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1、兩個重點
任何一種邏輯功能都可以設計出一種相應的邏輯電路,從這個意義上講,數字電路是不可勝數的。教學的重點是教會學生學習方法,而不是死記硬背書本內容。就本課程而言,只要能夠根據需要設計出符合要求的邏輯電路,也能分析出任何一種給定邏輯電路所具有的邏輯功能即可。因此,組合邏輯電路和時序邏輯電路的分析方法和設計方法是本課程的核心內容。
2、三個基礎
為更好地學習后續專業課程和從事工程技術工作,數字電子技術在教學實踐中必須強化理解和掌握數制和碼制、邏輯代數基礎、半導體數字集成電路的工作原理和特性、組合邏輯電路和時序邏輯電路分析方法和設計方法等基本原理、基本理論和基礎知識。
二、教學方法實現“三個基于”
2.1基于問題的教學
美國教育家蘇娜丹戴克曾說過:“告訴我,我會忘記,做給我看,我會記住,讓我參加,我就會完全理解。”在教學實踐中,就要打破“以知識為本位,以灌輸為特征”的傳統教學模式,采取以學生為中心的問題導向型教學方法。教師通過實例、設疑、示錯等方法導入需要講解的問題,而分析問題和解決問題兩個關鍵環節則由教師引導學生來完成。學生通過思考、查閱資料、討論等方式尋求解決問題的方案,教師最后結合問題系統講授知識點,使學生對相關知識點有更加深入地理解。同時,學生的成就感、自信心倍增,學習主動性更強,從而達到良性循環的效果。通過引導、啟發,學生自己搭建出具有記憶功能的電路—觸發器。
2.2基于項目的教學
基于項目的教學強調的是以學生為中心,強調小組合作學習,教師引導發現。實施步驟分為選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價等六個基本步驟。結合本課程,就是在課程開始階段,以任務書的形式給學生下發一些與課程內容結合緊密的、適合學生研究的課題,如電子搶答器、數字電子鐘、交通燈控制器、出組車計價器等,學生自由選題、自主組合,通過課程的學習、查閱相關資料以及與教師的交流討論,利用軟件仿真或硬件焊接制作出課題作品,期末提交研究成果和設計報告,并進行專題匯報,研究成果作為評定平時成績的重要依據。
2.3基于資源的教學
基于資源的教學是以學習者的學習活動為中心的教育教學模式,其主要特征是靈活性和自主性。此模式的教學目標是以教會學生學習為主,而不是以傳授知識為主。也就是說,通過基于資源的教學,學生應該學會確定學習目標,學會查找的資源的手段和方法,學會如何做讀書筆記,學會評價信息,學會與他人合作交流,學會評價自己的學習進展,學會反映學習過程和成果。目前,校園網、互聯網上數字電子技術課程資源較多。通過基于資源的教學,學會查找資源、利用資源,不僅可以克服課堂教學的時空限制,更為開展研究性學習提供了廣闊的平臺。
三、結束語
近年來,數字電子技術的發展日新月異,器件更新的周期越來越短。故在講解了基本理論的基礎上,還需要強調課程體系和教學內容的更新,保證教學內容的先進性,緊隨電子技術發展的前沿。在教學內容方面可以利用EDA設計仿真Multisim軟件增加模擬仿真的演示環節,由此可豐富課堂內容,從而達到提高教學質量的目的。數字電子技術是門邏輯性較強的課程,內容大多數都抽象難懂。授課過程如果單純按照傳統的板書講授模式,此種方式思路清晰較容易被學生接受,但也存在明顯的缺點。板書講授過程中,學生興趣不高從而注意力不集中,學生在被動接受知識的情形下,往往教學效果不理想。而多媒體可以將課件與聲音圖像動畫等媒體元素相結合,能夠使枯燥的課程變得更為形象,從而增強學生的興趣。但是多媒體授課方式也存在著一定的局限性,比如授課過程中出現幻燈片播放過快,容易造成前后銜接不好的問題,導致學生對相應知識點的理解不透徹。因此在教學中我們應該將這兩種授課方式結合起來,對重點內容的演算推理可以采用板書授課,思路清晰。電路圖較多時,以及對器件介紹等相關內容則可以用多媒體方式授課。結合兩者授課方式的優點,揚長避短,采用以多媒體講授為主板書講授為輔助手段的教學方法,能夠充分發揮這兩種教學手段的優勢,從而提高教學質量。
2.采用問題式教學增強學生主觀能動性
