器件应用（精选12篇）
器件应用 篇1
在生产过程中的检测和控制要用到多种自动化仪表、计算机及相应执行机构。过程中的信号既有微弱到毫伏级的小信号, 又有数十伏的大信号, 甚至还有高达数千伏、数百安培的信号要处理。从频率上讲, 有直流低频范围的, 也有高频/脉冲尖峰。设备仪表间的互相干扰就成为系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外, 解决各种设备仪表的“地”, 即信号参考点的电位差, 将成为重要课题。因为不同设备、仪表的信号要互传互送, 那就存在信号参考点问题。换句话说, 要使信号完整传送, 理想化的情况是所有设备仪表的信号有一个共同的参考点, 即共有一个“地”。进一步讲, 所有设备仪表信号的参考点之间电位差为“零”。但是在实际环境中, 这一点几乎是不可能的, 这里面除了各个设备仪表“地”之间的连线电阻产生的电压降之外, 尚有各种设备仪表在不同环境受到的干扰不同, 以及导线接点经受风吹雨淋导致接点质量下降等诸多因素, 致使各个“地”之间有差别。以图一为例。
图中标明有两个现场设备1#、2#仪表向PLC传送信号以及PLC向两台现场设备3#、4#仪表发出信号。假定传送信号均为0-10VDC。理想情况下PLC及两个现场设备1#、2#仪表“地”电位完全相等, 传送过程中又没有干扰。这样从PLC输入来看, 接收正确。但如前所述, 两个现场设备通常有“地”电位差。举例来讲, 1#设备“地”与PLC“地”同电位, 2#设备比它们的“地”电位高0.1V, 这样1#设备给PLC的信号为0-10V, 而2#设备给PLC的为0.1V-10.1V, 误差就产生了。同时1#、2#设备的“地”线在PLC汇合联接, 将0.1V电压施加在PLC地线上, 可能损坏PLC局部“地”线, 同时显示错误的数据。由此引起的问题在现场调试中屡有出现。例如某监控系统使用美国AB-PLC外接国内某厂家手操器。AB-PLC的每个数据采集板由八个通道组成, 八个通道共用一个12位A/D, 模拟量经过变换后由12个光耦隔离器实现与主机隔离。它的八个通道输入之间没有隔离, 致使在输入信号时, 每个通道单独输入到采集板均正常。但是同时输入两个或多于两个外部信号时, 显示数字乱跳故障无法排除。这种情况在使用隔离器后就正常了。隔离器之所以能起到这个作用, 就是它具有使输入/输出在电气上完全隔离的特点。换句话讲, 输入/输出之间没有共同“地”, 外来信号不管是0-10V, 或带着共模干扰电压的0-10V经隔离后均为0-10V。即隔离后新建立的“地”与外部设备仪表“地”没关系。正是由于这个原因, 也实现了输入到PLC主机的多个外接设备仪表信号之间隔离, 即它们之间没有“地”的关系。
上面谈了输入信号和PLC信号的隔离, 同样PLC向外部设备输出信号也有类似现象问题。显然采用隔离器就能解决问题。这类电压/电压隔离器及电压/电流隔离转换器的产品型号是WS1521、WS1522。
不管PLC向外部设备仪表发送信号, 还是外部设备仪表向其他设备发送信号, 有一种情况经常遇到:要求一个信号即能向显示仪表输送信号, 又能传送给诸如变频器之类的设备。这就有可能在两个设备之间产生干扰, 若要彻底解决干扰问题, 推荐使用隔离式信号分配器WS15242, 它的二个输出之间也是隔离的。它能实现输入信号与外部设备隔离, 同时实现接收信号设备之间隔离。如图二。
现场仪表在配套时有可能协调不利出现如下情况, 接收信号设备 (例如接收4-20m A) 接口连接为二线制方式 (即接收口为一个24V电源与一个250Ω相串联) , 接口的两根线一个为24V正极、一个为250Ω一端, 适于连接现场二线制变送器。但现场设备为四线制变送器, 输出4-20m A, 这样进行直接连接将造成电源冲突。解决方法是采用隔离器将现场来的4-20m A接收并隔离, 在隔离器的输出部份安装一个标准的二线变送器, 以应对接收设备的接口。这个产品型号为WS9030。隔离器要保证输入/输出两个部分隔离, 外加工作电源24V在为输入、输出部份供电同时, 必须确保在电气上与两个部分隔离。这种输入/输出/外加工作电源之间全部相互隔离的器件称为三隔离或全隔离器件.?从理论上讲这种供电方式, 不管隔离器数量多少, 均可用一台24V电源供电, 不会产生干扰。对于常用的4-20m A到4-20m A电流信号的隔离, 这里推荐一种不用另外再加电源的隔离器WS1562。如图三。
显然省去外接电源接线更为简捷, 且功耗低、自身热量低、可靠性高。WS1562的最大特点在于不需要外接电源, 它带来了简捷可靠的优点同时也带来了使用上的局限性。WS1562对于4-20m A信号进行的隔离传送, 从一个意义上讲是功率传送, 内部肯定有功率损耗。损耗表现在输入端和输出端电流/电压乘积的差值上。以负载电阻RL=250Ω为例, 当输出为20m A时输出端250Ω上的电压为5.0V, 而输入端的两端间电压测试为8.8V。简单计算表明, 内部损耗等于20m A× (8.8V-5.0V) =76 (m W) , 也即内部损耗为76毫瓦。从使用者角度来看, 假若输出端负载电阻RL等于250Ω, 那么从输入端看进去的等效电阻最大值为8.8V/20m A=440 (Ω) 。在这种情况下输入的4-20m A电流源必须具有驱动440Ω负载的能力, 才能使WS1562无源隔离器在输出端负载电阻RL等于250Ω条件下正常工作。不过, 从经验来看大部分现场仪表能满足这些条件。
再谈谈常用的二线制变送器 (含压力、温度、流量…) , 从隔离角度可以分为隔离式及非隔离式。采用隔离式二线制变送器的主要目的是提高抗干扰能力。二线制变送器的隔离有两种方式:一种方式是传感器和变送器一体而又必须放置在现场指定地点, 对于这种情况一般把隔离器安置在中央控制室机柜中。对这种现场二线制变送器的电源配送有二种接口形式, 要根据现场具体情况来定。图四给出了针对PLC与二线制变送器两种接口的连线图。
图四PLC两种接口与隔离配电连接示意图
另一种方式是传感器和变送器分成二个部分, 传感器放置在现场指定地点, 把变送器设计为隔离式的放置在控制室中。面对PLC两种接口方式, 图五给出了以Pt100为传感器的隔离变送器使用连线图。产品型号为WS9050及WS2050。附带说一点, 处理Pt100这类温度变送器都考虑到了Pt100的长线补偿及线性化处理。类似还有以各种热电偶为传感器的隔离变送器, 它与上述基本相同, 不同的是增加了冷端补偿。产品型号为WS9060及WS2060。其中WS2050和WS2060属于二线制变送器。WS9050和WS9060属于全隔离式变送器。
如果输入信号是5A交流电流或数百伏交流电压可以选用的产品型号是WS1526、WS1520。
以上只是谈了隔离器件在工业现场中的部分应用, 其用法、用途还很多, 需要我们在生产实践中不断分析、发现和应用。
器件应用 篇2
摘要：时间统一系统是靶场试验任务顺利完成的关键。本文介绍一种利用CPLD器件实现的可编程的性能良好的IRIG-B码源。通过高度集成，将用于产生B码的各种门电路集成在一个芯片中，构成一个应用系统，达到了最佳性价比。
关键词：B码源 CPLD器件 时序
引 言
随着电子技术的发展，对遥测信号的帧结构的可编程度、集成度的要求越来越高，用于时间统一系统的B码源的设计也趋于高度集成化。为了适应现代靶场试验任务的要求，我们采用Altera的CPLD器件，将用于产生B码的各种门电路集成在一个芯片，通过高度集成的系统可以用于产生标准的串行时间码向测量设备发送，测量设备对接收到的B码进行解调能产生出系统所需的绝对时间和各种控制信号。此B码产生系统可作为基地设备检测调试用，也可作实践教学设备。
图1 IRIG-B(DC)时间码格式
1 IRIG-B码介绍
在靶场试验中随着设备所需信息量的增加，对标准化时统设备要求也就越来越高，其中关键的问题之一就是选用什么样的时间码。IRIG-B(美国靶场仪器组-B 型格式)DC时间码以其实际优越性能，成为时统设备首选的标准码型。(本网网收集整理)
IRIG(Inter-Range Instrumentation Group)是美国靶场司令部委员会的下属机构，称为“靶场时间组”。IRIG时间标准有两大类：一类是并行时间码格式，这类码由于是并行格式，传输距离较近，且是二进制，因此远不如串行格式广泛;另一类是串行时间码，共有六种格式，即A、B、D、E、G、H。它们的主要差别是时间码的帧速率不同。B码的主要特点是时帧速率为1帧/s;携带信息量大，经译码后可获得1、10、100、1000 c/s的脉冲信号和BCD编码的时间信息及控制功能信息;高分辨率;调制后的B码带宽，适用于远距离传输;分直流、交流两种;具有接口标准化，国际通用。IRIG-B(DC)时间码格式如图1所示。其帧速率为1帧/s，可将1帧(1s)分为10个字，每字为10位，每位的周期均为10 ms。每位都以高电平开始，其持续时间分为3种类型：2 ms(如二进制“0”码和索引标志) 、5 ms(如二进制“1”码)和8 ms(如参考码元，即每秒开始的第一字的第一位;位置标志P0～P9，即每个字的第十位)。第一个字传送的s是信息，第二个字是min信息，第三个字是h信息，第四、五个字是d(从1月1日开始计算的年积日)。另外，在第八个字和第十个字中分别有3位表示上站和分站的特标控制码元(参考图1)。
2 硬件电路设计
B码信号是否正确,是否被正确地解调出来,关键在于能否按照B码的变化规律产生预置信号。本课题的难点在于按照其本身的变化规律安排好产生B码的各种时序。
用9个十进制计数器级联组成时钟电路，用来产生时间信号--天、时、分、秒信号。四种信号经过缓存后顺序送入并串转换电路，将并行码串行输出，由7个产生时序脉冲的4017级联产生B码所需的三种脉冲形式，经过逻辑门的控制将串行输出的时间码转化成B码。将所有计数器、缓存器、并串转换电路、时序脉冲产生器、各种逻辑门等集成到可编程器件(CPLD)中，即用将一个完整的系统集成到一个芯片中。外围电路只需一个时钟电路和上电置数电路即可。由于采用了可编程器件,用软件编程可以把一个硬件系统集成到一个芯片中，大大简化了硬件电路，并且可以对芯片内部的电路进行仿真和多次编程，调试起来很方便。
根据确定的方案，设计的硬件电路如图 2所示。可编程器件EPM7128SLC84-15内部电路如图3所示。
硬件电路由可编程芯片、主时钟、置数电路三部分组成。芯片内部电路由365进制计数器、缓冲电路、并串转换电路、时序脉冲发生器及逻辑门控制电路组成。
