Что такое вентиль в электронике

Вентиль (электротехника)

Вентиль в электротехнике — это общее название для устройств, сопротивление которых зависит от направления протекающего через них тока (или полярности приложенного к нему напряжения) [1] . Можно представить вентиль, как ключ, который замыкается при одной полярности приложенного к нему напряжения, и размыкается при другой. У идеального вентиля проводимость при одном направлении тока бесконечна, в другом направлении — равна нулю. В реальности сопротивление приборов, используемых в качестве вентилей, может быть не только конечным, но и может зависеть от величины напряжения на них и проходящего через них тока.

Вентили могут быть управляемыми и неуправляемыми. Управляемый вентиль отличается тем, что открытием/закрытием его управляет не только приложенное к основным выходам напряжение, но и сигнал, подаваемый на дополнительный управляющий вход. Примером неуправляемого вентиля является выпрямительный диод, а управляемого — Тиристор.

По принципу действия вентили можно разделить на электронные и ионные (газотроны, игнитроны, электролитические). Электронные в свою очередь бывают вакуумными и полупроводниковыми.

Примечания

↑В.В. Китаев и др Электропитание устройств связи. — М. : Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз.

Источники питания
Электротехника
Электроника
Электронные компоненты

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Вентиль (электротехника)» в других словарях:

вентиль для отбора проб масла — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN oil sampling valve … Справочник технического переводчика

вентиль с диэлектрическим заполнением — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN dielectric loaded isolator … Справочник технического переводчика

газонаполненный вентиль — ионный вентиль — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы ионный вентиль EN gas filled rectifier … Справочник технического переводчика

автоматический газовыпускной вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN automatic pressure vent … Справочник технического переводчика

воздушный вентиль с соленоидным управлением — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN solenoid operated air valveSOAV … Справочник технического переводчика

двунаправленный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN bidirectional valve … Справочник технического переводчика

одноанодный ртутный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN single gap mercury arc valve … Справочник технического переводчика

однонаправленный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN unidirectional valve … Справочник технического переводчика

поляризованный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN wave rotation isolator … Справочник технического переводчика

регулирующий вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN regulation valveRV … Справочник технического переводчика

Классификация вентилей и схем выпрямления

Электромагнитные процессы в однофазной однотактной однополупериодной схеме выпрямления, её энергетические параметры и показатели качества выпрямления.

Электромагнитные процессы в двухфазной однотактной двухполупериодной схеме выпрямления (схеме со средней точкой).

Электромагнитные процессы в однофазной двухтактной двухполупериодной мостовой схеме выпрямления.

1. Бушуев В. М., Деминский В. А. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: учеб. пособие для вузов. — М.: Горячая линия — Телеком, 2011. — с. 127 – 143.

Классификация вентилей и схем выпрямления

Место ИВЭ-выпрямителей в СВЭП РЭС.Выпрямительные схемы как функциональные узлы аппаратуры РЭС имеются во всех практически схемах радиоэлектронных средств.

Нас интересуют силовые преобразователи переменного напряжения в постоянное, то есть ИВЭ-выпрямители.

Таких основных и вспомогательных источников постоянного напряжения в системах электропитания множество, так как:

— питание радиоаппаратуры чаще всего осуществляется от обычной сети переменного тока 220 В 50 Гц, а большинство электронных схем требуют наличия постоянных напряжений;

— в стране наибольшее распространение имеют ЛЭП переменного тока;

— электронная и радиоэлектронная аппаратура требуют наличия разных величин (уровней) постоянных напряжений на выходах ИВЭ-выпрямителей:

— радиоприемники – 5 В; 6 В; 12 В; 15 В;

— радиопередатчики – 5 В; 9 В; 12 В; 24 В;

— приборы ЭВТ – 5 В; 9 В; 12 В; 27; 20 В;

— приборы автоматики – 5 В; 6 В; 15 В;

— операционные усилители – 15 В;

— ИМС – 2 В; 5 В; 12 В;

— транзисторная РЭА – 12 В; 6 В; 20 В; 27 В; 36;

— стандартные общепромышленные источники постоянного напряжения указанных многоуровневых напряжений не обеспечивают, что и требует разработки “собственных” ИВЭ-выпрямителей для РЭС. Этим во всех странах занимается множество фирм.

Функциональная схема выпрямителя. Электрические выпрямители являются наиболее широко применяемыми в РЭС универсальными преобразователями переменного тока в постоянный.

Функциональная электрическая схема простейшего выпрямителя представлена на рис.2.1. Она содержит трансформатор (Т), блок вентилей (БВ) и сглаживающий фильтр (Ф).

Рисунок 2.1 — Функциональная схема выпрямителя

Основным функциональным блоком (узлом), обеспечивающим выпрямление переменного тока, является блок вентилей (БВ), содержащий один или несколько вентилей, соединенных между собой по определенной схеме, называемой схемой выпрямления.

На схеме рис. 2.1 изображены электрические токи и напряжения на входах и выходах каждого функционального узла выпрямителя:

u₁, i₁, u₂, i₂ — функции мгновенных значений входных и выходных напряжений и токов;

u_d, i_d — функции мгновенных значений выпрямленных напряжения и тока на выходе БВ;

U_d, I_d — средневыпрямленные значения (постоянные составляющие) выпрямленных напряжения и тока. Именно эти значения и должен обеспечить выпрямитель для питания приемника РЭС постоянными токами.

Если напряжение переменного тока, подводимое к блоку вентилей, согласуется с требуемым напряжением на приемнике и с блоком вентилей таким образом, что: а) уровня подведенного напряжения сети после выпрямления достаточно для обеспечения требуемого постоянного напряжения на приемнике и б) обратное переменное напряжение на каждом вентиле блока вентилей не превышает допустимых для любого вентиля значений, то выпрямитель может не содержать трансформатора. Такие выпрямители называются выпрямителями с бестрансформаторным входом.

Кроме того, если приемник постоянного тока РЭС, получающий электропитание от выпрямителя, не предъявляет высоких требований к пульсациям выпрямленного напряжения, то в структуре такого выпрямителя может отсутствовать и сглаживающий фильтр.

Классификация и свойства выпрямителя обычно рассматриваются на основе структуры схемы выпрямления, не содержащей сглаживающего фильтра и работающей на чисто активную (резистивную) нагрузку. Это связано с тем, что сглаживающие фильтры содержат, как правило, реактивные элементы — индуктивные (дроссели), емкостные (конденсаторы), которые для выпрямителя сами являются реактивной нагрузкой, изменяющей характер электромагнитных процессов в выпрямителе. Изучение этих процессов в выпрямителе проводится для каждого варианта такой нагрузки (активно-индуктивной, активно-емкостной) раздельно.

Обычно характер электромагнитных процессов в схеме выпрямления иллюстрируется графиками (эпюрами) напряжений и токов на входе и выходе каждого функционального узла схемы.

Оценка качества выпрямления осуществляется по значениям ряда коэффициентов, характеризующих показатели качества той или иной схемы выпрямления.

Классификация вентилей. Отметим, что свойства и возможности различных схем выпрямления и выпрямителей как ИВЭ радиоаппаратуры существенно зависят от типов используемых вентилей.

Вентиль в общем понимании есть функциональный нелинейный элемент, обладающий односторонней электрической проводимостью, способный скачкообразно изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от знака приложенного к нему напряжения. Вольтамперная характеристика (ВАХ) такого элемента резко несимметрична.

В настоящее время и в маломощных, и в силовых выпрямителях исключительное применение находят полупроводниковые вентили — германиевые и кремниевые диоды.

Графическое и буквенное обозначения и типовые вольтамперные характеристики полупроводникового диода представлены на рис.2.2, а.

Благодаря односторонней проводимости p-n-перехода полупроводникового диода его вольтамперная характеристика имеет две ветви: прямого и обратного тока сквозь вентиль (рис.2.2, б). Обычно ВАХ диода идеализируют. У идеального диода (рис.2.2, в) сопротивление прямому току равно нулю, а обратному току — бесконечно большое. При такой идеализации обратным током через вентиль можно пренебречь.

При положительной разности потенциалов (плюс на аноде А и минус катоде К, (рис.2.2, а) выпрямительный диод "открывается" и проводит ток в прямом направлении, а при обратной полярности напряжения на вентиле — диод "закрывается", ток через него — незначителен. В этом суть процесса выпрямления в любой схеме, содержащей вентили и используемой как выпрямитель.

Рис.2.2. Полупроводниковый неуправляемый диод:

а — условные графические и буквенные обозначения;

б — реальная ВАХ; в — идеальная ВАХ

Особую группу вентилей составляют так называемые управляемые полупроводниковые диоды — тиристоры, имеющие дополнительный управляющий электрод УЭ.

Рассмотрим наиболее широко используемые в выпрямителях РЭС полупроводниковые диоды. Оценка применимости того или иного типа диода производится прежде всего по значениям допустимых обратного напряжения и прямого тока.

