Архитектуре промышленных зданий

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ  РФ

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

ЛИПЕЦКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Кафедра архитектуры 
 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА 

ПО  КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ 

ПО  АРХИТЕКТУРЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ 
 
 

                                                                                      Выполнил студент

                                                                                 Группы ЗСТ-08

                                                                              Леньшин А.А.

                                                                                                Принял преподователь

                                                                                     Рогатовских М.А. 
 
 
 
 
 
 

2011 г.

Введение

      Решение задач восстановления промышленного  производства и дальнейшего развития страны теснейшим образом связано  с наращиванием темпов электрофикации всех отраслей хозяйства России. Эта связь определяется прежде всего возможностью более широкого применения электроэнергии для интенсификации производства, осуществляемой за счет комплексной автоматизации, внедрение новых технологий, робототехнических устройств и манипуляторов, современной вычислительной техники, и такими важнейшими преимуществами электрической энергии, как:

а) огромные скорости протекания электромагнитных процессов;

б) возможность  достаточно простого преобразования ее эксплуатационных параметров (напряжения, тока, частоты);

в) легкость автоматизации управления процессами потребления, транспортировки и производства электроэнергии;

г) возможность  получения электрической энергии  из механических, химической, атомной, тепловой, лучистой и др. видов энергии, а также осуществления обратных преобразований;

д) простота распределения электроэнергии между отдельными потребителями;

е) возможность  передачи электроэнергии с относительно малым технологическим расходам на транспорт и распределение (иначе  говоря, с малыми потерями);

ж) возможность  передачи значительного количества электроэнергии на дальние расстояния за минимальный промежуток временя.;

з) экологическая частота, низкая стоимость и возможность применять во всех отрослях народного хозяйства.

Потребителями электрической энергии являются сегодня промышленные предприятия, сельское хозяйство, транспорт, объекты  коммунально-бытового назначения и  строительства. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Основы электроники

      Любое электронной устройство состоит из отдельных элементов, соединенных между собой в определенной последовательности. Число элементов и их вид зависит от назначения устройств, места его использования и сложности.

      Элементы, применяемые для электронного устройства имеет законченную конструктивную форму. В зависимости от выполняемых функций они подразделяются на следующие группы: резисторы, конденсаторы, диоды, тиристоры, тригерры и т.д.

     Дио́д (от др.-греч. δις[1] — два и -од[2] из слова электрод[3]) — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

     Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

     Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки).

     Ламповые  диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.

     Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность.

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, т. е. состояние низкой проводимости (тиристор заперт) и открытое состояние, т. е. состояние высокой проводимости.

Тиристор  можно рассматривать как электронный  выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой  с помощью слабых сигналов, а также  переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые  подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что  бывают тиристоры, проводящие ток в  одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Рис. 1. Схемы тиристора: a) Основная четырёхслойная p-n-p-n структура b) Диодный тиристор с) Триодный тиристор.

     Основная  схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором[1] (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В  последнем случае соответствующие  приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком (от англ. triac). Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, называемых также диаками (от англ. diac), часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

     Логические  элементы — устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого — «1» и низкого — «0» уровней в двоичной логике, последовательность "0", "1" и "2" в троичной логике, последовательности "0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8"и "9" в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

     С развитием электротехники от механических логических элементов перешли к  электромеханическим логическим элементам (на электромагнитных реле), а затем  к электронным логическим элементам  на электронных лампах, позже - на транзисторах. После доказательства в 1946 г. теоремы  Джона фон Неймана о экономичности показательных позиционных систем счисления стало известно о преимуществах двоичной и троичной систем счисления по сравнению с десятичной системой счисления. От десятичных логических элементов перешли к двоичным логическим элементам. Двоичность и троичность позволяет значительно сократить количество операций и элементов, выполняющих эту обработку, по сравнению с десятичными логическими элементами. Логические элементы выполняют логическую функцию (операцию) с входными сигналами (операндами, данными).

Всего возможно логических функций и соответствующих им логических элементов, где - основание системы счисления, - число входов (аргументов), - число выходов, т.е. бесконечное число логических элементов. Поэтому в данной статье рассматриваются только простейшие и важнейшие логические элементы.

Всего возможны двоичных двухвходовых логических элементов и двоичных трёхвходовых логических элементов (Булева функция).

