История электротехники

В отличие от радиолокационных систем технические средства промышленной электроники заняли полный диапазон возможностей и способов импульсной модуляции. Регулирование среднего и действующего напряжений осуществлялось путем изменения коэффициента заполнения при широтно-импульсном регулировании. Исторически первой была освоена разновидность импульсного регулирования, при которой синхронное с сетью отпирание вентиля осуществлялось с запаздыванием по отношению к моменту естественной коммутации. Широтно-импульсное регулирование постоянного напряжения получило распространение в высокоэкономичных импульсных стабилизаторах постоянного напряжения. Это стимулировало развитие и инженерное приложение теории замкнутых импульсных систем.

Анализу импульсных систем в 60-е годы посвящены фундаментальные работы Я.З. Цыпкина [11.39]. В промышленной электронике для решения задач регулирования мощности импульсная техника стала главным инструментом воздействия. Классические методы управления преобразователями, основанные на использовании угла запаздывания отпирания управляемых вентилей, вначале базировались на сдвиге фазы управляющего сеточного напряжения ртутных преобразователей (так называемый горизонтальный метод). Следующим и гораздо более перспективным стал вертикальный метод. Сущность его состояла в фиксации момента сравнения развертывающего (гармонического или пилообразного) сигнала с управляющим. Вертикальный метод фазосмещения стал основным инструментом широтно-импульсного, фазоимпульсного и (в соответствующем исполнении) частотно-импульсного регулирования.

Многоканальная система импульсно-фазового управления преобразователями служит для управления многофазными преобразователями. Система содержит несколько (по числу фаз) источников опорного напряжения, синхронных с напряжениями питания соответствующих фаз. Напряжения опорных источников сравниваются с помощью компараторов с единственным для всех фаз управляющим сигналом. Задержка срабатывания каждого компаратора дает запаздывание момента отпирания вентиля в соответствующей фазе. Форма опорного напряжения (косинусоидальная или пилообразная) дает разные регулировочные характеристики.

Для успешной реализации вертикального способа фазосмещения необходимо было решить вспомогательные задачи формирования опорного напряжения, сравнивания двух сигналов, формирования управляющего импульса определенной амплитуды и длительности в момент равенства двух сигналов. Для выполнения этих задач были разработаны специальные импульсные схемы: в 1918 г. М.А. Бонч-Бруевичем было предложено катодное реле; в 1919 г. американцы X. Абрагам и Е. Блох изобрели мультивибратор; в 1919 г. американцы В. Иклс и Ф. Джордан изобрели схему, без которой трудно представить себе современную компьютерную цивилизацию, — триггер. Были сделаны сотни изобретений различного рода формирователей импульсов, генераторов линейно изменяющихся напряжений и токов, блокинг-генераторов (мощных импульсных схем с глубокой положительной обратной связью).

Анализ схем с обратными связями, возникновение колебаний в нелинейных системах, решение задач об устойчивости таких схем стали предметом работ А.А. Андронова, А.А. Витта, С.Э. Хайкина (1959 г.) [11.38].

11.4.4. РАЗВИТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Создание транзисторов в 50-х годах положило начало развитию полупроводниковой информационной техники.

Первый отечественный точечный транзистор обладал усилительными свойствами, однако большой технологический разброс параметров и сильное влияние температуры на параметры прибора сделали его мало перспективным прибором для усиления. Расцвет полупроводниковой схемотехники начался с создания и широкого распространения плоскостных сплавных транзисторов. Такие привлекательные качества транзисторных устройств, как отсутствие цепей накала и мгновенная готовность к действию, малые габариты и высокая механическая прочность, неограниченный срок службы, были главными аргументами в течение первых лет развития полупроводниковой схемотехники в споре со сторонниками ламповой электроники. Те, в свою очередь, указывали на низкое входное сопротивление, температурную нестабильность, сравнительно низкую предельную частоту.

Так или иначе, вновь появившийся прибор — транзистор привлекал внимание специалистов разных направлений. Появилась система параметров, учитывающая, в отличие от ламповых каскадов взаимосвязь не трех, а четырех параметров: входных и выходных токов и напряжений.

Были разработаны схемы каскадов и методы расчета цепей смещения, обеспечивающие стабильность режима покоя. Значительная доля транзисторных усилителей промышленного назначения работает с сигналом сетевой частоты 50 Гц и представляет собой фазочувствительный усилитель с выходом на постоянном токе. Такие усилители использовались для управления контакторами, электромашинными и магнитными усилителями, а также в качестве промежуточных звеньев для управления тиристорными и иными мощными силовыми ключами.