图2中，置数电路将预置好的时间置入，使得芯片内部的365进制计数器从此时刻开始计数。主时钟是频率为10 MHz的晶振，作为芯片内部时序脉冲发生器的时钟信号。可编程芯片内部电路设计是本课题设计的核心。图 3中，时序脉冲发生器由七级4017级联而成，由外输入时钟作为第一级的时钟。第七级产生的秒信号作为365进制计数器的时钟，该计数器组由九个十进制同步计数器74LS162组成，输出7位二进制形式的秒信号，7位分信号，6位时信号，10位天信号(分为低八位和高二位天信号两组)。输出的时间信号送至缓冲器，由时序脉冲发生器的第六级输出周期为100 ms的时钟信号作为缓冲器的内部时钟，将缓冲过的时间信号以B码的格式顺序送入并串转换电路。并串转换电路的置位信号由时序脉冲发生器第六级的Q8提供，每100 ms将输入的时间信号锁存一次，时序脉冲发生器的第五级输出的周期为10 ms的时钟作为并串转换的时钟，将并行数据串行输出。时序脉冲发生器通过逻辑门的控制产生了B码的三种脉冲形式：第一种是高电平为2 ms ，低电平为8 ms的脉冲(代表逻辑“0”);第二种是高、低电平均为5 ms的脉冲(代表逻辑“1”);第三种是高电平为8 ms ，低电平为2 ms的脉冲(作为位置识别标志和参考码元)。并串转换输出的串行码经过逻辑门的`控制，码?quot;1“转化为B码脉冲的第一种形式，码元”0“转化为B码脉冲的第二种形式，即将二进制的时间信号转变成为B码形式。参考码元、时间码元、位置识别标志综合在一起作为真正的B码输出。
3 主要单元电路设计
3.1 置数电路
根据课题要求，电路应具有置数功能。置数电路如图 4 所示，改进后的置数电路如图 5所示。
将预置的天、时、分、秒在上电的同时置入各个计数器中。由于计数器74LS162是同步计数器，要求置数脉冲有效时(低电平有效)至少有一个时钟的上升沿。
计数器的时钟是由时序脉冲发生器提供的秒信号，为了保证在置数脉冲有效时存在一个时钟上升沿，对秒信号作如下改进：
输入信号clka 由时序脉冲发生器产生，输出信号clk 作为365进制计数器的时钟。输入输出波形关系如图 6所示。
3.2 可编程芯片EPM7128SLC84-15内部电路
本部分采用层次结构的设计，由底层到顶层将复杂的电路模块化，最后生成一个顶层模块。图7 表示内部电路的层次结构。
最底层的四个模块分别包含四部分较复杂的电路，将四个模块分为两组，又生成较高层的模块t1和t2，模块t1和t2最终生成最顶层的模块。采取模块化设计的优点在于可以由底层到顶层对每一个模块分别进行仿真，有利于各个模块间时序的配合。
(1)t2模块
365进制计数器
该部分电路由九个十进制同步计数器 74LS162级联而成，称为计数链,生成的模块形式如图 8所示。
图10 t2模块内部电路
缓冲电路
它的功能是将计数器输出的5组时间信号以B码的格式交替输出。缓冲电路生成的模块如图 9所示。
为简单起见，用VHDL语言描述如下:
FUNCTION 74160 (clk, ldn, clrn, enp, ent, d, c, b, a)
RETURNS (qd, qc, qb, qa, rco);
SUBDESIGN testa
(dina[6..0],dinb[6..0],dinc[5..0],dind[7..0],dine[1..0],fin1,fin2:INPUT ;
dout[9..0] : output;)
VARIABLE
q[3..0] :node;
begin
(q3,q2,q1,q0,)= 74160(fin1,vcc,fin2,vcc,vcc,GND,GND,GND,GND);
case q[3..0] is
when 0=>
dout[4..1]=dina[3..0];dout5=gnd;dout[8..6]=dina[6..4];dout9=gnd;dout0=gnd;
when 1=>
dout[3..0]=dinb[3..0];dout4=gnd;dout[7..5]=dinb[6..4]
;dout[9..8]=gnd;
when 2=>
dout[3..0]=dinc[3..0];dout4=gnd;dout[6..5]=dinc[5..4]
;dout[9..7]=gnd;
when 3=>
dout[3..0]=dind[3..0];dout4=gnd;dout[8..5]=dind[7..4];dout9=gnd;
when 4=>
dout[1..0]=dine[1..0];dout[9..2]=gnd;
when others=>
dout[9..0]=gnd;
end case;
end;
图14 t1模块内部电路
t2模块是由计数器和缓冲电路合成的较高层的模块。这个模块的功能是置数后计数器从此时刻开始按秒计数，将时间信号以B码的格式并行输出。两个模块的连接情况如图 10所示，t2模块如图 11 所示。
(2)t1模块
并串转换电路
由于B码是串行码，须将t1模块输出的并行数据进行并串转换。并串转换电路生成的模块如图 12 所示。
时序脉冲发生器
该部分电路主要由七个脉冲分配器相级联和一些逻辑门控制组成。完成的主要功能有：产生B码的3种脉冲形式;提供计数器的时钟--”S"信号;提供缓冲电路中计数器的时钟--周期100 ms;提供并串转换电路的置位信号。时序脉冲发生器生成的模块如图13所示。
图16 t3模块内部电路图
t1模块是并串转换电路和时序脉冲发生器合成的较高层的模块。这个模块的功能是将t2模块输出的并行时间码串行输出，由时序脉冲发生器输出各种控制信号对串行码控制输出B码的三类脉冲，同时输出t2模块所需的各类时钟信号。并串转换电路模块和时序脉冲发生器模块的连接情况见图 14，t1模块见图15。
(3)t3模块
t3模块是由t1、t2两个模块构成的最顶层的模块，其内部连接如图16所示。
由图16可见，t3模块(图17)将所有内部电路集成，整个电路只有32个输入端，3个输出端。将t3模块直接烧入可编程芯片即可。
3.3 码合成电路
可编程芯片输出了组成B码的3个分信号，经过1个或门后将3个信号合成了B码信号，如图18所示。
图18 合成B码波形图
结 语
浅谈电力电子器件应用的共性问题 篇3
【关键词】电力电子器件；共性问题
电力电子器件是电力电子电路的基础。在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路被称为主电路。电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
1.电力电子器件器件的保护
在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适，驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护也是必要的。
1.1过电压的产生及过电压保护
电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统操作过程等外因，包括操作过电压和雷击过电压。内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。包括换相过电压和关断过电压。图1示出了过电压抑制措施及配置位置，各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。
F-避雷器 D-变压器静电屏蔽层 C-静电感应过电压抑制电容 RC1-阀侧浪涌过电压抑制用RC电路 RC2-阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV-压敏电阻过电压抑制器 RC3-阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4-直流侧RC抑制电路 RCD-阀器件关断过电压抑制用RCD电路
1.2过电流保护
电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。图2给出了各种过电流保护措施及其配置位置，其中快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各种保护措施时应注意相互协调。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
采用快速熔断器（简称快熔）是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。
快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。全保护是指过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护是指快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。
对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器保护的全控型器件，需要采用电子电路进行过电流保护。
常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这对器件过电流的响应是最快的响。
1.3缓冲电路
缓冲电路又称吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt、或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。
2.电力电子器件器件的串联和并联使用
对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。
2.1晶闸管的串联
当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。理想的串联希望各器件承受的电压相等，但实际上因器件特性的分散性，即使是标称定额相同的器件之间其特性也会存在差异，一般都会存在电压分配不均匀的问题。
串联的器件流过的漏电流总是相同的，但由于静态伏安特性的分散性，各器件所承受的分压是不等的。若外加电压继续升高，则承受电压高的器件将首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，两个器件都失去控制作用。同理，反向时，因伏安特性不同而不均压，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。这咱由于器件静态特性不同而造成的均压问题称为静态不均压问题。
为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。
2.2晶闸管的并联
大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。同样，晶闸管并联就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流不佳，有的器件电流不足，有的过载，有碍提高整个装置的输出，甚至造成器件和装置损坏。