Кроме 16 двоичных двухвходовых логических элементов  и 256 трёхвходовых двоичных логических элементов возможны 19 683 двухвходовых троичных логических элемента и 7 625 597 484 987 трёхвходовых троичных логических элементов (троичные функции).

Логические  элементы подразделяются и по типу использованных в них электронных  элементов. Наибольшее применение в  настоящее время находят следующие  логические элементы:

• РТЛ (резисторно-транзисторная логика)
• ДТЛ (диодно-транзисторная логика)
• ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика)

Упрощённая схема  двухвходового элемента И-НЕ ТТЛ . 

     Обычно  входной каскад логических элементов  ТТЛ представляет собой простейшие компараторы, которые могут быть выполнены различными способами (на многоэмиттерном транзисторе или на диодной сборке). В логических элементах ТТЛ входной каскад, кроме функций компараторов, выполняет и логические функции. Далее следует выходной усилитель с двухтактным (двухключевым) выходом.

     В логических элементах КМОП входные  каскады также представляют собой  простейшие компараторы. Усилителями  являются КМОП-транзисторы. Логические функции выполняются комбинациями параллельно и последовательно включенных ключей, которые одновременно являются и выходными ключами.

   Транзисторы могут работать в инверсном режиме, но с меньшим коэффициентом усиления. Это свойство используются в ТТЛ многоэмиттерных транзисторах. При подаче на оба входа сигнала высокого уровня (1,1) первый транзистор оказывается включенным в инверсном режиме по схеме эмиттерного повторителя с высоким уровнем на базе, транзистор открывается и подключает базу второго транзистора к высокому уровню, ток идёт через первый транзистор в базу второго транзистора и открывает его. Второй транзистор «открыт», его сопротивление мало и на его коллекторе напряжение соответствует низкому уровню (0). Если хотя бы на одном из входов сигнал низкого уровня (0), то транзистор оказывается включенным по схеме с общим эмиттером, через базу первого транзистора на этот вход идёт ток, что открывает его и он закорачивает базу второго транзистора на землю, напряжение на базе второго транзистора мало и он «закрыт», выходное напряжение соответствует высокому уровню. Таким образом, таблица истинности соответствует функции 2И-НЕ.

• ТТЛШ (то же с диодами Шоттки)

Для увеличения быстродействия логических элементов  в них используются транзисторы  Шоттки (транзисторы с диодами Шоттки), отличительной особенностью которых является применение в их конструкции выпрямляющего контакта металл-полупроводник вместо p-n перехода. При работе этих приборов отсутствует инжекция неосновных носителей и явления накопления и рассасывания заряда, что обеспечивает высокое быстродействие. Включение этих диодов параллельно коллекторному переходу блокирует насыщение выходных транзисторов, что увеличивает напряжения логических 0 и 1, но уменьшает потери времени на переключение логического элемента при том же потребляемом токе (или позволяет уменьшить потребляемый ток при сохранении стандартного быстродействия). Так, серия 74хх и серия 74LSxx имеют приблизительно равное быстродействие (в действительности, серия 74LSxx несколько быстрее), но потребляемый от источника питания ток меньше в 4-5 раз (во столько же раз меньше и входной ток логического элемента).

• КМОП (логика на основе комплементарных ключей на МОП транзисторах)
• ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика)

Эта логика, иначе называемая логикой на переключателях тока, построена на базе биполярных транзисторов, объединённых в дифференциальные каскады. Один из входов обычно подключён  внутри микросхемы к источнику опорного (образцового) напряжения, примерно посредине  между логическими уровнями. Сумма  токов через транзисторы дифференциального  каскада постоянна, в зависимости  от логического уровня на входе изменяется лишь то, через какой из транзисторов течёт этот ток. В отличие от ТТЛ, транзисторы в ЭСЛ работают в  активном режиме и не входят в насыщение  или инверсный режим. Это приводит к тому, что быстродействие ЭСЛ-элемента при той же технологии (тех же характеристиках транзисторов) гораздо больше, чем ТТЛ-элемента, но больше и потребляемый ток. К тому же, разница между логическими уровнями у ЭСЛ-элемента намного меньше, чем у ТТЛ (меньше вольта), и, для приемлемой помехоустойчивости, приходится использовать отрицательное напряжение питания (а иногда и применять для выходных каскадов второе питание). Зато максимальные частоты переключения триггеров на ЭСЛ более, чем на порядок превышают возможности современных им ТТЛ, например, серия К500 обеспечивала частоты переключения 160-200 МГц, по сравнению с 10-15 МГц современной ей ТТЛ серии К155. В настоящее время и ТТЛ(Ш), и ЭСЛ практически не используются, так как с уменьшением проектных норм КМОП технология достигла частот переключения в несколько гигагерц.

     Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

     Отличительной особенностью триггера как функционального  устройства является свойство запоминания  двоичной информации. Под памятью  триггера подразумевают способность  оставаться в одном из двух состояний  и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного  в двоичном коде.

     При изготовлении триггеров применяются  преимущественно полупроводниковые  приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы), в прошлом — электромагнитные реле, электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков, процессоров, ОЗУ.

Триггер (бистабильный мультивибратор) — это цифровой автомат, имеющий несколько входов и 2 выхода.

Триггер — это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется.

Триггерами называют такие логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы, то есть состоянием элементов памяти.

Триггер — один из базовых (основных) элементов цифровой техники. Некоторые исследователи включают триггер в 100 великих изобретений.

Триггер не является логическим элементом первого уровня, а сам состоит из логических элементов первого уровня — инверторов или логических вентилей. По отношению к логическим элементам первого уровня триггер является логическим устройством второго уровня.

Триггер — элементарная ячейка оперативной памяти.

Триггер — простейшее устройство, выполняющее логическую функцию с обратной связью, то есть простейшее устройство кибернетики.

N-ичный триггер — устройство (элементарная переключаемая ячейка памяти, переключатель с N устойчивыми положениями), которое имеет N устойчивых состояний и возможность переключения из любого состояния в любое другое состояние.

Классификация

Рис. 3. Временная  диаграмма работы динамического  триггера

Рис. 4. Симметричные триггеры: а — с непосредственной связью между каскадами; б — с резистивной связью

Рис. 5. Функциональная классификация триггеров

Рис. 6. Классификация  триггеров по способу ввода информации 

     Триггеры  подразделяются на две большие группы — динамические и статические. Названы они так по способу представления выходной информации.

     Динамический  триггер представляет собой систему, одно из состояний которой (единичное) характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов  определённой частоты, а другое — отсутствием выходных импульсов (нулевое). Смена состояний производится внешними импульсами (рис. 3). Динамические триггеры в настоящее время используются редко.

     К статическим триггерам относят  устройства, каждое состояние которых  характеризуется неизменными уровнями выходного напряжения (выходными  потенциалами): высоким — близким к напряжению питания и низким — около нуля. Статические триггеры по способу представления выходной информации часто называют потенциальными.

     Статические (потенциальные) триггеры, в свою очередь, подразделяются на две неравные по практическому значению группы — симметричные и несимметричные триггеры. Оба класса реализуются на двухкаскадном усилителе с положительной обратной связью, а названием своим они обязаны способам организации внутренних электрических связей между элементами схемы.

Симметричные  триггеры отличает симметрия схемы  и по структуре, и по параметрам элементов  обоих плеч. Для несимметричных триггеров  характерна неидентичность параметров элементов отдельных каскадов, а также и связей между ними.

     Основной  и наиболее общий классификационный  признак — функциональный — позволяет систематизировать статические симметричные триггеры по способу организации логических связей между входами и выходами триггера в определённые дискретные моменты времени до и после появления входных сигналов. По этой классификации триггеры характеризуются числом логических входов и их функциональным назначением.

     Вторая  классификационная схема, независимая  от функциональной, характеризует триггеры по способу ввода информации и  оценивает их по времени обновления выходной информации относительно момента  смены информации на входах.

     Каждая  из систем классификации характеризует  триггеры по разным показателям и  поэтому дополняет одна другую. К  примеру, триггеры RS-типа могут быть в синхронном и асинхронном исполнении.

     Асинхронный триггер изменяет своё состояние  непосредственно в момент появления  соответствующего информационного  сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах составляющих данный триггер.

Синхронные  триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе  синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С.

     Одноступенчатые триггеры состоят из одной ступени  представляющей собой элемент памяти и схему управления, делятся на триггеры со статическим управлением  и триггеры с динамическим управлением.

     Триггеры  со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).