В выпрямителях с входным напряжением 380/220 В трехфазного тока частоты 50 Гц рабочее напряжение может достигать 600 В. В таких цепях используются диоды с допустимым рабочим напряжением не ниже 1000 В.

По мере повышения рабочей частоты выпрямителя или другого преобразователя, особенно с импульсным преобразователем, повышаются требования к частотным свойствам диодов. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют диоды Шотки (до 200 кГц): 2Д2998, 2Д2995 (U_обр=50. 200 В, I £ 25 А) и др.

В схемах выпрямления ИВЭ на базе инверторов применяются так называемые диодные сборки, представляющие собой электрическое соединение диодов со стороны катодов по определенной схеме выпрямления.

В высоковольтных выпрямителях передающих РЭС используются высоковольтные столбы, представляющие собой цепочку последовательно соединенных диодов типа, например, 2Д226, 2Д230 и др.

Германиевые диоды обладают следующими свойствами: они технологичны, имеют меньшее, чем у кремниевых, прямое сопротивление R_пр, их диапазоны обратных напряжений находятся в пределах U_обр=50. 400 В, рабочие частоты не превышают 10 кГц, диоды имеют значительные обратные токи I_обр, их диапазон температур лежит в пределах от -50 0 С до +70 0 С.

Кремниевые диоды, хотя и имеют более сложную технологию изготовления, но по многим параметрам предпочтительнее германиевых: допускают обратные напряжения до 1000 В, прямые токи до 1000 А, имеют значительно меньшие обратные токи, диапазоны их частот — до 30 кГц, имеют более широкий диапазон допустимых температур от -60 0 С до +125 0 С.

Существенным недостатком кремниевых диодов является повышенное падение напряжения на диоде, в 2-3 раза больше, чем у германиевых диодов.

И германиевые, и кремниевые диоды чувствительны к токовым перегрузкам, что часто приводит к так называемому тепловому пробою и выходу диода из строя.

Эффект выпрямления достигается, как было отмечено выше, благодаря односторонней проводимости p-n-перехода полупроводникового диода.

Классификация схем выпрямления. Все выпрямители обычно классифицируются по следующим основным:

1) по числу фаз вторичной обмотки силового трансформатора (однофазные, двухфазные, трехфазные, шестифазные);

2) по числу импульсов тока в каждой фазной вторичной обмотке трансформатора за один период (однотактные, двухтактные);

3) по числу импульсов выпрямленного тока в приемнике за период фазного напряжения каждой вторичной обмотки трансформатора — однополупериодные, двухполупериодные;

4) по типу вентиля – ионные, электронные, полупроводниковые.

Широкое применение в технике РЭС нашли следующие основные схемы выпрямления:

1) однофазная однотактная однополупериодная;

2) однофазная двухтактная двухполупериодная (мостовая);

3) двухфазная однотактная двухполупериодная (схема со средней точкой);

4) трехфазная однотактная (Миткевича);

5) трехфазная двухтактная мостовая (Ларионова).

Существует еще несколько схем выпрямления, производных от перечисленных (схемы Латура, шестифазные с уравнительным реактором и без него и др.).

В этой и следующей лекциях рассматривается схемотехника, свойства и характеристики только основных схем выпрямления при их работе на чисто активную нагрузку.

Квантовые цепи и вентили — вводный курс

Мы продолжаем цикл квантовых статей. Сегодня углубимся в формулы и поймем, как можно манипулировать кубитами — элементарными вычислительными единицами. Кроме того, рассмотрим принципы цепей и алгоритмов. Подробнее под катом!

Статьи из цикла:

Введение

Задача этой статьи — помочь вам быстро познакомиться с основными принципами работы квантовых вентилей и понять, как эти вентили объединяются в цепи, наглядно представляющие квантовые алгоритмы (некоторые из них мы обсудим в последующих публикациях).

Для вашего удобства я опубликую сводную информацию обо всех важнейших вентилях, элементах схем и т. п. из статей этой серии в виде шпаргалки (чтобы вам не пришлось долго искать нужные сведения). В моих будущих статьях она будет называться «Квантовые вычисления: краткая справка».

