现代工业电子学1.doc

现代工业电子学1Modern Industrial Electronics（Fourth Edition）国外高校电子信息类优秀教材Timothy J.Maloney科学出版社 培生教育出版集团1900年才出现现在称之为电子的器件，1904年发明了真空二极管（1906年，三极管），1930年开始使用现代意义的术语“电子学”。电子器件首先在收音机中得到应用。固态电子学时代的根源要回溯到20世纪20年代量子理论的导出（Weiner 1973）。A.H.Wilson开发了半导体的理论模型，其中他引入了“空穴”的概念，即价电子失去后留下的空间（Wilson 1931）。由于晶体管的发明，William ，John Bardeen 和W.H.Brattain共同获得了1956年诺贝尔物理奖，出版了有关半导体的论文“电子和空穴”（Shockley 1950），对该理论进行了综述。晶体管的产生还要归功于20世纪30年代和40年代制造业技术的发展，因为要获得高纯度的半导体样晶是一项很复杂的工作。尽管1947年Bell Telephone 实验室发明的晶体管在电子学领域掀起了一场革命，但公众对它的响应并不热烈，纽约泰晤士报在其日报专栏“无线电新闻”中发布了这一新闻（1948）：“一种叫做晶体管的器件昨天在Bell Telephone 实验室，West Street 463号（它的发明地）进行了展示，它可以取代无线电技术中的真空管，具有多种不同的用途”。三个简短的段落就结束了这条消息。而有关晶体管的更合适的论述是由三封给Physical Review 刊物的信提供的，在1948年出版的电子技术刊物中使用“晶体管-一种晶体三极管”作为其封面文章。尽管已使用晶体三极管（Crystal triode）和半导体三极管（semiconductor triode）来描述晶体管，晶体管的英文名字“transistor”还是日益流行，transistor 就是transfer resistor（转换电阻）的缩写，由John R.Pierce 提出的。在固态电子学时代，晶体管不仅扮演着重要的角色，而且以它为基础开发了全新的电子器件。晶体管和集成电路使得发展数字系统成为可能。第一章 作为逻辑控制的晶体管开关 The Transistor Switch As a Decision-Maker 前言：控制电路（control circuits）接收处理系统的（状态）信息，包括：机械可动部分的（动作）位置（position）；不同位置温度（temperature）（分布）；管路（道）腔室等压力（pressure）分布状况；流体的速率（rate）（分布）；不同检测器外加力（force）；运动速度（speed） 等。控制电路接收（采集得到的）信息并结合操作员（人工）输入（/设定）（如开关、电位器设定等），以得到（即）期望的结果（反应）。系统信息与输入比较后，作出反应，决定下一步的动作，如开关马达/运动加或减速/开关阀门/关闭系统等。总言之，决策电路（decision-making）（或称逻辑控制电路）：反映设计者的思想，预见可能的输入，得到期望的输出（反应）。学习目标：1工业控制电路分成3部分，描述其功能2 描述继电器的功能；区别继电器的常开（开关）和常闭（开关）3 描述零件分类系统（应用 继电器/固态solid-state 逻辑电路设计）的原理4 解释固态逻辑电路中的不同输入电路工作原理/输出放大器原理5 讨论继电器逻辑电路与固态逻辑电路的优劣6 解释3个应用固体逻辑电路的实际控制系统原理：工具机循环工作系统（machine tool routing system）/首次故障报警系统（first fault annunciator）/工具机钻孔循环工作系统（machine tool drilling system）1-1 包含逻辑电路的系统（Systems Containing Logic Circuits） 工业逻辑控制电路分成3部分：输入（input）/逻辑（logic）/输出（output）。1 输入input，有时称为信息采集（information-gathering）如按钮（pushbutton）、机械式微动开关（mechanical limit switch）、压力开关、光电管（photocell）等。