Транзисторные реле

Под реле понимают устройство, предназначенное для скачкообразного изменения состояния электрической цепи в результате воздействия входного сигнала. При этом предполагается, что мощность сигнала управления существенно меньше мощности коммутируемой цепи. В качестве реле можно использовать однокаскадный транзисторный усилитель, выполненный по схеме с общим эмиттером, в которой транзистор VTработает в ключевом режиме (рис. 13.1, а).

Коммутируемая нагрузка RH находится в цепи коллектора, а источник сигнала управления Uy подсоединен к цени базы. При отсутствии сигнала управления транзистор VT закрыт и нагрузка, соответственно, обесточена. При скачкообразной подаче сигнала управления создается ток в цепи базы, достаточный для перевода транзистора в режим насыщения, и нагрузка скачком подключается к источнику коллекторного напряжения (рис. 13.1, 6). Возврат реле в исходное состояние происходит при снятии сигнала управления. Однако при плавном изменении входного напряжения переход транзистора из одного состояния в другое затягивается (рис. 13.1, в). В результате возрастает время включения (?вкл) и выключения (^выкл) транзистора, в течение которого транзистор находится в активном режиме. Крутизна фронтов повышается при увеличении коэффициента усиления транзистора (3 или при введении промежуточных усилителей. Статические и динамические процессы транзисторов в ключевых режимах работы подробно рассмотрены в гл. 10.

Транзисторное реле на основе однокаскадного усилителя

Рис. 13.1. Транзисторное реле на основе однокаскадного усилителя:

а — принципиальная схема; 6 — идеальные диаграммы напряжения; в — диаграммы напряжения с учетом времени коммутации

Таким образом, однокаскадный усилитель при плавном изменении входного сигнала не обладает релейной характеристикой срабатывания. Для создания такой характеристики необходимы устройства с положительной обратной связью (ПОС). В электромагнитных реле постоянного тока существует внутренняя естественная ПОС: при движения якоря с уменьшением зазора увеличивается электромагнитная сила. Поскольку на выходе однокаскадного усилителя происходит инвертирование знака входного сигнала, реле с ПОС можно реализовать на основе двухкаскадных усилителей. В этом случае к входному сигналу будет добавляться синфазный сигнал обратной связи и (при определенных условиях) процесс переключения начнет развиваться лавинообразно.

Возможны два способа выполнения ПОС: по напряжению и току.

На рис. 13.2, а представлена схема реле на базе двухкаскадного усилителя с ПОС по напряжению. Оба транзистора работают в ключевом режиме. Коммутируемая нагрузка Rn включена в цепь коллектора выходного транзистора VT2. Напряжение управления Uy подводится через резистор Rca к базе входного транзистора VT1, которая через резистор ПОС Roc подключена к выходу реле — коллектору транзистора VT2. Прямую связь между каскадами обеспечивает резистор R()2. Реле управляется знакопеременным входным сигналом. Будем считать исходным состоянием реле, когда входное напряжение отрицательно. В этом случае транзистор VT1 закрыт и, соответственно, транзистор VT2 открыт.

Транзисторные реле с положительной обратной связью

Рис. 13.2. Транзисторные реле с положительной обратной связью:

а — по напряжению; б — по току; в — диаграммы напряжений

При появлении положительного напряжения 1)у возникает ток базы транзистора VT1 и он переходит из режима отсечки в активный режим. В результате напряжение на коллекторе транзистора VT1 снижается, что приводит к уменьшению тока базы транзистора VT2, который начинает выходить из режима насыщения. При переходе транзистора VT2 в активный режим возникает ток в цепи ПОС (ток в резисторе Roc). Ток ПОС суммируется с током входного сигнала, что приводит к дополнительному увеличению тока базы i61. И далее процесс идет лавинообразно. Благодаря действию ПОС создается релейный эффект, что вызывает скачкообразное выключение транзистора VT2 и обесточивание нагрузки. В новом состоянии транзистор VT1 будет оставаться насыщенным и при снижении Uy до нуля при соответствующем выборе /?ос.

Сопротивление резистора /?ос, обеспечивающее релейный эффект, может приближенно быть определено так:

где (3t, р2 коэффициенты усиления транзисторов.

Для возврата реле в исходное состояние необходимо подать отрицательное входное напряжение, чтобы закрыть транзистор VT1. Этот процесс после перехода обоих транзисторов в активный режим также будет развиваться лавинообразно.