傳統的課堂教學基本上以知識傳授灌輸的方式為主導,對學生的引導啟發不夠。學生的自主思考機會太少,對其創造性的培養跟不上,這都極大地限制了學生的創造性的自我培養,與素質教育的目標是背道而馳的。另外,傳統教學過程中把學生做為被動的接受者,這使得學生沒有機會參與教學,只會人云亦云,缺乏獨立思考。這樣機械的教學模式一方面限制會教師教學風格的發揮,另一方面更限制了學生個性的培養和發揮。興趣是最好的老師,我們需要通過培養學生的興趣才能有效地提高教學質量,這就對我們進行傳統教學模式的改革提出了要求。可以通過提問產生課堂互動,從而啟發引導學生,營造出一種愉快的課堂氛圍。使師生之間充分的互動起來,可以使教師由傳統的傳道授業形式轉化為教學過程的組織者,從而調動學生的自主學習積極性,使學生能夠主動思考,有利于改善教學效果。對于問題式教學,我們應該有針對性地結合學校的自身特點和具體情況采用這種教學方法,把傳統的知識點講解型轉變為問題導向型,以提高學生的主觀積極性。比如在講授時序邏輯電路之前,提出由觸發器構成加法計數器的問題,在講授過程中,讓學生帶著問題有所側重的學習各知識點,并參與問題的討論。
3.加大實驗環節提高學生實踐能力
數字電子技術課程是一門實踐性很強的課程,該課程不能僅僅只局限于為學生后續的專業課學習打好基礎,還應培養學生理論聯系實際,分析完整系統,掌握系統設計的能力。在教學過程中實驗是一個非常重要的環節,通過實驗環節的設置和進行,目的是培養學生的解決實際問題的能力和動手能力。在教學過程中,要使培養學生理論聯系實際能力的最直接途徑便是加大實驗環節。現有條件下,在實踐性教學過程中安排的實驗大多都是基礎性實驗,能提高學生動手能力和創新能力的設計性實驗尤為缺乏。學生僅僅通過基礎性的實驗不能涉及到知識與技術的前沿,如此一來將不能適應現在新技術發展的需求。另外,做實驗時只要求學生按步驟機械地操作,將會減弱學生的學習興趣,制約其創造力的培養,也不能很好地鍛煉學生查找資料、安裝調試等方面的能力。設計性實驗應該考核學生綜合應用所學知識的能力。可以選取一些應用性的課題,例如十字路通燈控制電路等。要求學生查閱資料、綜合所學,完成實驗方案的自主設計,選取合適元器件實現電路的功能。另外,EDA技術的Multisim模擬仿真軟件,提供了多種數字電子技術元器件模型,通過實驗環節的設置能夠讓學生很方便地在電腦上完成電路的設計和調試,有利于激發學生的探究和思維能力。
4.結束語
高職《電子技術》選用的教材大多是本科教材的簡化版,如《模擬電子技術》內容主要包括,二極管及其應用電路、晶體管及其放大電路、場效應晶體管及其放大電路、多級放大電路、放大電路的頻率響應、集成運算放大器、放大電路中的負反饋、波形發生和變換電路、功率放大電路以及直流穩壓電源等。《數字電子技術》內容主要包括:數制與碼制、邏輯代數、門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、觸發器、脈沖波形的產生與變換,數模和模數轉換。同樣的教學內容、同樣的老師,考題越來越簡單,不及格率卻越來越高。原因在于近年來參加高考的考生逐年減少,各高等學校招生比例卻不斷增加,導致最后招生的高職院校生源質量不斷下降,以西安航空職業技術學院電子工程學院為例,近10年來考生的入學分數從2006年、2007年的400多分降低為2014年的260多分。電子技術日新月異,中大規模集成電路、數字信號處理技術、嵌入式系統、EDA技術在飛速發展,但部分教師對高職教育的認識還有些模糊,教學的理念相對保守。部分課程教學仍采用傳統模式,教學方式為“一支粉筆、一塊黑板、三尺講臺”,講授的內容也十年如一日,不能與時俱進。教師一味地按照教學進度教學,學生只是普通的聽眾、觀眾,老師受累、學生也難受,難以真正激發學生學習的積極性主動性,更談不上對學生創造能力和實踐能力的培養。學生對知識的實用性和實踐性不夠重視,聽不懂課、看不懂電路圖無法將學到的理論知識應用于實際電路的分析以解決實際的問題,導致學與用脫節,對講的和做的興趣不大或者基本上是應付了事。對學生的考核方式也大多是參加期末考試的筆試,只注重了結果沒有注重學習的操作過程和實踐的掌握程度。
2改進的措施
