2.7. Устройства, реагирующие на уровни сигналов

Компараторы (нуль-индикаторы) служат для сравнения напряже­ния входного сигнала с опорным напряжением или для сравнения двух входных напряжений. Нуль-индикаторы (НИ) имеют два устойчивых состояния, которым соответствуют сигналы на выходе 0 или 1. В каче­стве НИ широко используются операционные усилители. В компараторном режиме цепи отрицательной ОС обычно у ОУ отсутствуют.

Одновходовые компараторы (рис. 2.27, а) используются для срав­нения разнополярных входных напряжений и -U₂, поступающих на инвертирующий вход ОУ. При этом напряжение на входе ОУ и его вы­ходе разнополярны. В зависимости от результатов сравнения напряже­ний и U₂ выходное напряжение принимает значение U_вых ⁼ или U_вых = -Е₂ При U₂ режим ОУ становится неустойчивым, он может переключиться в любое состояние. Точность сравнения на­пряжений увеличивается с увеличением их амплитуд, которые, одна­ко, не должны превышать допустимых уровней. Сопротивление рези­стора b цепи неинвертирующего входа определяется через и R₂ Двухвходовые компараторы (рис. 2.27, б) сравнивают сигналы, поступающие на оба входа усилителя. Поэтому полярность выход­ного напряжения определяется большим по модулю напряжением одного из входов. При равенстве входных напряжений ОУ выходное напряжение U_вых равно нулю.

Стандартные ОУ непосредственно не могут быть использованы в качестве НИ. Это связано с тем, что низкий потенциал на выходе ОУ в режиме переключения равен 2—3 В, в то время как для управления элементами ТТЛ или КМОП-схемами низкий уровень (сигнал 0) не должен превышать ±0,4 В. С другой стороны, высокий потенциал (сигнал 1) на выходе закрытого ОУ превышает допустимый уровень на входах ТТЛ, который обычно не выше 3,5 В.

Для согласования выходных параметров ОУ с входами логичес­ких схем применяются специальные схемы в виде простейших нуль-индикаторов, которые переключаются из состояния 0 в состояние 1 и обратно при переходе напряжения на выходе ОУ через среднее на­пряжение между максимальным и минимальным уровнем. Возмож­ны различные схемы таких НИ.

На рис. 2.28, а представлена схема нуль-индикатора на транзис­торной схеме (VT1 и VT2) с заземленным эмиттером. В схеме для питания ОУ, НИ и выходной логической схемы L используются два источника питания и , обычно E₂ ⁼ 0,5 Е\. Схему рис. 2.28, б отличает наличие трех источников питания. Два разнополярных ис­точника и Е₂ используются для питания ОУ, а E₃ — для питания НИ и выходной логической схемы L.

Схемы сравнения абсолютных значений электрических величин выполняются на основе НИ. Для сравнения двух напряжений исполь­зуют двухвходовой НИ (см. рис. 2.27, б), имеющий прямой и инверс-

ный входы. Резисторы R1 и R2 служат для уменьшения входных то­ков НИ или отображают внутреннее сопротивление источников сиг­налов (напряжения и U₂).

В схеме рис. 2.28, б используется для ввода информации инверс­ный вход ОУ. Если равны входные напряжения и U₂ по величине и входные сопротивления и R₂, то равны и токи = 1₂. В этом случае напряжение на входе ОУ равно нулю. При >U₂ на входе ОУ потенциал выше нуля и на его выходе напряжение, соот­ветствующее сигналу 0. При U₂ на входе ОУ потенциал ниже нуля и на его выходе будет сигнал 1.

Пороговые устройства являются разновидностью рассмотренных схем сравнения. Они срабатывают при условии, что уровень входно­го напряжения превышает некоторое наперед заданное значение, на­зываемое порогом срабатывания , и возвращаются в исходное со­стояние при уровне входного напряжения U_воз- Отношение U_cр к U_воз называют коэффициентом возврата К_воз = U_воз / . Для получения К_в03 < 1 в пороговом устройстве применяют небольшую положитель­ную обратную связь. Коэффициент усиления в активной зоне становится очень большим и устройство из закрытого состояния в откры­тое и наоборот переходит скачкообразно.

Схемы сравнения по уровню переменных напряжений широко ис­пользуют в устройствах релейной защиты, автоматики и телемехани­ки. В этих схемах сравнение переменных напряжений по уровню осуще­ствляется как в пороговых устройствах с той лишь разницей, что пере­менные напряжения предварительно выпрямляют. Переменную составляющую выпрямленного напряжения отфильтровывают с помо­щью RC-фильтра. Это приводит к снижению быстродействия схемы сравнения из-за того, что выпрямленное напряжение на входе фильт­ра изменяется медленнее, чем переменное на входе выпрямителя.

17. Однофазное реле переменного напряжения (тока) рассмотрим в качестве примера схемы сравнения (рис. 2.29, а). Реле включает в себя разделительный трансформатор TL; выпрямительный мост VD с ем­костным фильтром С; схему образования опорного напряжения (ре­зистор R1 и стабилитрон VD_CT); нуль-индикатор VT1-VT6, охвачен­ный положительной ОС резистор R_oc; выходной инвертор L.

На первичную обмотку трансформатора TL подается напряже­ние U_x(t), являющееся аналогом контролируемой величины (напря­жения или тока). Снимаемое со вторичной обмотки трансформато­ра напряжение выпрямляется мостом VD и поступает на резистор R2, являющийся входом схемы сравнения. Ко второму входу (с рези­стором R1) схемы сравнения подводится стабилизированное опор­ное напряжение, снимаемое со стабилитрона VD_CT. В диагональ мо­ста, образованного источником опорного напряжения U_on и сигна­ла U_c, а также резисторами R1 и R2, включен дифференциальный каскад нуль-индикатора на транзисторах VT1 и VT2.

Если U_on/ > R₂, т.е. U_0П потенциал базы VT1

будет выше, чем базы VT2. При этом транзистор VT1 будет открыт, а VT2 — закрыт, транзисторы VT5 и VT6 также будут открыты и на выходе Q схемы будет сигнал 0.

Если же входное напряжение реле U_x(t) возрастет до напряжения срабатывания (рис. 2.29, б), при котором выполняется условие

> , то потенциал базы VT1 становится ниже потенциала базы VT2, транзистор VT1 частично закры­вается, а транзисторы VT2 и VT3 — приот­крываются. Высокий потенциал с коллекто­ра VT3 поступает на базу транзистора VT5, последний закрывает­ся вместе с транзисто­ром VT6, на выходе Q появляется высокий потенциал, соответ­ствующий сигналу 1,и реле срабатывает.

Реле имеет два вы­хода: прямой Q, при использовании кото­рого оно выполняет роль максимального реле, и инверсный Q на выходе инвертора L, при использовании которого получим ми­нимальное реле. Возврат реле в исходное состояние происходит при напряжении U_x(t) – U_возr Необходимый коэффициент возврата К_воз = U_воз//U_cр обеспечивается подбором сопротивления резистора обратной связи R_oc. Уставку срабатывания реле можно регулировать резистором R1. Диоды VD1 и VD2 служат для защиты эмиттерных переходов тран­зисторов VT1 и VT2 от недопустимых напряжениях на входе НИ.

18. Реле напряжения (тока) на интегральных элементах. Все большее применение в защитах находят интегральные микросхемы. В комп­лект многих типовых устройств релейной защиты входит измеритель­ный орган тока (напряжения), выполненный в виде времяимпульсной схемы с операционными усилителями, приведенный на рис. 2.30, а. Входной сигнал поступает на первичную обмотку согласующего транс­форматора TL, которая для реле тока и реле напряжения имеет разное число витков разного сечения. В узле реле тока первичная обмотка трансформатора TL (TLA) включается во вторичную цепь трансформа­тора тока, а в узле реле напряжения — первичная обмотка трансформа­тора TL (TLV) включается во вторичную обмотку трансформатора напряжения. Входной сигнал выпрямляется двух полупериодным выпрямителем VD1, но не сглаживается. Поэтому напряжение на выходе выпрямителя VD1 имеет вид полуволн (рис. 2.30, б).

В схеме, приведенной на рис. 2.30, а потенциалы всех точек отсчитываются от потенциала шинки 0, который принимается равным нулю. Напряжение U₁ равно разности потенциалов между положи­тельным выводом выпрямителя VD1 и шинкой 0. Оно подается на инверсный вход операционного усилителя, на прямом входе которо­го уже подано опорное напряжение U_о1. Потенциал прямого входа относительно шинки 0 положителен, а его величина определяется ре­гулировкой резисторов R1 и R2. Если напряжение отсутствует или соблюдается соотношение < U/_ol, где U_1m — амплитудное значе­ние напряжения , то на выходе операционного усилителя А1 напря­жение U₂ положительно и по величине практически равно +Е_П. При возрастании C/j, как только начинает соблюдаться условие > U₀₁, операционный усилитель А1 переключается и на его выходе напря­жение U₂ изменяет свой знак (рис. 2.30, в).

При подаче положительного напряжения заряжается конденса­тор С через резистор R3. При отрицательном значении напряжения конденсатор перезаряжается через параллельно включенные сопротив­ления R3 и R4 (диод VD2 при отрицательном значении напряжения открывается). Поскольку параллельно конденсатору С включен двусто­ронний стабилитрон VD3, то положительное напряжение на конденса­торе не может превысить значения +U_CT, а отрицательное не может быть больше -U_CT, где — напряжение стабилизации стабилитро­на (рис. 2.30, г). Интервал времени (см. рис. 2.30, 6) соответствует дли­тельности соблюдения условия U_1m U_Q1\- В течение этого времени напря­жение на конденсаторе С снижается, а в остальное время—возрастает.

Напряжение поступает на инверсный вход операционного уси­лителя А2. При условии U_1m < U₀₁ напряжение имеет положи­тельный знак, следовательно, напряжение U_ВЬ1Х на выходе операцион­ного усилителя А2 имеет отрицательную величину, почти равную -Е_п (рис. 2.30, д). При этом опорное напряжение U_o2 также отрицательное. Такое положение соответствует исходному (несработавшему) состоя­нию измерительного органа. При условии U_1m > U_о1 напряжение в момент времени t_Q станет более отрицательным (из-за пилообразной формы), чем опорное напряжение -U_o2. Это вызывает переключение операционного усилителя А2 и изменение знака выходного напряже­ние U_BbIX (см. рис. 2.30, а). Положительное значение U_вых соответствует сработавшему состоянию измерительного органа. Положительному значению U_вых соответствует и положительное значение опорного напряжения +U₀₂ (рис. 2.30, г). До тех пор, пока соблюдается U^_m > U_ol, положительные значения напряжения ока­зываются меньше опорного напряжения + U_o2 и операционный уси­литель А2 обратно не переключается, сохраняя на выходе положи­тельное значение U_вых (рис. 2.30, д). Возврат измерительного органа в исходное положение произойдет при условии U_1m < U₀₁.

Напряжение U_BbIX управляет транзистором VT. При отрицатель­ном значении этого напряжения транзистор VT закрыт, а при поло­жительном — открывается, после чего срабатывает промежуточное реле KL. Одновременно загорается светодиод VD6, выполняющий роль указательного реле (с самовозвратом), сигнализируя о сраба­тывании измерительного органа.

Рассмотренный измерительный орган лежит в основе статичес­ких реле тока серии РСТ-11...РСТ-14 и реле напряжения серии РСН-14...РСН17. Коэффициент возврата этих реле не менее 0,9, а время срабатывания — не более 60 мс.