Схема реле с ПОС по току приведена на рис. 13.2, б. Резистор Roc ПОС включен в цепь эмиттеров обоих транзисторов. Эта схема при отсутствии входного сигнала всегда имеет одно приоритетное состояние (транзистор VT2 открыт), поскольку ток эмиттера транзистора VT2 создает напряжение на резисторе Л()С, запирающее транзистор VT1. Такое устройство известно также как «триггер Шмитта».

Для перехода реле в другое состояние необходимо подать входное положительное напряжение Uyy несколько превышающее падение напряжения на резисторе Roc. Появление тока базы в транзисторе VT1 переводит его в активный режим, что вызывает снижение напряжения на его коллекторе и соответствующее уменьшение тока базы транзистора VT2. При выходе транзистора VT2 из насыщения оба транзистора оказываются в активном режиме, падение напряжения на резисторе Roc уменьшается и ток базы транзистора VT1, соответственно, увеличивается. В результате действия ПОС возникает лавинообразное переключение транзисторов из исходного состояния в противоположное. Сопротивление резистора Roc, при котором возникает релейный эффект, приближенно может быть определено из соотношения

Возврат реле в исходное состояние произойдет при уменьшении входного напряжения Uy ниже нового значения напряжения на резисторе Roc. Поэтому в схеме с ПОС по току уровни срабатывания и отпускания реле различны, как и в схеме с ПОС по напряжению. Таким образом, подобно электромеханическим реле характеристика «вход-выход» имеет гистерезис.

Рассмотренные схемы реле на основе двухкаскадных усилителей на биполярных транзисторах важны для понимания метода ПОС, используемого в электронных устройствах с релейным эффектом срабатывания. Однако напряжения срабатывания и отпускания таких реле зависят от прямого падения напряжения на переходе база-эмиттер входного транзистора, что вносит дополнительные температурные погрешности. Возможности микроэлектроники позволяют создать более совершенные реле. При этом релейный элемент целесообразно выполнять на базе интегральных операционных усилителей с внешней ПОС, а в качестве выходного каскада использовать силовой ключ на транзисторах. Пример такого реле приведен на рис. 13.3.

Реализация различных алгоритмов работы устройств автоматики и защиты требует применения реле времени, реле тока, реле мощности, реле частоты и т.д. Электромеханические реле указанных типов достаточно громоздки и не обладают необходимой гибкостью. Появление транзисторов позволило создать более совершенные реле. В качестве примера на рис. 13.4 представлена схема реле времени, выполненная на основе двухкаскадного транзисторного усилителя и времязадающей RC-цеии (резистор R1 и конденсатор С).

Электронное реле на основе операционного усилителя

Рис. 13.3. Электронное реле на основе операционного усилителя

Электронное реле времени

Рис. 13.4. Электронное реле времени

В исходном состоянии реле ключ S замкнут, конденсатор С разряжен, транзистор VT1 закрыт напряжением ?зап, а транзистор VT2 выходного каскада проводит ток нагрузки, т.е. реле включено. После размыкания ключа S отключение реле происходит с некоторой задержкой, обусловленной инерционностью процесса заряда конденсатора С по цепи: Е - R1 - С - Е.ма. При превышении напряжением на конденсаторе IJC значения, равного по модулю напряжению источника Езяп, напряжение база-эмиттер транзистора VT1 становится положительным. В резз'льтате транзистор VT1 открывается, a VT2 — закрывается, обесточивая нагрузку Rn. Время выдержки на отключение реле (без учета прямого падения напряжения база-эмиттер транзистора VT1) приближенно равно

Современные электронные технологии принципиальным образом изменили возможности электронных реле. Они способны коммутировать цепи постоянного и переменного токов с напряжениями от единиц микровольт до нескольких сотен вольт и токами от единиц микроампер до одного ампера. Реле имеют интегральное конструктивное исполнение в стандартном миниатюрном пластиковом корпусе. На рис. 13.5 в качестве примера приведены типовые схемы реле для коммутации переменного и постоянного тока. Они выполнены на основе МОП-транзистора.

Интегральное реле с выходным МОП-транзистором

Рис. 13.5. Интегральное реле с выходным МОП-транзистором

Дальнейшее развитие привело к появлению многофункциональных реле в едином корпусе по интегральной технологии. Такие реле получили название «интеллектуальных» или «разумных». Они имеют внутренние защиты, обеспечивающие безотказную работу реле в разных аварийных режимах. Примером «интеллектуального» реле может служить модуль PROFET фирмы lnfenion Technologies, структурная схема которого приведена на рис. 13.6.

Структурная схема «интеллектуального» реле

Рис. 13-6. Структурная схема «интеллектуального» реле

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >