Системы сигнализации и защиты.

В зависимости от назначения системы сигнализации подразделяются на ИСПОЛНИТЕЛЬНУЮ, АВАРИЙНУЮ и ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНУЮ.

ИСПОЛНИТЕЛЬНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ извещает обслуживающий персонал о включении или выключении определенных механизмов, а также о достижении крайних положений ("Открыто", "Закрьгго") различными регулирующими органами. Сигнализация осуществляется преимущественно световым сигналом белого или зеленого цвета.

АВАРИЙНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ двигателя срабатывает при достижении контролируемым параметром предельно допустимого значения, при котором дальнейшая работа двигателя может привести к аварии. Аварийный звуковой сигнал подается ревуном, световой сигнальной лампой красного цвета. Если центральный пост управления (ЦПУ) машинного отделения (МО) закрытый, в ЦПУ сигнал подается зуммером и мигающей лампой красного цвета. В МО сигнал подается ревуном и вращающимся красным фонарем. После квитирования сигнала оператором ревун и фонарь в МО, зуммер в ЦПУ отключаются, красная лампа в ЦПУ горит ровным светом.

При срабатывании аварийной сигнализации необходимо немедленно остановить двигатель (если двигатель не останавливается автоматически) или, если это допустимо, снизить его нагрузку

и электромагнит 2 перебрасывает подвижные контакты 3 и 4 вниз. Цепь зеленой лампы 5 размыкается и на щите загорается красная лампа 6. При замыкании контактов 3 получает питание электромагнит 12, который замыкает контакты 11. В результате этого подаются звуковые сигналы ревуном 9 и зуммером 8 и загорается красная лампа 7 (зуммер 8 и лампа 7 находятся в каюте вахтенного механика).

В качестве устройств, измеряющих значения контролируемых параметров и при их отклонении от заданных значений воздействующих на исполнительные механизмы системы сигнализации, применяются реле давления, температуры, уровня, числа оборотов и т.п.

На рис. 15 показано РЕЛЕ ДАВЛЕНИЯ со снятой крышкой. Измеряемая среда подводится через штуцер 8 в корпус сильфона 7 и сжимает сильфон. Через толкатель усилие передается трехплечему рычагу 6, повороту которого против часовой стрелки препятствует растянутая пружина 1. При падении давления ниже заданного значения пружина 1 повернет трехплечий рычаг 6 по часовой стрелке, и среднее плечо рычага замкнет контакты микровыключателя MB.

Настройка реле на заданное давление осуществляется по шкале 3 при помощи винта 4. При вращении винта 4 каретка 5 с указателем 2 перемещается, изменяя натяжение пружины 1.

В РЕЛЕ ТЕМПЕРАТУРЫ (рис. 16) термобаллон 1, капилляр 2 и полость между сильфоном 3 и его корпусом заполнены жидкостью, кипящей при низкой температуре. При повышении температуры контролируемой среды давление в корпус! сильфона увеличивается. Сильфон сжимается и через толкатель. 10 поворачивает трехплечий рычаг 9 вокруг оси 8 против часовой стрелки. Этому препятствует пружина 5, натяжение которой регулируется винтом 4. Когда температура повысится до заданного значения, среднее плечо 7 трехплечего рычага освободит микровыключатель 6 и его контакты замкнутся.

РЕЛЕ УРОВНЯ (рис. 17) состоит из поплавковой и контактной частей, совершенно отделенных друг от друга Благодаря этому измеряемая среда (топливо, вода и т. п.) не может проникнуть к электрическим контактам.

При снижении уровня поплавок 1 опускается, поворачивая вокруг оси 2 магнит 3 вверх. Находящийся в контактной коробке 4 другой магнит 5, за счет взаимодействия с магнитом 3, поворачивается вокруг оси 6 по часовой стрелке. В результате замыкаются нижние контакты 7. Оба магнита находятся в кожухах из немагнитного металла.