2 逻辑logic，有时称为决策部件（decision-making）根据输入和采集的信息，决定输出（动作）。如（电磁magnetic）继电器、分立晶体管（transistor）、集成（integrated） 晶体管电路等。3 输出output，有时称为执行器件（actuating device section）根据逻辑电路给予的信号，转换（或放大）成可用形式，驱动相应部件。如马达（motor）启动器、电磁线圈（solenoid coil）、指示灯等。1-2 应用继电器的逻辑电路（Logic Circuits Using Magnetic Relays） 在逻辑电路中，多年来，直到今天，继电器的使用一直极为广泛。继电器基本原理：电流流经继电器线圈（coil），产生激励（energize），通过开关（switch）/触点（contact）完全闭合通电。继电器的工作原理和特性 继电器的定义继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器的继电特性继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。 释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即Kf= xf /xx 触点上输出的控制功率PC与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即Kc=PC/P0电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器的分类方法较多，可以按作用原理、外形尺寸、保护特征、触点负载、产品用途等分类。输入装置控制继电器线圈的继电器逻辑控制电路如下所示。LS1/PS4同时闭合，RA将被激励（致能energized），或称拾起（pick up/pick）。任一个开关打开，RA将被释放（消能deenergized），或称掉落（drop out/drop）。当RA被激励时，相关触点改变其状态，N.C触点打开，N.O触点闭合。当RA被释放时，RA控制的触点将回到它们正常状态，即常闭（N.C normally closed）触点闭合，常开（N.O normally open）触电打开。实际继电器有数个N.C触点和N.O触点。1在逻辑电路中，欲得到正面性结果，依据各控制电工作条件而定（串/并，如图例，若串联，需二者都闭合，若并联，之一闭合即可）2一旦逻辑电路产生正面结果，其输出可分支其他不同控制点，可控制其他须同时控制的电路或装置。反之，也可通过受其结果控制的电路，查知RA工作情形。一个小例子设RG为控制系统中一个水管通水与否的主控制继电器（通常就是一个电磁阀valve），水管是否通水，依据条件：13#汽缸必须充分扩张，（RB必须被激励）；2系统中水压必须足够，（RD必须被激励）；3系统中水必须清洁（无杂物），（RE必须被释放）；现设：3#汽缸（可能安装于此工业系统的机械装置的某一地，并附有某种凸轮可致动LS3），当LS3常开触点闭合时，激励RB，RB影响了RF/RG/RH，3个继电器逻辑控制电路，称为分支控制（branching-out），也称RB共扇出（fan-out）3个逻辑电路。RD：是一压力控制的阀门，一旦水管中压力达到一定水平即可令其致动（激励）RE：专门侦测水中杂物，一旦水中有某种杂物，即可令其致动（激励）因此，决策条件有3（都须满足）：1 RB（N.O）（闭合），2 RD（N.O）（闭合），3 RE（N.C）（闭合）， （上述例子中的逻辑关系实际就是一个与的逻辑关系实现）1-3 传送带/自动分类系统中的继电器逻辑控制电路（Relay Logic Circuit for a Conveyor/Classifying System）工艺原理：传送带从左至右传送零件，（检测后）按高/矮/轻/重4类（4种组合：矮且轻，矮且重，高且轻，高且重）分类并予以喷码包装。