針對學生學習的現狀,首先強調《電子技術》課程的重要性,不必拘泥于教材的知識,以及電路內部復雜的結構,多強調元件、電路的功能和作用,以及在實踐調試中的注意事項。有條件的可以進行一體化教學,兩小節課程,第一小節理論講解,第二小節學生操作訓練,增強了學生對電子元件和電路的感性認識,還可以熟練掌握萬用表、示波器、直流穩壓電源、信號源等儀器儀表的操作,通過一體化教學使得教學目標明確,提高了教學效果。根據學生學習掌握的狀況,訓練其創造性思維能力,根據電子技術的發展方向和學生的知識結構進行科學合理的安排內容。如適當引入數字信號處理技術(DSP)、嵌入式技術(ARM)、電子設計自動化技術(EDA)技術,以及未來電子技術的發展方向微電子技術、納米電子技術。在當今日新月異的世界里,《電子技術》講授的內容也應該與時俱進,因此教師應該不斷的學習新理論、新技術、新方法,使培養的學生畢業后盡快與社會同步接軌。還可以考慮引入PPT、視頻、動畫等教學方法及手段,突出重點、突出難點,提高教學效果。在實驗教學方面,在保證基本的實驗技能和操作能力培養的前提下,適當減少基礎性驗證實驗,增加設計性實驗內容。如數字電路實驗中的智力競賽搶答裝置,它具有公共置0端和公共CP端;F2為雙4輸入與非門74LS20;F3是由74LS00組成的多諧振蕩器;F4是由74LS74組成的四分頻電路,F3、F4組成搶答電路中的CP時鐘脈沖源,搶答開始時,由主持人清除信號,按下復位開關S,74LS175的輸出Q1~Q4全為0,所有發光二極管LED均熄滅,當主持人宣布“搶答開始”后,首先作出判斷的參賽者立即按下開關,對應的發光二極管點亮,同時,通過與非門F2送出信號鎖住其余三個搶答者的電路,不再接受其它信號,直到主持人再次清除信號為止。若學生掌握的操作技能,則學生就掌握了觸發器電路、邏輯門電路、振蕩器電路、分頻電路、時鐘電路、發光二極管電路等多個電路知識。做好《電子技術》教學還要重視師資隊伍建設,有了好的老師、好的教學方法、好的教學理念才能教出好的學生。應該打破傳統的理論教學教師與實驗教學隊伍的界限,理論任課教師也應該積極參與實驗教學、實驗項目的改造和實驗室建設,將理論教學與實踐教學有力地結合在一起,積極參與科研課題的申報與實施,使理論與實踐教學與時俱進。鼓勵教師參加一些權威部門組織的教學改革研討會,利用好假期時間參加一些國培項目,鼓勵教師深造學習,深入生產、建設、服務第一線,及時了解行業發展的動態,結合實踐教學開展科研活動,撰寫科研論文,不斷提高教學水平。教師的教學效果與考核相掛鉤,可以提高教師學習的積極性。近期,西安航空職業技術學院電子工程學院組織教師積極參與微課的制作與教學,取得了較好的教學效果。利用仿真軟件教學可以補充硬件教學資源的不足,節約教學經費,使學生較容易的掌握各種儀器的基本使用方法、電路參數的測試方法,使每個人都能親自動手接觸電路,進行元件接線、參數設定、數據測量并與理論計算結果進行對照,增強對電子線路的感性認識,提高教學效果。《電子線路》常用的教學仿真軟件有EWB、Protrus、Multisim、虛擬儀器等,為Protrus軟件連接的八路彩燈仿真效果圖。Protrus軟件連接的八路彩燈仿真效果圖重視學生社團的建設與發展。學生社團的成員們具有相同的興趣和愛好,他們來自不同的專業、不同的年級,知識結構、能力結構具有交叉性和互補性,可以按照自己的意圖和方案進行設計創新。此外,學生社團活動方式的實踐性與靈活性、自由寬松的氛圍、平等的師生關系都為實踐創新訓練提供了有利的條件。西安航空職業技術學院電子工程學院電子俱樂部2003年5月成立,是在原來便民服務小組基礎上發展起來的,本著“服務大家,提高自己”為宗旨,以鍛煉為主導、以求知為目標、發揚雷鋒精神、充實自己、服務于人的思想,適時開展義務維修活動,普及電子科普知識。社團經過12多年的發展,現擁有創作部、維修部、電腦部、宣傳部、技術團等5個部門,300多名社員。電子俱樂部自成立以來,在學院、團委、電子工程學院等部門的領導及指導教師的關懷下,以及全體社員的共同努力下,多次在校園、社區開展便民電器義務維修活動,多次進行三下鄉電器義務維修、支教活動;以電子俱樂部成員們多次參見校園、省級、國家級電子技術類競賽,取得了驕人的成績。2006年電子俱樂部獲得了“省級優秀社團”的光榮稱號,2007年、2010年電子俱樂部獲得“院級優秀社團”的光榮稱號。對于課程的考核不應該僅僅局限于期末考試筆試的成績,應該增加平時成績的比例,老師可以參考學生平時的作業、實驗實訓操作的情況,電子技術類競賽獲獎的學生成績可以適當加分,對現在的考核方式進行適當的調整,可以激發學生學習的積極性與主動性。
