1. Классификация ЭА по напряжению и току. Общие требования, предъявляемые к ЭА. Сравнительный анализ электромеханических (ЭМЭА) и электронных (ЭЭА) электрических аппаратов, их особенности при коммутации электрических цепей. Одним из основных признаков классификации ЭА является напряжение. По этому признаку различают аппараты низкого (до 1000 В) напряжения и аппараты высокого (свыше 1000 В) напряжения. Большинство аппаратов низкого напряжения условно можно разделить на следующие виды:

 аппараты управления и защиты – автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и др., управляющие режимом работы оборудования и его защитой;

 аппараты автоматического регулирования – стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров электрической энергии;

 аппараты автоматики – реле, датчики, усилители, преобразователи и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов. Аппараты низкого напряжения классифицируют и по величине коммутируемого тока: слаботочные (до 10 А) и сильноточные (свыше 10 А). При этом нижние пределы коммутируемых токов достигают 10^9 А, а напряжений – 10^5 В.

Аппараты высокого напряжения работают в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока и также существенно различаются по своим функциям. К аппаратам высокого напряжения обычно относят следующие основные виды аппаратов:

 выключатели высокого напряжения, обеспечивающие включение и отключение силовых электрических цепей в различных режимах работы, включая аварийные, например, короткие замыкания (КЗ);

 токоограничивающие реакторы для ограничения токов КЗ и шунтирующие реакторы для ограничения перенапряжений и компенсации реактивной мощности; ограничители перенапряжений на основе разрядников и элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ) (например, оксидоцинковые ограничители перенапряжений);

 разъединители и отделители для отключения цепи без тока при ремонте электрооборудования;

 измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Электрические аппараты как низкого, так и высокого напряжения являются конструктивно законченными техническими устройствами, реализующими определенные функции и рассчитанными на разные условия эксплуатации.

В основе большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов – ручным, электромагнитным, механическим и др. Наличие подвижных механических частей, явления искрои дугообразования при коммутации, ограниченное быстродействие и другие негативные факторы, присущие электромеханическим ЭА, инициировали работы по созданию статических ЭА, которые в научно-технической литературе ранее назывались бесконтактными, а в последнее время – электронными аппаратами.

2. Однокаскадный транзисторный ключ (отк). Режимы отсечки и насыщения.

Рассмотрим простейший однокаскадный транзисторный ключ (ОТК). В зависимости от целевого назначения ОТК может несколько видоизменяться, но в основе всех модификаций лежит следующая схема с ОЭ. закрытое открытое

Различают следующие режимы работы ключа: режим отсечки; нормальный активный; инверсный активный; режим насыщения. Хотя ОТК подобен транзисторному усилителю с ОЭ, однако по выполняемым функциям и режимам работы транзистора он отличается от усилительного каскада. ОТК имеет два основных состояния: разомкнутое (режим отсечки, транзистор заперт) и замкнутое (режим насыщения, транзистор открыт). В процессе переключения транзистор работает в активном режиме. Вспомним условные обозначения р-п-р и п-р-п транзисторов с указанием направления токов в нормальном активном режиме (рис. 1.2), и исходя из этого сделаем анализ работы ОТК.

В режиме отсечки оба перехода транзистора смещены в обратном направлении. Причем, различают режимы глубокой и неглубокой отсечки.

В режиме глубокой отсечки к р-п переходам приложены напряжения, превышающие (3...5)тφ (где m - масса основных носилей зарядов (φ=kT/q - температурный потенциал), т.е. больше +0,8 В. В этом режиме токи электродов транзистора имеют наименьшие значения, что соответствует разомкнутому состоянию ОТК - точка 1 на вых. характеристике.

В режиме неглубокой отсечки (например, при повышенной температуре окружающей среды) приложенное напряжение меньше (З...5)т<р_т, и получаем точку I' на ВАХ.

Характеристики режима отсечки снимаюся, когда Iэ=0 и -Iк=-Iкб0=+Iкб. В этом режиме выполняется Uкз=U^-пит-Iкб0Rк≈U^-пит.

Рассмотрим режим насыщения.

Условием насыщения транзистора будет выполнение следующего условия:

откуда

Транзистор будет насыщен, если последнее условие выполнено. При этом необходимо сравнить полученное значение R₆ в режиме отсечки. Незначительное увеличение R₆ или уменьшение R_K, приведут к выходу транзистора из насыщенного состояния в активный режим. Поэтому граничные значения R₆ не берутся, а берется меньшее из 2-х режимов значение R₆, тем самым создается запас по степени насыщения транзистора в случае повышения температуры окружающей среды.

3. Временные параметры отк.