Основы: квантовые состояния

Начнем с основ — с обозначений некоторых распространенных квантовых состояний, которыми мы будем впоследствии манипулировать:

Все они являются чистыми однокубитными состояниями, поэтому их можно представить в виде точек на сфере Блоха:

Теперь — четыре состояния Белла (их еще называют парами ЭПР, в честь Эйнштейна, Подольского и Розена — именно они являются авторами идей, которые впоследствии развил Белл). Это простейшие примеры квантовой запутанности двух кубитов:

И наконец, мы будем использовать так называемые состояния ГХЦ (Гринберга — Хорна — Цайлингера). Вот их общая форма (для n кубитов) и простейшая форма (для трех кубитов):

Состояния Белла и состояния ГХЦ очень важны, потому что их поведение кардинально отличается от предсказаний классической теории из-за уровня запутанности в таких системах (этот принцип «максимальной запутанности» будет рассмотрен в одной из последующих публикаций).

Основы: радианы

Углы поворота в теории квантовых вычислений измеряются в радианах. Полная окружность (360°) соответствует 2π радиан. Углы измеряются против часовой стрелки. Ниже показаны величины важнейших углов в градусах и в радианах.

Основы: диаграммы квантовых цепей

Перед тем как углубляться в изучение квантовых вентилей, следует изучить основы построения диаграмм квантовых цепей (это не займет много времени):

Время на квантовой диаграмме движется слева направо.
Каждому кубиту соответствует одиночная горизонтальная линия.
Вентили обычно обозначаются квадратами. Тип вентиля обозначается буквами или другими символами в этом квадрате (бывают и исключения из этого правила. Обычно это кубитные вентили, у которых есть классические аналоги (пример — вентиль NOT)).
Некоторым вентилям может соответствовать несколько элементов диаграммы (пример — вентиль NOT).
В результате измерения кубита все суперпозиции коллапсируют, квантовые свойства кубита исчезают, и он превращается в обычный бит. Поэтому можно считать, что измерительный элемент (показанный ниже) принимает на вход кубит и выдает классический бит. Этой операции в языке Q# соответствует команда Measure(bases: Pauli[], qubits: Qubit[]) или M(qubit: Qubit) по основанию Z.

Более подробная информация приводится в документации здесь и в книге М. Нильсена и И. Чанг «Квантовая информация и квантовые вычисления».

Однокубитные вентили

Однокубитные вентили закономерно являются самыми простыми, поэтому мы начнем с них. Операцию, выполняемую любым однокубитным вентилем, можно представить как поворот вектора, характеризующего состояние кубита, в другую точку сферы Блоха (см. ниже).

Самые элементарные однокубитные вентили — это вентили Паули X, Y и Z:

Названия	Матричное представление	Обозначения	Представление в Q#
Вентиль Паули X, X, NOT, переключение бита,			X(qubit: Qubit)
Вентиль Паули Y, Y,			Y(qubit: Qubit)
Вентиль Паули Z, Z, переключение фазы,			Z(qubit: Qubit)

Вентиль X очень похож на классический вентиль NOT: он преобразует |0〉 в |1〉, а |1〉 в |0〉. Эта операция эквивалентна повороту вектора на сфере Блоха вокруг оси x на π радиан (или 180°).

Вентиль Y ожидаемо соответствует повороту вектора вокруг оси y на π радиан. В результате такой операции вектор |0〉 превращается в i|1〉, а |1〉 — в -i|0〉.

Вентиль Z представляет собой особый случай вентиля фазового сдвига (см. ниже) при фи = π = 180°. Он соответствует повороту вектора вокруг оси z на π радиан. Вектор |0〉 он оставляет без изменений, а |1〉 преобразует в -|1〉.

Ниже работа этих преобразований проиллюстрирована с помощью сферы Блоха (ось вращения в каждом случае выделена красным; на картинку можно нажать, чтобы увеличить ее):

Важно отметить, что после двукратного применения одного и того же вентиля Паули к кубиту он перейдет в исходное состояние (потому что после поворота вектора на 2π радиан или 360° вокруг любой оси он перейдет в начальное положение). Как следствие,

Поскольку и т. д.,

Здесь II — обозначение единичной матрицы: . Единичной называется матрица, результат умножения которой на произвольную матрицу M (II) равен матрице M: MII = IIM = M. Единичная матрица соответствует квантовой операции, которая не меняет квантовое состояние. На сфере Блоха это выглядит так:

Ввиду этого отношения говорят, что матрица Паули в квадрате равна единичной матрице.
Ниже приводится описание еще нескольких важных однокубитных вентилей.