均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此外还可以采用均流电抗器。同样，用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。
参考文献
[1]王兆安 刘进军 电力电子技术[M] 北京：机械工业出版社2009年7月
[2]天津电气传动设计研究所 电气传动自动化技术手册[M] 北京：机械工业出版社2005年7月
[3]Leo Lorenz. Power semiconductors and application[C]//Course lecture notes of Xi’an Jiaolong University. 2007年
《PLC器件及应用》课教学探索 篇4
PLC（可编程控制器）作为通用工业控制计算机，在工业控制领域实现了从无到有，从接线逻辑到存储逻辑的飞跃；在功能上实现了由弱到强，由逻辑控制到数字控制的进步；在应用领域实现了从小到大，从单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。目前，PLC成为工业控制领域的主流控制设备，在世界各地发挥着越来越大的作用。这不仅体现在其应用普及方面，也体现在其新产品的开发速度上，更体现在对相关技术人才的大量需求上。
在就业竞争激烈的今天，掌握PLC应用技术是从事工业控制研发技术人员必须拥有的一门专业技术。但是，目前对PLC技术的教育还很落后，许多相关专业的高校毕业生对此知之甚少，许多学生到工作岗位后不得不进一步补充这方面的知识。计算机技术是与PLC技术紧密相关的，因此，对于计算机专业的本科毕业生，使其具备一定的PLC基本知识，并能完成一些简单的实际工程，这一方面可以完善学生的知识结构，拓展学生的思维方式，提高学生的就业素质，从而有利于学生更加顺利的走向社会、服务于社会；另一方面，有利于拓宽学生的就业渠道，使学生更易于为相关专业领域所接纳。
基于此，计算机学院计算机工程系对本系专业做了富有前瞻性的调整，在计算机技术专业的基础上设立了新的专业方向———计算机控制，其中《PLC器件及应用》课是该专业方向的核心课程之一。
二、《PLC器件及应用》课的教学实践
《PLC器件及应用》课作为计算机专业计算机控制方向的核心课程之一，对于它的教学，其工程实践性要求是很高的。
1. 教学实践一。
考虑到《PLC器件及应用》课程的工程实践性，最初采用工程实用性较强的教材《PLC应用开发技术与实践》，且只安排了48课时理论教学。《PLC应用开发技术与实践》是一本实用性教材，它以西门子公司的S7-200系列，OMRON公司的CQM1系列，三菱公司的FX2N系列和华光公司的SU-6B系列PLC为例，首先，把PLC分为硬件和软件两部分分别进行介绍，然后综合起来介绍整体的控制系统，最后遵循从简单到复杂的顺序安排许多PLC在不同行业中的具体的工程实例以引导学生从理论到工程实践的转换。通过实践教学发现以下问题：首先，对于《PLC器件及应用》这样一门实践性很强的课程，仅采用传统的纯粹以课堂讲授为主的教学方法是不恰当的，虽然选用了工程实用性较强的《PLC应用开发技术与实践》这本书作为该课程的教材。其次，教材选择有问题。《PLC应用开发技术与实践》的确是一本工程实用性很强的教材，但要通过选用它作教材以填补该课程教学的实践性要求是不合适的。该书不适于做教材，做辅导参考书应该是比较好的选择。第三，课时安排有问题。只安排理论课而没有安排实验课使这门实践性很强的课程失去了实践的意义。以上问题的存在，使得实际教学效果并不象预设的那样理想。学生最终反应只是知道有PLC器件，问到具体知识时就显得有些愣懂，不知所措。
2. 教学实践二。
为提高PLC教学效果，学院专门建立了PLC实验室。PLC实验室中安排有20台套OMRON公司的CPM2A系列PLC实验箱。为加强《PLC器件及应用》课的实践性，为克服以前教学中的问题，在教学中，给该课程安排了24课时的理论课教学，8课时的理论实验课以及32课时的PLC独立实验课，并通过调研将教材改换为由江秀汉、汤楠等编写，西安电子科技大学出版社出版的《可编程序控制器原理及应用》（第二版）。这种设计安排经实践教学，证明是很有效的。由西安电子科技大学出版社出版的《可编程序控制器原理及应用》是以日本OMRON公司的新型PLC CPM2A系列为主线，系统的介绍了可编程序控制的基本原理，指令系统，PLC网络系统及PLC控制系统的设计方法，介绍了CPT,CX-Programmer等计算机辅助编程的应用。最后对国内外常用的PLC器件作了简单介绍。由于该教材所讲PLC系列和PLC实验室的实验箱中所用的PLC系列相关性很强，这就为整个教学内容的安排创造了良好的前提条件。首先，由于理论课仅安排24课时，而教材中涉及的相关内容又较多，因此理论课讲解就应该有所侧重，比如在讲解第四章（指令系统）时，就点到为止，而不应象讲汇编语言指令那样细讲。另外，对于第五章（编程监控设备及其应用），这章主要与上位机辅助编程环境（如CPT,CX-Programmer等）相关，不讲解该章。这样一来就省出许多课时用于其他章节的讲解。其次，对于8课时的理论实验课，结合上位机辅助编程环境CPT，结合PLC实验箱仅用2课时完成对教材第五章（编程监控设备及其应用）的教学。另外6个实验课时，结合教材第四章（指令系统）安排一些训练题目，学生通过这些题目的实践训练达到对PLC指令系统及上位机辅助编程环境CPT的熟悉掌握，并对梯形图编程及助记符编程有切身的理解。最后是32课时的PLC独立实验课。PLC独立实验课，采用实验箱配套的上位机辅助编程环境CX-Programmer4.0版，主要完成了实验箱上设计的6个工程实验。首先安排了8个课时让学生结合已熟悉的编程环境，通过题目“抢答器的设计及实现”的完成达到对实验箱上的实验环境，实验箱的连线操作以及编程环境CX-Programmer的熟悉掌握，达到对实验软硬件环境有了切身的感受和理解，为完成后续实验树立了自信心。事实上，后面实验学生表现热情﹑认真。完成实验后，许多学生感觉很有成就感。
三、《PLC器件及应用》课的教学探索思考
1. 课程的工程实践性必须落到实处。
《PLC器件及应用》是工程实践性很强的课程，因此在教学安排上应该偏重于工程实践训练。目前，除了已经购买的20套实验箱，由几位相关教师开发了10套实验箱以补充实验室设备，结合8课时实验及32课时的独立实验课是能够满足该课程的实践性要求的。
2. 明确教授对象是计算机专业的本科生。
《PLC器件及应用》课程是针对计算机专业的本科学生开设的，因此讲授课程中一定要考虑其与计算机专业的相关性，既要考虑教学对象已有的与PLC器件相关的计算机知识，也应考虑教学对象后来要学的相关知识，从而使得学生既达到对PLC学习的目的，又使得该课程的教学具有承前启后的效果。《PLC器件及应用》课是面向计算机专业本科大三开设的，《单片机原理及应用》课与其同时开设，而《微机原理》课刚开过。由于PLC器件是建立在单片机之上的一种产品，很多PLC器件内部就使用了单片机，因此，在教学中，引入单片机的相关内容，引入微处理器、单片机与PLC器件的比较内容，强化说明PLC的应用领域及其在工业自动化控制中的重要应用，引导学生学习PLC器件的兴趣及主观积极性。
3. 教材的选用上要结合计算机专业。
选用西安电子科技大学出版社出版的《可编程序控制器原理及应用》（第二版）作教材，虽然该书不是专门针对计算机专业编写的，但在该书的第一章（概述）中很好的把PLC器件与继电器控制，微型计算机，单片机以及集散系统进行了比较说明，因此上课时只要再做适当的增减调整可以基本达到预期目标。当然，随着后面教学的深入，可考虑自己编写教材。
4. 进一步加强独立实验课。
对PLC器件的学习必须上升至独立完成一个控制系统，而对于控制系统就不仅要掌握一定的编程技术，还需要知道如何针对实际应用选择合适的PLC器件型号，并对其进行资源配置。目前，已在原有实验箱的6个配套实验基础上，也开发了一些新的实验题目，并在实验中引入组态软件，从而进一步丰富了独立实验课的内容。后面还要结合实验箱努力开发设置一些相关的课程设计，从而让学生在系统级上掌握PLC器件。
四、结语
《PLC器件及应用》课属于计算机科学与技术学科下的二级学科计算机控制技术方向的一门重要课程，对该课程的教学目前仍处于探索阶段，随着今后教学实践的不断深入，还是应该在该课程的实践性上下功夫，比如实验设备的及时更新，整个课程课时的进一步优化，合理的安排相关课程的教学层次等。
摘要：通过对《PLC器件及应用》专业课实践教学历程的阐述,分析其在教学实践中存在的问题及实际教学效果,并进一步从其工程实践性、教学专业性、教材选择及加强实践等四个方面引出对其教学具有实际针对性的四点探索思考。
关键词：PLC器件,CPT,教学实践,CXP
参考文献
[1]求是科技.PLC应用开发技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[2]杨公源,等.可编程控制器PLC原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.
[3]江秀汉,等.可编程序控制器原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
器件应用 篇5
随着电力电子和变流控制技术的不断发展，功率器件IGBT 的应用领域得到极大的拓展，在轨道交通、航空航天、船舰电推、电力传输等诸多高可靠性应用领域成为主流应用器件。IGBT 作为变流装置的主功率器件，围绕其进行可靠性相关的研究对系统设计及设备运行维护等具有十分重要的意义。国内外文献中常用失效率(λ)、可靠度(R)、平均无故障时间(MTBF)、使用寿命(LT)等指标进行IGBT 可靠性比较和评价。IGBT 模块可靠性受封装工艺、制造水平和运行工况的影响，在实际工程应用中，有时为了提高可靠性，通常采用的措施是对器件进行降额使用。这种方法的弊端是对器件缺乏可靠性的定量评估，常常出现“大马拉小车”现象，造成资源浪费。因此，立足于工程实践需求，建立一套行之有效的器件应用可靠性分析和评估方法，对变流系统的科学、合理设计具有重要意义。
典型的工业变流应用中，对于3.3 kV 电压等级IGBT 功率器件，中间工作直流电压正常范围为1.5 kV~1.8 kV;而对于中间直流电压为2 kV 水平的变流应用设计，3.3 kV 与4.5 kV 两类IGBT 器件均可满足工程实际应用需求。但对于3.3 kV 器件，中间工作电压提升对其工作可靠性的影响情况有待进一步评估。本文基于实际变流工程应用，从器件应用失效率及使用寿命两个维度对3.3 kV 和4.5 kV 电压等级功率器件在中间直流电压为2 kV 水平下的应用可靠性展开研究。研究结果表明，在进行系统选型设计时，应从具体应用需求及客户体验特点，选择相应规格器件。器件特性参数比较
