶體管作為電子控制開關：晶體管或者飽和或者截斷。這一動態區域僅用做一個狀態向另一個狀態的過渡。與此相反，模擬電子學依靠晶體管和其它類型的放大器的動態區域。希臘詞根“analog” 的含義是“以一定的比率”，在這里表示信息被編碼成為與被表達量成比例的電信號。在圖3.1中，信息為一種音樂，是由樂器的激勵和共鳴產生

34、的。聲音的傳播存在于空氣分子的有規則運動中，這最好理解為聲波。這引起了麥克風的振動膜的振動，振動膜的振動又反過來形成了電信號。電信號的變化是聲波的成比例描述。電信號被用電子的方法放大，即利用輸入放大器的交流電能將信號功率放大。放大器的輸出驅動一個記錄頭在磁盤上產生起伏不平的溝槽。如果整個系統良好的話，空氣的每一個聲波的變化都將被記錄在磁盤上而且當記錄被通過一個類似的系統回放時，信號就被一個喇叭以聲音能量放出來，聲音忠實地還原最初的音樂。基于模擬原理的電子系統組成一個重要類別的電子元件。收音機和電視的播放是模擬系統的典型例子，許多電子儀器也是模擬系統，它們的應用領域包括偏差監測（應變計量器）、運

35、動控制（測速計）和溫度測量（熱電偶）。很多電子儀器，如伏特表，歐姆計，電流表和示波器，都利用了模擬技術，至少是部分利用。在數字計算機被開發出來之前就有了模擬計算機。在模擬計算機中，微分方程的未知量是用電信號來模擬的。這些信號被用電子的方法積分，比例變換和求和以獲得方程的解，比解析或數值運算的求解方法要容易一些。 3.1.2本章的內容模擬技術廣泛地運用了頻域的概念。首先我們把頻域概念擴展到包括周期性的、非周期性的，以及隨機的信號。我們將看到大部分的模擬信號和過程能在頻域中表示出來。我們將介紹頻譜的概念，也就是，用同時存在的許多頻率來表示一個信號。頻域里的帶寬（頻譜的寬度）將與時域中的信息率有關。

36、這個頻域里的擴展概念也能幫助我們區分線性和非線性模擬元件的效果。已證明線性電路能夠“過濾”掉不想要的頻率部分。相反，也能用象二極管和晶體管之類的非線性的元件產生新的頻率。這個特性允許我們在頻域中通過調幅和調頻調制技術來改變模擬信號，它廣泛用于公共及私人的通信系統。作為一個例子，我們將介紹調幅收音機的工作情況。下一步，我們來研究反饋的概念，模擬系統里的一種方法是犧牲增益換取其它所期望的品質，比如線性或更寬的帶寬。若沒有反饋，類似收音機或電視之類的模擬系統的性能將會很差。了解反饋的好處能給在模擬電子學中更廣泛使用運算放大器提供基礎。運算放大器（縮寫為op amps）是模擬電路的基本構成單元，正如或

37、非和與非門電路是數字電路的基本單元一樣。我們將介紹運算放大器的一些較常用的應用，包括它們在模擬計算機中的應用。3.2 運算放大電路 3.2.l 引言（l）運算放大器的重要性。運算放大器是一個受負反饋控制的高增益的電子放大器，用來在中完成許多運算功能或者在模擬電路中進行運算。這類放大器原來是為了在模擬計算機中解微分方程時，進行類似積分、求和等運算而開發的。目前，運算放大器的應用范圍增加了，大部分的模擬電子電路都是基于它的技術工作的。比如，你若需要一個增益為10、方便、可靠，低成本的放大器，你可以使用運算放大器。就這樣，象與非門和或非門是數字電路的基本組成元件一樣，運算放大器成為了模擬電路的基本組

38、成元件。（2）運算放大器模型的典型特性。典型的運算放大器是利用十二個或更多的晶體管，若干個二極管以及許多電阻，制成的復雜晶體管放大器。這樣的放大器被大量生產成半導體芯片，以每個低于1美元的價格出售。這些元件可靠、耐用，接近于它們理想的電子特性。圖3.2畫出了運算放大器的表示符號以及其基本特性。兩個輸入電壓u+和u-相減，放大得到一個大的電壓增益A，一般為105106 。輸入電阻Ri較大，在100K100M之間。輸出電阻R0較小，在10100之間。放大器經常供以直流電。在這種情況下，輸出電壓介于供電電壓之間， -UCC Uo+UCC 。有時一個電源接地（即“-UCC”=0）。此時輸出范圍在0Uo