Временные параметры ОТК. Переход из закрытого в открытое состояние в ОТК происходит за некоторое время, обусловленное переходными процессами в схеме. Принято считать время изменения выходного напряжения от значения Uкзотс=U^-пит - Iкб0Rк до значения U_K3s временем включения ключа t_вкл. Коллекторный ток I_к возрастает, стремясь к уровню h21эminI⁺б с постоянной времени τ (рис.2.1), характеризующей влияние конечной скорости диффузии неосновных носителей заряда в базе транзистора из-за наличия емкости коллекторного перехода. Для экономии места на графиках, примем h21эmin=β. Учитывая экспоненциальность изменения тока коллектора на этапе включения, можно записать. Время t_вкл тем меньше, чем выше быстродействие используемого в ОТК транзистора, т.е. меньше его постоянная времени τ. После окончания времени t_BKJ1 транзистор полностью насыщается. Это приводит к отпиранию коллекторного перехода транзистора, который в активном (переходном) режиме был смещен в обратном направлении. Процесс накопления заряда условно можно отразить изменением тока от Iks до h21эminI⁺б постоянной времени τ. Через время t_s =(3..4)τ, процесс накопления заряда в базе закончится установлением заряда, определяемого значением базового тока 1_б ≈ U_{BX max} / R₆, и транзистор окончательно попадает в статический режим насыщения. Будут выполняться равенства: uб= Uб_3S; и_к = U_K3S; i_к = I_Ks. Далее каких-либо изменений токов и напряжений в транзисторе до конца действия отрицательного входного импульса не происходит. При изменении напряжения от U^-_вхmax до U⁺_вхmax скачком из-за накопления избыточного заряда неосновных носителей в базе, транзистор остается в насыщенном состоянии ток Iks продолжает протекать, несмотря на то, что ток базы изменил направление, и стал запирающим. Запирающий ток обеспечивает рассасывание избыточного заряда в базе. Процесс рассасывания на рис. 2.1 отражается изменением i_к от значения h21эminI⁺б до значения h21эminI^-б Режим насыщения заканчивается через время рассасывания t_р (время задержки выключения ключа), и оно оценивается по формуле

Время рассасывания тем меньше, чем больший ток базы создает U^_xmax, и чем ближе I_KS к значению h21эminI⁺б Т-е- меньше степень насыщения транзистора во включенном состоянии. Отсюда получаем противоречия с точки зрения быстродействия ОТК. Для уменьшения t_вкл коэффициент насыщения надо увеличить, но тогда увеличивается время задержки включения ключа за счет t_p. По завершении процесса рассасывания транзистор переходит в активный режим и начинается формирование среза импульса напряжения и_кэ. На этом этапе идут 2 процесса: I) уменьшение коллекторного тока до значения I_к0; 2) заряд емкости коллекторного перехода С_кб через R_K от источника питания. В активном режиме постоянная времени изменяется с τ_s на τ_e, т.е. 1_ks уменьшается стремясь к h21эminI^-б постоянной времени τ_e. 1-й процесс происходит быстро, особенно при большом запирающем токе базы. Поэтому длительность этого процесса составляет незначительную долю от времени формирования среза выходного импульса и_кэ. Гораздо длительнее 2-й процесс. Так как транзистор заперт и практически не шунтирует цепь заряда, имеет место постоянная этой цепочки R_K (С_кб + С_н )= τ_к. Длительность среза импульса напряжения составляет u_K3t_c ≥ 3τ_к. Можем отметить, что время tвыкл=tc+tp

4. ОТК с внешним смещением.

ОТК с внешним смещением. Рассмотренная ранее схема ОТК имеет ряд недостатков:

1)использование биполярного сигнала для управления, что затрудняет сопряжение однотипных ключей, имеющих однополярный выходной сигнал;

2)низкое быстродействие, вызванное значительным временем рассасывания неосновных носителей заряда;

3)зависимость длительности фронта (крутизны) и длительности среза выходных импульсов от степени насыщения транзистора;

4)так как коэффициент h_21э у транзисторов одной группы имеет значительный разброс, то время t_вкл и t_выкл транзисторов в ОТК будут меняться, что создает дополнительные трудности при выпуске серийной аппаратуры. Одной из схем, устраняющих частично эти недостатки является схема ОТК с внешним смещением (рис.2.2).

Входной сигнал, управляющий работой ОТК, может быть однополярным. При небольшом отрицательном значении и_вх транзистор должен быть заперт, при появлении достаточно большого отрицательного напряжения и_вх -насыщен. В базовой цепи схемы используется дополнительный источник U⁺см. ОТК также управляется прямоугольными импульсами, но одной полярности U вх мах.

При отсутствии импульсов U^--_вхмах транзистор заперт. Для определения напряжения запертого транзистора применим преобразование. Для этого источник U_см ⁺, делитель напряжения R_CM и R₆ заменим по отношению к переходу «б-э» транзистора эквивалентными ЭДС и сопротивлением:

Для насыщенного состояния транзистора ток базы:

Коллекторный ток насыщенного транзистора ограничен значением

Для выполнения условия насыщенного состояния необходимо выбрать: