控制元件

发布时间：2024-01-16 11:32
作者：AMEYA360
来源：网络
阅读量：1148

　　控制元件是指那些用于控制和调节电气系统运行的器件。它们通过接收输入信号，进行适当的处理和操作，然后输出控制信号，使被控设备按照预定要求进行工作。控制元件是电气系统中的重要组成部分，与传感器、执行器等设备密切配合，共同完成系统的控制任务。


控制元件的分类

　　1、开关类控制元件

　　开关类控制元件主要用于电气系统的开关控制功能。常见的开关类控制元件有按钮开关、刀闸开关等。按钮开关主要用于手动控制电路的开关状态，常见于家庭电器中。刀闸开关则用于高压电气设备中，具有更高的开断能力和安全性。

　　2、传感器类控制元件

　　传感器类控制元件主要用于将各种物理量转化为电信号，以便系统进行处理和控制。常见的传感器类控制元件有温度传感器、压力传感器、光敏传感器等。它们通过感知环境的变化，将这些变化转化为电信号，并输入给控制系统，实现对被控对象的监测和控制。

　　3、继电器类控制元件

　　继电器类控制元件用于在电路中实现大功率的开关控制。它由控制回路和输出回路组成，通过电磁力或电流的作用，在输入信号激励下，实现输出电路的开闭。继电器广泛应用于自动化设备中，如空调控制、电机控制等。

　　4、气动类控制元件

　　气动类控制元件主要利用气压来实现控制功能。其中最常见的是气动阀门，它通过调节气压大小，控制气体或液体的流动，从而实现对被控对象的控制。气动类控制元件具有响应速度快、结构简单等特点，广泛应用于工业自动化领域。

　　5、液压类控制元件

　　液压类控制元件利用液体的流动和压力来实现控制功能。常见的液压控制元件包括液压阀门、液压缸等。液压类控制元件通常在大型机械设备中使用，如挖掘机、起重机等。它们具有承受高压、传动力矩大等特点，适用于一些需要大功率和高精度控制的场合。

　　6、逻辑控制元件

　　逻辑控制元件是现代电子系统中的关键组成部分，用于实现复杂的逻辑控制功能。常见的逻辑控制元件有逻辑门、触发器、计数器等。它们通过逻辑运算和存储功能，根据输入信号的状态来判断输出的逻辑值，并进一步控制系统的运行状态。逻辑控制元件广泛应用于数字电路、计算机等领域。

控制元件的应用

　　控制元件在各个领域都有重要的应用，下面介绍几个常见的应用示例：

　　1、自动化控制系统

　　控制元件是自动化控制系统的核心部分。通过传感器类控制元件获取环境信息，继电器类控制元件实现开关控制，逻辑控制元件实现复杂逻辑判断，从而实现对生产过程的自动控制。自动化控制系统广泛应用于工业生产中，提高了生产效率和质量。

　　2、通信系统

　　控制元件在通信系统中起着重要作用。例如，无线通信中使用的天线开关需要使用开关类控制元件来实现频段的切换;光纤通信中使用的光开关需要使用继电器类控制元件来控制光信号的传输路径。控制元件保证了通信系统的正常运行和数据传输的稳定性。

　　3、能源管理

　　能源管理是现代社会中的重要课题，而控制元件在能源管理中扮演着关键角色。能源管理涉及对能源的获取、转换、传输和利用进行有效的监测、控制和优化，以实现能源的高效使用和节约。