39、+UCC 。電源接點在電路圖中極少畫出；假定把運算放大器接在合適的電源上。這樣，運算放大器是一個高輸入電阻、低輸出電阻以及高增益，接近于理想的電壓放大器。高增益通過很強的負反饋轉變為其它的有用的特性。運算放大器電路利用了負反饋的所有好處。這一章前面列出的那些好處，對運算放大器電路我們將再增加三條：低成本，易設計，結構簡單。（3）本節內容。我們先從分析兩個普通的運算放大器開始,反相放大器和同相放大器。我們通過一種簡單且對任何運算放大電路都有效的方法推導出這些放大器的增益。接著我們討論了有源濾波器，它是一種帶電容以形成其頻率響應的運算放大器。最后我們簡單地介紹了一下模擬計算機以及通過討論一些運算放

40、大器的非線性應用。3.2.2運算放大器 （l）反相放大器。如圖3.3所示，反相放大器運用了一個運算放大器和兩個電阻。運算放大器的正極輸入（+）接地（零信號）；負極輸入通過R1和輸入信號連接，通過RF和從輸出來的反饋信號相連接。在下面的討論中一個可能混淆的地方在于我們必須同時講兩個放大器。運算放大器是這樣的一個放大器，它構成一個反饋放大器中的放大元件，包含運算放大器以及相關電阻。為了減少混淆，我們約定“放大器”這個詞只表示總的反饋放大器。運算放大器決不能稱做放大器；它叫做運算放大器。例如，如果我們提到放大器的輸入電流，我們指的是通過R1的電流，而不是輸入運算放大器的電流。我們既能通過基本電路定理

41、（KCL，KVL），也能通過把電路分為主要放大器和反饋系統兩部分來解得圖3.3中的反相放大器的增益。不過我們將介紹另外一種方法，這種方法是基于假定運算放大器的增益非常高，接近于無限大。接下來，我們將給一個一般的假定，它也許可以被用在任何運算放大器電路中，然后我們將把這假定應用到目前的電路中。結果，我們將確定反相放大器的增益和輸入電阻。（1）我們假定輸出性能良好，不會趨于無窮大。從而我們假定負反饋使放大器穩定，故適中的輸入電壓能產生適中的輸出電壓。例如，如果供電電源為l0V和-l0V，則輸出必介于它們之間。（2）因為是輸出電壓被運算放大器很大的電壓增益去除，所以，運算放大器的輸入電壓非常小，實質

42、上為零，u+-u-0，u+u- 例如，如果| Uo|10 V并且A=105 , 那么| u+-u-|10/105=100 V 。因此對任何運算放大器電路來說，正常情況下u+和u-相等，且不超出100V ，或者更小。對于圖3.3所示的反相放大器u+接地；故u-0。因此放大器的輸入電流為： (3.1)(3)由于u+u-且Ri很大，流入運算放大器的+端口和斷口的電流非常小，實質上為零。例如,當 Ri=100 k, |i-|10-4/105=10-9 A. 對于反相放大器，方程（3.2）表示輸入電流ii,流經RF,如圖3.4所示。這允許我們計算輸出電壓。RF上的電壓為ii RF ，并且因為RF的一端和

43、u-0相連接，這樣電壓增益為 (3.3)增益表達式中的負號意味著輸出相對于輸入是負的：輸入的正信號將在輸出上產生一個負信號，方程（3.3）表明增益取決于RF和R1的比率。這將意味著只有比率而不是單獨的RF和R1的值，更有用。如果放大器的輸入電阻不重要的話，這將是正確的；但是，放大器的輸入電阻經常是十分關鍵的。反相放大器的輸入電阻將遵從方程（3. l）； (3.4)對于電壓放大器，輸入電阻是一個重要的因素，因為，如果Ri太小時信號源（ Ui ）會因為Ri而過載。因此，在設計中R1必須足夠的高以便能避免它的負載問題。一旦R1固定，可以選擇RF來獲得所需的增益。因為單個的電阻值影響到放大器的輸入電阻

