Электронные элементы и узлы робота

Опубликовано admin Апр 18, 2013 в Роботетхника

Второй цикл практических работ посвящен изучению основных электронных элементов и узлов автоматики, входящих в схему управления учебного робота. Ее основной частью является электропривод с ЧПУ, который будет рассмотрен в двух последних работах.

Полупроводниковые приборы

Напомним, что в автоматике важную роль играют различные датчики — специальные устройства, с помощью которых сигналы различной физической природы (световые, тепловые, механического перемещения и т. д.) преобразуются в электрические сигналы, которые после усиления, преобразования воздействуют на исполнительные механизмы.

Датчики являются своеобразными органами чувств роботов, так как позволяют им реагировать на свет, температуру, влажность, на расположение предметов и даже на человеческий голос.

В данной работе будет рассмотрен наиболее распространенный тип датчиков, способных реагировать на световой поток,— фотодатчик. Простейшие фотодатчики — фоторезисторы и фотоэлементы — относятся к классу полупроводниковых приборов, в который входят также транзисторы и интегральные микросхемы. Полупроводниковые материалы по своей электропроводности занимают промежуточное положение между электроизоляционными и проводящими материалами. Носителями тока в полупроводниках являются электроны, но характер их движения в некоторых полупроводниках таков, что для удобства описания природы их электропроводности за ток принимают движение положительных зарядов, равных по величине заряду электрона. Такие проводники обладают электропроводностью р-типа (от лат. positivus — положительный), а те, в которых ток образован движением электронов, обладают электропроводностью л-типа (от лат. negative — отрицательный).

Основными полупроводниковыми материалами, получившими широкое практическое применение, являются германий и кремний: они имеют кристаллическую структуру. Проводимость чистых полупроводников очень мала, однако при внесении в кристаллическую решетку полупроводников атомов других элементов, например мышьяка, она резко повышается. Такие добавочные элементы называются примесями. Меняя их концентрацию и используя разные элементы, можно в широких пределах менять их электропроводность и ее тип (р или я), т.е. придавать полупроводнику нужные свойства.

Важным свойством полупроводников является зависимость их электропроводности от внешних условий, прежде всего от температуры и освещенности. Именно это свойство используется в полупроводниковых датчиках температуры и освещенности — в термо- и фоторезисторах, в которых под действием изменения температуры и светового потока меняется электрическое сопротивление.

Наибольший практический интерес представляют полупроводниковые приборы, в которых используются свойства так называемого р — я перехода. В месте контакта полупроводников с различным типом электропроводности появляются особые свойства. Этот участок, называемый р — n-переходом, имеет электрическое сопротивление, величина которого резко зависит от полярности поданного напряжения. Если р — л-переход включен в прямом направлении, когда область р соединена с плюсом источника питания, а область п — с его минусом, то через р — п- переход течет большой ток, величина которого определяется типом полупроводникового прибора. При изменении полярности на противоположную сопротивление перехода резко, в десятки тысяч раз, возрастает и соответственно уменьшается проходящий через него ток. Это свойство используется для изготовления полупроводниковых диодов, которые практически пропускают ток только при определенной полярности напряжения. (Полупроводниковые диоды будут использоваться в практической работе при изготовлении робота.)

Другим замечательным свойством перехода является его способность разделять электрические заряды, возникающие в полупроводнике под действием освещения или нагревания. Оно используется в датчиках освещенности и температуры, которые сами становятся источниками тока.

Кроме названных свойств перехода, было обнаружено, что при специальном подборе примесей в полупроводниках можно получить свечение кристалла полупроводникового диода, включенного в прямом направлении. Такой диод называют светодиодом. Важно, что свечение происходит при низком напряжении (единицы вольт) и малой силе тока (десятки миллиампер), поэтому светодиоды используют в качестве экономичных индикаторов напряжения.

Важнейшей характеристикой датчиков является их чувствительность, показывающая зависимость их электрических характеристик от внешних воздействий. У фоторезисторов, например, чувствительность показывает относительное изменение сопротивления в зависимости от освещенности поверхности датчика; с ростом освещенности сопротивление уменьшается, так как в полупроводнике появляются дополнительные носители заряда. У фотодатчиков на основе р — /г-перехода, называемых фотоэлементами, чувствительность определяется величиной напряжения, возникающего на их выводах под действием освещения. Кроме того, чувствительность фоторезисторов существенно зависит от величины поданного на них напряжения и от свойств светового потока. Существуют фотодатчики, реагирующие на невидимые для человеческого глаза инфракрасные лучи. Робот, снабженный подобными датчиками, обладает способностью «видеть» в полной темноте.

Чувствительность фоторезистора можно оценить с помощью омметра, измерив величину сопротивления при различных освещенностях. Чем больше меняется сопротивление, тем больше чувствительность фоторезистора. Например, в полностью затемненном состоянии сопротивление фоторезистора типа ФСК-1, имеющегося в школьном физическом кабинете, равно 100...200 кОм, а при освещении лампой карманного фонаря, поднесенной вплотную к поверхности фотодатчика, уменьшается в сотни раз.

Фотодатчики являются составной частью такого распространенного автоматического устройства, как фотореле. В нем электрические сигналы датчика сначала усиливаются, а потом подаются на исполнительный орган — электромагнитное реле. Она состоит из фоторезистора, транзисторного усилителя, электромагнитного реле и сигнальной лампочки. Фоторезистор включен во входную цепь транзистора (цепь базы), а электромагнитное реле — в выходную цепь (цепь коллектора). Сила тока в выходной цепи определяется силой тока в первичной цепи, зависящей от величины сопротивления фоторезистора. Если при имеющейся освещенности фотореле не срабатывает, то его чувствительность нужно увеличить за счет повышения чувствительности составных элементов — фоторезистора, транзистора или электромагнитного реле.

В схемах промышленных и учебных роботов фотореле может использоваться для различных целей, в частности как бесконтактный датчик перемещения. Подобно путевому (концевому) переключателю, оно может давать электрический сигнал в момент попадания какого-либо звена манипулятора в определенное положение, заранее заданное расположением осветителя и фотодатчика.