采用 所示三电平半桥臂主电路拓扑对IGBT 的器件可靠性进行研究，其中间直流母线电压VDC=2 kV。由于该电路具有对称性的特点，进行器件功耗计算时，仅需考虑V1，V2 和D5 便可。
为 使分析具有代表性，选用1500R33HL3 型和1200R45HL3 型IGBT 器件，二者特性参数对比及功耗计算结果如 所示。可以看出，两种器件封装尺寸完全兼容，当中间直流电压为2 kV 时，4.5 kV 电压等级器件的功耗要大于3.3 kV 电压等级器件的。所示功耗计算结果显示V1 位置器件的功耗最大，因此本文主要就该位置器件的可靠性进行分析研究。器件失效率比较
常温(25℃)、不同电压工况下3 300 V/1 500 kA 规格IGBT 器件失效率分布情况如 所示。同样借助曲线拟合技术，对 曲线在工作电压范围的2 200 V~3 400 V 段进行拟合，并拓展至1 800 V。曲线拟合情况如 所示，拟合方程如式(2)所示。给出了对应 各工作电压点的失效率及折算的MTBF 值。
由 和 可以看出，器件的失效率随着工作电压的升高呈递增趋势。根据 和，对工作电压为2 kV 时3.3 kV 和4.5 kV 规格IGBT 器件可靠性情况进行比较，其λ 分别为159.822 1 和0.000 997，对应MTBF 分别为6.257×106 h 和1.003×1012 h。显然，4.5 kV 规格器件的故障率更低，平均无故障时间更长。器件使用寿命比较
工程中常用功率循环(PC)次数和温度循环(TC)次数来评估器件的可靠性水平。功率循环中，壳温变化较小、结温变化频繁，在该模式下，由于键合线和硅片之间的膨胀系数(CTE)不同，大量应力作用后，键合线和硅片易剥离，导致器件失效;温度循环中，壳温变化较大且缓慢，该模式下，由于绝缘基板和铜基板之间的膨胀系数不同，大量的应力循环作用下，焊层易产生裂纹，从而导致失效。因此PC 和TC 是两种不同的失效模式，功率循环主要会导致键合线失效，使器件正向压降升高;而温度循环主要导致焊层裂缝，使器件热阻增加。
示出客户提出的24 h 试验考核条件参数，要求IGBT 器件连续工作5 000 h 无故障。在满足器件额定工况要求的前提下，按照检测条件()、器件参数来计算不同电压水平下结温温升，并由器件生产商提供的功率循环、温度循环寿命曲线，得到不同结温温升工况下的寿命指标情况。
设定散热器保持恒温65 ℃，参照 给出的系统主电路及 所列试验条件，计算得到器件功率损耗及24 h 试验结温(ΔTj)、壳温(ΔTc)的温升数据()。对应，得到器件24 h 试验结温波动情况曲线()。
是器件厂商提供的牵引用3.3 kV 和4.5 kV 电压等级IGBT 功率循环寿命实验曲线，是其温度循环寿命实验曲线，据此可研究得到不同温升水平下所对应的功率循环次数情况和温度循环次数情况。可计算预计器件寿命：根据 所列温升数据，查找对应 和 器件曲线寿命数据，得到不同结温温升条件下的理论循环寿命次数;根据24 h 实验检测参数，可计算得到连续工作条件下的累计循环次数;根据米勒器件损耗线性累加理论，借助式(3)预计器件使用寿命。结语
器件应用 篇6
关键词：量子点 电致发光 红绿蓝三基色调节
中图分类号：TB383.1文献标识码：A文章编号：1674-098X（2013）05（c）-0065-01
量子点（简称QDs）是指直径等于或小于激子玻尔直径半导体纳米颗粒，其颗粒尺寸在10 nm以内，电子在晶体空间结构上的运动都受到限制，因此，属于一种空维度的半导体纳米材料。量子点在具有相同晶体规则原子排列的同时，又具有很多其他的特性效应，如表面效应、定域效应、量子尺寸效应、量子隧穿效应，这使得量子点物质的结构具有固体物理量子化，促成了微观与宏观在特性上的联系。Ⅱ-Ⅵ族量子点则是由第二族元素和第六主族元素化合后形成的量子点，因具有不同其他物质的可见光区荧光特性，目前已广泛应用于光伏电池、半导体发光材料等领域[1]。
1 量子点太阳电池的物理机理
半导体量子点太阳电池作为新一代太阳电池具有明显的优势，它通过以下两个效应可以显著提高其光电转换效率：首先是来自具有一定能量的光子激发产生较多的电子-空穴对；第二个效应是在带隙里形成过渡带，这样可以与相邻或者相接的带隙有一定的联系，进而来产生电子-空穴对。这两个效应的产生是因为量子点中的能带能级物理化。当一般的太阳能电池中由于热激发或者吸收光后产生的能量激发出的电子并不能满足充足的光伏效应，这是因为只有在吸收的光子能量达到太阳光光谱的某些区域能量阀值才会产生有作用的电离反应。在大多数半导体中用于电子对分离的能量超过了能量守恒的原则，但是在晶体内部要满足能量守恒和动量守恒，而且分离的几率必须和由晶格振动产生的声子散射引起的弛豫几率接近。
2 量子点太阳电池的过渡带结构
过渡带太阳电池能够捕获小于带隙间能量差距的光子量，使太阳能电池在不改变其短路电流的情况下增大其开路电压，因此它是目前新一代太阳电池研究中最具研究方向性的。在过渡带太阳电池的研究方向中，最具代表性的问题是有关于光的吸收和接收。我们希望宽能级的能隙能够吸收具有能量的光子，为了使被吸收的光子输出的并确保热激发电子对热损耗达到最小值，同时要求不同带隙间的的光吸收系数不同，比如价带到导带的吸收系数比价带到过渡带的吸收系数大，其次满足过渡带必须不能够是满带电子密度状态，但是又不能够使激子对的能量密度太低，这样就能够满足电子激发的最基本条件。过渡带材料的结构如图1。过渡带通过一个没有电子密度的带将导带价带区分开，这样使在带间的载流子分离变的很困难，这样可以认为电池的开路电压是通过激子对准费米能级分离提供的，当然开路电压是与高带隙有关，这时在每个带中的每一对激子状态通过它们的准费米能级来描述。在对过渡带方法的强光电转换理论研究中显示：在1个有限的太阳光照下的效率最大值大约为45%，而在全聚光条件下效率大约为62%。过渡带电池的能级可通过纳米量级的半导体量子点激发在相对宽带隙半导体材料来实现——量子点势阱。
3 量子点电致发光器件的研究
（1）量子点的光学特性
量子点的发光性质除了与材料的组分及类型有关外，还与自身颗粒尺寸大小相关，颗粒尺寸越大，发射光波长越大。通过改变Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点的化学组成和尺寸大小可以使其亮度发射波长覆盖太阳光中的可见光范围，达到红绿蓝颜色的渐变效果。因此，可以通过改变量子点的尺寸间接可以影响其结构中能隙的宽度，而能隙宽度决定了量子点发射光波的最要参数。在量子点的制备过程中，我们可以人为的改变和调节空间温度，转速，以及物质浓度等条件来改变和调节纳米粒子生长条件，这样可以得到不同量子点的粒径梯度，即能够制备出发射不同波长的光学量子点物质[2]。
量子点具有较宽较连续的受激发光范围，而量子点的发射光谱峰值较窄，可以通过小于其发射波长的任意波长的光波来照射进而激发出量子点，这样使得量子点物质单色性能较好。Ⅱ-Ⅵ族量子点发射光谱可以覆盖整个太阳光中的可见光谱区，发射光谱几乎不会出现重复现象，而在实验中可以使用一种波长的光波同时激发不同的参数的量子点物质。因此，通过这一特性，可以同时标记不同的结构成分，取得不同的结构图像进而完成很多荧光检测等实验。
4 II-VI族半导体纳米晶量子点的合成与结构优化
制备基于阳极-空穴辅助层-电子辅助层-量子点发光层-空穴阻挡层-电子传输层-阴极结构的多层电致发光器件。阳极选用ITO玻璃（当然FTO也是可以的）；空穴辅助层选用 TPD 物质，电子辅助层可以采用敏感材料通过溶液旋涂得到；而量子点发光层采用无氧条件下同样对基片旋涂的方法制备；电子传输层可以选用Alq3物质，通过真空蒸镀制备完成；阴极选用Al，Ca/Al等同样通过真空蒸镀制备。
5 结语
综上所述，量子点作为电致发光器件时由于其表面容易被空气氧化而降低其发光的亮度和强度性能，需要对制备成功的电致发光器件进行优化和改善，尤其对于工艺中出现的物理甩膜和蒸镀通过不断改善分析得到最优条件。但是Ⅱ-Ⅵ族量子点电池和器件具有反应速率快、选择性较高、易于制备和检测等特点，使其在各个化学分析领域具有一定的研究潜能。
器件应用 篇7
资料来源:i Suppli, 2011年4月
新应用中的明星产品是用于以苹果公司i Phone 4为代表的智能手机和Sony公司PlayStation 3为代表的游戏机中的3轴加速器, 此外, 还可见于苹果的i Pad 2和三星Galaxy等平板电脑。另一红火产品是嵌入手机和数码相机的微投影器, 预期到2014年两者的销售额合计可达14亿美元。
器件应用 篇8
1 电致变色现象及其发展
电致变色(Eletrochromism)是指材料在交替的高低或正负外电场的作用下,通过注入或抽取电荷(离子或电子),从而在低透射率的着色状态和高透射率的消色状态之间产生可逆变化的特殊现象,在外观性能上则表现为颜色及透明度的可逆变化[8]。
1969年,S.K.Deb首次发现无定形WO3薄膜具有电致变色性能,并提出了“氧空位色心”机理[9],从此揭开了电致变色研究的大幕。20世纪70年代,出现了大量有关电致变色机理和无机电致变色材料的报道[10,11,12,13]。后来人们发现NiO等许多过渡金属氧化物同样具有电致变色性质,在这一时期对电致变色现象的研究多局限于电子显示器件及其响应时间上。20世纪80年代末以来,人们发现氧化还原型和金属螯合型有机材料也具有电致变色性能,因为有机电致变色材料合成方法较简易、材料成本低、颜色变化响应时间短、颜色变化种类多,通过分子设计实现的有机电致变色材料稳定性高、易于加工制作电致变色器件而成为一个日益活跃的研究领域。常见的有机电致变色材料有紫罗精[14]、金属酞菁[15]、聚吡咯[16]、聚噻吩[17]、聚苯胺[18]等。这期间,美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗,即智能调光窗,成为电致变色研究的另一个里程碑。1994年德国利用最新技术,为德国德累斯顿储蓄银行镶嵌了欧洲第一面用电致变色玻璃制成的可控制外墙[19]。2007年PPG Aerospace公司展示了波音787飞机上使用的该公司的电致变色窗技术,如图1(a)所示。乘客通过触动按钮,手动调控眼前的窗户由暗到亮5个不同级别的光度,从而能够控制进入机舱的太阳能量。阿尔卑斯电气公司2010年在“CEATEC JAPAN”上展出了采用电致变色技术的蓝白显示电子纸,见图1(b),其利用了电致变色材料具有双稳态的性能。
2 电致变色器件的结构及原理