44、，所以它們就變得重要了。讓我們設計一個反相放大器來得到-8的增益。輸入信號來自于一個輸出電阻為100 的電壓源。為了減少負載，輸入電阻R1必須遠大于100。為了減少5 %的負載，我們將設定R1=2 000。為了獲得的-8的增益（考慮到負載，實際上僅為-8的95 %），我們要求RF=82 000=16 k。反饋效果決定了放大器的特性。當輸入電壓的時候，u-的值將增加。這將導致Uo在相反的方向上迅速增加。這個負的電壓將一直增加，直到Uo通過RF在輸入端的效果能抵消Ui通過R1對其產生的效果為止。換句話說，輸出將通過RF自我調節以減小通過Ui流入R1的任何電流，由于運算放大器的輸入電流非常小。這樣輸

45、出僅僅取決于RF和R1 。(2)同相放大器。如圖3.5所示的同相放大器，其輸入連接在輸入端上。來自于輸出的反饋仍連接在運算放大器的輸入端上，正如負反饋所需的那樣。為了確定增益，我們應用上文所述的假定。 (1)因為u+u- , 則有 u-Ui (3.5)(2)因為i-0, RF和R1上有同樣的電流。因此Uo和u-間有一個電壓分配的關系 (3.6) 結合等式(3.5)和 (3.6)，我們確定增益為 增益表達式前的號強調放大器的輸出具有和輸入相同的極性：正的輸入信號產生正的輸出信號。又一次我們看到RF和R1的比率決定了放大器的增益。當一個電壓加到放大器上時，輸出電壓迅速地增加，并將一直上升直到R1上

46、的電壓值達到輸入電壓值。這樣很小的輸入電流流入放大器，并且增益僅僅取決于RF和R1。同相放大器的輸入電阻將非常高，這是因為放大器的輸入電流也是運算放大器的輸入電流，而i+必須非常小。用這個電路可以很簡單地獲得超過1 000 M的輸入電阻。這個高輸入電阻的特點是同相放大器的一個重要優點。3.2.3有源濾波器（l）什么是有源濾波器？有源濾波器把放大器和濾波器結合在一起。我們以前研究過的RC濾波器叫做無源濾波器，因為它們僅僅提供了過濾功能。有源濾波器用一個運算放大器來提供增益，同時在輸入和反饋電路中加入電容以形成濾波器特性。前面我們推出了時域中的反相放大器的增益特性。在圖3.6中我們畫出了頻域里的圖

47、。我們可以很容易地把前面的推導轉化到頻域中： 因此，濾波函數， Fu () ，是兩阻抗的比率，一般來說，它將給出增益以及濾波效果。我們能把負號寫作180，因為在頻域中反相等于相位移了180。(2)低通濾波器。將RF與一個電容并聯（見圖3.7）將會在高頻時降低ZF并因此降低放大器的增益；從而，這個電容器把反相放大器和增益一起轉換成低通濾波器。我們可以寫出(3.8)則增益為：這里Au=- RF /R1是沒有電容器時的增益， c=1/ RFCF是截止頻率。放大器的增益近似恒定，直到頻率超出c，在此以后增益將隨著增加而降低。這個濾波函數的波特圖如圖3.8所示，在這個例子中RF =10k, CF =1

48、F。(3)高通濾波器。圖3.9表示的高通濾波器用一個電容器與R1串聯以減少低頻的增益。分析的細節將被留做一個問題。這個濾波器的增益是： 這里Au=- RF /R1是沒有電容器時的增益，c=1/ R1C1是截止頻率，低于這個頻率時放大器的增益減小。這個濾波特性的波特圖如圖3.10所示。 (4)其他的有源濾波器。通過使用更先進的技術，我們可以模擬RLC帶通濾波器，并且通過使用附加的運算放大器，可以獲得許多復雜的濾波器特性。討論這類應用超出這本書的范圍，但在許多介紹電路和給出有關有源濾波器的設計信息的手冊上有這方面的知識。3.2.4模擬計算機微分方程經常通過積分求解。積分可以在數字計算機上用解析法，