3个工作区，侦测区（Testing Zone）、喷码区（Painting Zone）、转换区（Diverting Zone），依次进入。 逻辑控制电路原理：1LS1激励（致动）RPZ，进行喷码区的工作2LS2激励（致动）RDZ，进行转换区的工作（同时释放RPZ，关闭喷码阀门）3L23-6激励（致动）RCLR，清除所有状态，恢复系统（进行下一零件处理）4高度/重量检测，高/重激励（致动），零件离开后恢复，（电路中有锁定状态）5其他一些继电器，组合逻辑（4种分类），进行相应处理（喷码/转向）6微动开关（LS），离开后恢复状态关键在于由微动开关LS1-LS6进行不同工作区的逻辑区分工作，触发相应逻辑处理（进入何区，清除所在区的状态等）；相应的几组继电器的几组接点实现记忆功能并组合实现相应工作。1-2，3-4，5-8，9-12，13-16，17-20，21-24。回环锁定状态。1-4 晶体管逻辑电路（Logic Performed By Transistors）（关于晶体管的补充知识）一些需了解掌握的知识点（概念）1 导体/绝缘体/半导体2 价电子/自由电子/空穴/载流子（多子、少子）3本征半导体/杂质半导体（P型/N型）4 PN结/二极管 /空间电荷区/耗尽层 /内电场/电位壁垒（阻挡层）/扩散运动/漂移运动5 正向偏置（正偏）/反向偏置（反偏）6发射区/集电区/基区 发射极/集电极/基极 e/c/b 截止/导通 发射/复合 扩散/收集一言以蔽之：NPN为例，基区为P型，掺杂度比较低，因此与发射极的电子流复合的空穴较少，基极电流较小，而自由电子流为集电极所收集，集电极电流较大（Ib+Ic=Ie），即放大原理。（基射极正偏，基集极反偏，导致电流的流向）。对于晶体管（NPN型），基极电压为低（一般小于0.7V），集电极与发射极截止；基极电压为高（一般大于0.7V），集电极与发射极导通，即输入0，输出1，输入1，输出0。晶体管工作原理概述（NPN为例）：内部结构（2个特点）：1 发射区高掺杂，多子浓度高（N型，自由电子多）2 基区很薄，低掺杂，多子浓度低（P型，空穴少）外部条件（即外加电源）：1 发射结正偏（自由电子，扩散运动）2 集电结反偏（收集，自由电子）上述内外2个条件，载流子运动3个过程：1 发射，电子电流空穴电流（因为浓度的原因）2 复合（形成基极电流IE）、扩散3 收集详细点来说： 半导体元素周期表中III、IV、V族元素的价电子分别为3、4、5，通常利用它们来制成半导体，大多数半导体是由这些元素的晶体形式制成的，而非晶体和多晶体结构的应用很有限，碳的晶体形式-金刚石，结构紧密，对价电子的束缚力很强，所以作为半导体来说毫无价值。而硅和锗的晶体形式是一种很有价值的半导体，其外层有4个价电子。锗在过去使用很多，随着工业技术的提高，硅器件和集成电路逐渐取代了锗，相比锗，硅的电特性更可取，如，温度稳定性更高。硅和锗的晶体结构与金属和绝缘体不同，它既不会给予价电子（如金属），也不会接受价电子（如绝缘体），而是相邻原子间由共价键连接。如果将液态硅或液态锗慢慢冷却，就可得到晶体结构。当价电子获得足够的能量就可以挣脱共价键的束缚而成为自由电子，此时半导体就有了导电能力。室温下，价电子的平均热能较低，小于脱离共价键所需的能量，但价电子中，热能的分布并不均匀，有的价电子获得的能量高于平均值，有的低于平均值，所以少数能量较高的价电子就可以脱离共价键而成为自由电子。自由电子与价电子相比数目非常低（1：1013）随着温度的升高，价电子获得的能量增加，自由电子的数量迅速增加。本征半导体，是指完全纯净的半导体晶体。对于金属来说，在外电场的作用下自由电子定向运动，形成电流。因为半导体与金属的导电机构不同，所以总电流是电子电流与空穴电流之和。当半导体的价电子获得足够能量后可以挣脱共价键的束缚而成为自由电子，而原来的共价键中就留下一个空位，叫空穴。在外电场或其他能源的作用下，相邻共价键中的价电子就可填补到这个空位上，而在这个价电子原来的位置上又出现一个新的空穴，在外电场的作用下，价电子会逆着电场的方向做填补空穴的运动，其效果如同带正电的空穴沿着电子相反方向运动一样，因此可把空穴看作是另外一种带正电荷的载流子。热激发作用下，自由电子与空穴连续成对产生，产生的速率取决于价电子的平均热能，归根结底与温度相关，但载流子的浓度不会无限增加，因为自由电子也可能跳入空穴，重新为共价键束缚，电子与空穴同时消失（称为复合），复合机率取决于自由电子与空穴浓度，浓度越高，发生复合机会越大。由于自由电子与空穴产生速率与温度有关，所以载流子的本征浓度对温度很敏感。如硅晶体，温度每升高11度，浓度增加一倍。本征半导体的导电能力是由两种载流子（自由电子和空穴）的浓度决定的，但在实际应用中，通用电子器件的导电性能主要由一种载流子的浓度决定，这种材料可通过向本征半导体中掺入少量其他元素形成，叫做杂质半导体。N型半导体向本征半导体中掺入微量五价元素，如锑，就可得到n型半导体。在晶体结构的某些位置上，锑原子取代了原来的硅原子，锑原子的五个价电子中有四个与相邻原子形成共价键，第五个价电子处于共价键之外，受的束缚很小，只吸收很少的热能就可以挣脱原子束缚成为自由电子。因为自由电子是由五价原子提供，该原子称为施主原子，除锑以外，砷和磷也可用作施主杂质。掺入施主原子后，自由电子的数目大大增加的同时也增加了与空穴复合的机会，因此空穴的平衡浓度降低。因为施主原子的浓度远大于本征浓度，而自由电子的浓度近似等于施主原子浓度，所以空穴浓度非常小，因此这种半导体中自由电子是多数载流子，以自由电子导电为主，这类半导体称n（negative）型半导体。P型半导体类似，如果某种半导体的导电以空穴导电为主，则需将本征硅晶体结构中的某些硅原子由三价原子（如硼、铝等）替代。这些杂质原子与周围硅原子组成共价键时，缺少一个电子，在晶体中便产生一个空位，当相邻共价键上的电子获得足够能量时，就有可能填补这个空位，使杂质原子成为不能移动的负离子，而价电子原来所处位置上出现一个空穴。因此，每掺入一个三价原子，就产生一个空穴，由于这些杂质原子能接受电子，称为受主原子。同理，因为复合机会增加的原因，自由电子浓度减小，空穴是多数载流子，以空穴导电为主，这类半导体称P（positive）型半导体。P型半导体与N型半导体结合，其交界面处就形成了PN结，从P区和N区分别引出一个电极就形成了结型二极管。（P加正压）在电场作用下，P区中的空穴会向N区运动，同时N区中自由电子会向P区运动，形成正向电流，只要外加一不大的电压（1V）就可以产生较大的正向电流（微量电压增加会使电流迅速增大），相反，若加反向电压，只会引起少数载流子的运动，因此反向电流很小（电压增大到一定值，反向电流达到饱和值）。整个二极管（diode）由一块半导体晶体形成，只是在其两边分别进行不同的掺杂。在离开PN结足够距离（典型的，结效应影响范围最多几微米）范围内，载流子的浓度只取决于掺杂浓度。扩散是导致半导体内空穴和自由电子运动的另一种作用过程，由相应的载流子的浓度差引起，空穴由P扩散到N，自由电子相反，因此在P和N区的交界面处形成了一个空间电荷层，即PN结，由于结区内的电荷密度分布，产生了电场，该电场是PN结内部产生的，叫内电场。因为整个晶体结构呈现电中性，结区左右两侧正、负电荷的数目相等，离开交界面处一定距离后，内电场作用将消失。由于内电场的形成，其方向为N指向P，会阻碍空穴和自由电子的扩散运动，最终形成一种动态平衡，此时P和N区中原有的均衡载流子分布被破坏。结区是由不能移动的正负离子组成，其内部没有可移动的电荷，载流子都由于复合而消耗殆尽，所以此区域又称耗尽区。二极管电流与所加电压呈指数关系，（反向饱和）电流与温度密切相关（理论表达式中有温度变量）（温度上升，少数载流子浓度增加，因此反向饱和电流增加）。当端电压一定，随着温度升高，电流增加，电流一定，随着结温升高，端电压会降低。通常结温远大于外界温度，所以正常安全工作，二极管结构要给出最大允许功耗值。反向击穿原理。 双极结型晶体管由两个结型二极管组成，以NPN型为例，两个N型半导体区分别为发射（eject）区和集电（collector）区，中间是一层很薄的P型半导体区，即基区（base）。正常工作：通过反射区的自由电子穿过正向偏置的发射结，然后在基区继续扩散，穿过反向偏置的集电结到达集电区。因为集电结反偏，所以集电极电流主要来自发射区的自由电子，而发射结的正偏对集电区电流具有控制作用，因此实现小电流控制大电流。基极电流只取决于与基极相连的外部电路。输入特性本质上是一个正偏二极管（发射结二极管）。若合理选择电路组件，输入电压（发射结电路端加的电源）的微小变化即可引起输出电压（集射间电压）的很大变化，实现了信号放大（系数为负，输入增加导致输出降低）。基极电流远小于集电极电流，因此由输入电压提供的输入功率远小于输出功率，此部分多余功率由集射间直流电源提供。最早的集成数字逻辑门电路使用双极结型晶体管作为逻辑元件，晶体管电路是基本共射极电路的各种变体，后来，这种电路发展成标准集成电路，可实现多种逻辑功能。到60年代，一种高级集成电路得到推广：晶体管-晶体管-逻辑（TTL）系列。随着超大规模集成电路的开发，使用金属-氧化物场效应管（MOSFET）取代晶体管，使得TTL门阵列逻辑功能仅由一块集成电路就可实现。设计逻辑电路，2个基本问题：一个是电路静态传输特性，一个是动态工作情况，前者不难，后者指获得较短的响应时间，通常用门电路的工作速度（指门电路对一组变化输入信号的响应速率）来衡量。 根据晶体管的工作状态，可划分为三个工作区：截止区、放大区、饱和区。截止区内，器件的电流值为零，当发射结反偏（或正偏电压很小，不足以引起有效电流时），工作在截止区。放大区，基极电流对集电极电流有控制作用，此时发射结正偏而集电极反偏。当集射极电压保持为一个很小的值，且该值大小与基极电流无关，进入饱和区，此时集电结、发射结均正偏。对于晶体管逻辑电路，其静态逻辑电平分别与晶体管的截止和饱和区对应，随逻辑电平的转换，在饱和态和截止态间切换（但都要经过放大区，这样限制了电路中逻辑电平的转换速率）。 三种早期的晶体管逻辑电路：电阻-晶体管、直接耦合晶体管、二极管-晶体管。晶体管-晶体管逻辑电路是对二极管-晶体管电路的改进，由J.L.Buie于1961年开发，是TTL集成电路逻辑门的基础。晶体管的电容效应限制了它的开关特性，为缩短开关延迟时间，必须使用外部电路快速移走晶体管内存储的电荷，TTL电路就是根据该原理制成。集成逻辑电路是由许多基本TTL电路或其改进电路组成，既有小功率类型，也有大功率类型，标准集成电路通常由100或更多晶体管组成，可实现各种逻辑功能。 与/或 逻辑电路对于继电器组成的与电路，所有接点串接（所有接点都闭合才能激励）；对于继电器组成的或电路，所有接点并接（只要有一个接点闭合就能激励）。对于固态逻辑电路，高/低、闭合/打开、1/0、高电位/低电位、HI/LO、+5V/地（0V）。与：X，Y，Z任一低（LO），Q1截止，Q2导通，输出（W）为低（LO）；全为高，输出为高，所以与逻辑。或：X，Y，Z任一高（HI），Q1导通，Q2截止，输出（W）为高（HI）；全为低，输出为低，所以或逻辑。1-5 逻辑门-固体逻辑（电路中的）基本元件（Logic Gates-The Building Blocks of Solid-State Logic）简单符号（symbols）代替线路元件（一个符号即是一个逻辑门），利用简单逻辑门（电路）组成实际中复杂的逻辑电路。简单的分立元件电路组成基本单元，给以特殊符号；建筑方块（building block）常称为逻辑门（logic gate/ gate）。5种常见的逻辑门：与（AND）/或（OR）/非（NOT）与非（NAND）/或非（NOR），任意组合输入须知其输出。1-6传送带/自动分类系统中的固态逻辑控制电路（Solid-State Logic Circuit for the Conveyor/Classifying System）I2：正常情况下输出为高（1K欧的电阻接地结果）高度检测器：只有高才闭合（正常情况下或矮打开）1. 高度/重量触发会产生一个相应状态，保持至清除前2. 转向区会清除喷码区状态（关喷阀）3. 转向后启动主清除：去重/高的信息锁，去转向状态 1-7 固态逻辑电路的输入装置（Input Devices for Solid-State Logic） （HI）逻辑电压与逻辑门的输入直接连接，理论上可行，实际不好。机械式开关闭合时，由于惯性作用，会在闭合点（contact）上，来回往复反弹几次，才能在永久闭合点上稳定下来，此现象称接点反弹现象（contact bounce）。