Подобные фазочувствительные усилители нуждаются в уменьшении мощности потерь в выходных каскадах. Здесь важную роль играет не столько КПД каскадов, сколько решение проблемы охлаждения транзисторов. Снижение мощности потерь было достигнуто заменой постоянного питающего напряжения фазочувствительных каскадов пульсирующим, полученным непосредственно в результате выпрямления переменного напряжения сети.

Полупроводниковые приборы предоставили разработчикам схем новые возможности: наличие двух видов транзисторов — p-n-р- и п-p-n-типов дало новые решения балансных симметричных схем.

Успешно разрабатывались транзисторные стабилизаторы напряжения. Их показатели были очень высоки: хорошая стабильность, высокая эффективность, множество дополнительных функциональных возможностей (защита от перегрузок, плавный пуск). Неслучайно стабилизаторы стали теми функциональными узлами, которые одними из первых начали выпускать в виде конструктивно завершенных гибридных, а затем и монолитных интегральных схем.

Продолжением и естественным развитием идеи высокоэффективных преобразований сигналов является использование ключевых свойств транзистора. Кажущаяся очевидной мысль о нулевых потерях мощности в идеальном ключевом элементе не сразу получила свое практическое выражение. Одним из первых завершенных транзисторных преобразователей с использованием ключевого режима стал хорошо известный генератор Ройера (С.Н. Royer, 1955 г., США) — автогенератор с магнитной связью на основе материалов с прямоугольной петлей гистерезиса. Схемы на основе подобных генераторов быстро вытеснили контактные вибропреобразователи в источниках питания. Для того чтобы ключевые режимы транзисторов можно было использовать в целях обработки аналоговой информации требовалось глубокое понимание спектральных преобразований сигнала при различных видах импульсной модуляции и существенное повышение частотных свойств транзисторов.

Одним из первых теоретических положений о возможности передачи аналоговой информации с ограниченным спектром последовательностью импульсов следует считать теорему В.А. Котельникова (1933 г.); идеи спектральных преобразований модулируемых сигналов были развиты в классических работах А.А. Харкевича. Для реализации экономичных импульсных методов обработки сигналов потребовалось достижение предельных частот транзисторов на несколько порядков выше частоты передаваемого сигнала [11.52].

Практические достижения этого нового и перспективного направления применения транзисторов были реализованы О.А. Коссовым (1964 г.) и О.А. Хасаевым (1966 г.). Важную роль в распространении знаний о транзисторах, их практическом применении в промышленной электронике сыграли ставшие периодическими выпуски сборников статей «Полупроводниковые триоды в автоматике» под редакцией Ю.И. Конева.

Значительным успехом транзисторной электроники стало создание и широкое распространение кремниевых биполярных транзисторов. Благодаря физическим свойствам кремния эти транзисторы обладают более высокой стабильностью свойств при колебаниях температуры, значительно меньшими обратными токами переходов по сравнению с германиевыми. По мере совершенствования технологии и повышения чистоты исходного материала повысились предельные напряжения на переходах с 20–50 В у первых германиевых транзисторов до нескольких сотен вольт у современных кремниевых. Так же быстро росли частотные свойства приборов: от десятков и сотен килогерц у первых сплавных германиевых приборов до десятков мегагерц у современных кремниевых.

Изобретение в 50-е годы полевых (униполярных) транзисторов вначале не оставило заметного следа в полупроводниковой схемотехнике. Положение изменилось с разработкой новых технологий изготовления переходов. Современные полевые транзисторы не уступают биполярным по предельным значениям параметров и частотным свойствам и образуют самостоятельную группу с явно выраженными свойствами и областью применения.

Было бы несправедливо описывать развитие полупроводниковой электроники только с позиции совершенствования и обновления элементной базы. Создание новых устройств и систем промышленной электроники затронуло все сферы производства. Промышленность успешно освоила автоматизированное проектирование и производство печатных плат, беспроводной монтаж, методы входного и пооперационного контроля изделия. Тем не менее производство новых типов изделий проходило последовательно одни и те же этапы: задание на разработку, создание структурной и функциональной схем, разработка принципиальной схемы с использованием доступных и разрешенных комплектующих элементов; далее конструирования, подготовки производства и т.д. Каждая новая разработка проходила все этапы. В этих условиях было естественно для изделий массового производства автоматизировать все этапы разработки и изготовления. Так родились системы автоматизированного проектирования (САПР), системы изготовления печатных плат, системы размещения деталей и автоматической пайки, контроля плат и готовых изделий.