电致变色器件(Electrochromic device,ECD)是将电致变色材料和离子电解质应用在导电透明电极上,形成一种典型的光学薄膜和电子学薄膜相结合的光电子器件,通过外界较低的驱动电压来实现可逆的颜色变化。作为电致变色材料实现其功能的载体,电致变色器件的性能最终决定了变色材料在人们生活实践中的应用价值。其实际应用应该满足以下技术要求[20]:(1)良好的电化学氧化还原可逆性;(2)颜色变化响应时间短;(3)颜色变化灵敏度高;(4)较长的循环寿命;(5)开路记忆时间长;(6)化学稳定性好。
电致变色器件可视为电化学电池,结构上是一种三明治式的多层电化学装置,其中各层均以薄膜形式出现。电致变色器件的结构发展到今天,被各国学者普遍接受的最典型的为5层结构,如图2所示。从下至上依次为透明导电层、电致变色层、电解质层、离子储存层、透明导电层。电致变色是在电场作用下变色层的材料发生颜色及光透射性能的改变。
3 电致变色器件的各层材料
3.1 透明导电层材料
透明导电层首先应该是良好的电子导体,其次还应该具备良好的光学透过率,在近紫外到远红外波长范围内的透射率达到90%以上。通常所见的透明导电材料有2类:一类为掺杂氟(F)的氧化锡(SnO2)导电玻璃,简称FTO导电玻璃,广泛用于液晶显示屏(LCD)、光催化、薄膜太阳能电池基底等方面;另一类是掺杂锡(Sn)的氧化铟(In2O3)玻璃即通常所说的ITO玻璃,其广泛应用于液晶显示器、太阳能电池、微电子ITO导电膜玻璃、光电子和各种光学领域;除此之外还有掺杂铝(Al)的氧化锌(ZnO)导电玻璃等导电透明材料。
3.2 电致变色材料
电致变色层是电致变色器件的核心层,也是变色反应的发生层。电致变色材料按照类型可分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。
3.2.1 无机电致变色材料
无机电致变色材料多为过渡金属氧化物或其衍生物,第一次发现的电致变色现象就是无定形WO3薄膜的变色。过渡金属3d、4f电子层不稳定,有未成对的单电子存在。过渡金属元素的离子一般都有颜色,且基态与激发态能量差较小,在一定的条件下价态发生可逆转变,形成混合价态离子共存状态。随离子价态和浓度的变化,颜色也会发生相应的变化,这就是过渡金属氧化物具备电致变色能力的原因。常见的无机变色材料根据其发生氧化还原的原理不同,又可以细分为阳极着色材料和阴极着色材料。
阴极变色材料主要是ⅥB族金属氧化物,包括WO3、MoO3、V2O5、Nb2O5、BiO3等。作为阴极变色材料的典型代表,WO3薄膜是人们发现最早的,也是研究最为详尽的。WO3的变色过程复杂,其机理一直存在争论,双注入模型即Faughnan模型(也称为价间电荷迁移模型)是目前被普遍接受和应用的模型[21]。该模型认为WO3薄膜的电致变色机理是在变色过程中由于电场的作用,阳离子和电子双注入WO3晶格空隙后产生含W5+的MxWO3(钨青铜)结构,薄膜由透明转变为蓝色,W5+的产生被认为是其变色的原因[22],其电化学过程如式(1)所示:
式中M+一般为Li+、H+、Na+等。离子注入时,WO3膜呈现出深蓝色,而离子注入相当于半导体的掺杂,室温电导率可以从10-10S/cm变成10-3S/cm[23],离子抽出时,薄膜重新变回透明态。
阳极变色材料主要是Ⅷ族及Pt族(Pt、Tr、Os、Pd、Rh、Ru等)金属氧化物或水合物,如NiO、IrOx、CoO3、Rh2O3、MnO等。其中NiO因具有较大的着色/漂白变色范围、较长的循环寿命及原料丰富、价格适宜等优点而成为一种研究最多的阳极变色材料。氧化镍是一种具有NaCl结构的3d过渡金属氧化物,晶体中会出现镍空位或过氧的情况,这导致氧化镍成为一种p型半导体。因此,氧化镍晶体中经常会出现空位、缺陷以及掺杂的情况[24]。双注入模型不能很好地解释NiO的变色过程,至今NiO薄膜的变色机理仍有很多争议,普遍认为其在碱性环境下的变色原理如式(2)所示[25]:
在研究NiO电致变色薄膜的过程中,采用的电解质多为KOH等碱溶液,式(2)中以OH-作为插入/抽出的离子。在1989年,Lampert等最先报道了采用溶胶-凝胶法制备NiO薄膜,之后人们对NiCl2、Ni(NO3)2、NiSO4等[26,27]镍的无机盐作为前驱体制备NiO薄膜做了系列的研究。
3.2.2 有机电致变色材料
有机电致变色薄膜种类相对较多,可以分为有机小分子电致变色材料和导电聚合物电致变色材料两大类。
有机小分子变色材料的典型代表就是紫罗精类化合物,全称1,1′-双取代基-4,4′-联吡啶,该类物质在氧化还原过程中会出现颜色变换,所以又属于氧化还原型化合物。一般情况下,中性态紫罗精类化合物由于自身结构特殊性,分子内部电子迁移受到禁阻,因此颜色较浅(结构如图3(c))。随着施加电位的提高,中性态结构逐渐向部分氧化态转变,最终生成稳定的二价阳离子形式,该状态下呈现无色(结构如图3(a))。由于分子间存在强烈的光电转移,使得单价阳离子颜色最深(结构如图3(b))。
导电聚合物电致变色材料是20世纪70年代新发展起来的一类物质。白川英树等发现导电聚乙炔以来,得到了飞快的发展。20世纪80年代以来,随着共轭高聚物经小分子掺杂而显示出很高的导电性并且出现电致变色现象以后,导电聚合物作为电致变色材料便很快发展起来。该类物质因具有费用低、光学质量好、颜色转换快、循环可逆性好等优点而受到重视。导电聚合物变色的原理主要是其掺杂过程,掺杂的实质是离子(如H+、Li+、ClO4-)等在高分子链中的迁入与迁出行为,同时伴随着电子的得失,因此导电聚合物的掺杂过程是一个氧化还原可逆过程。在掺杂的过程中引发了分子导带与价带之间的跃迁,包括极子能级、孤子能级、双极子能级、电子的不同能级跃迁,使光谱发生不同的变化。在一定范围内控制电压来决定掺杂程度,从而导致可见光区的吸收不同,显示出颜色的变化,就发生了电致变色现象[28]。
导电聚合物变色材料按本征官能团可以分为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩3种常见的物质,也是目前研究的热点。聚噻吩类的环境稳定性非常好,并且易于制备,掺杂后具有很好的导电性能,成为该领域中的重点研究对象。
目前研究的聚噻吩类导电聚合物中,聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)是最热门的对象。20世纪90年代初德国Bayer AG实验室首次合成单体3,4-乙撑二氧噻吩(EDOT),之后对它的结构特征、制备机理、电致变色性能和实际应用等开展了广泛的研究。PEDOT有着良好的导电性、稳定性、光电特性及电致变色性,且其薄膜材料透明度良好,因此主要被用作透明电极材料及电致变色活性材料。PEDOT为氧化态时,π电子处于高能态,电子吸收光谱移向近红外低能量光谱带,因此在可见光谱中显透明蓝色;还原态时稳定的共轭交互单双键结构使π电子吸收光谱移向高能量可见光谱带而使PEDOT呈深蓝色。
科研工作者通过将PEDOT与其他材料复合来提高变色性能。如Thomas J等[29]利用层层叠加LBL技术制备(见图4)PEDOT/PSS(聚苯乙烯磺酸钠)与聚乙烯亚胺(BPEI)的复合膜,添加TiO2和炭黑来增强复合膜的抗紫外降解能力和导电性,结果显示导电率比之前高250倍,除此之外光透过率提高了27%。
还有一些科学家通过将噻吩与其他有机单体共聚而产生颜色丰富的电致变色材料,如Aubrey L.Dyer等[30]将噻吩衍生物单体与苯共聚,通过控制两种单体的比例及衍生物取代基,就可以得到颜色多彩的电致变色材料,如图5所示。
除此之外,一些学者正在研究噻吩卤代结构的性能,如Selmiye Alkan等[31]在三氟化硼乙醚(BFEE)的溶液中利用恒电压的方法,得到了聚(3-溴噻吩)及聚(3,4-二溴噻吩)[Poly(3,4-dibromothiophene),PDBrTh],并制备了高性能的电致变色器件,循环次数可达1000次,如图6所示。
总的来讲聚噻吩类导电聚合物电致变色材料是所有变色材料中研究最多、应用最广、涉及范围最宽的化合物,其巨大的市场价值也是显而易见的。
3.3 电解质层材料
电解质层也叫做离子导电层,是电致变色器件实用化的关键。电解质层主要提供电致变色效应所需离子(主要是H+、Li+、Na+)的传输通道,为满足电中性要求和实现电流持续性而加入,须有较高的离子导电率和较低的电子导电率,离子导电率应能达到10-4S/cm以上。除此之外还要求光透过率高、热力学稳定性好、电化学与化学稳定性好、机械稳定性强等硬性指标。按照电解质体系的结构与组成,聚合物电解质可大致分为全固态聚合物电解质、凝胶聚合物电解质及复合型聚合物电解质3大类。
3.3.1 全固态聚合物电解质
全固态聚合物电解质一般仅由聚合物和盐构成,不含游离的有机溶剂,是研究最早的一类聚合物电解质,可以近似看成是将盐直接溶于聚合物中而形成的固态溶液体系。固态聚合物电解质是通过杂原子或极性基团上的孤对电子,对锂离子进行配位反应,从而溶解锂盐,实现导电作用。全固态聚合物电解质不含任何电解液成分,因而可以达到很好的力学性能,但同样会造成离子导电率较低,所以这种聚合物电解质并没有在实际需求中发挥特别大的作用。
3.3.2 凝胶聚合物电解质
人们将增塑剂引入聚合物基体中,通过增塑剂提高聚合物电解质的离子导电率,这种第二代高分子聚合物电解质就是所谓的凝胶聚合物电解质,主要由聚合物、增塑剂和锂盐组成。
凝胶是高分子聚合物受到低分子溶剂溶胀后所形成的网状体系,凝胶化一般可以通过化学交联法和物理交联法实现。化学交联法是指利用高分子主链之间相互发生反应,形成共价键而将彼此交联在一起形成三维立体网络的方法,其过程是不可逆的;物理交联法是指聚合物分子与溶剂、锂盐通过物理作用而实现聚合物凝胶化的方法,此时聚合物分子链间通过相互缠绕的方法连接在一起[32]。不同方法的交联结构如图7所示。
至今为止,已经有多种高分子聚合物材料被应用于聚合物电解质的制备,其中最具代表性的聚合物电解质基体材料有聚醚系(主要为PEO)、聚丙烯腈(PAN)系、聚偏氟乙烯(PVDF)系、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)系。
(1)PEO电解质是研究得最早,也是研究得最多的聚合物电解质基体材料,但PEO的结晶度高,而且锂盐在其非晶区的溶解度也较低,不利于锂离子的传输。只有在温度高于其玻璃化转变温度时(约为60℃),才能获得较理想的离子导电率,限制了其发展。为了提高导电率,研究人员采用了多种改进方法,如共聚、共混、接枝、交联等,降低了聚合物的结晶度和玻璃化转变温度。Kono合成了EO/PO无规共聚物,并以此合成了凝胶电解质,其力学性能和导电率都有提高。多项研究结果表明,在PEO聚合物中加入增塑剂能显著地改善聚合物电解质的离子导电率。增塑剂的加入不仅能降低PEO的结晶度和增加PEO分子链的链段运动,而且可以促进锂盐在其中的溶解与解离,从而增加聚合物电解质体系内的载流子数量。最常用的增塑剂包括低分子量聚合物和极性有机溶剂两大类。例如,低分子量聚乙二醇(PEG)作为增塑剂加入到PEO电解质体系后,可以显著地降低体系的结晶度,提高离子导电率。