Названия	Матричное представление	Обозначения	Представление в Q#
Вентиль Адамара, H			H(qubit: Qubit)
Фазовый сдвиг,			R1(theta: Double, qubit: Qubit) В более общем случае R(pauli: Pauli, theta: Double, qubit: Qubit)
Фазовый сдвиг,, S			S(qubit: Qubit)
, T			T(qubit: Qubit)

Вентиль Адамара особенно важен, потому что с его помощью можно создать суперпозицию состояний |0〉 и |1〉. Эту операцию проще всего визуализировать с помощью сферы Блоха как поворот вокруг оси x на π радиан (180°) с последующим поворотом вокруг оси y (по часовой стрелке) на π/2 радиан (90°):

Вентиль фазового перехода представляет достаточно общую операцию, у которой есть множество полезных применений. Самые распространенные его вариации — вентили сдвига фазы на π/4, π/8 и Паули-вентиль Z, для которых параметр фи равен π/2, π/4 и π соответственно. Пример фазового сдвига на сфере Блоха:

Многокубитные вентили

Многокубитные вентили выполняют операции над двумя или более кубитами. Один из простейших примеров — вентиль SWAP:

Названия	Матричное представление	Обозначения	Представление в Q#
SWAP			SWAP(qubit1: Qubit, qubit2: Qubit)

Вентиль SWAP меняет местами два входных кубита. Например, SWAP|0〉|1〉 = |1〉|0〉, а SWAP|0〉|0〉 = |0〉|0〉 (полная таблица истинности приводится в шпаргалке по цепям).

Еще один класс многокубитных вентилей — так называемые управляемые вентили. На вход любого управляемого вентиля подается по меньшей мере один управляющий и один управляемый кубит, причем вентиль выполнит операцию над управляемым кубитом только в том случае, если управляющий кубит находится в определенном состоянии.

Вентили, которые выполняют операцию при управляющем кубите |1〉, обозначаются заполненным кругом на проводе управляющего кубита. Вентили, которые выполняют операцию при управляющем кубите, равном |0〉, обозначаются пустой окружностью, как показано ниже.

Для того чтобы составить матрицу любого управляющего вентиля, нужно дописать единичную матрицу в левом верхнем углу матрицы нужного вентиля, а все остальные ячейки заполнить нулями. Вот пример:

Обычные вентили в Q# можно преобразовать в управляющие с помощью ключевого слова Controlled, как описано здесь (в разделе «Controlled» в самом низу страницы). Например, вентиль CNOT (напомним, что вентиль NOT эквивалентен X-вентилю Паули) можно получить командой

где [control] — массив входных управляющих кубитов.

Ниже описаны другие распространенные управляемые вентили (мы выделили единичную матрицу красным, а матрицу исходного вентиля — синим, как выше):

Названия	Матричное представление	Обозначения	Представление в Q#
CNOT			CNOT(control: Qubit, target: Qubit) или (Controlled X)([control], (target));
CCNOT, вентиль Тоффоли			CCNOT(control1: Qubit, control2: Qubit, target: Qubit) или (Controlled X)([control1; control2], target);
CSWAP, вентиль Фредкина			(Controlled SWAP)([control], (target));

Универсальные наборы

Как мы уже упоминали в предыдущей публикации, вне зависимости от того, с помощью какой физической системы мы имитируем квантовый компьютер, должна иметься возможность реализовать «универсальный набор» вентилей. Это значит, что любая допустимая вычислительная операция в нашей системе должна быть преобразуема к конечной последовательности известных вентилей. Вот пример такого универсального набора: вентиль Адамара, вентиль фазового сдвига, вентиль CNOT и вентиль π⁄8.

Свойство универсальности гораздо интереснее, чем может показаться на первый взгляд. Если в квантовом компьютере существует универсальный набор вентилей, то любое преобразование, которое допускают законы квантовой физики, можно реализовать с его помощью. Это значит, что с помощью универсального набора можно не просто выполнить любую квантовую программу, а имитировать любое физическое явление. Поэтому свойство универсальности позволяет использовать квантовые компьютеры для моделирования молекул, сверхпроводников и любых странных и прекрасных квантовых систем. Эта особенность квантовых компьютеров позволяет имитировать физические явления, что в перспективе позволит квантовым системам превзойти потенциал самых мощных суперкомпьютеров. Уже не скучно, правда?

Нас ждет еще много интересного!

С помощью этих (и некоторых других) важнейших вентилей уже можно создавать полнофункциональные квантовые цепи! В следующей публикации я расскажу, как с помощью этих новоприобретенных знаний можно реализовать квантовое преобразование Фурье — очень важную операцию, у которой есть огромное множество практических применений.