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　　我们都知道，人类进行运算的本质是查表，并且我们存储的表是有限的。计算机也是查表吗?答案是否定的。本文来说说CPU是如何计算1+1的，另外关于CPU加法的视频请移步此处，CPU如何进行数字加法。CPU是一块超大规模的集成电路，而集成电路是由大量晶体管等电子元件封装而成的。　　所以，探究计算机的计算能力，先要从晶体管的功能入手。　　晶体管如何表示0和1　　第一代计算机使用的是电子管和二极管等元件，利用这些元件的开关特性实现二进制的计算。　　然而电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。　　晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。　　第二代电子计算机时代，使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观。　　1947年贝尔实验室的肖克利等人发明了晶体管，又叫做三极管。下图是晶体管的电路符号。需要说明的是，晶体管有很多种类型，每种类型又分为N型和P型，下图中的电路符号就是一个PNP三极管，要判断三极管类型请移步，PNP与NPN两种三极管使用方法。　　三极管电路有导通和截止两种状态，这两种状态就可以作为“二进制”的基础。从模电角度来说晶体管还有放大状态，有关内容请移步:告别三极管放大状态的泥潭。但是我们此处考虑的是晶体管应用于数字电路，只要求它作为开关电路，即能够导通和截止就可以了。　　如上图所示，当b处电压>e处电压时，晶体管中c极和e极截止;当b处电压　　这只是一个简化说明，实际上从模电角度分析，导通和截止的要求是两个PN节正向偏置和反向偏置，还要考虑c极电压。但在实际的数字电路中，e极电压和c极电压一般恒定，要么由电源提供、要么接地，所以我们可以简单记为“晶体管电路的通断就是由b极电压与恒定的e极电压比较高低决定”。　　就上面这个三极管管而言，高电平截止，低电平导通。假如此时，我们把高电平作为“1”，低电平作为“0”。那么b极输入1，就会导致电路截止，如果这个电路是控制计算机开关机的，那么就会把计算机关闭。这就是机器语言的原理。　　实际用于计算机和移动设备上的晶体管大多是MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)，它也分为N型和P型，NMOS就是指N型MOSFET，PMOS指的是P型MOSFET。MOS管基础内容请移步这里，MOS管基本认识。注意MOS中的栅极Gate可以类比为晶体管中的b极，由它的电压来控制整个MOS管的导通和截止状态。　　NMOS管与PMOS管电路符号如下图：　　NMOS在栅极高电平的情况下导通，低电平的情况下截止。所以NMOS的高电平表示“1”，低电平表示“0”;PMOS相反，即低电平为“1”，高电平为“0”。到了这个时候，你应该明白“1”和“0”只是两个电信号，具体来说是两个电压值，这两个电压可以控制电路的通断。　　门电路　　一个MOS只有一个栅极，即只有一个输入;而输出只是简单的电路导通、截止功能，不能输出高低电压信号，即无法表示“1”或“0”，自然无法完成计算任务。此时就要引入门电路了(提示：电压、电平、电信号在本文中是一回事)。　　门电路是数字电路中最基本的逻辑单元。它可以使输出信号与输入信号之间产生一定的逻辑关系。门电路是由若干二极管、晶体管和其它电子元件组成的，用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。这里只介绍最基础的门电路：与门、或门、非门、异或门。　　1 与门　　与门电路是指只有在一件事情的所有条件都具备时，事情才会发生。　　下面是由MOS管组成的电路图。A和B作为输入，Q作为输出。　　例如A输入低电平、B输出高电平，那么Q就会输出低电平;转换为二进制就是A输入0、B输出1，那么Q就会输出0，对应的C语言运算表达式为0&&1=0。　　2 或门　　或门电路是指只要有一个或一个以上条件满足时，事情就会发生。　　下面是由MOS管组成的电路图。A和B作为输入，Q作为输出。　　例如A输入低电平、B输入高电平，那么Q就会输出高电平;转化为二进制就是A输入0、B输出1，那么Q就会输出1，对应的C语言运算表达式为0||1=1。　　3 非门　　非门电路又叫“否”运算，也称求“反”运算，因此非门电路又称为反相器。下　　面是由MOS管组成的电路图。非门只有一个输入A，Q作为输出。　　例如A输入低电平，那么Q就会输出高电平;转换为二进制就是A输入0，那么Q就会输出1;反之A输入1，Q就会得到0，对应的C语言运算表达式为!0=1。　　4 异或门 异或门电路是判断两个输入是否相同，“异或”代表不同则结果为真。即两个输入电平不同时得到高电平，如果输入电平相同，则得到低电平。　　下面是由MOS管组成的电路图。A和B作为输入，Q作为输出。　　例如A输入低电平、B输入高电平，那么Q输出高电平;转换为二进制就是A输入0，B输出1，那么Q就会输出1，对应的C语言运算表达式为0^1=1。　　通过这些门电路，我们可以进行布尔运算了。　　半加器和全加器　　通过门电路，我们可以进行逻辑运算，但还不能进行加法运算。要进行加法运算，还需要更复杂的电路单元：加法器(加法器有半加器和全加器)。加法器就是由各种门电路组成的复杂电路。　　假如我们要实现一个最简单的加法运算，计算二进制数1+1等于几。我们这时候可以使用半加器实现。半加器和全加器是算术运算电路中的基本单元，它们是完成1位二进制相加的一种组合逻辑电路;这里的1位就是我们经常说的“1byte=8bit”里的1bit，即如果我们想完成8位二进制的运算就需要8个全加器 。半加器这种加法没有考虑低位来的进位，所以称为半加。下图就是一个半加器电路图。　　半加器由与门和异或门电路组成，“=1”所在方框是异或门电路符号，“&”所在方框是与门电路符号。这里面A和B作为输入端，因为没有考虑低位来的进位，所以输入端A和B分别代表两个加数。输出端是S和C0，S是结果，C0是进位。　　比如，当A=1，B=0的时候，进位C0=0，S=1，即1+0=1。当A=1，B=1的时候，进位C0=1，S=0，即1+1=10。这个10就是二进制，换成十进制就是用2来表示了，即1+1=2。到了这里，你应该明白了晶体管怎么计算1+1=2了吧。　　然后我们利用这些，再组成全加器。下面是一个全加器电路图，同样只支持1bit计算。Ai和Bi是两个加数，Ci-1是低位进位数，Si是结果，Ci是高位进位数。　　如果我们将4个加法器连接到一起就可以计算4位二进制，比如计算2+3，那么4位二进制就是0010+0011，下表就是利用加法器计算的值。和普通加法一样，从低位开始计算。加数A代表0010，B代表0011。　　结果Si：0101，就是十进制5，加法器实现了十进制运算2+3=5。　　结语　　现在我们可以想到，CPU的运算单元是由晶体管等各种基础电子元件构成门电路，在由多个门电路组合成各种复杂运算的电路，在控制电路的控制信号的配合下完成运算，集成的电路单元越多，运算能力就越强。
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电路中常用电子元器件大揭秘
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　　电容器、三极管和二极管是电子电路中常用的元器件，它们可以搭配使用以实现各种功能。下面将详细介绍它们的搭配使用方法和使用规范。　　一、电容器电容器是一种能够存储电荷的被动元件，主要用于储存和释放电能。它有正负两个极板，之间隔着一层绝缘介质。电容器的主要参数是容量，单位是法拉(F)。电容器的两个重要特性是充电和放电。　　1、充电：当电容器的正极连接到电源的正极，负极连接到电源的负极时，电容器开始充电。在充电过程中，电容器的电压逐渐增加，直到达到电源电压。　　2、放电：当电容器的正极和负极接通一个负载电阻时，电容器开始放电。在放电过程中，电容器的电压逐渐减小，直到与电源电压相等。　　电容器常用的应用包括滤波、耦合、定时和存储等。　　二、三极管三极管是一种半导体器件，由三个区域组成：发射极、基极和集电极。三极管有两种类型：NPN型和PNP型，其工作原理基于电流放大和开关控制。　　三极管的主要参数是电流放大倍数(β)和最大电压(Vceo)。其常见的工作方式有放大器和开关。　　1、放大器：三极管可以将小信号放大成大信号。在放大器电路中，三极管的基极接入输入信号，而发射极和集电极分别连接到电源和输出负载。　　2、开关：三极管可以用作开关，控制电流的通断。在开关电路中，三极管的基极接入控制信号，当控制信号为高电平时，三极管导通;当控制信号为低电平时，三极管截断。　　三极管常用的应用包括放大器、振荡器、开关和稳压等。　　三、二极管二极管是一种双极性器件，由PN结构组成，具有单向导电性。二极管有正向电压降和反向电压承受能力等特性。　　二极管的主要参数是正向电压降(Vf)和反向击穿电压(Vbr)。其常见的工作方式有整流和保护。　　1、整流：二极管可以将交流信号转换为直流信号，实现电流的单向传输。在整流电路中，二极管的正向电压降会使得正向电流流过，而反向电压会使得二极管截止。　　2、保护：二极管可以用于保护其他器件不受过电压的损害。例如，快速反向恢复二极管可以在开关电路中防止开关管受到高电压的反冲击。　　二极管常用的应用包括整流、反向保护和信号检测等。　　四、电容器、三极管和二极管的搭配使用电容器、三极管和二极管可以通过不同的连接方式搭配使用，以实现各种功能。以下是一些常见的搭配使用方法：　　1、耦合电容器：用于将一个电路的交流信号传递到另一个电路。在放大器电路中，耦合电容器连接在输入和输出之间，起到隔离直流和传递交流信号的作用。　　2、滤波电容器：用于去除信号中的高频噪声或者平滑直流信号。在电源电路中，滤波电容器连接在电源的正负极之间，可以滤除电源中的纹波电压。　　3、反馈电容器：用于稳定放大器的工作点，改善放大器的线性度和稳定性。在放大器电路中，反馈电容器连接在输出和输入之间，可以减小放大器的失真和噪声。　　4、续流二极管：用于提供一个续流路径，防止开关管受到高电压的反冲击。在开关电源等电路中，续流二极管连接在开关管的负载之间，可以保护开关管不受到过电压的损害。　　5、保护二极管：用于保护其他器件不受过电压的损害。例如，在电感元件的电路中，保护二极管连接在电感两端，可以防止电感产生的高电压冲击其他器件。　　使用规范：1、选择合适的元件：根据电路的需求选择合适的电容器、三极管和二极管。要考虑参数匹配、电压和电流容量等因素。　　2、连接正确极性：在连接电容器、三极管和二极管时，要确保正确连接各个极性。电容器的正负极、三极管的发射极、基极和集电极、二极管的正负极都有明确的极性。　　3、控制电压和电流：在使用三极管和二极管时，要注意控制电压和电流在其允许范围内。超过其额定值可能会导致元件损坏或性能下降。　　4、稳定电源：为了保证电容器、三极管和二极管的正常工作，应提供稳定的电源。电源的纹波电压、电压波动等都会对元件的性能产生影响。
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半波整流和全波整流的区别
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　　半波整流和全波整流是电力电子领域常见的两种整流方法。它们在将交流信号转换为直流信号方面有着不同的原理和特点。　　1.半波整流　　半波整流是一种基本的整流电路，它通过将输入信号的负半周去除，只保留正半周来实现整流效果。其原理如下：　　输入信号：半波整流电路的输入信号通常是一个交流电源，例如交流电压或交流信号。　　整流元件：半波整流电路中最常用的整流元件是二极管。当输入信号为正半周时，二极管导通，允许电流通过;而当输入信号为负半周时，二极管截止，电流无法通过。　　输出信号：经过半波整流后，输出信号只包含了输入信号的正半周部分。　　半波整流的特点如下：　　效率较低：由于半波整流只利用了输入信号的一半波形，因此其效率相对较低。　　波形失真：输出信号的波形存在一定程度上的变形，因为只保留了输入信号的正半周。　　输入功率：由于半波整流只利用了输入信号的一半周期，因此输出功率也只能达到输入功率的一半。　　2.全波整流　　全波整流是一种更高效的整流方法，它通过将输入信号的正、负半周均转换为正半周来实现整流效果。其原理如下：　　输入信号：全波整流电路的输入信号通常是一个交流电源，例如交流电压或交流信号。　　整流元件：全波整流电路中可以使用多种整流元件，最常见的是二极管桥。二极管桥由四个二极管组成，能够同时整流正、负半周的信号。　　输出信号：经过全波整流后，输出信号包含了输入信号的正半周和负半周部分。　　全波整流的特点如下：　　较高效率：相比于半波整流，全波整流利用了输入信号的全部波形，因此其效率较高。　　波形较接近直流：输出信号的波形相对较接近直流，因为考虑到了输入信号的正、负半周。　　输入功率：全波整流利用了输入信号的全部周期，因此输出功率可以达到接近输入功率的水平。　　阅读更多行业资讯，可移步与非原创，中国AIoT产业分析报告(2023版完整报告下载)、CMOS图像传感器原理及行业应用分析、SiC器件，中外现况 等产业分析报告、原创文章可查阅。　　3.半波整流与全波整流的区别　　半波整流和全波整流之间的主要区别如下：　　效率：全波整流比半波整流效率更高，因为它利用了输入信号的全部波形。　　波形：半波整流输出的波形只包含输入信号的正半周，而全波整流输出的波形包含了正、负半周。　　输入功率：半波整流只利用了输入信号的一半周期，输出功率也只能达到输入功率的一半;而全波整流利用了输入信号的全部周期，输出功率可以接近输入功率的水平。　　使用元件：半波整流常使用单个二极管进行整流，而全波整流通常使用二极管桥(四个二极管构成)或者中心引线变压器。　　成本和复杂度：由于全波整流需要额外的二极管数量或者中心引线变压器，因此在成本和复杂度上相对半波整流较高。　　输出平滑程度：由于全波整流输出包含了正、负半周，其输出信号的平滑程度要比半波整流更好。这意味着在某些应用中，全波整流可以提供更稳定和纯净的直流电源。　　应用领域：半波整流适用于一些对成本和效率要求不高的简单电路设计，例如LED灯驱动等。而全波整流常用于需要更高效率和输出稳定性的应用，如电子设备的电源供应、电池充电器等。　　半波整流和全波整流是两种常见的整流方法，它们在效率、波形、成本、复杂度以及应用领域等方面存在差异。选择哪种整流方法取决于具体的应用需求和成本效益考虑。
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