СИСТЕМА ЗАЩИТЫ предназначена для автоматическом остановки или снижения нагрузочного режима двигателя при отклонении контролируемого параметра ниже или выше заданного предельно допустимого значения. Число параметров, по которым производится защита двигателя, зависит от степени автоматизации ССУ.

Система защиты обычно объединяется с системой аварийной сигнализации и имеет с ней общие реле-датчики. При срабатывании реле сигнал подается на исполнительный механизм, который прекращает или снижает подачу топлива топливными насосами. В качестве исполнительных механизмов используются пневматические, гидравлические сервомоторы и электромашинные устройства.

Кроме специальных систем защиты на дизелях применяются различного рода блокирующие и защитные устройства. Чтобы исключить возможность ошибок при управлении двигателями, предусматривается блокировка пускового, реверсивного механизмов. Блокировочный механизм валоповорошого устройства предотвращает возможность пуска двигателя при включенном валоповоротном устройстве. Блокировка реверсивно-пускового устройства с машинным телеграфом исключает возможность ошибок при управлении двигателем.

Для защиты двигателя при падении давления масла применяются масляные автоматы-выключатели (рис. 18).

В корпусе 1 на общем штоке закреплены воздушный и масляный 5 поршни. Выходящий из корпуса конец штока находится против торца тяги топливных насосов. Полость "а" через маслоподводящий канал 6 сообщена с масляной магистралью. При нормальном давлении масла оба поршня находятся в крайнем левом положении, и шток не воздействует на топливную тягу.

В случае снижения давления масла под действием пружины 4 поршни I перемещается вправо, и шток поставит топливную тягу в положение нулевой подачи.

В период пуска двигателя сжатый воздух поступает в полость 6 и, воздействуя на поршень 2, перемещает шток влево, освобождая тягу топливных насосов. Невозвратный шариковым клапан 3 препятствует выходу воздуха из полости 6 сразу после пуска двигателя, так как давление масла может быть еще недостаточным. Стравливание воздуха происходит постепенно через неплотности. За это время давление масла достигает нормальной величины. Масло, просачивающееся в полость зa поршнем 5, удаляется через отверстие 7, которое одновременно является декомпрессионным.

ДИСТАНЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ позволяет вахтенному в ЦПУ получать данные о параметрах работы двигателя: давлении масла, температуре масла и воды, температуре выпускных газом и т. д.

В местах контрольных точек расположены датчики, преобразующие значения контролируемых параметров в электрические сигналы, которые передаются на приборы в ЦПУ или на центральный вычислительный центр и регистрируются.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ и ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Электроника — область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, а также свой­ства устройств и систем с их использованием.

Примерно до 50-х годов в устройствах электроники (усилителях, генераторах, выпрямителях и т.д) в качестве основного элемента при­меняли электронные лампы, возможности которых были весьма огра­ничены большим потреблением энергии, значительными габаритами и массой, небольшим сроком службы, что в свою очередь сказыва­лось на характеристиках и надежности самих устройств Это привело к разработке электронных приборов с другим принципом действия, которые по своим функциональным возможностям могли бы заме­нить электронные лампы. Ими стали экономичные и надежные полу­проводниковые приборы, имеющие малую массу, высокий КПД и очень большой срок службы.

В настоящее время устройства с использованием электронных по­лупроводниковых приборов нашли исключительно широкое приме­нение практически во всех областях науки и техники, электроэнергетике, медицине, быту Они используются для автоматического управ­ления различными объектами и технологическими процессами, в сис­темах получения, передачи, обработки, хранения и использования ин­формации, в бытовой радиоэлектронной аппаратуре и т.д.

Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.

По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электри­ческое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 1(Г³ —10¹⁰ Ом см В качестве полупроводниковых веществ используются кремний, германий (элементы IV группы перио­дической системы Менделеева), а также селен, арсенид галлия, фосфид галлия и др.

Электропроводность чистых однородных полупроводников при темпе­ратуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена попарным образованием (генерацией) свободных носителей заряда — электронов и дырок.

