Глава 5

РЕЛЕЙНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА. РЕЛЕ ВРЕМЕНИ. ПРОГРАММНЫЕ УСТРОЙСТВА

5.1. КОНТАКТНЫЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Эти переключающие устройства представляют различные механические конструкции, принцип работы которых основан на соприкосновении и разведении контактов. В зависимости от геометрической формы различают точечные, линейные и плос-

костные контакты. К контактам предъявляются следующие основные требования: надежность соединения электрических цепей, отсутствие вибрации, долговечность работы, малое переходное сопротивление и стойкость против внешних возмущений (влияний). В работе контактов различают замкнутое состояние, процесс размыкания контактов, разомкнутое состояние и процесс замыкания.

Замкнутое состояние контактов характеризуется прижатием двух контактных тел друг к другу с некоторым усилием, которое гарантирует надежность соединения электрических цепей.

Процесс размыкания контактов является наиболее тяжелым этапом работы, так как при разведении контактов протекают различные физические явления, которые ограничивают срок их службы. Так, в начальный момент размыкания между контактами возникает жидкий мостик из расплавленного металла контактов. При этом часть расплавленного металла переносится на отрицательный электрод, тем самым нарушается гладкость поверхностей контактов. Главной же причиной износа контактов является их обгорание. Если цепь управления включает в себя, кроме активного сопротивления, и индуктивное, то в момент размыкания контактов, находящихся под напряжением, между ними образуется газовый разряд в виде искры. Величина этого разряда пропорциональна величине тока в разрываемой цепи. Процесс замыкания контактов также характеризуется искрообразованием, но в меньшей степени, так как возникающие экстратоки замыкания направлены навстречу току цепи управления, тем самым уменьшая его численное значение.

Для увеличения срока службы контактов их изготовляют из специальных сплавов металлов, а в цепь управления включают искрогасящие устройства (см. рис. 3.9, в, г).

Выбор контактного переключающего устройства производят с учетом вида тока, напряжения и мощности, а также в зависимости от состояния окружающей среды.

Контактные переключающие устройства представляют собой самые разнообразные конструкции, простейшими из которых являются рубильники, пакетные выключатели, универсальные и барабанные переключатели.

В автоматических системах применяются главным образом контакторы, магнитные пускатели, различные кнопки управления, командоконтроллеры, пакетные выключатели.

Главным достоинством контактных переключающих устройств является простота конструкции и возможность управления электрическими цепями большой мощности. К числу недостатков относятся ограниченный срок службы (число срабатываний в среднем составляет 10⁶ раз) и невысокий ритм работы (300...500 срабатываний.в час).

5.2. Электронные переключающие устройства

В промышленной автоматике все большее применение находят различные электронные переключающие устройства, которые обладают рядом положительных свойств: отсутствием контактов, что определяет большой срок службы, быстротой срабатывания, высоким ритмом работы и т. д.

Транзисторное переключающее устройство. Это устройство представляет собой двухкаскадный усилитель с глубокой положительной обратной связью (рис. 5.1,а). Положительная об-

Рис. 5.1 Электронные переключающие устройства

ратная связь между транзисторами VT1 и VT2 осуществляется через резистор R1, который включен в цепь эмиттера. При отсутствии сигнала управления U_вх=0 VT1 закрыт, и VT2 открыт и выходной сигнал U_вых; имеет минимальное значение

(U_вых→min).

При подаче на вход VT1 сигнала управления отрицательной полярности он открывается, a VT2 запирается и на выходе появляется напряжение U_вых, которое равно источнику питания E_см. При уменьшении сигнала управления U_вх до определенного значения VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается, при этом U_вых→0, в результате чего схема возвращается в исходное состояние.

Статический триггер. На рис. 5.1,б показана принципиальная схема симметричного триггера, представляющая собой два

усилительных каскада VT1 и VT2 с одинаковыми параметрами. Он может работать в режиме раздельных входов и в режиме общего входа.

При работе в режиме раздельных входов переключение VT1 и VT2 производится подачей импульсов поочередно на Bx1 и Вх2 или подачей импульсов изменяющейся полярности на один из входов.

В исходном состоянии один из транзисторов VT1 или VT2 закрыт. Например, если VT2 закрыт, то напряжение U_BbIX на его коллекторе близко к напряжению питания E_СМ- При этом транзистор VT1 откроется, так как на его базу подан отрицательный потенциал через перекрестную связь от транзистора VT2 и на выходе VT1 имеется минимальное значение выходного напряжения U_BbIX.

При подаче на вход Bx1 управляющего положительного импульса VT1 закроется, a VT2 откроется, т. е. имеет место переключение цепей управления. Следует отметить, что время переключения составляет миллисекунды.

Тиристорный переключатель. Эти переключающие устройства применяются при управлении цепями большой мощности. На рис. 5.1, в приведена схема такого тиристорного переключателя. При отсутствии на входе логического элемента U — НЕ напряжения U_вх=0 оптрон VT1 закрыт и ток нагрузки Я_я=0. При подаче на вход U_вх положительного потенциала (логическая 1) открывается VT1, который открывает тиристор VT2, включенный в диагональ моста выпрямителя В последовательно с нагрузкой, и по нагрузке R_H протекает ток. При снятии сигнала управления (U_вх=0) ток в нагрузке будет протекать до окончания длительности полупериода переменного напряжения (¬220 В), так как фотодинистор VT1 закроется при значении напряжения равном нулю.

Управление тиристорами можно производить и при помощи конденсатора С1 и диода VD1. На рис. 5.1, г приведена эта схема управления. При положительной фазе переменного напряжения питания U_B и подаче тока сигнала управления на управляющий электрод тиристора VT1 он открывается и по нагрузке R_H потечет ток. Одновременно при этом заряжается конденсатор С1 через диод VD1. При отрицательной фазе переменного напряжения VT1 отключится, но включится тиристор VT2 за счет разряда конденсатора через резистор R1. Таким образом по нагрузке будет постоянно протекать переменный ток.

Фотоэлектрические переключающие устройства. В качестве фотоэлектрического переключающего устройства обычно применяют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие полупроводниковые фотоэлементы. Они преобразуют световой поток в изменение своего сопротивления или генерируют собственную ЭДС (рис. 5.2).

На рис. 5.2, α показана схема фотореле с фоторезистором BLR и реле К1 и К2, которые срабатывают при освещении BLR. В электрическую цепь фоторезистора включена обмотка реле К1. Это реле является промежуточным усилителем. Оно управляет мощным выходным реле К2. При затемнении BLR его сопротивление велико, поэтому ток в цепи катушки реле К1 мал и реле К1 находится в исходном состоянии. При освещении BLR его сопротивление резко падает (в десятки и сотни раз), что приводит к возрастанию тока в цепи катушки реле К1 и

Рис. 5.2. Схемы фотореле

оно срабатывает, а его контакт К1 в цепи реле К2 включает реле К2, которое тоже срабатывает.

В схеме фотореле с фотодиодом (рис. 5.2, б) в качестве промежуточного усилителя применен полупроводниковый усилитель на транзисторе VT, в коллекторную цепь которого включена катушка выходного реле К. При затемнении фотодиода BLD, включенного в цепь в непроводящем направлении, его сопротивление велико и транзистор VT заперт. При освещении фотодиода его сопротивление в непроводящем направлении уменьшается во много раз, что обусловливает возникновение тока в цепи базы и транзистор отпирается, возникающий ток в цепи коллектора обеспечивает срабатывание выходного реле К. Диод VD защищает транзистор VT от перенапряжений при его запирании.