3總結
現代電力電子技術的發展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業用電由工頻(50Hz)交流發電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變為直流電,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發與應用得以很大發展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節能效果顯著而迅速發展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變為0~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規模和超大規模集成電路技術的迅猛發展,為現代電力電子技術的發展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發展,為用電設備的高效節材節能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環境無害的個人電腦和相關產品,綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業的迅速發展極大的推動了通信電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節能等優點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統各種工作狀態的目的,進而提前對系統做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續率60%,全載電壓60~75V,電流調節范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變為3kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變為直流,采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變為高頻電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統LC濾波器的不足,是一種很有發展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統開關電源的區別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環基準信號為電壓環誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統
分布式電源供電系統采用小功率模塊和大規模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發展,各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加,應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節能、可靠、高效、經濟和維護方便等優點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業控制等系統逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統中,開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術,通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節約90%或更高,還可節電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,帶來顯著節能、節水、節約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業的發展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。
參考文獻:
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1)在有關數字技術的專業研究過程中人們將數字系統簡稱為數字技術,它主要是將音頻、視頻和一些數據信號從信號的起源編制到接收采用數字技術的一種系統。而從廣義的角度來說,數字電視則是將原有電視系統的數字化的功能。數字電視的技術按電視信號傳輸的方式可被分為地面無線數字電視、衛星數字電視和有線數字電視三種,它們都具有現代彩色模擬電視所無法達到的功能,其中最為突出的功能是信號質量的大大提高。因為數字電視在對數字信號進行處理時不會引起信號的劣化,它可以通過糾錯和整形等不同手段對信號進行還原設置,使受到的圖片質量和聲音音效與發端基本保持一致,給人們準確獲取信息帶來便利條件。另外,有線數字電視的儲存率大大增加,往往可以容納大量電視節目,而且數字電視的多功能、多信息特點大大擴展了其服務,開拓了人們的眼界。
2)數字電視技術的應用。我們已經知道,數字電視能夠將傳統的模擬電視信號經抽樣后轉化成以二進制數表示的數字信號,該信號經計算機等處理之后能夠形成一種可以用于監控的數字化廣播系統。在生產過程中采用這種技術,可以達到許多意想不到的功能,科學家將該技術有機的融入到當代生活中,推廣了它的應用功能。比如,采用數字技術可以使電視擁有比原始模擬電視更高級的功能和性能,電視圖像的質量大大提升,甚至達到演播室的效果。其次,數字技術還有雙向互動的功能,將觀眾很好地帶入到電視的情形之中,增加了他們的感染力。另外,數字電視技術還被廣泛地應用到國外的許多數字技術中,將電視技術推向一個嶄新的時代。
2數字電視技術的發展現狀分析
當今社會,信息技術與數字化技術已經成為科技發展的主流,它們的迅猛發展引導著整個技術領域的進步,而數字技術作為這一改變的主旨,對其發展有著更重要的作用。伴隨著世界電視廣播的大眾化,數字電視在結合傳統電視的功能后逐漸成為人們生活中必不可少的獲取信息的主要工具。然而,根據2006年有關居民使用數字電視的調查結果顯示,目前已有數千萬人將數字電視應用到自己的日常生活中,但是他們提出了許多數字電視的不足之處,這引起了廣大業內人士的重視。以下是科研人員對當代我國數字電視技術發展的現存問題分析:
1)由于我國數字技術起步較晚,而且整個國家處于發展中狀態,這些國情都表現了我國的數字電視產業不可能一步到位。眾所周知,數字化技術的開展需要大量資金的投入,目前我國還沒有足夠的資金供該領域使用,這就導致在對原先電臺設備進行更換時進程受阻,電視節目資源緊張的局面也不免會發生。
2)數字電視本質上屬于雙向電視網絡,而將現有的單項網絡改為雙項網絡的成本較高,并且難度過大,我國目前技術還未成熟,實現數字電視技術仍存在較大困難。
3)我國各方面技術仍未成熟,數字電視的標準還未被很好的定位,科研人員在生產過程中無法把握數字電視的進程和發展方向。另外,國內有關數字電視研究的工作人員不夠專業同樣影響著數字電視的發展。
3改進電視數字技術的有效措施
數字電視在人們的日常生活中占有舉足輕重的作用,面對我國當代數字電視技術發展中存在的諸多不足,相關管理部門必須加大管理力度,爭取改變這種落后狀態,以提高國家的綜合國力。以下是針對上面陳述的問題提出的幾點建議。
1)提高我國的整體經濟水平,為數字電視技術奠定基礎。經濟基礎決定上層建筑。數字電視技術要想得到快速發展,首先必須要擁有雄厚的經濟基礎,這樣才能保障發展過程中設備和技術的更新不會受阻。國家在日常工作中要合理安排集體財產,盡量避免不必要的開銷,將更多的資金投入到數字電視技術的發展中,以提高我國的科學技術水平,使人們的生活得到保障。
2)提高工作人員的專業素質。工作人員是否擁有較高的專業素質這很大程度上決定了產品的好壞。數字電視也不例外,操作人員高超的技術會大大提高數字技術的功能,并使其質量得到很好的保障。因此,相關工作部門必須在平時的工作中加強對業內人士專業素質的培養,多開展有關數字電視技術發展的講座和活動,增加他們自身的工作意識,以此來提高數字電視的技術,使我國的數字化水平得以提高。
4小結