На основе использования полупроводниковых материалов с различ­ным типом электропроводности создают полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и другие приборы. В частности, из полупро­водника, равномерно легированного примесями, изготавливают полу­проводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструк­ции получают линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких управляю­щих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморе­зисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензорезисторы), магнитное иоле (магниторезисторы) и др.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами.

В основе работы полупроводникового диода лежат электрические свойства p-n перехода, который создается технологически при изго­товлении диода.

Выпрямительные диоды. Это полупроводниковые диоды, предна­значенные для выпрямления переменного тока. Как правило, это плос­костные диоды средней и большой мощности. Для работы в мало­мощных цепях (высокочастотные и импульсные цепи электронных ус­тройств) используются точечные диоды.

Полупроводниковые стабилитроны. Стабилитроны, или опорные диоды предназначены для стабилизации напряжений.

Варикапы. Это полупроводниковые диоды, используемые в качестве емкостного элемента, управляемого электрическим напряжением. Емкость p-n перехода, включенного в обратном направлении, зависит от ширины перехода, а следовательно, от приложенного обратного напряжения.

ТРАНЗИСТОРЫ

Бипопярные транзистором называют полупроводниковый электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления электрической мощности.

Полевым транзистором называют полупроводниковый электропреобразовательный прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для усиления электрической мощности.

ТИРИСТОРЫ

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более)/ p-n -переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для коммутаций в электрических цепях.

В настоящее время выпускаются тиристоры на токи до 3000 А и напряжения включения до 6000 В.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпря­мительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

Сравнительно недавно был создан новый и весьма перспективный управляемый переключающий прибор, получивший название биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — insulated gale bipolar transistor). Этот прибор сочетает в себе достоинства биполярных и полевых МДП-транзисторов и способен коммутировать значительные токи при высоком быстродействии, малой мощности управляющей цепи и высо­ких значениях обратных напряжений. Полупроводниковая структура прибора похожа на тиристорную (см.рис.2.21), но со свойствами управ­ляемого усилителя. Ток управления задается МДП-транзистором, кото­рый в свою очередь управляется напряжением. Вся полупроводниковая часть прибора выполнена в одном кристалле полупроводника. Прибор позволяет коммутировать токи до 400 А при напряжениях до 1600 В, а его быстродействие составляет десятые доли микросекунды.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Фотоэлектрическими приборами называют преобразователи энер­гии оптического излучения в электрическую энер1 ию.

К оптическим относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрас­ное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых Долей миллиметра. Как известно, видимое излучение лежит в диапа­зоне длин волн 0,38 — 0.76 мкм.

Работа полупроводниковых фотоэлектрических приборов основа­на на так называемом внутреннем фотоэффекте — ионизации квантами света атомов кристаллической решетки.

Фоторезисторы. Фоторезистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, электрической проводимостью которого можно управлять с помощью оптического излучения.

Фотодиоды. Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлек­трический прибор с двумя выводами, имеющий один p-n переход.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов — без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенерапюра) либо с внеш­ним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фототранзисторы. Фототранзистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя p-n-переходами

Фототиристором называют полупроводниковый фо­тоэлектрический прибор с тремя чередующимися p-n-персходами, имею­щий участок вольт-амперной характеристики, соответствующий отрица­тельному дифференциальному сопротивлению и используемый в качестве управляемого ключа для переключения токов.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой сложное мик­роэлектронное изделие в миниатюрном корпусе с электрическими вы­водами, включающее в себя множество простейших элементов (тран­зисторов, диодов, резисторов, конденсаторов), электрически соеди­ненных между собой по заданной схеме, и реализующее определенную функцию преобразования электрических сигналов. Отдельные элемен­ты микросхемы не имеют внешних выводов и не могут рассматривать­ся как самостоятельные изделия, однако в состав микросхем могут включаться компоненты, имеющие самостоятельное конструктивное оформление — навесные бескорпусные транзисторы, другие микрос­хемы, дроссели и т.д.