49、或數學方法求解。積分也可以用運算放大器電路來求解。實際上，運算放大器最初是為了對微分方程進行積分而研制的。（l）積分器。圖3.11里的運算放大器電路用負反饋通過一個電容器來實現積分。我們已經在反饋回路中裝載一個初始值電壓為U1的電容器，然后在t=0時移去這個預偏置電壓。讓我們在研究當開關被斷開后會發生什么之前，先檢查一下電路的初始狀態。因u+約等于零，所以u-也大致為零，因此輸出電壓恒為U1。放大器的輸入電流， Ui/R,將流經電壓源U1，流入運算放大器的輸出端。這樣直到開關打開前輸出電壓仍為U1。在t=0時刻打開開關，輸入電流將流經電容器，因此Uc為：則電路的輸出電壓為：除了負號，輸出是對U

50、i的積分然后乘以1/RC ，通過選擇合適的R和C值可以得到任何期望的值。(2)比例，求和。用模擬計算機方法解簡單的微分方程時我們需要另外兩個電路。比例常數是指乘以一個常數，比如：U2=KU1，此處K是一個常數。這是放大器的一個等式，因此我們用圖3.3里的反相放大器來實現號，或者用圖3.5里的同相放大器實現號。加法器產生兩個或更多的信號的加權和。圖3.12為有兩個輸入的加法器。我們可以通過應用前面理解反相放大器時的同樣原理來理解電路的運算。因為u-0 ，流經R1和R2的電流和為： （3.11）輸出電壓將自我調整以得到流經RF的電流，因此輸出電壓為： 則輸出是U1和U2與各自的增益因子， RF/R

51、1和RF/R2 ，相乘后的和。如果不需要加法器產生的反相的話，可在加法器后跟一個增益為-1的反相比例器。很明顯，我們能加入其它和R1、R2并聯的輸入。在接下來的例子中，我們將把三個信號相加來求解一個二階微分方程。（3）解微分方程。讓我們設計一個模擬計算機電路來解微分方程 and(3.12) 除最高階導數項外把其余的都移到右側得到：(3.13)圖3.13為解方程（3.12）的電路。電路用兩個積分器來對方程（3.13）左邊項進行積分，一個加法器來表示右邊，兩個反相器來糾正符號。同相輸入接地，并且輸入和反饋都和運算放大器的反相輸入端相接。因此，我們僅僅看到了那些反相輸入。用d2u/dt2做積分器的輸

52、入，第一個積分器的輸出將是du/dt （如方程（3.13）中那樣，電池給出了3 V的初始條件），因此，第二個積分器的輸出將為+u （具有-2 V的初始條件）。這個輸出和負的du/dt，以及傳動函數cos10t一起被加入加法器，在加法器中cos10t也必須被反相來抵消負號。連接三個信號到加法器里的輸入電阻產生方程（3.l3）里的有關加權因子，從此，加法器的輸出代表了方程（3.l3）的右邊部分。因此我們把那個輸出和我們的“輸入” d2u/dt2接在一起來滿足方程（3.l2）。為了觀察方程的（3.l2）解，我們僅在t =0時刻打開開關。明顯地，這些技巧能用到高階方程中。模擬計算機復雜的應用需要各種各

53、樣的改進。經常情況下，被解的方程是在時間上（時間在計算機上被加快，或被減慢）進行比例計算以適應實際的電阻和電容的值。同樣，電壓和電流值在計算機允許的范圍內也可進行比例運算以求得未知數。在下一節中我們介紹怎樣通過模擬的方法用非線性運算來求解非線性微分方程。3.2.5運算放大器的非線性應用運算放大器能和譬如二極管和晶體管之類的非線性電路元件組合在一起制成各種有用的電路。下面我們討論一些這樣的應用。更多的電路在標準手冊和制造商的產品應用說明中有詳細敘述。改進的半波整流器。圖3.14里的運算放大器驅動一個半波整流器。當輸入電壓為負時，運算放大器的輸出將為負，二極管將關斷；所以，輸出是零。當輸出為正時，