(2)PAN电解质的研究始于20世纪70年代。PAN制备简单、耐热性能和阻燃性能良好,并且表现出很宽的电化学稳定范围,因此备受关注。由于PAN链上含有强极性基团-CN,与锂电极相容性差,界面钝化现象严重,随着时间延长,其电池内阻会不断增大。PAN与小分子有机溶剂的作用性不强,以PAN为基体材料的聚合物电解质的储存性能不好,增塑剂或电解液经过较长时间的储存后易从基体材料中渗出,因此限制了PAN电解质的应用。
(3)PVDF电解质作为离子导电率高的电解质的研究,始于20世纪80年代初期。Bellcore公司最早实现了锂聚合物电池的商品化,其中的核心组件就是以P(VDF-HFP)(聚偏氟乙烯-六氟丙烯)为基体的微孔型聚合物电解质膜。PVDF聚合物链上含有很强的推电子基-CF2,且PVDF的介电常数较高,有利于促进锂盐更充分地溶解,增加载流子浓度。因此PVDF是制备凝胶电解质较理想的聚合物。
(4)PMMA电解质是在1985年由Iijima等率先报道的[33],他们报道了聚合物电解质PMMA质量分数为15%时,室温的离子导电率可达到10-3S/cm数量级。PMMA是非晶体聚合物,其具有92%的光线穿透率,热变性温度介于74~102℃。PMMA凝胶电解质的最大特点是与金属锂电极的界面稳定性好、界面阻抗低。由于甲基丙烯酸甲酯(MMA)单元中有一羰基侧基,与碳酸酯类增塑剂中的氧原子有很强的相互作用,因此能包含大量的液体电解质,表现出良好的相容性。以PMMA为基底材料的凝胶电解质的锂离子迁移数要高于以PEO为基底的凝胶电解质,且界面稳定性优良,再加上PMMA原料丰富、价格便宜、制备简单,成为应用最广的一类电解质材料。然而,PMMA聚合物电解质存在机械强度太低的问题,有待进一步的研究。
3.3.3 复合型聚合物电解质
全固态聚合物电解质具有较强的机械强度,但是离子导电率太低,而凝胶聚合物电解质的离子导电率虽高,机械强度却不高,因此研究一种结合两者优势的电解质体系引起了人们的兴趣。1982年,Weston等[34]首次将无机陶瓷填料引入到PEO-LiClO4聚合物电解质体系中,发现导电率和力学性能都有提高,引起了人们的注意,这就是所谓的复合型聚合物电解质。
复合型聚合物电解质使用的无机填料可分为两大类:一类是本身不具备导电能力的中性无机填料[35,36,37],包括SiO2、A12O3、MgO、ZrO2、TiO2等,这种无机材料为聚合物链段提供了交联中心,降低了重整趋势,促进链结构改性,这种效应使无机粒子表面成为离子的迁移通道;另一类无机填料则具备较强的离子传输能力[38,39],包括Li3N、γ-LiAlO2等,这种无机材料作为路易斯酸与电解质中的路易斯碱发生相互作用,降低了离子间的偶合,通过形成一种“离子-无机配合物”而促进盐的解离,从而促使离子的运动加剧。
3.4 离子储存层材料
离子储存层的作用是提供和存储离子,它是影响电致变色器件使用寿命的关键材料。当电致变色层被注入离子时,它供应离子到电解质层;而施加反向电场,电致变色层离子被抽出时,它又将离子收集起来。离子储存层材料与电致变色材料层发生对应相反的氧化或还原反应,即电致变色材料在电化学作用下发生氧化反应时,离子储存层发生还原反应;而电致变色材料发生还原反应时,离子储存层发生氧化反应,从而起平衡电荷的作用。所以离子储存层的光学和电化学特性都很重要,一般使用具有可逆氧化还原的物质,常见的有TiO2、V2O5、CeO2、ZnO等。TiO2是一种弱的阴极电致变色材料,而正是由于TiO2的电致变色性能弱,所以它可以作为离子储存材料。其电致变色反应如式(3)所示:
离子储存层材料中,CeO2研究比较广泛,它具有光学惰性,Li+的嵌入和脱出可逆性好,但反应过程比较缓慢。所以一些学者在CeO2中加入Ti、V、Mo、Si等其他材料,利用溶胶-凝胶法制备CeO2复合膜,其性能得到了提升,为人们研究离子储存层材料提供了新思路。
4 电致变色器件的应用领域
由于电致变色器件具有光学性能连续可调、低工作电压、低功耗、无辐射、宽视角、开路记忆等特点,近年来许多国家都在研制基于电致变色现象的器件,主要有电致变色窗、电致变色储存器、电致变色显示器、智能调光汽车后视镜、电子束印刷技术及传感器、军事伪装服等。
4.1 电致变色智能窗
电致变色智能窗可以自动调控颜色、调光和调温,具有高效、低能耗、绿色环保、智能化的特点,大大减少了建筑物的能量负荷,符合当前节能减排、低碳经济的发展要求。目前,美国等已经对电致变色器件的节能效果展开评价,结果显示利用这种装置可以节约44%~59%能源[40]。随着人民生活水平的不断提高,人们对办公环境和其他公共环境的要求也越来越高,建筑物的窗户一般都配上各种各样的窗帘。而电致变色玻璃实际上相当于带有可调窗帘的玻璃,由于具有可调性,电致变色玻璃还用于需要保密或隐私防护的建筑场所,由其制成的窗玻璃相当于有电控装置的窗帘一样方便自如。图8为某大厦内部的电致变色智能窗,图8(a)为着色态,图8(b)为褪色态。当外界太阳光较强烈、辐射较大时,则让窗户处于着色状态,而当外界太阳光比较弱或是阴天时,则让窗户处于褪色状态,从而减少室内温控系统所消耗的能量,可以说智能窗是一个无源的超级太阳能空调。
目前电致变色玻璃主要应用于高档办公室、商业、汽车等领域,完全可能取代部分现有窗帘而占有一定的市场份额,最终有可能要达到年产量数千万m2才能满足国内的市场需求,具有广阔的市场发展空间。
4.2 全自动防眩目汽车后视镜
经常驾车的人都知道,在夜间尾随汽车的强光照射会使后视镜产生令人炫目的反光,影响驾驶人员的观察力,从而造成严重的交通事故。为了解决这个问题,1987年,美国镜泰公司推出了第一款电致变色的自动防眩目内后视镜,也就是现在经常能看见的自动防眩目后视镜的开山鼻祖。自动防眩目后视镜的镜体上有一个光线感应器,通过其采集的信号在内置电脑板上进行运算,得出通电的大小,从而控制电致变色材料进行调光[41]。图9是一款自动防眩目后视镜的结构示意图及使用前后的效果。
4.3 电致变色显示器
电致变色显示器属于非发射显示,在强光照射下也容易辨别,并且长时间观看也不会引起人眼疲劳。它另一个优势就是无视盲角,现在流行的液晶显示器必须在一个视角范围内(一般为45°~90°)才能看到清晰的画面,而电致变色显示则完全没有这个缺陷。除此之外,它的工作电压低(一般都在2V以内)、能耗低,安全性也更好。但目前限于变色材料种类较少,且响应时间过长、使用寿命低等问题,还没得到更好的应用。科研工作者也在不断地探索,Aubrey等[30]开发的图案化显示器件已经有了很大的提高,如图10所示。相信随着新型电致变色材料的发现和制造工艺的进步,其应用前景不容小觑。
4.4 电致变色存储器——电子纸
由于电致变色材料的变色过程往往需要离子的掺杂与脱掺杂,当通过外界电压使离子进入变色材料之后,去除电压后离子不会马上脱出,这种现象被称为电致变色器件的开路记忆特性,利用这一特性功能制作成电致变色存储器,可以用来存储和读取信息,而且可以循环擦除和改写。这种电子纸最大的优点在于断电后依然可显示图案,比现有的电子读书器更节能、更环保。图11就是一个简单的电子纸样品。
4.5 电子束印刷技术及传感器
电致变色材料拥有较高的导电率,可以利用其特性,运用喷墨打印、丝网印刷等[42,43]方法在基材上制作有机电路,同时与其他材料配合使用,起到传感和导电的作用,可以实现显示作用和传感器的综合应用。其制作工艺简单、节省资源,有望实现显示和感应设备的全有机化。Martin Zirkl等[44]使用PEDOT/PSS制作电路与显示装置,并配合P(VDF-TrFE)、聚合物电解质以及对温度或压力敏感的传感器等制成了非触摸式的感应器,可以通过感应产生电压,利用转换器将感应电压的信号放大,使得显示器件能够在一定的电压下显示,实现了非触摸式的显示,如图12所示。其具有环保节能、简单易控等优点,有望在这方面进一步开发和应用。
4.6 军事伪装设备
电致变色材料由于对中红外和远红外具有固有的红外发射特性,可制备成新型红外发射器件,作为微型航天飞行器上的热敏红外传导功能材料使用,也可用作战场上红外伪装材料以对抗夜间可视武器装备[45],近年来受到美、英、法等军事工业强国的高度重视并大力开发与研究。根据舰船、坦克、车辆在不同环境下的伪装要求而采用电致变色材料,使武器装备表面涂层既呈现不同的可见光迷彩伪装颜色,同时也可利用红外发射率不同而达到夜间和白天红外伪装的目的。
除了运用在武器、设备上,人们还希望通过研制智能电致变色服装,也就是所谓的变色龙服饰来提供战士的伪装。随着功能高分子材料、纺织科技和计算机与信息技术的发展,使得智能电致变色服装的出现不只是停留在构思上,在不久将会步入实用化阶段。智能电致变色服装通过控制电场或电流来使衣服的颜色可以随心所欲地改变。智能电致变色服装目前在国际上尚处于初始研究阶段,其在军事伪装上有重要应用价值。如图13所示,人们设想通过随身的按钮,可以控制的军装局部或者整体的颜色,使其呈现出图中3种不同颜色的组合,让士兵在不同环境中都能随时保护和伪装自己。
美国空军已经将电致变色材料作为热敏红外控制器件应用在微型间谍通讯卫星上。美国陆军也已开始研制PE-DOT/PSS“变色龙”士兵服装,并声称将这种服装装备于部队。2011年1月,美国《大众科学》杂志曾报道,英国航空航天公司(BAE)正在开发电子伪装技术,用一种“电子墨水”来让坦克“隐身”。坦克车体上安装高度复杂的电子传感器,将会把周围环境的影像反向投影到车体外部,使其融入到周围的景色中,以躲避攻击。BAE公司共设计了7种“电子伪装”军用车辆,计划在4年内造出原型产品,2013年开始试验操作。
5 结语
国内的相关研究起始于20世纪90年代,目前还处于起步阶段,与国外先进的技术存在很大差距,主要体现在:器件变色层材料的颜色变化种类少、循环寿命短、响应时间长等。
器件应用 篇9
目前我国的电力电子器件发展势头比较强劲, 为人们的生活提供了便利。但是电力电子器件的发展和西方国家相比, 还存在许多不足, 需要采取措施解决发展过程中存在的不足, 并且加强对电力电子器件原材料、发展方向等方面的研究, 使电力电子器件的发展可以逐渐赶上国际先进水平。
1 电力电子器件应用的现状
由于经济的蓬勃发展, 使得电力电子器件越来越受到人们的重视。从20世纪80年代开始, 世界的电子技术有了新的突破。电子技术包含电力电子技术、信息电子技术。信息电子技术属于科技发展的重要成果。而电力电子技术主要是实现电能的传输、处理、存储和控制, 与人们的生活息息相关。