Создание и непрерывное совершенствование технологии интеграль­ных микросхем связано с быстрым развитием информационной и вы­числительной техники и значительным в связи с этим усложнением элек­трических и электронных схем приборов и устройств. Применение ИМС как самостоятельных функциональных узлов кардинальным образом решает проблемы уменьшения габаритов, снижения потребляемой энергии, повышения надежности и быстродействия приборов и ус­тройств и в особенности электронных вычислительных машин.

Важными характеристиками интегральных микросхем в числе про­чих являются степень интеграции и тотность упаковки. Степень ин­теграции характеризует количество элементов в микросхеме. ИМС первой степени интеграции имеют до 10 элементов, второй — до 10-элементов и т.д. Под плотностью упаковки понимают количество эле­ментов и компонентов в I см³ объема микросхемы. В современных полупроводниковых ИМС степень интеграции достигает шести, а плот­ность упаковки принципиально может быть доведена до 10^ эл/см³ и выше, линейные размеры отдельных элементов могут быть менее I мкм. Площадь полупроводникового кристалла обычной микросхемы составляет в зависимос­ти от сложности 0,3 — 6 мм² Площадь кристалла микросхем, применяе­мых в ЭВМ. может достигать 40 мм² и выше. Дальнейшее увеличение площади кристалла нецелесообразно в связи с возрастающей вероят­ностью наличия в кристаллической решетке дефектов, делающих не­пригодной всю микро-схему.

По технологии изготовления различают гибридные и полупроводнико­вые интегральные микросхемы. В гибридных микросхемах используется так называемая пленочная технологии, пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, дроссели) и проводники выполняют в них в виде проводящего проводника. В отдельных случаях при производстве микросхем используют совмещение обеих технологий.

Производство интегральных микросхем — сложный процесс, состоя­щий из ряд;» многократно повторяющихся, детально разработанных тех­нологических операций, некоторые из которых рассмотрены ниже

По своему функциональному назначению интегральные микросхе­мы подразделяются на линейно-импульсные и логические

К линейно-импульсным микросхемам относят микросхемы, которые обеспечивают примерно пропорциональную зависимость между вход­ными и выходными сигналами. Входным сигналом чаще всего явля­ется входное напряжение, реже входной ток, выходным сигналом — выходное напряжение. Простейшим примером линейно-импульсной микросхемы является широкополосный усилитель постоянного тока.

Логические интегральные микросхемы, как правило, представляют собой устройства с несколькими входами и выходами. В них как вход­ные, так и выходные напряжения могут принимать лишь определен­ные значения, при этом выходное напряжение зависит от наличия или отсутствия напряжений на различных входах устройства.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Оптоэлектроника использует оптические и электронные явления в веществах и их взаимные связи для передачи, обработки и хранения ин­формации. Элементной базой оптоэлсктроникн являются огггоэлектронные приборы — оптроны.

Оптроном называется устройство, состоящее из связанных между со­бой оптически (посредством светового луча) свстоизлучатсля и фотоприемника и служащее для управления и для передачи информации.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ

Индикаторы служат выходными устройствами электронных приборов и устройств для визуального графического отображения информации, представляемой в форме цифр, букв, знаков, геометрических фигур, мне­монических (удобных для распознавания и запоминания) схем, диаграмм, графиков и т п

Информация в электронных системах представляется электрическими сигналами (напряжением, током). Индикаторные приборы преобразуют эти сигналы в видимую форму Индикаторы подразделяются на актив­ные, в которых электрический сигнал преобразуется в световое излуче­ние, и пассивные, в которых пол воздействием электрического сигнала локально изменяются оптические свойства среды, в результате чего со­здастся контрастное относительно общего фона индикатора изображение, видимое лишь при наличии внешнего светового потока

По способу формирования видимого изображения наибольшее рас­пространение получили матричные и сегментные индикаторные приборы В матричных индикаторах изображение формируется из отдельных светящихся или контрастных точечных элементов В сегментных индика­торах изображение составляется из отдельных элементов — полосок.

Полупроводниковые индикаторы. Этот тип индикаторов относится к активным и выполняется на основе светоизлучающих диодов — светодиодов.