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电气维修方法论第十六篇(电路的功能用途)

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为缩小故障查找的范围,电路需要从功能用途的角度进行分类并掌握其本质特征和规律,有利于判断在线电路是否正常工作(外因)。电路功能用途包括电气功能和使用效能、工作条件和适用范围等因素。

电路主要用途是用于制造电气设备,间接的满足人的需要。电路是电气设备的核心,通常不能单独工作,需要和其它部件结合才能实现电气设备功能。在同一台电气设备中,核心电路为电气设备提供主要功能,辅助电路为核心电路提供配套支持。

电路功能包括电能的生产、传输、分配、应用和存储,和其它能源(电磁能、机械能、热能、光能和化学能等)相互转化,还能实现电信号采样分配反馈、输入输出、分析计算、人机交互、对外通讯以及无线传输等功能。

由硬件能实现的功能也能由硬件和软件共同实现,由硬件实现功能的电路有功能单一,硬件成本高,但响应速度快的特点。由硬件和软件共同实现功能的电路功能随软件而变化,硬件成本低,但响应速度慢。现代电路向软硬相结合的方向发展。

电路通常用设计说明描述用途,用系统框图描述功能。方框图中用带文字方框和连线描述电路各基本功能单元间相互关系,处理流程和信号方向为从左至右、从上到下,用多层次方框图从整体到细节描述复杂电路功能,直到最底层方框图能够指导原理图设计为止。

随着电气元件技术进步,新电路层出不穷,朝着多功能微型化方向发展,甚至采用厚膜对电路进行整体封装,即方便运用,还能有效保护知识产权。

(一)单功能电路类

单一功能电路功能完全由硬件决定、功能和用途都单一的电路,是组成复合电路的基本单元,通常只有一种工作状态。不同类型电路能实现相同的功能,但每类电路都有自身特点和适用范围,维修时可根据功能用途逆向推测其电路类型及工作原理。

采样电路的功能用途

采样电路是检测仪器的核心电路,由敏感元件、变换单元和电源单元组成,功能是将感受到的被测信息按规律要求变换为电信号并输出,满足后面信息处理的需要。敏感元件直接感受被测量物理信息并转换为与被测量有确定关系的电信号,变换单元放大调制和输出电信号,电源单元为采样电路供电。通常要求灵敏度和精度高、线性范围广、可靠性高、抗干扰强。采样电路按核心元件分为电压电流检测、磁场检测、光敏电路、热敏电路、磁敏电路、位移电路、压力电路等。

电阻式采样电路是将被测物理量(位移、形变、力、加速度、湿度、温度等)转换成变化电阻值的统称。智能采样电路依靠软件提高性能和增加功能,通过传输或接收命令控制微处理器实现增益、计算、补偿、内检、自校、存储和通讯等功能,获得较精确的测量数据,同时具有能够测量多种物理量的复合功能,能较全面反映物质运动的规律。在电路通电状态下,可以用示波器测量采样电路的输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

信号处理电路的功能用途

信号处理电路是模拟信号处理设备的核心电路,功能是改变电信号的幅值、频率、波形和相位,信号的运算和高效传输。通常要求输出精度和工作效率高、响应快、可靠性高。信号处理电路包括升降压电路、变频电路、波形变换电路、移相电路、算术逻辑比较电路和信号传输电路等。

升降压电路改变电信号幅值,为需要不同等级工作电压的电路提供电源,如放大电路、倍压整流电路和自举电路等提升电信号幅值,自耦电感电路、变压器电路既能提升也能降低电信号幅值;变频电路改变电信号频率,如震荡电路提高电信号频率,滤波电路降低电信号波动;波形变换电路改变电信号波形,如整流电路将交流信号转换为脉动直流信号;改变电信号的相位,如移相电路按照相位设置移动输入信号的相位;算术逻辑比较电路对多路电信幅值进行数值或逻辑运算,如算术、逻辑和比较等运算。在电路通电状态下,可以用示波器测量信号处理电路的输入和输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