反弹现象时间很短，ms量级，但固态电路反应速度极快，能将此现象充分反应，因此反弹信号很可能在固体逻辑电路中引起严重的误动作。1-7-1 电容性开关滤波器（Capacitive Switch Filters） 开关和逻辑门之间接上滤波装置，可将反弹现象平整成一个平滑输出（单一信号）。第一次闭合，经等效电阻R1/R2对C充电，因为反弹，很快开关弹开，充电量太微小，不致影响门的输入，其后的反弹都因时间短暂，无法满足对C充电来启动门。最后，稳定后，C被充电至可令门动作的临界电压，使门动作。同时，可滤除输入的高频噪音（低通滤波器）。R1 ，R2的分压作用，只需达到临界（推动门启）电压即可。1-7-2 反弹现象消除电路（Bounce Eliminators） RC滤波电路：将前面的反弹现象完全消除后用稳定后信号工作；逻辑电路：以（闭合的）第一个反弹信号工作，立即使动作稳定，（不管后续反弹是否继续发生/不受后续发生的反弹影响）；缺点：需双掷开关。核心：由NOR2的2个低输入致高输出，反馈至NOR1至稳定低输出（NOR1的输入），构成自锁。闭合后，NOR1输出0，致NOR2输出1，反馈至NOR1，稳定在输出0（加个反门，最终输出1）相反过程类似。1-7-3 信号转换器（Signal Converters）输入装置需可靠地工作在低电压、低电流条件下。逻辑高电压（5V/20V）实际情况，如：1）距离遥远，接线长，电阻高，压降大，线路损失大，无法识别H/L2）接点存在灰尘，氧化物，化学污渍等，使电阻增高，小电压无法克服。因此，需采用高压操作（另外的好处：可在接点产生电弧，清洁杂物）。采用高电压输入，利用信号转换器（signal converter），转换成低电压供门电路使用。绘图时，用2根线表示，1入1处，实际使用中4根线，2入2处。 电气隔离（Electrical isolation）；磁簧开关（reed relay）；光耦合信号转换器。1-8 固态逻辑电路的输出装置（Output Devices for Solid-State Logic）输出放大器（output amplifier）：加在致动装置和电路之间，将电流/电压功率增至较大输出功率，以推动致动装置。也称，推动器（driver），缓冲器（buffer）。符号表示，2条线，1入1出，实际4条，2入2出。其中a无法电气隔离，b可以完全电气隔离。1-9 固态逻辑电路与继电器逻辑电路比较（Solid-State Logic Compared to Relay Logic） 电磁继电器几乎可解决任何问题，由于材料的设计改进，寿命可达数百万次，因此仍有使用价值。 优劣比较：1、可靠度（信赖度）（reliability） 电路设计中，最主要的考虑因素。对于继电器：机械式连杆及接触片，会磨损，另外大的电流通过会在线圈上和绝缘体之间造成应力，因此寿命至数百万次，若2次/分钟，2880次/天，超过百万次/年，有些继电器一天动作超过2880次，所以使用寿命有限。继电器暴露于大气之中，脏粒子污染，化学物质与灰尘侵害触点表面，绝缘受损害，触点可能融接。 对于固态逻辑电路：无可动部分及产生瞬时大电流结构，只要设计时防止瞬时温度产生冲击及不合适的过流，即无使用期限的限制。固态元件通常以包装密封，与大气隔离，不受脏粒子干扰。2、易爆环境（Explosive environment）继电器暴露在空气中，在较大电流或高压下，其接点动作时，易产生火花，另，在off动作时，因线圈产生的瞬时大反电动势，也可能出现火花，因此若有易爆气体存在，须将继电器密封。固态元件无火花，适合在易爆环境里使用。3、空间需求（Space requirement） 以体积大小和重量而言，固态逻辑电路更轻便，如在旧系统中添加新系统，空间有限，就需考虑使用固态电路。4、工作速率（Operating speed） 继电器速率在毫秒量级，固态电路在微秒或纳秒一级，有时如在科学计算时即要求速度性能。5、成本（Cost） 单个而言，固态电路支出须：直流电源、信号转换器、输出放大器和印刷电路板等额外成本，故继电器电路较便宜。但若以大型电路而言，包含数百个元件时，每个固态电路成本较每个继电器低，总和足以抵消额外成本，从而固态电路更便宜一些。