54、二極管將導通，因為圖3.5所示的電路在RF =0時起同相放大器的作用，故輸出和輸入一致。運用運算放大器將有效的減少二極管的導通電壓。如果輸入電壓大于0.7/A，此處A是運算放大器的電壓增益，輸出電壓將超過0.7 V，并且二極管將導通。所以，導通電壓有效地減少到0.70.7/A范圍內。這個電路不能用在有源電路中；相反，在檢波器或其它檢測小信號的電路中使用它更合適些，其中二極管的導通電壓將是一個問題。 第四章 數字電子學4.1 數字思想 4.1.1 什么是數字信號(1)一個歷史故事。“聽著孩子們,你們將聽到保羅里維爾午夜策馬飛奔的傳奇”根據朗費羅詩中所述，保羅瑞維爾騎馬通過新英格蘭農村送出來自波士

55、頓老北教堂的信號。“如果從陸路為1，如果從海路則為2。也就是說，若英國的軍隊從波士頓順路朝著康克德挺進，則點一盞燈；如果他們穿過神秘河走迂回路線則點兩盞燈。愛國者們收到的消息就是數字形式的編碼。我們今天將說這兩個“位”的信息通過代碼運載傳送(嚴格地說， 二位能表明4個可能消息，并且要求可分辨的燈，一個紅燈和一個白色的燈) 第一盞信號燈用信號表示英軍在前進。第二盞信號燈表示他們以什么樣的路線前進。因為僅僅有兩條前進的路線可供考慮，所以信息的第二位可用來指示兩條路線中的一條。如果信息能夠被定義為一系列是/否狀態的話，它就能夠以數字的形式交流。每個用來傳遞信息的變量僅有兩個狀態。把信息簡化為一系列是

56、/否狀態似乎是對這種方法的嚴格限制，但是這種方法實際上非常有效。數字可以以2為基數表示，字母可以用數字碼形式表示。實際上，任何具有有限個結果的情況都能被簡化為一個數字編碼。特別地，n個數字位能代表2n個可能的結果狀態。正如我們的歷史故事中那樣，數字通訊可以采用一個末端雙方都知道了的定義好的編碼。（2）里維爾通信編碼的分析。為了進一步樹立數字信息的思想，我們將定義兩個描述保羅里維爾通信系統的數字變量。令B表示英國人是否來了，L表示他們行進的路線，假定他們正在來。 數學變量B和L不是普通的數學變量，因為每個都只能有兩個值。我們可以用我們希望的任何名字來稱這兩個值：是/否，正確/錯誤，1/0，高/低

57、，甚至黑/白。當這種類型的數學主要用來通過邏輯符號分析哲學問題時，根據被描述的邏輯命題的合理性，我們稱變量的值為正確或錯誤。最近，1/0已經成了工程師和程序員在處理數字編碼時的首選。這些命名有一個明顯的優點，即與代表數字信息的二進制（以2為基數）系統相適應；但這些命名偶爾會給數字系統的討論帶來混淆。然而，我們將用 1/0 或 one/zero 作為我們的數字變量B和L的兩種可能狀態。那么B和L的定義為：B = l 如果英國人來B =0 如果英國人不來L = l 如果由海路來L = 0 如果從陸路來第一個信號燈（B）單獨地決定了他是否應該騎上馬。當第一個信號燈出現的時候，他騎上他的馬。但直到第二

58、個信號燈（L）出現（或者沒能出現）前他不能離開，因為第二個信號燈揭示了英國人的路線，所以定義了被宣布的部分信息。 （3）用電學上的方法表示數字信息。在數字電子學中，用邏輯電平表示數字變量。在任何給定的時間內，期望電壓有一個值或另一個值，更確切的說是正好在一個區域或另一個區域內。在典型的系統中，0 V和0.8 V之間的電壓將被看成零，0.8到2V之間的電壓禁止出現；也就是說，如果電壓落在此范圍內，你就知道數字裝備需要修理。這些定義如圖4.1所示。作為數字電路的一個實例，我們將把放大器開關看成一個非門電路。非門電路的輸出是數字補碼，或輸入的相反值。首先我們將用真值表表示非門電路的定義。這如用圖4.2所示：A代表輸入，它可以為1或0；B代表輸出，它也可以為1或0，但要取決于輸入。非或