驱动电路的功能用途

驱动电路是功率设备的核心电路,功能是将微弱输入信号转换为负载(换能部件)要求形式,放大功率(电压和电流)后驱动其正常工作。通常要求输出功率大、放大倍数高、阻抗匹配强、开关损耗低、响应快、可靠性高。驱动电路按核心元件分为三极管场效应管运算放大器可控硅IGBT等电路;按驱动方式分为电流驱动、电压驱动、PWM驱动、PID驱动等;按控制过程分为只通不断的半控型和既通又断的全控型。

三极管、场效应管放大电路具有放大倍数高、响应快的优点,但开关损耗高,常用于电信号幅值放大(如音频放大)等。运算放大电路具有放大倍数高、阻抗匹配强的优点,但输出功率低,常用于电信号处理(如算术、逻辑和比较等运算)等。可控硅、IGBT驱动电路具有输出功率大、可靠性高的优点,但开关损耗高,常用于驱动大功率负载(如电机、电热丝、继电器LED)等。在电路通电状态下,可以用示波器测量驱动电路输入和输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

通讯电路的功能用途

通讯电路是通讯设备的核心电路,其输出和输入都是电信号,能传输、分配和交换电信号。通讯电路按信号类型分为模拟通讯和数字通讯,按传输方向分为单工、广播、半双工、双工。常用通讯电路有电磁波发射接收电路、红外线发射接收电路、超声波发射接收电路、激光发射接收电路、阻抗变换和信号传输分配电路等。计算机中常用数据传输标准分为有线的串口、并口USB和LAN等和无线分为蓝牙、WIFI、WWAN等。在电路通电状态下,可以用示波器测量通讯电路输入和输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

电源电路的功能用途

多数电气设备由交流市电供电,通过电源电路将交流市电转变为满足其它电路需要的恒定直流电能,属于多数电气设备都需要的公共电路。通常要求输入电压范围宽、输出电压和电流稳定、输出电阻和温度系数低等。电源电路分为以变压器为核心的电路、以功率三极管或场效应管为核心的开关电路。按输入交流电压等级有AC(36V,110V,220V,380V)等,输出直流电压等级有±DC(1.5V,3.3V,5V,9V,12V,24V,36V,48V)等。

变压器交流电源按照输入电源相位分为单相和三相电源,通常由变压器、整流滤波单元、稳压单元等组成。变压器先将高压交流电降压为低压交流电,整流滤波后转换为波动直流电,稳压后获得恒压直流电。变压器交流电源优点是输出稳定、纹波小、容易实现输出电压大范围连续可调功能,缺点是因为功率稳压管工作在放大区,所以效率低,以及变 压器质量和体积大。

开关交流电源通常由整流单元、震荡逆变单元、功率开关管、开关变压器、整流滤波单元组成。整流获得高压直流电,震荡单元让开关管工作在几十kHz开关状态,将直流电逆变为高频交流电后再通过开关变压器(同功率时频率越高变压器越小)降压,整流滤波后获得恒定直流电。开关交流电源优点是因为功率开关管工作在饱和或截止区,所以效率高,以及开关变压器质量和体积小。缺点是输出纹波较大。

在电路通电状态下,通常用万用表的电压档和电流档测量电源电路输入和输出端的电压和电流,通过比较判断其是否正常工作。

保护电路的功能用途

为避免因不稳定因素或意外等原因造成核心电路损坏的电路统称作保护电路。保护回路本质规律是保护电路是电气设备的辅助电路,通常要求对正常电路影响小、响应速度快、稳定耐用和能自动恢复。电路保护方式分为直接保护和间接保护电路。

直接保护电路将采样检测和执行功能整合,通常直接串联或并联在主电路上,优点是连接简单、响应快,缺点是检测种类少、只能实现简单保护功能。常见的直接保护有过流、过压、过热、短路和失电等。在主电路中串联快速熔断器能在毫秒级时间内熔断实现过流保护,适用于大功率三极管、大功率场效应管、晶闸管和IGBT等核心元件。当电感电流突变、电网电压波动和雷击等原因导致产生超过极限值的尖峰电压后,连接在主电路和地线之间的压敏元件(如压敏电阻氧化锌避雷器)阻值迅速降低,将尖峰电压传导到大地保护主电路,放电完成后阻值又恢复正常。功率元件工作温度过高会降低性能或损坏元件,功率元件串联热保护元件能在温度过高后降低或切断工作电流。

间接保护电路将采样检测和执行功能分开,优点是检测种类多、通用性强,能实现复杂保护功能,缺点是电路形式复杂、反应速度慢。如多功能保护电路能将过载、缺相、失速、过热等保护融和在一起,实现对电机的全面保护。

在电路通电状态下,可以用万用表结合示波器测量保护电路的输入和输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

(二)多功能用途电路类

多功能电路功能由硬件决定以及功能和用途较多的电路,通常由多个基础电路组合而成,能实现电气设备需要的多种功能,通常有多个工作状态。多功能电路具有通用性,适用于不同电气设备,维修时可根据用途逆向推测其功能。

主辅电路的功能用途

实现电气设备主要电气功能的电路称为主电路。保障主电路正常工作的电路称为辅助电路,如偏置反馈、耦合匹配和采样干涉等电路。

主电路消耗了电气设备大部分能源,降低核心元件能耗能有效提升能源利用率。通常主电路中功率元件体积和导线截面积较大,选型时要预留一定裕度,确保电路运行稳定可靠。主电路通过电流较大,需要采用直接通断和间接通断相结合确保主电路可靠通电。

偏置反馈电路保障主电路工作在最佳状态中。耦合匹配电路保障电信号高效传输和分配。采样干涉电路能及时准确采集主电路的变化规律、精确有效控制其工作状态。在电路通电状态下,可以用万用表测量主电路或辅助电路的输入和输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

控制电路的功能用途

能直接或间接实现人和电气设备间信息交换和命令响应的电路,控制电气设备稳定运行和按人需要调整状态。按控制信号类型分为模拟和数字控制电路;按控制方式分为自动和人为控制电路。自动控制电路响应快、精度高、保证设备长期稳定运行,但不能处理意外事件。人为控制电路可灵活处置意外事件、保障设备安全,但是响应慢、误差大。

人直接操作电气设备的电路称为人机交互电路,包括反馈设备信息提示单元和命令输出单元。输入控制信息的电路称为信息输入电路。常见信息提示单元包括以LED指示灯、LED数码、显示屏和喇叭等为核心的电路,其中LED指示灯、LED数码显示数字信号,显示屏和喇叭提示模拟信号。命令输出单元包括以切换开关、复位按钮、键盘、触摸屏、旋钮和话筒等为核心的电路,用切换开关、复位按钮、键盘、触摸屏输出数字命令,用旋钮和话筒输出模拟命令。

在电路通电状态下,可以用万用表结合示波器测量人机交互电路的输入和输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

高频电路的功能用途

因为频率在3MHz以上高频电信号具有明显电磁波发射能力,所以高频电路能够发射接收电磁波或无线充电。因为高频电路中杂散电感和分布电容造成电路间相互耦合而影响电路稳定,所以高频与低频电路的频率特性不同。高频电路需要使用高频元件、连接线路尽量短和多点就近接地。常用高频电路有高频震荡、高频放大、高频检波和调制解调等。

高频震荡电路和低频震荡电路功能类似,包括LC震荡、RC震荡、石英晶体震荡和陶瓷震荡等电路,主要参数包括输出信号频率准确度、稳定度、波形失真度和输出阻抗。

高频放大电路和低频放大电路功能类似,包括谐振放大、宽带放大等形式,主要参数包括电压或功率增益、通频带、选择性和信噪比。

调制解调电路按信号类型分为模拟和数字调制,按载波形式分为脉冲、正弦波和光波。调制和解调互为逆过程。调制是用需要发送模拟或数字信号去调制相对频率更高载波幅值、频率或相位,再通过天线发送电磁波的过程。解调是利用天线接收电磁波后从载波幅值、频率或相位中解调出需要接收模拟或数字信号的过程。

在电路通电状态下,通常用高频示波器测量电路输入和输出端信号,通过比较判断其是否正常工作。

电网电路的功能用途

发电、输电、配电等生产、传输和分配电能过程中,需要通断、控制或保护等功能的电路维持电网稳定、保护用电安全。因为电压等级越高,线路损耗越小和传输距离越远,安全等级越低,所以高压电路中导线线径较细、绝缘保护层较厚和安全间距宽,低压电路中导线线径较粗,绝缘保护层较薄,安全间距窄。为兼顾安全和成本原因,发电电路采用交流6kV和10.5kV等中等级电压,输电电路采用交流10kV、35 kV 、110kV等高等级电压,配电电路采用交流220V/380V低等级电压。电网电路主要电气部件包括电力变压器(升压和降压)、高低压电缆、高低压隔离开关、高低压断路器、高低压负荷开关和接地开关等。

输电电路是指发电厂发出中等级电压后用升压变压器升为高等级电压进行远距离传输,到达目的地后通过降压变压器降为低等级电压的电路。电力变压器是输电电路核心部件,属于静止的电机,主要参数有额定功率、额定电压、额定频率(50Hz)、电压比和功率因数。按相数分为单相和三相变压器,按冷却方式分为干式和油浸式变压器,按铁芯或线圈结构分为芯式变压器、壳式变压器、环型变压器。

配电电路是从降压变压器出线端把低等级电压安全可靠传输分配到用户用电设备的电路。低压断路器是配电电路核心部件,具有过载、短路和过流保护等功能,主要参数有额定电压、额定电流、短路分断值和绝缘电压。按通断回路分为单极、双极、三极和四极断路器,按灭弧方式分为真空灭弧、油灭弧、格栅灭弧、磁吹灭弧、六氟化硫灭弧等。

在电路通电状态下,通常用高压万用表测量线路或变压器输入和输出端电压和电流,通过比较判断其是否正常工作。

(三)可变功能用途电路类

与传统电路不同,当硬件固定后其功能用途由其写入程序决定的电路属于功能用途可变电路,由程序决定其不同工作状态(如下载更新、自检、自主运行和数据交换等)。随着带记忆功能数字电路和程序技术发展,能实现不改变硬件情况下通过编程改变电路功能,提高硬件通用性,扩展使用范围。可变功能用途电路程序通常用第三方工具开发、调试和编译。可变功能用途电路出现问题后需要判断是硬件还是程序原因。如果硬件正常,可通过重装程序解决问题。如果硬件核心部分正常,可通过自带自检程序检测硬件原因。如果硬件核心部分问题,在电路通电状态下用示波器测量电路不同的状态下输入和输出信号,通过比较判断其是否正常工作。

单片机为核心的电路

在电路通电状态下,通常利用自身自检程序和示波器相结合进行测量电源、时钟、输入输出信号的电压和电流,通过对比判断其是否正常工作。

PLC和DDC为核心的电路

PLC和DDC控制系统是在工控计算机基础上取代继电器去实现逻辑、记时、计数等功能的顺序控制器,通过配套各种输入输出模块能扩展其硬件功能,都属于分布式控制器,具有抗干扰能力强(能在恶劣环境中工作)、编程简单和稳定可靠等优点。PLC和DDC控制系统自带单片机和操作系统,采用循环扫描工作方式解释并执行程序代码。在下载更新状态下将程序代码写入PLC和DDC存储器中,重启后进入自主运行状态,实现各种复杂控制功能。常用PLC有西门子S7、三菱FX、欧姆龙CP系列,常用于工业控制。常用DDC厂商有霍尼韦尔、欧姆龙和西门子,常用于智能楼宇控制。

作者:罗清;地址:四川省攀枝花市东区;电话:13548205451;微信:pzhLQ564200811;QQ:564200811)

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