另，固态电路消耗功率远较继电器电路为低，因此在大电路系统中，固态电路可节省大量能源。6、继电器的优点（Advantage of relay logic） 1）小系统时，继电器电路较便宜（无电源，无界面电路，无印刷电路板）。 2）继电器不易受外界噪音信号影响，产生误动作，固态电路须注意噪音干扰问题。 3）继电器可工作于高温环境，固态电路须加冷却系统（成本上升，可靠度下降） 4）继电器更为（维护）技术人员所熟悉，虽然二者大同小异。1-10工具机循环工作系统逻辑电路设计（应用固体逻辑电路）（A Solid-State Logic Circuit for a Machine Tool Routing Cycle）工艺原理：工作件上刨出2个凹槽，（南侧/北侧），工作件东西向固定，南北向移动，刨刀东西向移动（刨出凹槽）。1. 正确置入工作件，按下start键，汽缸A向东伸长，北槽刨出一槽；2. 汽缸A凸轮触动LS2，汽缸B向北伸展，完全后，凸轮触动LS3；3. 汽缸A向西回缩（无激励，阀门返回原位置，液体流向改变，迫使退回），南侧刨出一槽，完全后，凸轮触动LS1（使之闭合）；4. 汽缸B向南回缩，至起始位置，工作循环完成。核心思路：1. start启动A，AND1回馈OR1锁定（输出），（触动LS2）；2. LS2启动B，AND2回馈OR2锁定（输出），（触动LS3）；3. LS3（闭合）使A回缩，（刨槽），（触动LS1）；4. LS1（闭合）使B回缩，恢复，完成工作循环。对于一对反馈互锁的或、与们来说，或门受控端1（置0），与门受控端2（置1），此时输出（0，0）或（1，1）都为稳定状态，取决于电路中受控端的状态，这也是触发的核心作用，上述的1、2、3、4，四次触发，即直接作用于几个受控端，引起相应逻辑电路的输出变化（01），从而引起符合逻辑和时序的A和B的激励（伸展）、释放（回缩）。其中，LS1较为特殊，为常开开关（NO），只是因为A将其触动，所以起始在闭合状态，一旦A离开初始位置，则LS1恢复成打开（断开，Open）状态。 注：关键是准确理解LS1，LS2，LS3在电路逻辑中所起到的作用。 1-11首次故障示警器逻辑电路设计（Logic Circuit for a First Failure Annunciator）避免故障示警后，又恢复状态，无法确认。首次：对因第一次故障所引起的一连串故障信号予以忽略，方便维修。工艺原理：对于（3种故障中）首次发生的故障进行报警（喇叭/指示灯），处理后恢复系统状态。3种故障为（引起的危险）：1天然瓦斯供应的压力太高；2燃烧气压太低，不能让瓦斯完全燃烧；3锅炉温度超过允许的最大值； 初始状态（利用假设，可推论验证）：1锁定线lock（I1）为HI（NAND10输出为LO），（NAND1的受控端）；2NAND5输出为LO；3NAND4输出为HI； 4重置线I2输出为HI，受控端1；5NAND1输出为HI，受控端2； 逻辑控制电路原理分析：1NAND1输入有一为LO，致其输出为HI，NAND5输出为LO，致NAND4输出为HI，4/5构成互锁（一旦其输入有变，导致锁定的状态改变）；2NAND10的3路输入为HI，故障发生时，致其输出为HI，鸣警，同时锁定线变为LO，锁定故障引人端的输入，保证首次故障示警（不会再引人其他故障指示）；3重置线，LO进行重置，解除所有锁定状态，恢复初始状态，（主要引起NAND4的输出为HI，致NAND5输出LO，NAND10输出LO，I1即锁定线输出HI）；发生故障时（如第一个，高压瓦斯气引起），电路的变化：1NAND1输入均为HI，输出为LO，致NAND5输出为HI；2NAND5输出HI，致NAND4输入均为HI（一路为I2，HI），输出为LO，同时示警灯亮；3NAND4输出为LO，致NAND10输出为HI，鸣警，锁定线（I1）输出为LO，锁定故障引人NAND1-3； 重置时，电路变化：1NAND4输入LO，输出为HI，致NAND5输出LO，锁定NAND4（重置线I2可恢复HI，而对NAND4无影响） ，同时示警灯灭；2NAND4/6/8输入LO，输出HI，致NAND10输出为LO，锁定线（I1）为HI，无效，不锁定（可引人故障指示），同时警鸣器关闭；电路因此恢复原