目前我国的电力电子器件的应用比较广泛, 许多大型的工厂当中应用了大量的电力电子器件, 可以有效提高生产效率。电力电子技术是目前一种比较先进的技术, 其对促进经济的发展具有重要的作用, 但是在应用过程中常常会出现一些问题, 比如更新速度慢、创新能力不足、研究力度小等均会影响到电力电子器件的应用和发展。因此本文就电力电子器件发展过程中存在的问题进行分析, 确定电力电气器件的发展方向, 使电力电气器件的应用范围得以不断扩大。
2 电力电子器件在应用中出现的问题
由于经济的不断发展, 使得电力电子技术不断融入人们的生活当中, 为人们的生活提供了便利, 因此对电力电子器件的应用研究愈加重要。但是目前电力电子器件在应用过程中还存在不少的问题, 急需将之进行解决才能使电力电子器件的应用更加广泛。
2.1 电子技术创新度不足
电子技术的发展速度比较快, 而且在生活中人们对电力电子技术的要求越来越高, 但是电子技术的发展速度却无法和人们的欲望增长速度保持平衡, 导致电力电子技术的创新度有所不足, 最终使得电力电子器件的应用受到影响。另外需要提高电力电子器件的创新力度, 不仅需要意识到创新对电力电子器件发展的重要性, 也要提高对电力电子器件研究的资金投入, 使电力电子器件更加完善。
2.2 寻找器件原材料困难
电力电子技术的发展受到制约, 由于符合电力电子器件制作需要的原材料比较少, 需要进行选择正确的电力电子器件原材料之后, 才能制造出现符合要求的电力电子器件。在工作中, 需要发动大量的人员寻找材料, 并且反复进行实验, 确定最终使用的原材料。在制造出电力电子器件后, 需要多次试用, 了解其中存在的不足, 在不断完善之后, 才能将原材料应用于电力电子器件制造当中。
由于需要进行多次反复的实验, 也需要大量的实验时间。同时在原材料寻找的过程中, 也需要花费许多的人力物力, 从而在原材料寻找的过程中会遇到重重困难。但是为了获得更合适的电力电子器件材料, 需要经过大量的试验, 不断进行寻找, 确定原材料, 完成电力电子器件的制作, 使电子电子器件得以大范围应用和发展。
2.3 器件研究力度不够
现在科学进步的速度逐渐加快, 但是在电力电子器件的研究力度上还明显不够。这是由于研究资金、人员、时间等方面有所欠缺, 使得电力电子器件的研究无法有所突破, 最终导致电力电子器件的发展受到影响[1]。因此要想使电力电子器件得到有效发展, 就需要提高电力电子器件的研究力度, 重点解决传统电力电子器件存在的问题, 使电力电子器件在市场上可以更加受到人们的欢迎, 最终促进电力电子器件的发展。
3 电力电子器件发展前景的分析
由于科技的不断进步, 电子技术需要进行创新, 才能得到发展。现对常见的电力电子器件进行研究, 了解电力电子器件的发展前景[2]。
3.1 碳化硅
碳化硅是一种新型的宽禁带半导体材料, 越来越受到人们的重视。其不仅具有比较出色物理材质, 而且具有电的特性, 属于较好的电力电子器件原材料[3]。其优势表现为耐高温高压, 解决了传统材料无法承受高温高压的不足。合理利用碳化硅, 将其作为电力电子器件的原材料, 对促进电力电子器件的发展具有重要的作用。但是因为受到生产成本、产量等因素的影响, 碳化硅无法被大规模使用。因此需要对这种材料进行研究, 解决其存在的不足, 使其可以发挥更大的作用。
3.2 氮化镓
氮化镓也是常见的电力电子器件原材料之一, 其和碳化硅有着许多的不同。氮化镓是一种优良的原材料, 但是其在进行制造的时候, 需要有蓝宝石或碳化硅的晶片当做衬底材料, 抑制了氮化镓的发展速度。但是目前已经解决了这个问题, 使得氮化镓在LED照明这一市场当中具有广泛的应用, 也使得氮化镓异质结外延工艺技术得以快速发展。另外随着氮化镓的应用范围不断扩大, 由于氮化镓半导体材料具有电的特性, 使其可以在LED照明市场当中得到人们的重视, 并且也逐渐往别的市场进行拓展。但因为氮化镓电子器件无法耐高压, 当压力到达1 000 V的时候, 容易出现破裂, 使其在市场上硅基电力电子器件有着激烈的竞争。
要想使电力电子器件得到有效发展, 可以将氮化镓和碳化硅这两种物质进行结合, 互相弥补对方的缺陷, 达到共同发展的目的, 使电力电子器件的市场更加宽广, 为人们的生活提供便利。
4 结论
电力电子技术的应用促进了经济的发展, 也使得工作的效率明显提升, 为人们的生产和生活提供了便利。但是目前电力电子技术还存在许多不足, 因此需要加强对电力电子技术的研究。目前电力电子器件常用的原材料是氮化镓和碳化硅, 但是将这两种材料进行单独使用, 应用范围存在一定限制, 因此需要通过将两者结合, 解决目前电力电子器件发展过程中存在的问题, 使电力电子器件得到有效发展。
参考文献
[1]钱照明, 张军明, 盛况.电力电子器件及其应用的现状和发展[J].中国电机工程学报, 2015 (29) :415-416.
[2]王燕.电力电子技术及其在电力系统中的应用及发展[J].电子制作, 2014 (5) :98-99.
器件应用 篇10
关键词：教学实践,课程建设,可编程逻辑器件,Verilog HDL语言
1 课程背景
CPLD/FPGA的应用开发是电子类和计算机工程类专业的一门重要的工具类专业课程。通过本课程的学习, 使学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具进行硬件电子电路系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。
通过该课程建设, 旨在研究并建立适应计算机工程专业方向这门课程的软硬件教学环境, 使学生在掌握Verilog硬件描述语言理论知识的同时, 更注重在实践中的应用。同时将业界最新的知识和技巧融入到教学过程中, 侧重知识的先进性和实用性, 使学生掌握当前嵌入式软件开发的精髓和开发调试技巧, 提高学生对数字系统的研发能力, 达到我校应用型人才培养的办学目标。
课程建设前的教学情况, 教学大纲比较陈旧, 不符合业界新的知识和技巧, 不能授于学生先进和实用的知识;缺乏合适实践环节的训练, 使学生难以将理论知识和实践相结合, 动手能力得不到锻炼;课件比较死板沉闷, 难以调动学生上课积极性和学知识的兴趣性。
2 教学内容设计
2.1 开发平台选择
Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件, 它支持原理图、VHDL、Verilog HDL等多种设计输入形式, 软件还内嵌有综合器以及仿真器, 这些都可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
Verilog HDL (HDL:Hardware Description Language) 语言是一种以文本形式来描述数字电路和系统硬件结构和功能行为的高级编程语言, 用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式, 还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能行为。使用Verilog HDL描述硬件的基本设计单元是模块 (module) 。一个模块相当于一个实际的电路元件。Verilog HDL和VHDL是世界上最流行的两种硬件描述语言, 都是在20世纪80年代中期开发出来的。两种HDL均为IEEE标准。其中Verilog起源于C语言, 易学易用, 编程风格灵活、简洁, 易掌握, 而VHDL起源于ADA语言, 格式严谨, 不易学习。
如图1所示为课程实验和课程设计所用到的FPGA实验箱。
FPGA教学实验箱把分离的模块全部整合到一块FPGA教学实验箱底板上, 以该底板为基础, 充分采用模块化设计思想。该实验箱箱底板采用标准的IDC插针, 它可以可将FPGA核心模块、I/O模块、A/D模块、D/A模块通过插针连接到实验箱底板上。实验箱底板上专门开辟了一块用户自定义区域, 包括了三相D/A模块、单片机&外设接口模块、多路线性电源模块等, 极大的方便了设计者的使用。
结合本校学生特点, 本门课程实验装置采用FPGA教学实验箱, 编程语言采用类似于C语言的Verilog HDL, Quartus II软件作为开发工具软件。
2.2 教学内容规划
可编程逻辑器件应用课程教材采用北京航空航天大学出版社的《Verilog数字系统设计教程》, 要求学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具Quartus II软件进行电子系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。总学时为48学时, 其中理论课32学时, 实验16学时。理论课学时分配如下:
1) Verilog的基本知识2学时, 讲述硬件描述语言HDL概念及其分类;Verilog HDL语言的历史, 应用情况和设计方法;FPGA芯片内部结构基本原理。
2) Verilog语法的基本概念讲述2学时, 先举几个简单的例子, 引申出Verilog模块的基本概念和编程方法要求;再讲述验证Verilog模块功能正确与否的测试模块的编写。
3) Verilog语法基础知识4学时, 对Verilog语言的模块结构、数据类型、各类运算符及表达式等方面做讲解。
4) 各类语句知识8学时, 主要对条件语句、case语句、循环语句、顺序块语句、并行块语句、生成语句、结构说明语句及常用系统任务等做了讲解, 并在最后举例解释说明。
5) Verilog HDL模型的不同抽象级别2学时, 分别从门级结构和行为描述级进行举例说明, 给Verilog HDL模型的不同抽象级别建模的过程和方法,
6) 编写和验证简单的纯组合逻辑模块2学时, 主要对加法器、乘法器、比较器、多路器等几个常见的纯组合逻辑模块进行建模和验证。
7) 同步状态机的原理、结构和设计6学时, 主要讲述状态的概念和结构;Mealy状态机和Moore状态机的不同点;重点举例讲述如何用Verilog来描述可综合的状态机, 该部分是本课程的重点知识, 通过举例同学生息息相关的现实问题引申出如何描述可综合的状态机。
8) 深入理解阻塞和非阻塞赋值的不同4学时, 主要讲授阻塞和非阻塞赋值的异同、Verilog模块编程要点、Verilog层次化事件队列、阻塞赋值及一些简单的例子。
课程实验设计与学时分配如表1所示:
3 课程教学具体实施方案
1) 教学内容建设
在理论教学方面, 本课程紧密跟踪学科前沿, 及时充实教学内容, 形成教学科研互促互动。依据本课程在教学计划中的地位和课程的特点, 形成一套以应用能力培养为主的教学素材库, 主要有:
教学指导文件包括:理论课教学大纲、课程设计教学大纲、教学计划。
教材包括:理论教材和实训教材。
教与学的媒体包括:教学教案、教学课件、课程作业、教学案例、实验内容。
并建立课程重要内容的习题库和试题库, 以及进行实际应用系统的毕业设计。
2) 教学方法的改革
以现代化教学手段为依托, 以充分利用多功能教室、多媒体教室、校园网等综合应用的现代化教学手段, 实行启发式、项目式、研讨式等多种教学方法灵活应用的教学方法, 形成一套能够使抽象的内容形象化、深奥的内容通俗化的课程教学模式。
3) 加强实践环节
在课程建设中注重学生实践能力的培养。教学团队在理论课开设的同时, 利用现有实验环境, 调研行业嵌入式硬件开发要求和最新技术, 建立紧密配合理论教学内容的硬件实验环境, 并编写配套实验指导书和课程设计指导书;使学生的理论和实践相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养。
4 课程教学效果
1) 课程教学对教学质量的促进
通过该课教学, 特别利用生动的课件, 贴近实际应用的案例分析, 及灵活多变的实验教学, 使学生提高了学习《可编程逻辑器件应用》课程的兴趣, 充分了解该课在嵌入式系统设计的重要性。另一方面, 通过课程的教学使学生拓宽了视野, 学到一种全新的基于硬件电路的设计方法。大大增强了学生独立学习的能力, 学生不再满足于老师的被动教学方式, 开始主动学习, 学习效果大大提高, 学习成绩逐年提高。
2) 综合实践能力提高
课程教学打破传统的教学方式, 先举简单例子, 引申出需讲解知识点, 再综合实际应用实例讲解。整个教学过程采用实例贯穿式教学, 由浅入深, 逐步引出知识点的运用与实现。学生在学习知识点过程中这种跟实际应用实例相结合的方式, 能更好理解理论知识。另课程采用多媒体教室授课、实验室验证实验与课后习题复习相结合, 使学生的理论知识进一步与实践实验相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养。最后利用一周时间, 让每个学生在FPGA实验箱上设计一个较大型、综合性的可编程逻辑控制器, 加深学生对本课程专业知识和理论知识的认识和理解, 提升学生应用本课程知识体系, 进行应用系统硬件、软件开发的能力, 培养了学生的综合实践开发能力。
5 结语
本课程是计算机工程方向专业学生的重要的专业必修课。通过本课程的学习, 使学生在了解CPLD/FPGA内部结构原理的基础上, 掌握利用硬件描述语言Verilog HDL进行数字系统设计的方法, 掌握使用常用开发工具Quartus II软件进行电子系统的设计开发过程, 以适应现代电子技术发展需求, 提高学生对数字系统的研发能力。本课程教学主要内容涵盖Verilog HDL语言的编程规则和方法, 对硬件电路中的组合逻辑模块和时序逻辑模块从不同抽象级别进行建模和验证, 及利用Verilog HDL语言描述可综合的状态机。教学方式采用多媒体教室授课、实验室验证实验与课后习题复习相结合, 由浅入深, 使学生的理论知识与实践实验相结合, 激发学生学习兴趣和实践能力的培养, 达到良好的教学效果。
参考文献
[1]王金明.数字系统设计与Verilog HDL (第4版) .北京:电子工业出版社, 2011
[2]周润景.基于Quartus II的FPGA/CPLD数字系统设计实例 (第2版) .北京:电子工业出版社, 2013
国产MEMS器件性能突破 篇11
[关键词] 集成电路 电磁传感器 MEMS
[中图分类号] TN492 [文献标识码] D [文章编号] 1674-2583（2014）06-016-01
两款由本土代工厂制造的MEMS器件
2014松山湖中国IC创新高峰论坛发布两款本土MEMS器件采用了本土代工厂商制造。矽睿科技是采用了华虹宏力的代工。据矽睿科技总经理谢志峰透露华虹宏力同时也是矽睿的小股东，技术入股矽睿，不仅提供了部分用的到的工艺及生产技术，也从某种角度上也为矽睿有力的保证了产能。苏州敏芯的硅麦克风产品代工选择的则是华润上华，在其6寸线上实现了量产。
“从全球来看，MEMS代工业都是滞后于MEMS市场的，就连台积电也是这几年才开始有能力量产的，本土代工厂做MEMS更是鲜尔有之。”对此，谢志峰表示，其实MEMS代工大部分都是IC厂商和代工厂商合作的，产品工艺和工程师都是属于IC厂商的，代工厂只是导入了IC厂商的工艺。除了在英特尔呆过，谢志峰在特许半导体和中芯国际曾积累了16年的晶圆代工经验。成立于2012年的矽睿科技2款产品均为一次流片成功。“这在行业内是很罕见的，以前我们在英特尔的时候4次流片才有一次成功，运气确实不错。”他补充道。
“MEMS产品从晶圆制造、到封装、测试，很多都是定制化的，其实难点不在设计方面，重要的是工艺，需要找到一个可实现的工艺平台，而这个平台还是掌握在我们手里。”苏州敏芯首席运营官张辰良表示。MEMS代工全流程，包括晶圆、封装和测试，达到全部本土化，这在保证制造成本、产能及技术沟通方面，都意义非凡。
矽睿AMR磁传感器QMC6983
得到霍尼韦尔各向异性磁阻（AMR）磁传感器技术的独家授权后，矽睿于去年秋天得以推出其首款产品：AMR磁传感器QMC6983，“明年我们预计推出终极版产品QMC7983。” 谢志峰透露。终极版QMC7983的尺寸将做到1.2*1.2mm，目前6983的是1.6*1.6mm。
QMC6983拥有内置自检验功能和温度漂移补偿模块，因此可以实现高精度和更好的可靠性，除了得到越来越多的智能手机厂商的采纳，该产品还已批量应用于便携式智能终端、汽车电子、智能停车场、智能航模等领域。“与其他器件不同，传感器只卖硬件是没人要的，必须提供完整应用方案。” 谢志峰表示在客户需求下，他们花费了大量精力来微调应用软件。 未来矽睿科技也计划进军6轴传感器和9轴传感器，并计划在其传感器中集成MCU。
敏芯前进音高信噪比硅麦克风
随着移动互联网及手机产量的增长，市场对硅麦克风的需求剧增。苏州敏芯是一家为数不多的同时掌握MEMS技术和ASIC技术的本土厂商。
苏州敏芯首席运营官张辰良在其演讲中介绍道，“选择前或后进音硅麦一般取决于结构设计，前进音应用的优点是易于贴片，不足是信噪比低；后进音应用的优点是信噪比高，不足点是贴片良率低。前进音产品应用主要瓶颈是信噪比做不高，而敏芯的±1dB硅麦克风MSM381A3729H3-C，采用了前进音封装，具有62dB的高信噪比和高灵敏度，适用于高端降噪应用。一般竞争性前进音产品的信噪比在58-59dB左右。”
他在演讲中指出达到高信噪比（SNR）的硅麦克风会开拓更多的应用，包括：语音识别：如果信噪比高1-2dB，语音识别率可以提高5-10% ；远距离语音识别应用：如视频会议、ITV、IPC等；多（双）硅麦降噪系统，语音识别算法简单，功耗低；高保真录音应用、手机免提应用、助听器应用。
器件应用 篇12
关键词：固态微波器件,电路技术,研究,应用
0 引言
固态微波器件与电路是国内研究的重点领域, 早在20世纪50年代, 各个国家就陆续展开了关于微波二极管与微波三极管的相关研究, 进入到21世纪之后, 我国将这一产业纳入了国家中长期发展规划中, 取得了良好的发展成效。
1 固态微波器件的发展
20世纪中期, 以微波二极管为基础的固态微波器件与电路进入了迅速发展阶段, 固态二端器件在工作时其频率能够达到100 GHz, 但是其工作效率有待进一步提高。后来又经过大概十年的发展时间, 以硅双极微波晶体管为核心的元器件发展起来, 到目前为止依然是微波低端固态功率器件中最为常用的元器件, 其工作频率能够达到3.5 GHz。后来相关研究逐渐转化为电子迁移率更高的Ga As MESFET器件, 并且以构成微波单片集成电路为理论基础, 针对固态器件与集成电路在其他领域的应用展开了深入研究, 在毫米波低端也有一定的市场前景。
20世纪80年代初, 分子束外向延伸和金属有机化合物液相积累等先进技术快速发展, 使得人们能够在原子尺度进一步获取半导体材料, 半导体研究由最初的“掺杂工程”逐渐转型为“实用工程”, 超晶格和其他杂质的结合理论由最开始的设想变成了目前的实际物理结构, 这种结构的出现使大量各异的新型材料和新型器件不断涌现, 其中代表性的有高电子迁移率晶体、压缩晶格、异质结多级晶体管等, 而且与之紧密相关的微波纳米集成电路也得到了一定程度的发展。
20世纪90年代开始, 微波固态器件与电路的发展进入了黄金时期, 其发展有两个十分重要的特点。第一个就是硅基的集成电路为了适应先进的电产品逐渐转型为碱基互补金属氧化物半导体器, 同时无线机械电子系统也得到了广泛的推广与应用。第二种是化合物半导体在新型材料的支撑下, 形成了两种重要的形态, 即宽禁带半导体和窄禁带半导体。在进入二十一世纪以后, 依然在延续第五阶段的发展, 逐步形成了目前微波固态器件与电路并驾齐驱的发展局面。
2 固态微波器件与电路的关键技术
微波固态器件与电路的研究在我国受到了高度重视, 并且广泛运用于国内军事电子领域, 针对这一方面的应用, 国家投入了大量的人力、物力和财力。二十世纪中期, 我国和国外发达国家在同一时期展开了关于微波二极管和三极管方面的研究, 并且在随后的十年时间内开始对Ga As MESFET和电路进行研究。在当时, 国外技术对我国处于封锁状态, 但是我国的研究并未受到影响, 经过多年的努力, 我国在这一方面取得了突破性的进展, 且这种创新成果开始逐步投入工程使用中, 在HEMT器件、硅化合物单晶管以及宽禁带半导体领域都有十分广泛的运用, 这一技术的应用也为国内外固态微波器件与电路的发展注入了新鲜血液。
在进入21世纪以后, 国家开始对这一领域制定了完善、系统的规划, 国家将“核心电子器件、固态微波器件”归纳到科技重大专项, 并且在这一特定的机遇中, 我国固态微波器件与电路的发展得到了前所未有的机遇。从目前固态微波器件与电路的发展历程来看, 虽然种类繁多, 但是都拥有一定的共性, 就是有效带动了先进工艺和新材料的发展, 使得固态微波器件开始造福于社会。在下一阶段下, 发展固态微波器件电路时要注意两个关键点:即提升我国的自主创新能力;积极实践跨越发展, 只有注意到这两个问题, 才能够有效促进我国相关领域的发展。
3 固态微波器件与电路发展过程中应该注意的问题
在固态微波器件与电路发展过程中, 不仅要重视理论研究, 同时, 也要抓好新工艺路线的建设, 能够根据实际情况进行提升, 并且在发展过程中要有一定的前瞻性与预见性。与发达国家相比, 虽然我国相关科研起步较晚, 但是也取得了很大的进展, 在发展过程中应该同步布局试线工程的建设, 这样就能够在同一时间开展与之相对应的实践性工作, 在基础工作相一致的情况下, 我国相关研究基础基本可以实现与发达国家的同步发展。此外, 还要采取合理措施提升系统的功能性, 充分发挥固态器件与电路的作用, 这也是固态微波器件长期发展过程中积累的经验。目前国际上固态微波器件与电路的研究相当活跃, 由此可以看出, 虽然已经有了长达六十年的发展, 半导体技术依然有着较大的潜力。在下一阶段下, 我们需要立足于现状, 加强对关键技术的研究, 实现现有水平的突破性发展。
参考文献
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